CN110907992B - 一种基于可控震源震动感应的地表物性区分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于可控震源震动感应的地表物性区分方法。包括：采集工区各典型地表震动点的感应刚度和感应粘度；将所述不同震动点的感应刚度和感应粘度绘制到同一个平面坐标系中，得到物性区分图；根据所述物性区分图将工区划分为不同物性地表类型或将同一种物性地表类型进一步划分为不同物性区域。本发明根据某一地表的物性在物性图上所处的位置特征，确定其所属物性种类，以此定量划分地表地震条件类型。相比传统的人为查看地表岩性定性区分地表的方法，本发明的方法在理论机制上和可控震源震动系统、震动效果直接相关，科学合理，明确可靠，对于可控震源的生产方法设计优化和实际生产效果提高具有重大指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于可控震源震动感应的地表物性区分方法，属于可控震源地震勘探采集技术领域。
背景技术
可控震源作为地震勘探激发震源，按照技术人员设计的扫描信号驱动近地表发生弹性震动，地震波在地下传播回来后形成单炮记录。与炸药震源相比，可控震源具有以下优点：激发能量可以控制，针对不同的地区扫描信号可以选择等。
可控震源震动系统主要包括编码器、控制箱体、平板和重锤一体的震动系统。可控震源震动系统模型示意图如图1所示。以Nomad(一生产厂家产品)系列可控震源为例，GF为重锤和平板作用于地表的输出力，f为地表响应的反作用力，Ks、Kv分别为该震动系统的弹性系数和阻尼系数。
激发信号由设计人员根据地质信息和需要进行设计，通过编码器和控制箱体产生扫描信号，震动系统按扫描信号驱动重锤和平板作用于地表产生弹性震动，并实时将出力、加速度、畸变等信息反馈回控制箱体，地面在平板驱动下产生地震波。
可控震源驱动近地表震动的基本原理可由上述的公式(1)和(2)表示，公式(1)表示可控震源振动系统的输入力函数u(t)和输出位移函数x(t)的关系，具体可由公式(2)二阶传递函数表示，ωn为自然角频率，ζ为阻尼系数，k为静态增益。
公式(3)和公式(4)为Nomand可控震源的感应刚度Gs和感应粘度Gv的算法，(该公式及算法由Nomand震源生产厂家提供)。
其中Mp为平板质量，Sbase为平板面积，GS和GV为控制箱体检测到的重锤和平板在时间和频率的限定条件下的弹性系数和阻尼系数的归一化值，具体可由二阶传递函数公式(2)计算得出。
综上所述，可控震源平板驱动近地表同步震动时，利用震动系统上重力传感器检测出的位移加速度信息、根据符合震源-近地表弹性震动物理模型原理的传递函数(公式2)，通过震源规格化转换后，计算出反映近地表弹性系数的刚度信息、以及反映近地表阻尼系数的粘度信息。
这里所说的刚度和粘度，体现了在可控震源工作条件下近地表物体刚度、粘度特性，但又不同于材料力学所说的刚度和粘度，而是通过震源系统检测、计算得到的，所以称之为感应刚度、感应粘度；简称为刚度和粘度。
感应刚度和感应粘度在可控震源震动过程中，由震动传感器检测、控制系统根据震动模型原理计算并反馈到控制箱体中，由可控震源质量控制系统输出。
近地表：是指受可控震源震动行为直接影响的近地表有限范围内的物体。该物体的物理性质同时对可控震源震动效果产生反作用影响。近地表物性：是指该点近地表物体的物理性质，这里特指该点近地表物体的感应刚度和感应粘度二元因素。
目前，震源生产厂家及技术人员对刚度和粘度进行了一些基础研究，主要用来分析改善可控震源的工作性能，但没有将感应刚度、粘度和地表物性区分联系起来；通常采用传统的人为查看地表岩性定性区分地表条件的方法。另外，利用可控震源进行地震勘探生产时，主要参考表层调查数据和现场试验数据进行扫描信号(即激发参数)的优化设计，施工时扫描信号的选择一般通过人为查看地表岩性来定性区分地表条件、根据经验设定激发参数。这种方式下，地表划分的科学性差，受人的主观经验影响大，难以保证扫描信号设计的合理性、可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于可控震源的地表物性区分方法，用于解决目前复杂工区地表地震条件难以定量划分的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于可控震源震动感应的地表物性区分方法，该方法包括以下步骤：
