CN108267778B - 一种地层速度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地层速度测试系统及测试方法，包括高能量电火花震源、地面检波器若干、接收大线1根～2根、地震仪以及触发计时装置。发明采用高能量电火花在孔中激发，在地面用多个检波器线性排列来接收地震波的波速测试系统。该测试系统激发能量强，主频高，多道接收纵波初至容易分辨，采用共激发点、共接收交互拾取初至的方式精细拾取纵横波初至时间，采用层析反演的方法获取速度精度高。不仅适用于土层，同样适用于岩层，而且获取的地层速度准确较为可靠，近似于原位波速测试。

Description

一种地层速度测试方法

技术领域

本发明涉及工程勘察技术领域，尤其是一种地层速度测试系统及测试方法。

背景技术

目前的工程勘察过程中，通过测定不同岩、土体纵波及横波的传播速度，以此为基础计算出一系列的岩、土体力学参数，据此判定岩、土层的工程性质，为抗震设计及安全评估提供可靠的科学依据。目前比较常见的测试方法现状如下：

1.传统检层法测试

检层法是一种较为常用的波速测试方法，可以测试土层和岩石的波速。采用地面激发以产生弹性波，孔内由检波器接收弹性波。此方法的缺陷是，震源一般为大锤，只适合于地面作业，而且锤击能量小，主频低，加上近地面吸收，能量消弱迅速，造成初至波不清晰，绝大多数时候难以获取准确纵波信息。另外，孔中探头拉拽及贴壁过程造成的孔中扰动，以及接收探头与孔壁耦合性差，会将衰减迅速的纵横波信号，尤其是纵波信号淹没在各种干扰信号中。

2.声波测井

受孔径变化影响大，孔径变化处速度不准确，主要适用于岩层。

3.超声波岩芯测试

需要取芯测试，完整岩石速度准确，破损的岩石速度不准确，不能测土体速度。

综上所述，第一种方法适用于土层和岩石，但是其测试横波速度相对容易，想得到高质量的纵波测试数据很困难，测试结果准确性很难保证，而第二种和第三种方法不适于土层，因此目前急需一种简便快捷的实用方法来解决这种难题。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种设计合理、操作简便、探测结果准确的适用于土层和岩石测试的地层速度测试系统及测试方法。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种地层速度测试系统，其特征在于：包括高能量电火花震源、地面检波器若干、接收大线1根～2根、地震仪以及触发计时装置，接收大线将各个地面检波器串连至地震仪，触发计时装置将高能电火花激发震源与地震仪相连。

而且，所述的地面检波器为纵波检波器或横波检波器或三分量检波器。

而且，所述的地震仪为NZXP系列地震仪。

一种地层速度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴.将第一个地面检波器布设于离孔口1米处，其余地面检波器沿某一固定方向等间距向远离孔口方向布设，地面检波器道间距不大于1米，最大孔口偏移距离不小于8米；地面检波器垂直插入地层，尽量插深或埋深，以减少地面扰动干扰，所有地面检波器保持与孔口在一条直线上，记录各检波点离孔口的水平距离；

⑵.用接收大线将各个地面检波器串连至地震仪；

⑶.将高能量电火花震源探头放入钻孔孔底最深处，记录激发探头的深度；

⑷.用触发计时装置将高能电火花激发震源与地震仪相连，准备采集；

⑸.高能量电火花震源激发能量，地震仪采集地震波信号，采用多次垂直叠加的方式提高初至波信号的质量，直至各道初至信号清晰，然后保存地震波信号；

⑹.将高能量电火花震源探头向上提一定距离△h，重复步骤⑸，直至将高能量电火花震源探头提升至地面为止；

⑺.将各激发地震记录按从浅至深的顺序合并为一个整体segy数据文件，并将测试系统的详细参数写入segy数据道头；

⑻.共激发点道集、共检波点道集交互拾取初至时间，不同道集之间往复切换，以达到初至时间精细拾取的目的；

⑼.剔除异常初至时间，假设地下地层为水平层状，将其余初至时间均校正为垂直时间；

⑽.根据相邻激发点垂直时间差的平均值求取初始速度v₀；

⑾.采用层析反演的方法计算各深度的精确速度v；

⑿.采用LoggingD软件绘制地层的速度-深度曲线，根据速度差异进行分层，获取各层速度值。

而且，步骤⑼所述的将初至时间校正为垂直时间的计算公式如下：

t'＝t×h/sqrt(h²+x²)

