CN112946753B - 近地表地层结构的分析系统及方法 - Google Patents

近地表地层结构的分析系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种近地表地层结构的分析系统及方法，其中，该系统包括：钻机、动力机、多个检波器、信号处理器；其中，钻机用于：在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；动力机用于：在为钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声；多个检波器用于：检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；信号处理器用于根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构。本发明可以提高近地表地层结构的计算精度，降低施工成本。

Description

近地表地层结构的分析系统及方法
技术领域
本发明涉及油气地震勘探野外资料采集技术领域，特别涉及一种近地表地层结构的分析系统及方法。
背景技术
接近地表的地层被称为风化层，通常是由低速、未压实的物质构成的薄层。油气勘探关注的近地表地层结构模型可简化为三层结构，即低速带、降速带和高速层，有的地区没有降速带，大多数地区都属于地层硬度随深度逐层增加的分层结构模型，只是在盐沼泽区等比较特别的地区可能在地表有一层较硬的覆盖层，从而出现近地表中含低速夹层的现象。为了获得地下深部岩层和储层的准确成像，必须消除近地表异常对地震反射数据的影响；此外，近地表也是叠前深度偏移的速度场建模中重要而具有挑战性的对象。因此，建立准确的近地表地层结构模型对于油气地震勘探资料成像具有重要意义。
目前，获取近地表地层结构的常规方法包括微测井和小折射两种方式。微测井是对近地表地层观测最直接的方法，在近地表垂直向下打一口井，然后在井中直接测量不同深度的地层速度，但这种方法其成本较高。小折射是在地表布置一条长度约为近地表厚度8～10倍的排列，通过分析折射波的初至时间来计算近地表的速度结构，但是其精度受到近地表横向速度变化的影响较大。
发明内容
本发明实施例提供一种近地表地层结构的分析系统，用以提高近地表地层结构的计算精度，降低施工成本，该系统包括：
钻机、动力机、多个检波器、信号处理器；
其中，钻机用于：在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；
动力机用于：在为钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声；
多个检波器用于：检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；
信号处理器用于根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构。
本发明实施例还提供一种近地表地层结构的分析方法，用以提高近地表地层结构的计算精度，降低施工成本，该方法包括：
钻机在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；
动力机在为钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声；
多个检波器检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；
信号处理器根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述近地表地层结构的分析方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行上述近地表地层结构的分析方法的计算机程序。
本发明实施例通过：钻机在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；动力机在为钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声，可以在地震炮井的钻井施工的过程中产生地震动噪声，与现有的为了分析近地表地层结构而单独打井的方法相比，降低了施工成本；多个检波器检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；信号处理器根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构，可以提高近地表地层结构的计算精度，从而为后续地震资料的静校正和深度偏移成像等处理工作提供有效的依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中一种近地表地层结构的分析系统结构的示意图；
图2为本发明实施例中一种近地表地层结构的分析方法流程的示意图；
图3为本发明实施例中连接体与检波器布置方式的示意图；
图4为本发明实施例中检波器输出的地层震动噪声信号的示意图；
图5为本发明实施例中互相关谱的示意图；
图6为本发明实施例中面波频散谱和面波频散曲线的示意图；
图7为本发明实施例中近地表的横波速度垂向分布结构剖面的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在介绍本发实施例之前，首先介绍发明人发现技术问题，提出近地表地层结构的分析系统的思路。
