CN110780350B - 一种海底地震检波器动态定位方法、系统及检波器 - Google Patents

一种海底地震检波器动态定位方法、系统及检波器 Download PDF

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Abstract

本发明属于海洋地震勘探技术领域，公开了一种海底地震检波器动态定位方法、系统及检波器，对海底检波器地震数据进行初至时间拾取；对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标；利用所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差；计算每一条炮线内所有炮走时残差的平均值以及极差；根据相邻炮线走时残差的平均值和极差，确定检波器发生移动的时刻，确定检波器在哪些时间段内是相对固定。本发明为后续高精度成像打下基础。

Description

一种海底地震检波器动态定位方法、系统及检波器
技术领域
本发明属于海洋地震勘探技术领域，尤其涉及一种海底地震检波器动态定位方法、系统及检波器。
背景技术
目前，最接近的现有技术：随着海上油气勘探逐渐走向深入，海洋油气勘探所用检波器逐渐由海面拖缆发展出了海底检波器，包括海底电缆、海底地震仪以及海底节点。在进行海底节点地震勘探时，需要把检波器置放到海底。由于受到海流、潮汐、生物活动、人类捕鱼等因素的影响，检波器可能会随布置时间增加而逐渐偏离设计位置。这种偏差有时会非常严重，其不确定性对采集资料影响很大。如果再按照原先设计的投放位置去处理和解释地震数据，会对地震数据的成像和解释造成较大的误差。这就需要对布置在海底的检波器的位置进行再次定位，也称二次定位。
目前常用的二次定位方法有初至波和声波定位方法。相比于初至波二次定位，声波二次定位具有较高的精度，但是需要额外硬件设备，费用昂贵，还受采收率问题的限制，而初至波二次定位是一种经济实惠且能满足精度要求的方法。初至波二次定位又分为近正四面体法、最小二乘定位法、搜索法、多次拟合曲面法等，这些二次定位方法已经成功应用实际海底地震勘探的二次定位，并取得了一定效果。
在目前所有二次定位方法中，都假设检波器实际在海底着床的位置可能偏离了原来设计的位置，但在整个施工期间是固定不变的，没有考虑检波器发生多次偏移的可能。如果检波器在施工期间不同时间段内所处的位置不一样，而仍然认为检波器自始至终位于同一个地方，则会给最终的成像效果带来误差。因此，需要在不同的时段给出检波器不同的坐标，这样更加符合实际情况，有利于更准确的地下成像。
综上所述，现有技术存在的问题是：在目前所有二次定位方法中没有考虑检波器发生多次偏移的可能，检波器在施工期间不同时间段内所处的位置不一样，仍然认为检波器自始至终位于同一个地方，最终的成像效果带来误差。
解决上述技术问题的难度：检波器的二次定位问题是一个超定问题，理论上来讲，仅需三炮(不在同一直线上)的信息即可求得检波器坐标，而实际上一个勘探工区往往有成千上万炮的数据可供使用。因此，解决检波器动态定位的难点不在于已知信息的缺乏，而在于如何确定检波器发生飘移的时刻。本发明给出的解决方案需要用走时残差的变化情况来确定检波器发生飘移的时刻，而走时残差的计算过程中用到了实际拾取的初至波走时，因此对初至波走时拾取的准确性有较高的要求。由于初至拾取的过程中所消耗的人力资源较大，各地震资料处理的商业软件开发了自动拾取的模块来提高效率，而自动拾取过程往往会存在个别道初至拾取误差较大的情况，因此，需要处理人员在初至拾取过程中做好质量监控工作，在软件拾取效果较差的地方通过手动拾取来保证精度。
解决上述技术问题的意义：通过检波器的动态定位，能够获得更加符合真实情况下的检波器位置，最终服务于更精确地地震成像工作，使得地震剖面同相轴更加连续，信噪比更高，分辨率更高，从而为后续的地质构造研究、资源勘探、防震减灾等工作提供更好的基础资料。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海底地震检波器动态定位方法、系统及检波器。
本发明是这样实现的，一种海底地震检波器动态定位方法，所述海底地震检波器动态定位方法包括以下步骤：
第一步，对获得的海底检波器地震数据进行初至时间拾取；
第二步，对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标；
