CN109991662A - 浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法，浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置包括铠装光缆、地面上均匀和在炮井井口附近布设的震源信号、分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统；先用小型挖沟机沿炮线挖出一条过所有炮点的几十公分深的连续浅沟；浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的方法，包括以下步骤：S1：对每个炮井位置采集的炮井中的井中地震数据进行处理；解决了以往无法准确的测量和计算地下浅部地层的地震波速度和地下介质地层或岩层的弹性或粘弹性参数问题。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探技术领域，特别是涉及浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法。
背景技术
地震波seismic wave是由地震震源向四处传播的振动，指从震源产生向四周辐射的弹性波。按传播方式可分为纵波P波、横波S波纵波和横波均属于体波和面波L波三种类型。地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。地震波的传播速度都因传播介质不同而有差异，通常与岩石类型、围限压力、岩石结构以及其他地质因素有关。
地震勘探是指人工激发所引起的弹性波利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。地震勘探是地球物理勘探中最重要、解决油气勘探问题最有效的一种方法。它是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段，在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面，也得到广泛应用。
地震勘探则是利用人工的方法引起地壳振动如雷管或炸药爆炸、重锤下落或敲击、可控震源振动，再用精密仪器按一定的观测方式记录爆炸后地面上各接收点的振动信息，利用对原始记录信息经一系列加工处理后得到的成果资料推断地下地质构造的特点。在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。
在对地震勘探所获取的地震数据进行处理和解释的过程中，计算出各种地震波在地层中传播的速度和地下介质地层或岩层的弹性或粘弹性参数是必须和非常重要的步骤之一。由于地下浅部地层的介质大多由泥土、砂粒、砾石、风化破碎的岩石、出露的地下深处的各种岩石、地下溶洞和戈壁滩等构成，他们具有非常强的非均质性，其速度和弹性或粘弹性参数变化范围大，各向异性强，严重影响地震勘探数据的质量。如果不能准确的获取地下浅部地层的地震波速度和地下介质地层或岩层的弹性或粘弹性参数，则会非常不利于或者无法进行后续的地震数据的处理和解释。因此，准确的测量和计算地下浅部地层的地震波速度和地下介质地层或岩层的弹性或粘弹性参数，是进行地震勘探数据处理解释的首要任务之一。
现有技术一，通常地震波速度的测量方法包括声波测井或井中地震勘探方法的直接测量法和地面地震勘探的间接测量法。在目前的陆地地震勘探作业中，主要采用的是在地震数据采集的工区内打浅井进行单井或双井微测井作业来直接测量从地表到浅井井底的地震波速度，或者用已有的垂直地震剖面VSP数据求取从井口到井底的地层的地震波速度。微测井或VSP作业是在浅井里放置一个或数个检波器，在井口附近进行震源激发，然后利用井下的检波器记录地面震源的信号到达井下检波器的时间走时，最后根据地面震源到检波器的距离即井下检波器的深度值和记录到的地震波的走时来计算浅层的地震波速度。根据井下实测的浅层的地震波速度，建立浅层的地震波速度模型，用于对地面地震资料进行静校正处理和后续的地面地震数据处理和成像。
现有技术一的缺点，第一，微测井的井间距非常大，通常可达数百米到1公里，对于地下浅层变化剧烈的横向地震波速度和地下介质地层或岩层的弹性或粘弹性参数，大井间距的微测井所测量的稀疏浅层地震波速度远远无法满足建立精细准确的浅层速度模型的需要；第二、微测井作业时是在浅井里放置一个或数个检波器来测量浅层的地震波速度。由于放到浅井里的检波器要在不同的浅井里重复使用，不可能把浅井里面布设的检波器埋在井下以保证井下检波器与地层的良好耦合，这种不完全或不好的耦合会给浅井里地震波速度的测量精度带来很大的误差和错误；第三、由于微测井的地面震源只是在井口附近激发，微测井方法测量的只是从井口到井底的浅层地震波的垂直速度。由于地下浅层的介质的强纵向和横向非均匀性，浅层的地震波速度会存在各向异性，即地层的地震波垂直速度与水平速度会有明显的差异，而这一明显的差异无法通过微测井技术得到解决。
现有技术二，如果没有微测井或VSP数据，则一般利用地面地震仪器记录的面波数据来反演浅层的地震波速度，或者用地面地震仪器记录的折射波或反射波的走时来计算或反演浅层的地震波速度。根据反演计算求取的浅层的地震波速度，建立浅层的地震波速度模型，用于对地面地震资料进行静校正处理和后续的地面地震数据处理和成像。
