CN108318919A

CN108318919A - 一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统及方法

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Publication number: CN108318919A
Application number: CN201810114737.4A
Authority: CN
Inventors: 李金丽; 曲英铭; 刘建勋; 姜春香; 岳航羽
Original assignee: Qingdao Zhiyong New Material Technology Co ltd; Institute of Geophysical and Geochemical Exploration of CAGS
Current assignee: Qingdao Zhiyong New Material Technology Co ltd; Institute of Geophysical and Geochemical Exploration of CAGS
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2018-07-24
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: CN108318919B

Abstract

本发明公开了一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计的系统及方法，属于石油地球物理勘探技术领域；本发明设计了两种动态参数的可控震源非线性扫描信号，两种信号可以基于不同的地质目标，通过调节动态参数实现地震波优势频带的补偿。采用衰减介质模型对两种非线性扫描信号进行可控震源黏声正演模拟测试和分析，测试不同参数非线性扫描信号对谐波干扰的影响。通过测试发现，本发明基于不同的地质目标，通过调节动态参数实现优势频带补偿，在衰减介质中，采用本发明提出的两种非线性扫描信号通过调整动态参数可以较好地压制谐波干扰。

Description

一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统及方法

技术领域

本发明属于石油勘探领域，具体涉及一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统及方法。

背景技术

可控震源采集信号能量受到可控震源车吨位的限制，为此在输出能量一定的情况下，如何设计高效且易于施工的扫描信号至关重要。目前，常见的可控震源信号大致分为：线性扫描信号、非线性扫描信号、伪随机扫描信号。其中，线性扫描信号利于控制且频带宽度较大，是野外普遍使用的扫描信号；非线性扫描信号能够整形振幅谱，达到补偿高频的目的，对高频地震勘探具有重要意义；伪随机扫描性信号的子波旁瓣最小，有利于提高采集数据的分辨率。实际勘探中，还应该通过选择合适可控震源扫描信号参数，以满足不同探区对采集资料品质的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统，包括二次多项式动态参数扫描信号设计模块、指数动态参数扫描信号设计模块、可控震源黏声正演模块、二次多项式动态参数扫描信号正演模拟与分析模块、指数动态参数扫描信号正演模拟与分析模块以及动态参数扫描信号对谐波干扰影响模块；

二次多项式动态参数扫描信号设计模块，被配置为用于对二次多项式动态参数扫描信号进行设计；

指数动态参数扫描信号设计模块，被配置为用于对指数动态参数扫描信号进行设计；

可控震源黏声正演模块，被配置为用于对线性扫描信号进行可控震源黏声正演模拟；

二次多项式动态参数扫描信号正演模拟与分析模块，被配置为用于对二次多项式动态参数扫描信号的可控震源进行正演模拟测试和效果分析；

指数动态参数扫描信号正演模拟与分析模块，被配置为用于指数动态参数扫描信号的可控震源进行正演模拟测试和频带补偿效果分析；

动态参数扫描信号对谐波干扰影响模块，被配置为用于在指数动态参数扫描信号和二次多项式动态参数扫描信号正演模拟中加入谐波，测试指数动态参数扫描信号和二次多项式动态参数扫描信号对谐波干扰的影响。

此外，本发明还提到一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计方法，该方法采用如上所述的一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统，包括如下步骤：

步骤1：通过二次多项式动态参数扫描信号设计模块，设计二次多项式动态参数扫描信号，其表达式如公式(5)所示；

a≥1或a≤-1 (5)；

其中，f₁和f₂分别表示起始频率和终止频率，T为扫描周期，a为动态参数；

步骤2：通过指数动态参数扫描信号设计模块，设计指数动态参数扫描信号，其表达式如公式(6)所示；

步骤3：通过可控震源黏声正演模块，对线性扫描信号进行可控震源黏声正演模拟，二维黏滞声波方程为：

其中，P表示为压力场，τ_σl和τ_εl分别表示为弛豫时间常数，G_R表示弛豫模量；L代表标准线性体的个数，r_l表示记忆变量，v_x和v_z分别为水平分量和垂直分量的速度；