目前，获取近地表地层结构的常规方法包括微测井和小折射两种方式。微测井是对近地表地层观测最直接的方法，在近地表垂直向下打一口井，然后在井中直接测量不同深度的地层速度，但这种方法其成本较高。小折射是在地表布置一条长度约为近地表厚度8～10倍的排列，通过分析折射波的初至时间来计算近地表的速度结构，但是其精度受到近地表横向速度变化的影响较大。
英国学者Rayleigh发现了瑞雷面波的存在并揭示了瑞雷面波在自由表面半空间介质中的速度频散传播特性。在工程地质勘查领域广泛应用瑞雷面波的频散特征通过人工激发瞬态瑞雷面波来分析地基的灾害情况、勘察岩溶洞穴的分布和土层分层等近地表结构探测。事实上，在地球表面始终存在一种微弱波动，它源于自然界和人类的各种活动。自然界中的风、潮汐、气压变化、火山活动等都会产生震动；而人类活动产生的震动，包括车辆移动、工厂机械运行，甚至人的行走等。所有这些振动的能量将以波的形式向远处传播，其中含有各种体波，但能量传播的主要形式是面波，即所谓的被动源面波。基于被动源面波的勘探方法就是从采集的被动源面波数据中提取面波的频散信息，并反演地下介质的速度结构。(赵东，2010，被动源面波勘探方法与应用，物探与化探，Vol.34，No.6)。
发明人经过大量的研究发现，可以将地震炮井的钻井施工过程中产生的地层震动噪声与上述与基于被动源面波的勘探方法相结合，进而分析近地表结构。由于发明人发现了以上技术问题，提出一种近地表地层结构的分析系统，该系统主要包括：柴油机和钻机形成一个位置明确的噪声源，其产生的近地表地层震动噪声连续向四周辐射传播，在以该噪声源为中心的一条辐射线上布置一系列检波器记录地层震动噪声，然后采用被动源面波处理技术提取面波频散曲线，从而反演出近地表地层的速度结构。下面对本发明实施例提供的近地表地层结构的分析系统进行详细介绍。
为了提高近地表地层结构的计算精度，降低成本，本发明实施例提供一种近地表地层结构的分析系统，图1为本发明实施例提供一种近地表地层结构的分析系统结构的示意图，如图1所示，该系统包括：
钻机01、动力机02、多个检波器03、信号处理器04；
其中，钻机01用于：在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；
动力机02用于：在为钻机01提供动力的过程中产生地层震动噪声；
多个检波器03用于：检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；
信号处理器04用于根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构。
如图1所示，本发明实施例通过：钻机在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；动力机在为钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声，可以在地震炮井的钻井施工的过程中产生地震动噪声，与现有的为了分析近地表地层结构而单独打井的方法相比，降低了施工成本；多个检波器检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；信号处理器根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构，可以提高近地表地层结构的计算精度，从而为后续地震资料的静校正和深度偏移成像等处理工作提供有效的依据。
在一个实施例中，动力机02与钻机01通过一连接件形成一连接体。
在一个实施例中，多个检波器03与连接体布置在同一条直线上，且多个检波器03在连接体的同一侧。
具体实施时，油气地震勘探资料采集是通过人工的方法产生地震波，陆上山地勘探通常采用炸药作为激发震源，需要在选定的激发炮点位置先用钻机在地表钻一口深度达5～30米深的浅井。在野外地震炮井的钻井施工现场，钻机01的钻头在钻井过程中与地层发生摩擦碰撞产生地层震动噪声，动力机02可以是柴油机，柴油机与钻机01可以通过支架连接，柴油机在为钻机01提供动力的运转过程中产生产生持续强烈的地层震动噪声，且噪声的分贝较高。柴油机和钻机01可以通过支架连接形成一连接体，该连接体设置在地面上，从而形成一个地层震动的噪声源，其产生的地层震动噪声以井架为中心，向四周辐射传播。
具体实施时，可以以钻机01、柴油机以及支架构成的连接体为中心，在连接体的任意一个角度的辐射线方向上布置一条二维检测地层震动噪声的检波器03，从而可以构成一个地层震动噪声检测系统。
具体实施时，多个检波器03可以检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号，检波器03可以输出记录60分钟～120分钟的地层震动噪声信号。多个检波器03与连接体的角度可以根据地质任务要求和野外现场的实际情况综合确定。多个检波器03之间的间距可以根据地质任务要求的分辨率确定，一般的，油气勘探要求能分辨5米左右厚度的近地表结构，因此多个检波器03之间的间距可以是3～4米。多个检波器03与连接体的最小距离以能避开地层震动噪声源的近场效应为原则，当地层震动强烈时，最小距离需要大一些，当地层震动较弱时，最小距离需要取小值，一般的，多个检波器03与连接体的最小距离可以设置为1～2倍的检波器03之间的间距。多个检波器03的排列长度可以根据近地表地层的平均厚度确定，一般的，多个检波器03的排列长度可以约大于近地表的平均厚度。
具体实施时，可以按照与连接体的距离从小到大的顺序设置多个检波器03，若共有个N检波器03，则多个检波器03的排列集合为{R1，R2，…，RN-1，RN}。
在一个实施例中，信号处理器04根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构，可以包括：