第三步，利用所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，然后和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差；
第四步，对于每一条炮线，计算该炮线内所有炮走时残差的平均值以及最大值和最小值之差；
第五步，在确定了检波器发生飘移的时刻之后，即可确定检波器在哪些时间段内是相对固定。
进一步，所述第二步的二次定位的方法为矢量合成具体包括：检波器位于海底，船沿着海面进行放炮，每一条炮线都有若干个炮点，每一炮对应的海底检波器都有一道地震记录，得到这一道记录中最先到达的地震波的走时，即初至波走时；海面每一炮的坐标为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，…(xi,yi,zi)，…， (xn,yn,zn)，其中n为总炮数，海底检波器初始坐标为(X0,Y0,Z0)，由第一步所得每一炮到达海底检波点的初至波走时为t1，t2，…，ti，…，tn。海水的速度为v，如果有实测CTD资料，则可得到速度随深度变化的曲线，v的值取总深度除以总时间，如果用海底检波器进行地震资料采集所在海域没有实测速度资料，则v取1500m/s，则对第i炮来讲测距误差为：
Figure GDA0003109791020000031
把测距误差分解到x、y、z 三个方向分别为：
Figure GDA0003109791020000032
Figure GDA0003109791020000033
求得所有炮的测距误差后，求取测距误差在x、y、z三个方向上的平均值：
Figure GDA0003109791020000034
最后得重新定位后的检波点坐标：X1＝X0+Δx，Y1＝Y0+Δy，Z1＝Z0+Δz，把X1、Y1、Z1分别赋值给X0、Y0、Z0，重复以上步骤，得到新的检波点重定位的坐标，迭代终止条件为迭代次数 loop≥max_loop_num或
Figure GDA0003109791020000041
其中 max_loop_num为用户设定的最大迭代次数，ε0为两次迭代坐标之间差值的最小值，小于该数值可认为迭代已经收敛到一定程度，无需继续迭代。
进一步，所述第三步的每一个炮点直达波的走时残差计算公式为：
Figure GDA0003109791020000042
其中ti为第i炮拾取所得走时，(xi,yi,zi)为第i炮的坐标，(X1,Y1,Z1)为第二步所得进行二次定位后的坐标，v的取值和上一步描述相同。
进一步，所述第四步的对相邻的两条炮线，如果后一条炮线走时残差的平均值或极差大于前一条炮线的50％，或者小于前一条炮线的50％，则认为检波点在两个不同炮线上发生了偏移。
进一步，所述第五步在每一个相对固定的时间段内，用该时间段内的放炮数据的直达波进行二次定位计算，所用二次定位方法为矢量合成法。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述海底地震检波器动态定位方法的海底地震检波器动态定位系统，所述海底地震检波器动态定位系统包括：
初至时间拾取模块，用于对获得的海底检波器地震数据进行初至时间拾取；
二次定位计算模块，用于对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标；
走时残差获取模块，用于利用所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，然后和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差；
残差计算模块，用于计算该炮线内所有炮走时残差的平均值以及最大值和最小值之差；
检波器相对固定计算模块，用于在确定检波器发生飘移的时刻之后，即可确定检波器在哪些时间段内是相对固定的。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述海底地震检波器动态定位方法的检波器。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述检波器的海洋地震勘探系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明在进行海底检波器定位计算时，考虑了检波器随时间变化发生多次飘移的可能性，并且给出了检波器多次飘移时在根据从地震数据确定飘移时刻，最终能够计算出不同时间段内检波器的坐标。本发明考虑了整个施工期间内检波器位置的动态变化，而非是固定不变的，更加符合实际情况，为后续高精度成像打下基础。