现有技术二的缺点，第一、由于折射地震测量的是地面激发的震源信号地震波从地表下行到达地下的波阻抗界面比如浅地表和基岩的分界面后沿波阻抗界面滑行折射，然后上行反射回到地面的检波器的走时。如果我们知道地下介质的地震波速度和基岩或波阻抗界面的速度，我们可以根据测量到的折射波走时准确的计算出基岩或波阻抗界面的埋深。由于我们既不知道地下介质的地震波速度和基岩或波阻抗界面的速度，也不知道基岩或波阻抗界面的埋深，我们通过折射地震波的走时计算出来的地下介质的速度就会有多解性或非唯一性，使我们难以获得地下浅层介质的准确地震波速度；第二、由于反射地震测量的是地面激发的震源信号地震波从地表下行到达地下的波阻抗界面比如浅地表和基岩的分界面后上行反射回到地面的检波器的走时。如果我们知道地下介质的地震波速度，我们可以根据测量到的反射波走时双程时准确的计算出基岩或波阻抗界面的埋深。由于我们既不知道地下介质的地震波速度，也不知道基岩或波阻抗界面的埋深，我们通过反射地震波的走时计算出来的地下介质的速度就会有多解性或非唯一性，使我们难以获得地下浅层介质的准确地震波速度。比如说对于同一反射波走时，浅层介质的速度慢，基岩或波阻抗界面的埋深就浅；如果浅层介质的速度块，对于同一反射波走时，基岩或波阻抗界面的埋深就深。这就是通过反射地震波的走时计算出来的地下介质的速度存在的多解性或非唯一性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法，解决了以往无法准确的测量和计算地下浅部地层的地震波速度和地下介质地层或岩层的弹性或粘弹性参数问题。
本发明采用的技术方案是：浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置，包括铠装光缆、地面上均匀和在炮井井口附近布设的震源信号、分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统；
先用小型挖沟机沿炮线挖出一条过所有炮点的几十公分深的连续浅沟，使用小型钻机在炮点位置上打延伸到基岩面的几米到几十米甚至上百米的炮井，在沿炮线的浅沟里和炮井里布设连续螺旋形绕制的铠装光缆，炮井里面布设的铠装光缆随炮线一起放到井底后又打折180度掉头回到井口，然后继续沿炮线的浅沟里布设并延伸到下一口炮井；
铠装光缆布设完后，回填浅沟和炮井边的泥沙，将布设在浅沟和炮井里面的铠装光缆压实埋置好；把铠装光缆的尾端连接到分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统的输入端；
在二维或三维地震勘探开始放炮作业之前，用重锤、雷管、小剂量炸药包或可控震源分别在地面上均匀布设的震源点和每口炮井附近的地面上进行激发，连接铠装光缆尾端的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统则同步记录在地面上均匀和在炮井井口附近布设的震源信号。
优选地，铠装光缆为埋置在地面以下和所有炮井里面的连续螺旋形绕制的铠装光缆。
优选地，分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统为连接铠装光缆的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统。
优选地，分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统的主控装置为计算机。
优选地，浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的方法，包括以下步骤：
S1：对每个炮井位置采集的炮井中的井中地震数据进行处理；
S2：根据从震源点井口到达每个沿炮井埋设的光纤震动信号检测点的直达波走时和已知的检测点的深度，计算出从地面到达炮井下每个已知深度的检测点的地震波平均垂直速度；
S3：根据每两个检测点之间的直达波走时差和它们之间的间距，计算出两个检测点之间的层速度；
S4：如果数据处理人员拾取的是直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均垂直速度和纵波的层速度；
S5：如果拾取的是直达纵横波的走时，计算出的就是横波的平均垂直速度和横波的层速度；
S6：对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的地震波的走时和测量点的埋深计算出地震波在此炮井位置的垂直纵波和垂直横波的速度，利用在激发井口左右两侧的其它炮井里直达纵波和直达横波的走时以及井下测量点在其它炮井里的深度，计算出地震波纵波和横波从激发点到其它井中接收点的距离，从而计算出从激发点沿波的传播方向传播到其它井中接收点的速度；
S7：如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性；如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井左右两侧的其它炮井里测量到的水平方向或者接近水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样；根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，计算出地震波速度沿二维剖面的速度各向异性；