采集工区各个典型地表震动点的感应刚度和感应粘度；
将所述各个典型地表震动点的感应刚度和感应粘度绘制到同一个平面坐标系中，得到物性区分图；
根据所述物性区分图将工区划分为不同物性地表类型或将同一种物性地表类型进一步划分为不同物性区域；
根据新地表的物性在物性图上所处的位置特征，确定该新地表所属物性种类。
进一步的，所述感应刚度和感应粘度为可控震源设定出力下、设定扫描时间内的平均感应刚度和平均感应粘度。
进一步的，所述物性区分图中，横坐标为感应刚度，纵坐标为感应粘度。
进一步的，根据新地表所属物性种类定量划分地表地震条件种类。
进一步的，地表所属物性种类包括以下种类：硬沙、砾石、岩石出露、非典型浮土、加湿浮土、盐碱壳、沙化草原、红砂泥土。
本发明的有益效果是：
基于可控震源震动感应的地表物性区分方法主要应用于可控震源地震资料采集领域，适用的各种地表类型、以及各种类型、大小可控震源。该方法采用感应刚度和感应粘度数据定量区分近地表物性条件，以此定量划分地表条件。相比传统的人为查看地表岩性定性区分地表条件的方法，本发明能够较好地解决复杂工区地表难以定量划分和可控震源激发参数适应性差的难题。而且，因为在理论机制上和震动系统、震动效果直接相关，所以更加科学合理，精确可靠，对于地震勘探资料质量、地质效果的提高具有重大指导意义。
随着物探技术的不断进步，对地震资料品质的要求也更高，面对国内外地震勘探工区复杂多样的地表条件，该方法具有独特的技术优势，市场应用前景十分广阔。
附图说明
图1是现有技术中的可控震源震动系统模型示意图；
图2是本发明的物性区分方法流程图；
图3是本发明的测线1的物性区分图；
图4是本发明的测线2的物性区分图；
图5是本发明的某一地表不同区域的物性差异示意图；
图6是近地表物性常用区分图。
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，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供了基于可控震源震动感应的地表物性区分方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)采集工区不同震动点的感应刚度和感应粘度。
在工区上选取多个不同的震动点，利用可控震源在各震动点上进行多次扫描，每次扫描结束后，控制箱体利用各传感器检测并反馈的信息，根据震源模型原理计算并输出感应刚度和感应粘度。
感应刚度和感应粘度是两组随着时间和频率变化的数值，可控震源每隔500ms输出一组感应刚度和感应粘度值，选取一次扫描时间内感应刚度和感应粘度做一下平均统计计算，获得该点位的平均感应刚度和平均感应粘度，然后用于下面的计算处理。
步骤2)将不同震动点的感应刚度和感应粘度绘制到同一个平面坐标系中，得到物性区分图。
物性区分图的绘制过程为：
将某一点震源一次扫描完成后产生的感应刚度(N/m3)和感应粘度(Ns/m3)(即上文所述的平均感应刚度和平均感应粘度)两种数据在平面图上交会，横坐标为感应刚度，纵坐标为感应粘度，用符号表示地表类型，可以得到该点近地表的物性分布图。
具体的，给出以下实例：首先以岩石出露地表为例，可控震源在该点地表采用线性扫描信号(起始频率：3Hz，终止频率：96Hz，出力：75％，斜坡：1000ms，扫描长度18s)完成一次扫描后，计算获取一个扫描长度内感应刚度和感应粘度的平均值，从而可以得到物性区分图中的一个点。多次扫描后产生的多组感应刚度和感应粘度数据，进行成图，可以得到该点地表条件基本一致的多次扫描的物性分布图。以硬沙(沙丘顶部)、砾石、岩石出露、浮土(非典型)、浮土(加湿)、盐碱壳(湖底)、沙化草原、红砂泥土8种地表为例，将Nomad系列可控震源在8种地表均采用不同线性扫描信号(起始频率：1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、6Hz，终止频率：96Hz，出力：65％、70％、75％、80％，斜坡：1000ms，扫描长度18s)完成多次扫描后，依次绘制在物性图上，结果如图6所示。