步骤4：通过二次多项式动态参数扫描信号正演模拟与分析模块，测试二次多项式动态参数扫描信号对地震波高频或者低频的补偿效果，测试参数为：起始频率为5Hz，终止频率为80Hz，扫描长度为12s，动态参数a分别取a＝1，a＝2，a＝-1，a＝-2；

步骤5：通过指数动态参数扫描信号正演模拟与分析模块，测试指数动态参数扫描信号对地震波不同频率成分的补偿效果，测试参数为：起始频率为5Hz，终止频率为80Hz，扫描长度为12s，动态参数a分别取a＝0，a＝0.2，a＝0.5，a＝0.7，a＝1；

步骤6：通过动态参数扫描信号对谐波干扰影响模块，在正演模拟中加入二阶谐波和三阶谐波，测试动态参数扫描信号对谐波干扰的影响。

优选地，在步骤1中，二次多项式动态参数扫描信号公式(5)的推导过程如下：

首先，设计瞬时频率的两个二次多项式：

分别对上式进行求导：

其中，F′_{1_1}(t)的斜率为F₁'_{_2}(t)的斜率为由此可知，瞬时频率 F_{1_1}(t)的增加速度越来越快，表示低频补偿；瞬时频率F_{1_2}(t)的增加速度越来越慢，表示高频补偿；根据公式(1)和(2)，引入动态参数a，实现二次多项式动态参数扫描信号设计，通过调节a，可实现对高频或者低频进行动态补偿；

二次多项式动态参数扫描信号F₁(t)满足如下几个条件：

(5)F₁(t)_max＝F₁(T)＝f₂；

(6)F₁(t)_min＝F₁(0)＝f₁；

(7)当a>0时，F′_{1_1}(t)单调递增；

(8)当a<0时，F′_{1_2}(t)单调递减；

根据以上四个条件并结合公式(1)和(2)，可推导出二次多项式动态参数扫描信号公式 (5)。

优选地，在步骤3中，二维黏滞声波方程中，为了方便求解，将二阶导数进行降阶处理，转化为一阶函数求导，从而提高了正演模拟的精度，且引入的辅助微分算子如下所示：

本发明所带来的有益技术效果：

本发明设计了两种动态参数的可控震源非线性扫描信号：二次多项式动态参数扫描信号和指数动态参数扫描信号；采用可控震源黏声正演模块进行测试与分析，通过调整参数，二次多项式动态参数扫描信号可实现高频或者低频补偿，而指数动态参数扫描信号不仅可以补偿高频或者低频，也可以基于地质目标实现中间频带的加强；当补偿高频成分时，能够在一定程度上补偿在地层衰减中的高频能量，可拓宽频带；当补偿低频成分时，分辨率降低，但因高频成分能量少，造成的衰减较少，因此深部反射能量相对更强，有利于在衰减比较严重的区域进行深层勘探，且对低频进行补偿后，地震记录的信噪比得到了一定的提升；低频补偿的非线性扫描信号可以很大程度上压制谐波噪音，提高地震资料的分辨率，在实际工区中，不同地区的地质构造和地质目标不同，造成了非线性扫描信号的需求不同，因此本论文提出的两种动态参数的非线性扫描信号具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计方法的流程图；