S8：对于在三维地震工区采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的地震波的走时和井下测量点的埋深计算出地震波在此炮井位置的垂直纵波和垂直横波的速度，利用在激发井口周围前后左右的其它炮井里记录的直达纵波和直达横波的走时以及测量点在其它炮井里的深度，计算出地震波纵波和横波从激发点到周围其它井中接收点的距离，从而计算出从激发点沿波的传播方向传播到周围其它井中接收点的速度；
S9：如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井周围的其它炮井里测量到的水平方向或者水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，计算出地震波速度在三维空间的速度各向异性及其分布特征；
S10：对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井中的井中地震数据或在三维地震工区采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的从井口到井底不同深度的地震波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下浅部的地震波衰减系数或Q值。
本发明浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法的有益效果如下：
本发明提出了一种用地面以下和炮井里布设螺旋形绕制的铠装光缆以及地面上布设的震源信号，并利用分布式声波光纤传感系统直接测量和计算地下浅层介质的二维或三维地震波速度和地下介质地层或岩层的弹性或粘弹性参数的装置及方法，此方法利用地面以下和炮井里埋设的螺旋形绕制的铠装光缆和地面上布设的震源信号，直接测量地表以下浅层介质的二维或三维地震波速度和计算地下介质地层或岩层的二维或三维弹性或粘弹性参数，克服了微测井的井间距过大、井下检波器耦合不好、无法测量地震波速度的各向异性，以及用地面折射波或反射波走时计算的浅层介质的地震波速度非唯一性等问题，可以精细准确的建立地表以下浅层介质的二维或三维地震波速度模型和地下介质的二维或三维弹性或粘弹性参数模型，用于对地面地震资料进行静校正处理和后续的地面地震数据处理和成像，比如各向同性波动方程或逆时深度偏移，各向异性波动方程或逆时深度偏移，Q补偿或Q偏移等。
附图说明
图1为本发明浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法的地表以下和炮井中螺旋形绕制的铠装光缆沿二维测线与二维地面震源的布设方式示意图。
图2为本发明浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法的地表以下和炮井中螺旋形绕制的铠装光缆沿三维测网与三维地面震源的布设方式示意图。
图3为本发明浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法的沿二维测线布设的地表以下和炮井中螺旋形绕制的铠装光缆与二维地面震源，以及下行直达波和上行反射波的传播方向示意图。
图4为本发明浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法的水平布设的在圆柱状结构AB上按螺旋形绕制的光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的地震波图。
图5为本发明浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法的垂直布设的在圆柱状结构AB上按螺旋形绕制的光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的地震波图。
图6为本发明浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置及方法的在平面上展开的在圆柱状结构AB上按螺旋形绕制的光纤和垂直于光缆延伸方向(AB方向)传播到光缆的地震波图。
附图标记：1-沿地面炮线钻的炮井；2-埋置在地表以下和炮井中的轻铠装光缆；3-地面布设的震源点；4-进行野外地面和井下DAS数据采集的DAS信号调制和解调仪器；5-从震源位置下行到基岩顶面的直达波；6-从基岩顶面向上传播的反射波的直达波；7-浅地表下面的基岩顶面；11-绕制螺旋形光纤的圆柱体结构；12-绕制在圆柱体结构上的螺旋管形态的普通光纤；13-传播到垂直于圆柱体结构的弹性波。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置，包括铠装光缆2、地面上均匀和在炮井井口附近布设的震源信号3、分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统4；
先用小型挖沟机沿炮线挖出一条过所有炮点的几十公分深的连续浅沟，使用小型钻机在炮点位置上打延伸到基岩面的几米到几十米甚至上百米的炮井，在沿炮线的浅沟里和炮井里布设连续螺旋形绕制的铠装光缆2，炮井里面布设的铠装光缆2随炮线一起放到井底后又打折180度掉头回到井口，然后继续沿炮线的浅沟里布设并延伸到下一口炮井；