式中：t'—垂直时间(s)；t—初至时间(s)；h—激发点孔深(m)；x—检波器距孔口的距离(m)。

而且，步骤⑽所述的激发点对应深度的初始速度公式为：

式中：ν₀(h)—深度h的初始波速(m/s)；△h—井中相邻激发点垂直间距(m)；△t'—相邻激发点的垂直时间差(s)；

而且，步骤⑾所述层析反演步骤如下：

①通过初始波速ν₀(h)建立水平层状速度模型v(z)，z为垂直深度；

②计算各检波点至各激发点的理论旅行时间t_c，计算公式如下；

式中：R_v—射线路径，它是速度v(z)的函数；ds—沿射线路径R_v的距离增量；

③计算走时残差δt＝t-t_c；

④若走时残差δt满足收敛条件则直接跳至⑧，若不满足收敛条件则进行第⑤步；

⑤计算Jacobi矩阵A，建立反演方程Aδv＝δt；

⑥解方程求取速度修正量δv；

⑦修改模型v(z)＝v(z)+δv，返回第②步；

⑧输出速度v(z)。

本发明的优点和积极效果是：

常规检层法波速测试，如果场地地层分布不均，部分地层有夹层、互层现象，对于此类地层要快速判别场地地层速度，常规方法就会凸显不足，其单次测试值往往离散性较大，如要提高测试精度，就应进行同一钻孔的重复测试，求得测试统计值；另外在现场很难及时鉴别单一检波道在有噪声的情况下的初至纵横波的好坏。本发明采用多道同时接收，现场对初至波的质量一目了然，如发现接收记录波形不完整或无法判读，可立即重做直至正常。

本发明采用高能量电火花在孔中激发，在地面用多个检波器线性排列来接收地震波的波速测试系统。该测试系统激发能量强，主频高，多道接收纵横波的初至容易分辨，采用共激发点共接收交互拾取初至的方式精细拾取纵横波初至时间，采用层析反演的方法获取速度精度高。不仅适用于土层，同样适用于岩层，而且获取的地层速度准确可靠，近似于原位波速测试。

本发明的技术创新点在于：电火花震源能量大，且能够同时激发纵横波信号；地面检波器与地面耦合效果好，信号强，且能够避开沿孔液传播的直达波的干扰；多道接收容易识别初至纵横波同相轴，且能够更为精确读取初至时间；采用层析反演的方法获取的速度比常规检层法精度高；设备重量适中，操作简单；电火花震源的电极是一根同轴电缆，不容易卡在管内；获取的地层速度可信度高，受孔径影响小。

附图说明

图1是本发明的使用示意图。

图2是本发明的层析反演流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种地层速度测试系统，包括高能量电火花震源、地面检波器若干、接收大线1根～2根、地震仪以及触发计时装置，所述的地震仪为NZXP系列地震仪。所述的地面检波器为纵波检波器或横波检波器或三分量检波器。纵波检波器测试得到的结果为地层纵波速度，横波检波器测试得到的结果为地层横波速度，三分量检波器时能够同时得到地层的纵横波速度。接收大线将各个地面检波器串连至地震仪，触发计时装置将高能电火花激发震源与地震仪相连。

一种地层速度测试方法，包括以下步骤：

⑴.将第一个地面检波器布设于离孔口1米处，其余地面检波器沿某一固定方向等间距向远离孔口方向布设，地面检波器道间距不大于1米，最大孔口偏移距离不小于8米；地面检波器垂直插入地层，尽量插深或埋深，以减少地面扰动干扰，所有地面检波器保持与孔口在一条直线上，记录各检波点离孔口的水平距离；

⑵.用接收大线将各个地面检波器串连至地震仪；

⑶.将高能量电火花震源探头放入钻孔孔底最深处，记录激发探头的深度；

⑷.用触发计时装置将高能电火花激发震源与地震仪相连，准备采集；

⑸.高能量电火花震源激发能量，地震仪采集地震波信号，采用多次垂直叠加的方式提高初至波信号的质量，直至各道初至信号清晰，然后保存地震波信号；

⑹.将高能量电火花震源探头向上提一定距离△h，重复步骤⑸，直至将高能量电火花震源探头提升至地面为止；

⑺.将各激发地震记录按从浅至深的顺序合并为一个整体segy数据文件，并将测试系统的详细参数写入segy数据道头；

⑻.共激发点道集、共检波点道集交互拾取初至时间，不同道集之间往复切换，以达到初至时间精细拾取的目的；

⑼.剔除异常初至时间，假设地下地层为水平层状，将其余初至时间均校正为垂直时间；

单孔检层法测试时，由于检波器离孔口尚有一定距离，所以计算测段内地层波速时需将初至时间校正为垂直时间，计算公式如下：

t'＝t×h/sqrt(h²+x²)