图2为二次多项式动态参数扫描信号与线性升频扫描信号瞬时频率对比图；

图3为指数动态参数扫描信号与线性升频扫描信号瞬时频率对比图；

图4为线性升频扫描信号及频谱图，(a)为线性升频扫描信号，(b)为频谱图；

图5为正演模拟的速度模型与品质因子模型，(a)为速度模型，(b)为品质因子模型；

图6为线性扫描信号可控震源正演模拟炮记录；(a)为声波介质正演模拟得到的炮记录， (b)为黏声介质正演模拟得到的炮记录。

图7为从炮记录图(6)中抽取的第151道波形图，(a)全局图，(b)局部放大图；

图8为从炮记录图(6)中抽取的第151道频谱图；

图9为二次多项式动态参数扫描信号，(a)参数a＝1的扫描信号，(b)参数a＝-1的扫描信号，(c)参数a＝2的扫描信号，(d)参数a＝-2的扫描信号；

图10为二次多项式动态参数扫描信号的频谱图，(a)参数a＝1的扫描信号频谱图，(b) 参数a＝-1的扫描信号频谱图，(c)参数a＝2的扫描信号频谱图，(d)参数a＝-2的扫描信号频谱图；

图11为二次多项式动态参数扫描信号可控震源正演模拟炮记录，(a)参数a＝1，(b)参数a＝-1，(c)参数a＝2，(d)参数a＝-2；

图12为从图11炮记录中抽取的第120道单道记录，(a)参数a＝1，(b)参数a＝-1，(c) 参数a＝2，(d)参数a＝-2；

图13为指数动态参数扫描信号可控震源正演模拟炮记录，(a)参数a＝0，(b)参数a＝0.2， (c)参数a＝0.5，(d)参数a＝0.7，(e)参数a＝1；

图14为从图13炮记录中抽取的第120道单道记录，(a)参数a＝0，(b)参数a＝0.2，(c) 参数a＝0.5，(d)参数a＝0.7，(e)参数a＝1；

图15为指数动态参数扫描信号得到的包含谐波干扰的可控震源炮记录(a1-e1)与谐波干扰(a2-e2)，(a1,a2)中参数a＝0，(b1,b2)中参数a＝0.2，(c1,c2)中参数a＝0.5，(d1,d2) 中参数a＝0.7，(e1,e2)中参数a＝1；

图16为从图15(a2-e2)炮记录中抽取的第150道的单道记录，(a)参数a＝0，(b)参数a＝0.2，(c)参数a＝0.5，(d)参数a＝0.7，(e)参数a＝1；

图17为本发明的实施方式中一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图17所示，一种基于动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统，包括二次多项式动态参数扫描信号设计模块、指数动态参数扫描信号设计模块、可控震源黏声正演模块、二次多项式动态参数扫描信号正演模拟与分析模块、指数动态参数扫描信号正演模拟与分析模块以及动态参数扫描信号对谐波干扰影响模块；

实施例2

在上述实施例的基础上，本发明还提到一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计方法，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1：通过二次多项式动态参数扫描信号设计模块，设计含有动态参数的二次多项式非线性扫描信号，其表达式如公式(5)所示；

a≥1或a≤-1 (5)；

二次多项式动态参数扫描信号公式(5)的推导过程如下：

首先，设计瞬时频率的两个二次多项式：

分别对上式进行求导：

其中，F₁'_{_1}(t)的斜率为F₁'_{_2}(t)的斜率为由此可知，瞬时频率 F_{1_1}(t)的增加速度越来越快，表示低频补偿；瞬时频率F_{1_2}(t)的增加速度越来越慢，表示高频补偿；根据公式(1)和(2)，引入动态参数a，实现二次多项式动态参数扫描信号设计，通过调节a，可实现对可控震源产生的地震波的低频或高频进行动态补偿；