铠装光缆2布设完后，回填浅沟和炮井边的泥沙，将布设在浅沟和炮井里面的铠装光缆2压实埋置好；把铠装光缆2的尾端连接到分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统4的输入端；
在二维或三维地震勘探开始放炮作业之前，用重锤、雷管、小剂量炸药包或可控震源分别在地面上均匀布设的震源点和每口炮井附近的地面上进行激发，连接铠装光缆2尾端的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统4则同步记录在地面上均匀和在炮井井口附近布设的震源信号3。
本实施方案的铠装光缆2为埋置在地面以下和所有炮井里面的连续螺旋形绕制的铠装光缆。
本实施方案的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统4为连接铠装光缆的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统。
本实施方案的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统4的主控装置为计算机。
浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的方法，包括以下步骤：
S1：对每个炮井位置采集的炮井中的井中地震数据进行处理；
S2：根据从震源点井口到达每个沿炮井埋设的光纤震动信号检测点的直达波走时和已知的检测点的深度，计算出从地面到达炮井下每个已知深度的检测点的地震波平均垂直速度；
S3：根据每两个检测点之间的直达波走时差和它们之间的间距，计算出两个检测点之间的层速度；
S4：如果数据处理人员拾取的是直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均垂直速度和纵波的层速度；
S5：如果拾取的是直达纵横波的走时，计算出的就是横波的平均垂直速度和横波的层速度；
S6：对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的地震波的走时和测量点的埋深计算出地震波在此炮井位置的垂直纵波和垂直横波的速度，利用在激发井口左右两侧的其它炮井里直达纵波和直达横波的走时以及井下测量点在其它炮井里的深度，计算出地震波纵波和横波从激发点到其它井中接收点的距离，从而计算出从激发点沿波的传播方向传播到其它井中接收点的速度；
S7：如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性；如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井左右两侧的其它炮井里测量到的水平方向或者接近水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样；根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，计算出地震波速度沿二维剖面的速度各向异性；
S8：对于在三维地震工区采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的地震波的走时和井下测量点的埋深计算出地震波在此炮井位置的垂直纵波和垂直横波的速度，利用在激发井口周围前后左右的其它炮井里记录的直达纵波和直达横波的走时以及测量点在其它炮井里的深度，计算出地震波纵波和横波从激发点到周围其它井中接收点的距离，从而计算出从激发点沿波的传播方向传播到周围其它井中接收点的速度；
S9：如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井周围的其它炮井里测量到的水平方向或者水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，计算出地震波速度在三维空间的速度各向异性及其分布特征；
S10：对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井中的井中地震数据或在三维地震工区采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的从井口到井底不同深度的地震波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下浅部的地震波衰减系数或Q值。
本实施方案在实施时，利用地面以下和炮井里埋设的螺旋形绕制的铠装光缆，直接测量地表以下浅层介质的二维或三维地震波速度和计算地下介质(地层或岩层)的弹性或粘弹性参数，克服了微测井的井间距过大、井下检波器耦合不好、无法测量地震波速度的各向异性、用折射波或反射波走时计算的浅层介质的地震波速度非唯一性等问题，可以精细准确的建立地表以下浅层介质的二维或三维地震波速度模型和地下介质的三维弹性或粘弹性参数模型，用于对地面地震资料进行静校正处理和后续的地面地震数据处理和成像，比如各向同性波动方程或逆时深度偏移，各向异性波动方程或逆时深度偏移，Q补偿或Q偏移等。