附图说明
图1是本发明实施例提供的海底地震检波器动态定位方法流程图。
图2是本发明实施例提供的海底地震检波器动态定位系统的结构示意图；
图中：1、初至时间拾取模块；2、二次定位计算模块；3、走时残差获取模块；4、残差计算模块；5、检波器相对固定计算模块。
图3是本发明实施例提供的地震数据初至走时拾取示意图。
图4是本发明实施例提供的海底接收和海面放炮相对位置示意图。
图5是本发明实施例提供的模拟数据放炮位置和检波点动态变化位置俯视图。
图6是本发明实施例提供的按照放炮顺序排列的每炮走时误差图。
图7是本发明实施例提供的实际资料检波器不做二次定位、传统二次定位以及本发明动态定位地震剖面对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海底地震检波器动态定位方法、系统及检波器，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的海底地震检波器动态定位方法包括以下步骤：
S101：对获得的海底检波器地震数据进行初至时间拾取；
S102：对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标；
S103：利用所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，然后和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差；
S104：对于每一条炮线，计算该炮线内所有炮走时残差的平均值以及最大值和最小值之差(极差)；对相邻的两条炮线，如果后一条炮线走时残差的平均值或极差大于前一条炮线的50％，或者小于前一条炮线的50％，则认为检波点在两个不同炮线上发生了偏移；
S105：在确定了检波器发生飘移的时刻之后，即可确定检波器在哪些时间段内是相对固定的；在每一个相对固定的时间段内，用该时间段内的放炮数据的直达波进行二次定位计算，所用二次定位方法为矢量合成法。
如图2所示，本发明实施例提供的海底地震检波器动态定位系统包括：
初至时间拾取模块1，用于对获得的海底检波器地震数据进行初至时间拾取。
二次定位计算模块2，用于对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标。
走时残差获取模块3，用于利用所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，然后和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差。
残差计算模块4，用于计算该炮线内所有炮走时残差的平均值以及最大值和最小值之差。
检波器相对固定计算模块5，用于在确定检波器发生飘移的时刻之后，即可确定检波器在哪些时间段内是相对固定的。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明实施例提供的海底地震检波器动态定位方法具体包括以下步骤：
第一步，对获得的海底检波器地震数据进行初至时间拾取。对于海面放炮海底接收的地震数据，直达波走时是进行检波器二次定位的基础，因此需要用商业化地震数据处理软件如ProMax、GeoEast等对地震数据进行初至时间拾取。如图1所示，是在GeoEast系统中拾取的初至走时，做初至走时拾取的目的是为了获得在海面放炮海底接收所得地震记录中最早到达波形所用时间。
第二步，对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标。这里进行二次定位的方法为矢量合成法，具体实现方式如下。
如图4所示，检波器位于海底，船沿着海面进行放炮，每一条炮线都有若干个炮点，每一炮对应的海底检波器都有一道地震记录。通过第一步可以得到这一道记录中最先到达的地震波的走时，即初至波走时。假设海面每一炮的坐标为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，…(xi,yi,zi)，…，(xn,yn,zn)，其中n为总炮数，海底检波器初始坐标为(X0,Y0,Z0)，由第一步所得每一炮到达海底检波点的初至波走时为t1，t2，…，ti，…，tn。海水的速度为v，如果有实测CTD资料，则可得到速度随深度变化的曲线，v的值取总深度除以总时间，如果用海底检波器进行地震资料采集所在海域没有实测速度资料，则v取1500m/s。则对第i炮来讲测距误差为：