二次多项式动态参数扫描信号F₁(t)满足如下几个条件：

(9)F₁(t)_max＝F₁(T)＝f₂；

(10)F₁(t)_min＝F₁(0)＝f₁；

(11)当a>0时，F′_{1_1}(t)单调递增；

(12)当a<0时，F′_{1_2}(t)单调递减；

步骤2：通过指数动态参数扫描信号设计模块，设计含有动态参数的指数非线性扫描信号，其表达式如公式(6)所示；

在步骤3中，二维黏滞声波方程中，为了方便求解，将二阶导数进行降阶处理，转化为一阶函数求导，从而提高了正演模拟的精度，且引入的辅助微分算子如下所示：

本发明设计的二次多项式动态参数扫描信号，通过调整参数的值，可实现对地震波的低频或高频进行补偿。测试参数如下所示：起始频率为5Hz，终止频率为80Hz，扫描长度为 12s。动态参数分别取a＝1；a＝-1；a＝-2；a＝2，不同动态参数的扫描信号和线性信号的瞬时频率随时间变化的关系如图2所示。当a＝1时，低频区域瞬时频率增加较快，高频区域频率增加较慢，对高频成分进行大量补偿；当a＝2时，瞬时频率介于a＝1与线性升频扫描信号之间，对高频成分进行少量补偿；当a＝-1时，低频区域瞬时频率增加较慢，高频区域频率增加较快，对低频成分进行大量补偿；当a＝-2时，瞬时频率介于a＝-1与线性升频扫描信号之间，对低频成分进行少量补偿。为了保证信号为升频信号，需要满足a≥1或a≤-1。

本发明设计的指数动态参数的扫描信号，通过调整参数的值，可实现对地震波的低频、中频和高频的补偿。测试参数如下所示：起始频率为5Hz，终止频率为80Hz，扫描长度为12 s。动态参数分别取a＝0，a＝0.2，a＝0.5，a＝0.7，a＝1，不同动态参数的扫描信号和线性信号的瞬时频率随时间变化的关系如图3所示；分别取a＝0，a＝0.2，a＝0.5，a＝0.7，a＝1以及线性信号的瞬时频率随时间变化的关系如图3所示。当a＝0和a＝0.2时补偿高频，当a＝1时补偿低频，当 a＝0.5补偿25Hz-50Hz频率部分，当a＝0.7补偿15Hz-35Hz频率部分。

本发明一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计方法，首先采用线性升频扫描信号对可控震源黏声正演模拟进行试算。起始频率为5Hz，终止频率为80Hz，扫描长度为12s。扫描信号及频谱如图4所示。采用如图5所示的某工区的模型进行试算，其中图5a为速度模型，图5b为品质因子Q模型，模型大小为3835m×3335m，网格间距为5m。垂直方向的定向力源在地表(1000m，0m)位置激发，记录时间为2s，时间采样间隔为0.5ms，767 个检波器均匀地分布于地表处。为了进行对比，分别采用声波介质正演模拟与黏声介质正演模拟进行试算，得到相关后的地震记录如图6所示，其中，图6a为声波介质正演模拟得到的炮记录，图6b为黏声介质正演模拟得到的炮记录。从炮记录可以看出，经过互相关之后，可控震源正演模拟得到了与炸药震源正演模拟相似的炮记录。对比图6a和图6b，采用黏声介质正演模拟得到的炮记录的能量存在明显的衰减，为了更清楚地进行对比，抽取了第151道的波形曲线如图7a所示，图中黑色实线表示声波正演模拟得到的波形，黑色虚线表示黏声正演模拟得到的波形。从单道记录中可以看出，声介质中地震波的能量比黏声介质中强很多。当可控震源产生的地震波在衰减介质中传播时，地震波会随着传播的进行而衰减，而在地震波无衰减介质中传播时只存在几何扩散衰减，0.3s～1.2s的局部放大图也能够证明这一点，而且可以看出，衰减介质的影响也会造成一定的相位差异。图8为从炮记录图(6)中抽取的第151道频谱。

本发明采用二次多项式动态参数扫描信号对图5所示的黏声介质模型进行可控震源正演模拟测试。动态参数a分别取a＝1，a＝2，a＝-1，a＝-2。四种参数的扫描信号如图9所示。图 10为对应的二次多项式动态参数扫描信号的频谱。通过频谱图可以看到，图10a和10c都是对地震波传播中衰减比较厉害的高频成分进行补偿，不同的是当a＝1时，高频补偿明显(图 10a)，而当a＝2时，高频补偿没那么显著了。随着a的增大，高频补偿越来越小，当a趋近于正无穷时，该信号变为线性升频扫描信号，但实际上当a>10时，信号几乎就变成线性升频扫描信号了。同样，图10b和10d都是对低频能量进行加强，但是不同的是a＝-1(10b)的加强幅度比a＝-2(10d)大的很多，在10d中，频谱低频方向已经没有10b那么陡，随着a的减小，低频补偿越来越小，当a趋向负无穷小时，信号趋近线性信号。