主控装置可以为一个计算机控制的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器系统，该计算机控制系统实时控制所有DAS地面地震和炮井地震数据的同步采集和存储，即采集数据装置与主控装置相连接，通过主控装置对采集数据装置的控制操作，完成DAS地面地震和炮井地震数据的采集和存储。地面地震和炮井地震信号的传感是通过埋藏在地表下和炮井中的螺旋形绕制的铠装光缆来实现的，此系统可以直接测量地表以下浅层介质的二维或三维地震波速度并计算出地下介质(地层或岩层)的弹性或粘弹性参数。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例：浅部地层二维或三维弹性或粘弹性参数测量装置包括：埋设在地表下和炮井(炮井)中的螺旋形绕制的铠装光缆、在工区地面和炮井井口附近激发的震源、计算机控制的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器系统；
雷管震源、小剂量炸药震源、重锤震源或可控震源用于提供在工区内和炮井井口的震源信号；
埋设在地表下和炮井(炮井)中的螺旋形绕制的铠装光缆感应地面震源激发的直达地震波、折射地震波、反射地震波、面波和多次波信号；
在工区地面上连接螺旋形绕制的铠装光缆的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器接收铠装光缆中因地震波的波动传播引起的光纤上各点的背向瑞利散射波的相位变化信息，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的光纤背向瑞利散射波的相位变化信息转换成地震波的实际震动信号，并将此模拟震动信号通过模数转换电路转换成数字地震信号，然后将数字地震信号存储到计算机中用于后续的数据处理工作。
具体为，如图1和图2所示，施工队事先在工区内按照施工设计用小型山地钻机沿二维炮线打好所有的炮井1，在在炮井1之间用小型挖沟机沿炮线挖出一条过所有炮点的几十公分深的连续浅沟，在浅沟和炮井1里面布设螺旋形绕制的铠装光缆2，然后将布设在浅沟里面和炮井1里面的铠装光缆2用泥沙掩埋起来，最后将铠装光缆2的尾端做一个特殊的技术处理，比如安装消光器或者把光纤打一个结，用以消除光纤在该尾端点的强反射信号。在工区地面上和炮井1井口附近均匀布设好震源点3。把铠装光缆的首端连接到安置在工区地面上的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器4。
随后在二维或三维地震勘探开始放炮作业之前，用重锤、雷管、小剂量炸药包或可控震源分别在工区内和每口炮井1附近的地面布设的震源点3上进行激发，连接铠装光缆2首端的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器4则同步记录在每个炮井附近激发的地震波信号。
具体为，如图3所示，地面或炮井1附近的震源3在地面激发的地震波从地面向地下传播的直达下行波5，会被埋设在炮井1里面的螺旋形绕制的铠装光缆2感应到。由于基岩7上方的松软地层或泥沙与基岩的波阻抗有差异，从地面下行的直达地震波5在遇到地下基岩界面7后，会根据斯涅尔定律从基岩界面7或波阻抗界面向上反射回地面，反射回地面的上行反射波6会被埋设在地面以下浅沟里面的和炮井中的螺旋形绕制的铠装光缆2感应到。当铠装光缆2感应到下行的直达地震波5和上行反射地震波6时，铠装光缆2上各点(各位置)会随着地震波波动的传播而产生相同频率的应变(拉伸或压缩)，此应变会造成铠装光缆2内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，连接铠装光缆2首端的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器4可以检测到此相位的变化，通过仪器内的调制解调电路和数据处理软件，将接收到的铠装光缆2内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位变化信息转换成地震波的实际震动信号，并将此模拟震动信号通过模数转换电路转换成数字地震信号，然后将数字地震信号存储到计算机中用于后续的数据处理工作。
图4是螺旋形绕制的铠装光缆2在水平方向上的示意图，此螺旋形绕制的铠装光缆由圆柱形的结构件11和按照一定角度α绕制的光纤12组成，外面加装保护螺旋形绕制的光缆的复合材料或钢质护套，最外层是耐磨抗压的非金属或金属材料编织的铠装。图5是螺旋形绕制的光缆在垂直方向上的示意图。
图6是螺旋形绕制的光纤12沿圆柱形的结构件11的AB沿横向展开的示意图。在圆柱形的结构件11上按照一定角度α绕制的光纤12沿AB横向展开后变成了一段与圆柱体结构件11的端面展开线AA或BB成α角度的直光纤。如果在地表下面埋设的是直光纤，垂直向下传播的直达波5和垂直向上传播的反射波6在到达水平埋设的直光纤时，地震波向下或向上传播的波动无法引起直光纤沿其水平延伸方向上的应变，也不会引起光纤内各点(各位置)的背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，连接直光纤的分布式光纤声波传感(DAS)调制解调仪器4就检测不到垂直入射到光纤的地震波波动信号。根据理论分析可知，一段直光纤能够感应到的震动信号得灵敏度与震动信号传播的方向和光纤的延伸方向的夹角θ依从(存在)cosθ2的关系。即当地震波波动传播的方向与光纤延伸的方向平行(θ＝0°)时，cosθ2＝1，此时直光纤对此震动信号的敏感度达到最大值1；即当地震波波动传播的方向与光纤延伸的方向垂直(θ＝90°)时，cosθ2＝0，此时直光纤对此震动信号的敏感度达到最小值0，因此直光纤无法检测到垂直与光纤延伸方向传播的震动信号。