式中：t'—垂直时间(s)；t—初至时间(s)；h—激发点孔深(m)；x—检波器距孔口的距离(m)；

⑽.根据相邻激发点垂直时间差的平均值求取初始速度v₀；计算公式如下：

式中：ν₀(h)—深度h的初始波速(m/s)；△h—井中相邻激发点垂直间距(m)；△t'—相邻激发点的垂直时间差(s)；

⑾.采用层析反演的方法计算各深度的精确速度v，层析反演步骤如下：

①通过初始波速ν₀(h)建立水平层状速度模型v(z)，z为垂直深度；

②计算各检波点至各激发点的理论旅行时间t_c，计算公式如下；

式中：R_v—射线路径，它是速度v(z)的函数；ds—沿射线路径R_v的距离增量；

③计算走时残差δt＝t-t_c；

④若走时残差δt满足收敛条件则直接跳至⑧，若不满足收敛条件则进行第⑤步；

⑤计算Jacobi矩阵A，建立反演方程Aδv＝δt；

⑥解方程求取速度修正量δv；

⑦修改模型v(z)＝v(z)+δv，返回第②步；

⑧输出速度v(z)。

⑿.采用LoggingD软件绘制地层的速度-深度曲线，根据速度差异进行分层，获取各层速度值。

以上测试方法以纵波检波器为例，横波检波器和三分量检波器测试方法与纵波基本一致，不再赘述。

Claims (4)

1.一种地层速度测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴.将第一个地面检波器布设于离孔口1米处，其余地面检波器沿某一固定方向等间距向远离孔口方向布设，地面检波器道间距不大于1米，最大孔口偏移距离不小于8米；地面检波器垂直插入地层，尽量插深或埋深，以减少地面扰动干扰，所有地面检波器保持与孔口在一条直线上，记录各检波点离孔口的水平距离；

⑵.用接收大线将各个地面检波器串连至地震仪；

⑶.将高能量电火花震源探头放入钻孔孔底最深处，记录激发探头的深度；

⑷.用触发计时装置将高能电火花激发震源与地震仪相连，准备采集；

⑸.高能量电火花震源激发能量，地震仪采集地震波信号，采用多次垂直叠加的方式提高初至波信号的质量，直至各道初至信号清晰，然后保存地震波信号；

⑹.将高能量电火花震源探头向上提一定距离△h，重复步骤⑸，直至将高能量电火花震源探头提升至地面为止；

⑺.将各激发地震记录按从浅至深的顺序合并为一个整体segy数据文件，并将测试系统的详细参数写入segy数据道头；

⑻.共激发点道集、共检波点道集交互拾取初至时间，不同道集之间往复切换，以达到初至时间精细拾取的目的；

⑼.剔除异常初至时间，假设地下地层为水平层状，将其余初至时间均校正为垂直时间；

⑽.根据相邻激发点垂直时间差的平均值求取初始速度v₀；

⑾.采用层析反演的方法计算各深度的精确速度v；

⑿.采用LoggingD软件绘制地层的速度-深度曲线，根据速度差异进行分层，获取各层速度值。

2.根据权利要求1所述的一种地层速度测试方法，其特征在于：步骤⑼所述的将初至时间校正为垂直时间的计算公式如下：

t'＝t×h/sqrt(h²+x²)

式中：t'—垂直时间，s；t—初至时间，s；h—激发点孔深，m；x—检波器距孔口的距离，m。

3.根据权利要求1所述的一种地层速度测试方法，其特征在于：步骤⑽所述的激发点对应深度的初始速度公式为：

式中：ν₀(h)—深度h的初始波速，m/s；△h—井中相邻激发点垂直间距，m；△t'—相邻激发点的垂直时间差，s。

4.根据权利要求3所述的一种地层速度测试方法，其特征在于：步骤⑾所述层析反演步骤如下：

①通过初始波速ν₀(h)建立水平层状速度模型v(z)，z为垂直深度；

②计算各检波点至各激发点的理论旅行时间t_c，计算公式如下；

式中：R_v—射线路径，它是速度v(z)的函数；ds—沿射线路径R_v的距离增量；

③计算走时残差δt＝t-t_c；

④若走时残差δt满足收敛条件则直接跳至⑧，若不满足收敛条件则进行第⑤步；

⑤计算Jacobi矩阵A，建立反演方程Aδv＝δt；

⑥解方程求取速度修正量δv；

⑦修改模型v(z)＝v(z)+δv，返回第②步；

⑧输出速度v(z)。