通过以上实例可以证明：感应刚度和感应粘度能有效地反应近地表的物性特征和可控震源与地表的耦合效果，可以作为地表物性类型区分的重要参数，即能够利用感应刚度和感应粘度定量划分地表物性区域。
步骤3)根据物性区分图将工区地表划分为不同物性地表类型。
不同物性地表类型对应着相应的物性种类，因此根据某一地表的物性在物性图上所处的位置特征，可以进行物性种类的划分。通常将物性分布大体划分高刚区、低刚区、中性区、高粘区等。这样，针对某一种新地表，便可以根据可控震源震动感应获得的地表物性数据资料，将该地表归属到某个具体的物性区域(物性种类)，以此定量划分地表地震条件。
利用感应刚度和感应粘度定量划分地表物性区域，相比传统的人为查看地表岩性定性区分地表的方法，理论机制上和可控震源震动系统、震动效果直接相关，科学合理，明确可靠，对于可控震源的实际生产效果提高具有重大指导意义。
例如，根据某一新地表的物性，绘制的两条条不同测线上的物性区分图，分别如图3、图4所示。结合图6，对图3和图4进行分析可以发现：(1)图中感应刚度和感应粘度的投影点形成了不同的区域，每个区域代表一种地表物性类型，即不同地表物性区域的感应刚度和感应粘度投影点具有明显的分区特征；(2)感应刚度和感应粘度的投影点几乎都集中在一个区域内，并且越往中心点投影点密度越高，分布规律具有一定的对称性。
实施例2
实施例1的步骤1)中，选取一次扫描时间内感应刚度和感应粘度做一下平均统计计算，获得该点位的平均感应刚度和平均感应粘度。本实施例中，可以对感应刚度和感应粘度首先进行预处理，滤除明显的无效数据，然后再进行平均处理。其他步骤与实施例1相同，本实施例中不再赘述。
实施例3
实施例1中，根据地表的物性可以将地表大致分为岩石(高刚)区、沙漠土质(中性)区、黏土(高粘)区、浮土(低刚)区四大类。而本实施例中，对于岩性相近的同一种地表，还可以根据物性差异进行地表类型的进一步细分。
也就是说，不仅可以将工区划分为不同物性地表类型，还可以将同一种物性地表类型进一步划分为不同物性区域；如图2所示。
即便是同一种地表类型，其不同位置的物性也有差异。例如，通过对内蒙某沙漠地表的前期资料进行分析，得到该地表不同位置的物性特征图如图5所示，根据该地表不同位置的物性特征，将该地表划分为4个区域，其中，区域1的物性特征为低刚低粘，区域2的物性特征为低刚高粘，区域3的物性特征为高刚高粘，区域4的物性特征为高刚低粘。
通过分析，区域2的单炮资料能量最强，信噪比最高，且区域2范围内的单炮位置在沙丘上存在一定的规律性。这样施工时可以根据地形位置、以及物性值优选炮点，从而提高地震资料整体品质。
因此，利用本实施例的方法还可以进一步定量分析同一种地表的物性差异，通过物性差异分析其震动效果，根据分析结果指导有利地表区优选，指导震源选点等。
Claims (5)
1.一种基于可控震源震动感应的地表物性区分方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
采集工区各个典型地表震动点的感应刚度和感应粘度；
所述感应刚度Gs和感应粘度Gv由如下公式计算：
其中Mp为平板质量，Sbase为平板面积，GS和GV为可控震源震动系统中的控制箱体检测到的重锤和平板在时间和频率的限定条件下的弹性系数和阻尼系数的归一化值；
将所述各个典型地表震动点的感应刚度和感应粘度绘制到同一个平面坐标系中，得到物性区分图；
根据所述物性区分图将工区划分为不同物性地表类型或将同一种物性地表类型进一步划分为不同物性区域；
根据新地表的物性在物性图上所处的位置特征，确定该新地表所属物性种类。
2.根据权利要求1所述的地表物性区分方法，其特征在于，所述感应刚度和感应粘度为可控震源设定出力下、设定扫描时间内的平均感应刚度和平均感应粘度。
3.根据权利要求1所述的地表物性区分方法，其特征在于，所述物性区分图中，横坐标为感应刚度，纵坐标为感应粘度。
4.根据权利要求1所述的地表物性区分方法，其特征在于，根据新地表所属物性种类定量划分地表地震条件种类。
5.根据权利要求1所述的地表物性区分方法，其特征在于，地表所属物性种类包括以下种类：硬沙、砾石、岩石出露、非典型浮土、加湿浮土、盐碱壳、沙化草原、红砂泥土。
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