图4、图5和图6中垂直于螺旋形绕制的铠装光缆2传播的震动信号13在到达铠装光缆后，由于螺旋形绕制的铠装光缆2上的光纤与该震动信号的入射角不是90°，而是α°，平行于地面布设的螺旋形绕制的铠装光缆2就能够探测到垂直或大入射角度向下传播的直达地震波5和垂直或大入射角度向上传播的反射地震波6，因此在地面以下铺设的螺旋形绕制的铠装光缆2可以检测到传播到铠装光缆2的地震波的全波场信号，包括直达波、折射波、反射波、面波和多次波。
地表和炮井1的地震数据采集结束后，首先对每个炮井1位置采集的炮井中的井中地震数据进行处理，根据从震源点3(井口)到达每个沿炮井1埋设的铠装光缆2上的震动信号检测点的直达波走时和已知的检测点的深度，可以非常准确容易的计算出从地面震源点3到达炮井1下每个已知深度的检测点的地震波平均垂直速度。根据每两个检测点之间的直达波走时差和它们之间的间距，可以准确的计算出两个检测点之间的层速度。如果数据处理人员拾取的是直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均垂直速度和纵波的层速度。如果拾取的是直达纵横波的走时，计算出的就是横波的平均垂直速度和横波的层速度。
对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井1中的井中地震数据，可以根据在炮井1中记录的在此炮井1的井口位置激发的震源3的地震波的走时和测量点的埋深计算出地震波在此炮井1位置的垂直纵波和垂直横波的速度，也可以利用在激发井1井口左右两侧的其它炮井1里直达纵波和直达横波的走时以及井下测量点在其它炮井里的深度，计算出地震波(纵波和横波)从震源激发点3到其它井中接收点的距离，从而计算出从震源激发点3沿地震波的传播方向传播到其它井中接收点的速度。如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性。如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么在震源3激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井左右两侧的其它炮井里测量到的水平方向或者接近水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样。根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，可以计算出地震波速度沿二维剖面的速度各向异性。
对于在三维地震工区采集的炮井1中的井中地震数据，可以根据在炮井1中记录的在此炮井1的井口位置的震源3激发的地震波的走时和井下测量点的埋深计算出地震波在此炮井1位置的垂直纵波和垂直横波的速度，也可以利用在激发井口周围(前后左右)的其它炮井1里记录的直达纵波和直达横波的走时以及测量点在其它炮井1里的深度，计算出地震波(纵波和横波)从激发点到周围其它炮井1中接收点的距离，从而计算出从激发点沿波的传播方向传播到周围其它炮井1中接收点的速度。如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性。如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井周围的其它炮井1里测量到的水平方向或者接近水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样。根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，可以计算出地震波速度在三维空间的速度各向异性及其分布特征。
对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井1中的井中地震数据或在三维地震工区采集的炮井1中的井中地震数据，可以根据在炮井1中记录的在此炮井1的井口位置激发的从井口到井底不同深度的地震波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下浅部的地震波衰减系数或Q值。
本发明实施例提供的利用地面以下和炮井1里埋设的螺旋形绕制的铠装光缆2，均匀布设在工区地面和炮井1井口附近的震源3，并利用分布式声波光纤传感(DistributedAcoustic Sensing－DAS)系统直接测量和计算地表以下浅层介质(地层或岩层)的二维或三维地震波速度、地震波各向异性和地震波衰减系数或Q值，克服了微测井的井间距过大、井下检波器耦合不好、无法测量地震波速度的各向异性、用地面测量的折射波或反射波走时计算的浅层介质的地震波速度非唯一性等问题，可以精细准确的建立地表以下浅层介质的二维或三维地震波速度模型和地下介质的二维或三维弹性或粘弹性参数模型，用于对地面地震资料进行静校正处理和后续的地面地震数据处理和成像，比如各向同性波动方程或逆时深度偏移，各向异性波动方程或逆时深度偏移，Q补偿或Q偏移等。
Claims (5)
1.浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置，其特征在于，包括铠装光缆(2)、地面上均匀和在炮井井口附近布设的震源信号(3)、分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统(4)；