Figure GDA0003109791020000071
把测距误差分解到x、y、z三个方向分别为：
Figure GDA0003109791020000072
Figure GDA0003109791020000073
求得所有炮的测距误差后，求取测距误差在x、y、z三个方向上的平均值：
Figure GDA0003109791020000074
最后可得重新定位后的检波点坐标：X1＝X0+Δx，Y1＝Y0+Δy，Z1＝Z0+Δz。把X1、Y1、Z1分别赋值给X0、Y0、Z0，重复以上步骤，即可得到新的检波点重定位的坐标，迭代终止条件为迭代次数loop≥max_loop_num或
Figure GDA0003109791020000081
Figure GDA0003109791020000082
其中max_loop_num为用户设定的最大迭代次数，ε0为两次迭代坐标之间差值的最小值，小于该数值可认为迭代已经收敛到一定程度，无需继续迭代。
第三步，利用第二步所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，然后和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差。计算公式为：
Figure GDA0003109791020000083
其中ti为第i炮拾取所得走时，(xi,yi,zi)为第i炮的坐标，(X1,Y1,Z1)为第二步所得进行二次定位后的坐标，v的取值和上一步描述相同。
第四步，对于每一条炮线，计算该炮线内所有炮走时残差的平均值以及最大值和最小值之差(极差)。对相邻的两条炮线，如果后一条炮线走时残差的平均值或极差大于前一条炮线的50％，或者小于前一条炮线的50％，则认为检波点在两个不同炮线上发生了偏移。
第五步，在确定了检波器发生飘移的时刻之后，即可确定检波器在哪些时间段内是相对固定的。在每一个相对固定的时间段内，用该时间段内的放炮数据的直达波进行二次定位计算，所用二次定位方法为矢量合成法，该方法的具体实现步骤和第二步中相同。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
为了验证方法的有益效果，设计了一个海面放炮海底接收地震信号的模型。如图5所示，放炮全部在海面上进行，及炮点的深度为0m，检波器位于深度为 1500m的海底。海面放炮的顺序为从左向右依次推进，共有31条炮线，每条炮线放31炮，炮线的间距和炮点的间距都是200m。检波器在放第1～11条炮线时坐标为(3000,3000,1500)，在放第12～21条炮线时检波器坐标为(3000,2800,1500)，即第11条炮线放炮完成后检波器发生了第一次飘移，在放第22～31条炮线时检波器坐标为(3000,2600,1500)，即第21条炮线放炮完成后检波器发生了第二次飘移。
对于上述模型，对共检波点进行初至时间的拾取，然后按照传统方法进行二次定位计算，即认为检波器在整个施工期间位置是不变的，则最终计算出的检波器坐标为(2983.26，2810.95，1440.80)。计算结果与真实情况下三个时间段内检波器坐标都不相同。而应用本发明的方法，先应用所有时间段内的直达波走时进行二次定位计算，然后按照放炮的时间顺序计算每炮的走时误差，即该炮拾取的走时与根据炮点与检波点坐标计算出的走时之差，然后分析不同炮线中各炮走时误差的情况，最终确定发生飘移的时刻。图6为按照放炮时间顺序排列的每炮走时误差，根据实施方式中的第四步很容易确定检波器发生飘移的时刻，然后在检波器相对固定的时间段内分别进行二次定位计算，得到的各时间段内检波器坐标和真实情况一致。
除了用模型数据进行检验外，还使用实际海底电缆(OBC)地震资料进行了验证。图7为某海域实际采集的OBC资料不做二次定位、传统二次定位以及本发明动态定位地震剖面对比图。在进行地震资料处理时，除了检波器坐标不同外，处理流程和处理参数完全相同。对比图7(a)和图7(b)可以发现，通过传统的二次定位处理，地震资料的信噪比有了极大的改善，而图7(c)在信噪比、地震同相轴连续性等方面相比图7(b)进一步提高，说明本发明通过检波器的动态定位，能够大大改善地震成像质量，具有较高的实用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海底地震检波器动态定位方法，其特征在于，所述海底地震检波器动态定位方法包括以下步骤：