采用上述四种动态参数扫描信号进行正演模拟，得到二次多项式动态参数扫描信号可控震源正演模拟炮记录如图11所示。从图11炮记录中抽取的第120道单道记录如图12所示。通过对不同振幅补偿方式的信号正演结果分析，可以看出，当能量从高频向低频转移时，主瓣分辨率有所降低，但是换来的是深层反射能量的增强。当能量从低频向高频转移时，主瓣分辨率提高，但是深层反射能量较弱，而且旁瓣能量较强，通过增加终止扫描处的斜坡长度可以减少旁瓣能量。对于某些特殊的勘探目的，比如浅层勘探，我们可以适当的补偿高频能量来提高分辨率；相反，当勘探目的层较深，补偿高平能量已经不能抵消越来越快的衰减作用，我们可以增加此时的优势频带，即衰减较少的低频成分的能量来实现我们的勘探目的。在选择参数时，根据地质目标同时兼顾深层反射能量、信噪比和分辨率，对于本工区模型，采用a＝-2时得到的地震记录(图11d)在分辨率上与线性扫描信号得到的炮记录(图6b)相当，但深层能量明显更高，因此，选择a＝-2时的二次多项式动态扫描信号更佳。

本发明对提出的指数动态参数扫描信号进行正演模拟与分析。同样采用图5所示的黏声模型进行测试，采用相同的扫描参数、正演模拟参数及观测系统。其中动态参数分别选用a＝0； a＝0.2；a＝0.5；a＝0.7；a＝1得到的可控震源相关后的地震记录如图13所示。抽取的120道的单道记录如图14所示。从图中可以看出，当选用a＝0；a＝0.2的高频补偿参数时，得到的地震记录(图13a，b和图14a，b)主瓣分辨率更高，旁瓣干扰也更明显，但深层反射能量稍弱；而采用a＝1的低频补偿参数时，信噪比更高，深部能量更强。当采用a＝0.5补偿25Hz-50Hz 频率部分的参数和采用a＝0.7补偿15Hz-35Hz频率部分的参数时，得到的炮记录(图13c，d) 更加接近于炸药震源得到的炮记录，波形曲线更加接近于雷克子波信号。当进行可控震源地震勘探时，可通过调整参数根据地质目标选择优势频带进行补偿。

本发明在正演模拟中加入谐波干扰，这里只加入二阶谐波和三阶谐波，采用两台震源车滑动扫描的采集方式，两台震源车之间的滑动时间为2s，通过滑动扫描谐波干扰特征可知，因为采用线性升频扫描信号，谐波出现在负时间轴上，因此只在第一炮上出现谐波干扰，而第二炮不受谐波干扰的污染，因此这里只展示了受到谐波干扰的第一炮的记录。图15(a1-e1) 所示的为指数动态扫描信号得到的包含谐波干扰的可控震源炮记录，图15(a2-e2)所示的为对应的谐波干扰。从图中，我们可以看出，随着参数a从0增大到1，频率从高频补偿到低频，谐波干扰的影响越来越弱。当参数a等于0，谐波干扰能量非常弱，几乎不对有效能量造成干扰。为了更清楚地展示，我们抽取了谐波干扰影响最大的零偏移距道的单道记录如图 16所示，从图中可以看出，随着补偿频率由高到低，谐波干扰的频率也逐渐变低，当采用参数a等于0时，几乎不存在谐波干扰。也可以在一定程度上证明，在黏弹性地质条件下，采用低频补偿的可控震源非线性扫描信号可以很好地压制谐波干扰。