先用小型挖沟机沿炮线挖出一条过所有炮点的几十公分深的连续浅沟，使用小型钻机在炮点位置上打延伸到基岩面的几米到几十米甚至上百米的炮井，在沿炮线的浅沟里和炮井里布设连续螺旋形绕制的铠装光缆(2)，炮井里面布设的铠装光缆(2)随炮线一起放到井底后又打折180度掉头回到井口，然后继续沿炮线的浅沟里布设并延伸到下一口炮井；
铠装光缆(2)布设完后，回填浅沟和炮井边的泥沙，将布设在浅沟和炮井里面的铠装光缆(2)压实埋置好；把铠装光缆(2)的尾端连接到分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统(4)的输入端；
在二维或三维地震勘探开始放炮作业之前，用重锤、雷管、小剂量炸药包或可控震源分别在地面上均匀布设的震源点和每口炮井附近的地面上进行激发，连接铠装光缆(2)尾端的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统(4)则同步记录在地面上均匀和在炮井井口附近布设的震源信号(3)。
2.根据权利要求1所述的浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置，其特征在于，所述铠装光缆(2)为埋置在地面以下和所有炮井里面的连续螺旋形绕制的铠装光缆。
3.根据权利要求1所述的浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置，其特征在于，所述分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统(4)为连接铠装光缆的分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统。
4.根据权利要求1所述的浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的装置，其特征在于，所述分布式光纤声波传感DAS调制解调仪器系统(4)的主控装置为计算机。
5.浅部地层二维或三维弹性参数测量和计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对每个炮井位置采集的炮井中的井中地震数据进行处理；
S2：根据从震源点井口到达每个沿炮井埋设的光纤震动信号检测点的直达波走时和已知的检测点的深度，计算出从地面到达炮井下每个已知深度的检测点的地震波平均垂直速度；
S3：根据每两个检测点之间的直达波走时差和它们之间的间距，计算出两个检测点之间的层速度；
S4：如果数据处理人员拾取的是直达纵波的走时，计算出的就是纵波的平均垂直速度和纵波的层速度；
S5：如果拾取的是直达纵横波的走时，计算出的就是横波的平均垂直速度和横波的层速度；
S6：对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的地震波的走时和测量点的埋深计算出地震波在此炮井位置的垂直纵波和垂直横波的速度，利用在激发井口左右两侧的其它炮井里直达纵波和直达横波的走时以及井下测量点在其它炮井里的深度，计算出地震波纵波和横波从激发点到其它井中接收点的距离，从而计算出从激发点沿波的传播方向传播到其它井中接收点的速度；
S7：如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性；如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井左右两侧的其它炮井里测量到的水平方向或者接近水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样；根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，计算出地震波速度沿二维剖面的速度各向异性；
S8：对于在三维地震工区采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的地震波的走时和井下测量点的埋深计算出地震波在此炮井位置的垂直纵波和垂直横波的速度，利用在激发井口周围前后左右的其它炮井里记录的直达纵波和直达横波的走时以及测量点在其它炮井里的深度，计算出地震波纵波和横波从激发点到周围其它井中接收点的距离，从而计算出从激发点沿波的传播方向传播到周围其它井中接收点的速度；
S9：如果地下浅部的地震波速度是均匀的，则垂直传播和沿周围水平方向传播的纵波或横波的速度就会是一样的，就没有速度的各向异性，如果地下浅部的地震波速度是非均匀的，那么激发井口位置测量到的垂直地震波速度和在激发井周围的其它炮井里测量到的水平方向或者水平方向或大角度入射的地震直达波的速度就不一样，根据这种在同一介质中沿不同方向传播的地震波的速度不一致现象，计算出地震波速度在三维空间的速度各向异性及其分布特征；
S10：对于沿二维地震剖面的炮线采集的炮井中的井中地震数据或在三维地震工区采集的炮井中的井中地震数据，根据在炮井中记录的在此炮井的井口位置激发的从井口到井底不同深度的地震波的振幅和频谱变化的特征，用频谱比值法或质心频移法或频谱拟合法计算或提取地下浅部的地震波衰减系数或Q值。
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