第一步，对获得的海底检波器地震数据进行初至时间拾取；
第二步，对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标；
第三步，利用所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，然后和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差；
第四步，对于每一条炮线，计算该炮线内所有炮走时残差的平均值以及最大值和最小值之差；
第五步，在确定了检波器发生飘移的时刻之后，即可确定检波器在哪些时间段内是相对固定。
2.如权利要求1所述的海底地震检波器动态定位方法，其特征在于，所述第二步的二次定位的方法为矢量合成具体包括：检波器位于海底，船沿着海面进行放炮，每一条炮线都有若干个炮点，每一炮对应的海底检波器都有一道地震记录，得到这一道记录中最先到达的地震波的走时，即初至波走时；海面每一炮的坐标为(x1,y1,z1)，(x2,y2,z2)，…(xi,yi,zi)，…，(xn,yn,zn)，其中n为总炮数，海底检波器初始坐标为(X0,Y0,Z0)，由第一步所得每一炮到达海底检波点的初至波走时为t1，t2，…，ti，…，tn；海水的速度为v，如果有实测CTD资料，则可得到速度随深度变化的曲线，v的值取总深度除以总时间，如果用海底检波器进行地震资料采集所在海域没有实测速度资料，则v取1500m/s，则对第i炮来讲测距误差为：
Figure FDA0003109791010000011
把测距误差分解到x、y、z三个方向分别为：
Figure FDA0003109791010000012
Figure FDA0003109791010000013
求得所有炮的测距误差后，求取测距误差在x、y、z三个方向上的平均值：
Figure FDA0003109791010000021
最后得重新定位后的检波点坐标：X1＝X0+Δx，Y1＝Y0+Δy，Z1＝Z0+Δz，把X1、Y1、Z1分别赋值给X0、Y0、Z0，重复以上步骤，得到新的检波点重定位的坐标，迭代终止条件为迭代次数loop≥max_loop_num或
Figure FDA0003109791010000022
其中max_loop_num为用户设定的最大迭代次数，ε0为两次迭代坐标之间差值的最小值，小于该数值可认为迭代已经收敛到一定程度，无需继续迭代。
3.如权利要求1所述的海底地震检波器动态定位方法，其特征在于，所述第三步的每一个炮点直达波的走时残差计算公式为：
Figure FDA0003109791010000023
其中ti为第i炮拾取所得走时，(xi,yi,zi)为第i炮的坐标，(X1,Y1,Z1)为第二步所得进行二次定位后的坐标，v的取值为1500m/s。
4.如权利要求1所述的海底地震检波器动态定位方法，其特征在于，所述第四步的对相邻的两条炮线，如果后一条炮线走时残差的平均值或极差大于前一条炮线的50％，或者小于前一条炮线的50％，则认为检波点在两个不同炮线上发生了偏移。
5.如权利要求1所述的海底地震检波器动态定位方法，其特征在于，所述第五步在每一个相对固定的时间段内，用该时间段内的放炮数据的直达波进行二次定位计算，所用二次定位方法为矢量合成法。
6.一种基于权利要求1～5任意一项所述海底地震检波器动态定位方法的海底地震检波器动态定位系统，其特征在于，所述海底地震检波器动态定位系统包括：
初至时间拾取模块，用于对获得的海底检波器地震数据进行初至时间拾取；
二次定位计算模块，用于对于每一个特定的检波点，利用海面所有放炮数据的直达波走时进行二次定位计算，得到一个假设该点固定不动情况下的坐标；
走时残差获取模块，用于利用所得检波点二次定位坐标、炮点坐标以及海水速度，计算该检波点和每一个炮点直达波的理论走时，然后和实际拾取的每一个炮点的直达波走时相减，得到每一个炮点直达波的走时残差；
残差计算模块，用于计算该炮线内所有炮走时残差的平均值以及最大值和最小值之差；
检波器相对固定计算模块，用于在确定检波器发生飘移的时刻之后，即可确定检波器在哪些时间段内是相对固定的。
7.一种应用权利要求1～5任意一项所述海底地震检波器动态定位方法的检波器。
8.一种安装有权利要求7所述检波器的海洋地震勘探系统。
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