本发明在常规线非线性扫描信号设计方法的基础上，引入了动态参数，实现了动态参数的可控震源非线性扫描信号设计。首先，基于瞬时频率的两个二次多项式，进行求导，引入动态参数a，实现了二次多项式动态参数的扫描信号设计，通过调节动态参数a，来实现动态高频或者低频补偿。针对可控震源地震勘探中，在某些特定目标区域，需要对中间频带区域进行补偿，设计了指数动态参数扫描信号；其次，分别采用线性升频扫描信号、二次多项式动态参数扫描信号和指数动态参数扫描信号进行可控震源正演模拟分析和测试，验证了本发明的有效性；最后在正演模拟中加入谐波干扰，通过测试不同参数非线性扫描信号对谐波干扰的影响，得出在衰减介质中，采用低频补偿的扫描信号可以较好地压制谐波干扰。因此，本实施方式提出的一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统及方法，相比于传统线性扫描信号，通过调整参数，二次多项式动态参数扫描信号可实现高频或者低频补偿，而指数动态参数扫描信号不仅可以补偿高频或者低频，也可以基于地质目标实现中间频带的加强。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统，其特征在于，包括二次多项式动态参数扫描信号设计模块、指数动态参数扫描信号设计模块、可控震源黏声正演模块、二次多项式动态参数扫描信号正演模拟与分析模块、指数动态参数扫描信号正演模拟与分析模块以及动态参数扫描信号对谐波干扰影响模块；

动态参数扫描信号对谐波干扰影响模块，被配置为用于在指数动态扫描信号和二次多项式动态扫描信号正演模拟中加入谐波，测试指数动态参数扫描信号和二次多项式动态参数扫描信号对谐波干扰的影响。

2.一种动态参数的可控震源非线性扫描信号设计方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的动态参数的可控震源非线性扫描信号设计系统，包括如下步骤：

步骤4：通过二次多项式动态参数扫描信号正演模拟与分析模块，测试二次多项式动态扫描信号对地震波高频或者低频的补偿效果，测试参数为：起始频率为5Hz，终止频率为80Hz，扫描长度为12s，动态参数a分别取a＝1，a＝2，a＝-1，a＝-2；

步骤5：通过指数动态参数扫描信号正演模拟与分析模块，测试指数动态扫描信号对地震波不同频率成分的补偿效果，测试参数为：起始频率为5Hz，终止频率为80Hz，扫描长度为12s，动态参数a分别取a＝0，a＝0.2，a＝0.5，a＝0.7，a＝1；

3.根据权利要求2所述的动态参数的可控震源非线性扫描信号设计方法，其特征在于，在步骤1中，二次多项式动态参数扫描信号公式(5)的推导过程如下：

首先，设计瞬时频率的两个二次多项式：

分别对上式进行求导：

其中，F′_{1_1}(t)的斜率为F′_{1_2}(t)的斜率为由此可知，瞬时频率F_{1_1}(t)的增加速度越来越快，表示低频补偿；瞬时频率F_{1_2}(t)的增加速度越来越慢，表示高频补偿；根据公式(1)和(2)，引入动态参数a，实现二次多项式动态参数扫描信号设计，通过调节a，可实现对高频或者低频进行动态补偿；

二次多项式动态参数扫描信号F₁(t)满足如下几个条件：

(1)F₁(t)_max＝F₁(T)＝f₂；

(2)F₁(t)_min＝F₁(0)＝f₁；

(3)当a>0时，F′_{1_1}(t)单调递增；

(4)当a<0时，F′_{1_2}(t)单调递减；

根据以上四个条件并结合公式(1)和(2)，可推导出二次多项式动态参数扫描信号公式(5)。

4.根据权利要求2所述的动态参数的可控震源非线性扫描信号设计方法，其特征在于，在步骤3中，二维黏滞声波方程中，为了方便求解，将二阶导数进行降阶处理，转化为一阶函数求导，且引入的辅助微分算子如下所示：