确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱；
根据互相关谱，确定面波频散谱；
在面波频散谱中获得面波频散曲线；
根据面波频散曲线，确定近地表的横波速度垂向分布结构。
在一个实施例中，确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱，可以包括：
将与钻机01距离最近的检波器03检测的地层震动噪声信号与其余各道地层震动噪声信号分别进行互相关计算；
根据互相关计算结果，确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱。
具体实施时，互相关谱确定模块041，可以将与连接体(由钻机01、柴油机和支架构成)最近检波器03检测的一道信号R1与其余各道信号{R2，R3，…，RN-1，RN}分别进行互相关计算，根据互相关计算结果，将所有信号的互相关结果依次排列在一起得到互相关谱；面波频散谱确定模块042，可以通过相移法对互相关谱进行计算得到面波的频散谱，其中，面波频散谱以频率作横轴，以面波传播的相速度为纵轴；面波频曲线确定模块043，可以采用人工交互拾取或者自动拾取方式在面波频散谱中拾取出面波频散曲线；近地表地层结构确定模块044，可以采用遗传算法对频散曲线进行反演，从而得到近地表的横波速度垂向分布结构。
在一个实施例中，信号处理器04在根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构之前，还包括：去除多道地层震动噪声信号中的干扰信号。
具体实施时，信号处理器04可以对采集得到的N道地层震动噪声信号分别进行预处理，包括：去除平均值、去除趋势值和滤除人员走动造成的强脉冲等干扰信号。
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种近地表地层结构的分析方法，如下面的实施例。由于近地表地层结构的分析方法解决问题的原理与近地表地层结构的分析系统相似，因此方法的实施可以参见装置的实施，重复之处不再赘述。
为了提高近地表地层结构的计算精度，降低成本，本发明实施例提供一种近地表地层结构的分析方法，图2为本发明实施例中近地表地层结构的分析方法流程的示意图，如图2所示，该方法包括：
步骤101：钻机在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；
步骤102：动力机在为钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声；
步骤103：多个检波器检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；
步骤104：信号处理器根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构。
在一个实施例中，步骤101、102中，动力机与钻机通过一连接件形成一连接体。
在一个实施例中，步骤103中，多个检波器与连接体布置在同一条直线上，且多个检波器在连接体的同一侧。
在一个实施例中，步骤104中，根据信号处理器根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构，可以包括：
确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱；
根据互相关谱，确定面波频散谱；
在面波频散谱中获得面波频散曲线；
根据面波频散曲线，确定近地表的横波速度垂向分布结构。
在一个实施例中，确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱可以包括：
将与钻机距离最近的检波器检测的地层震动噪声信号与其余各道地层震动噪声信号分别进行互相关计算；
根据互相关计算结果，确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱。
在一个实施例中，在根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构之前，还包括：去除多道地层震动噪声信号中的干扰信号。
下面给出一个具体实施例，以便于理解本发明如何实施。
第一步：在某河滩砾石地区用钻机打一口10米深的炮井，钻机的钻头在钻井过程中与地层发生摩擦碰撞产生地层震动噪声，柴油机与钻机通过支架连接，柴油机在为钻机提供动力的运转过程中产生产生持续强烈的地层震动。
第二步：如图3所示，以钻机、柴油机与支架构成的连接体为中心，在连接体的北32°的辐射线方向上布置19个能连续记录的检波器，19个检波器呈直线排列且在连接体的同一侧，检波器之间的间距为3m，检波器与连接体的最小距离为4.6m；
第三步：在柴油机与钻机启动工作后，19个检波器连续检测30分钟的地层震动噪声，输出19道地层震动噪声信号，如图4所示；
第四步：信号处理器对采集得到的19道地层震动噪声信号分别进行去除平均值、去除趋势值和滤除人员走动强脉冲干扰等预处理；
第五步：信号处理器将与连接体最近检波器检测的一道信号与其余其余18道信号分别进行互相关计算，将全部18道信号的互相关结果依次排列在一起得到互相关谱，如图5所示；
第六步：信号处理器采用相移法对互相关谱进行计算得到面波的频散谱，如图6所示，以频率作横轴，以面波传播的相速度为纵轴；
第七步：信号处理器采用人工交互拾取方式在面波频散谱中拾取出面波频散曲线，如图6所示，图6中的星形线为人工交互拾取的面波频散曲线；
第八步：采用遗传算法对面波频散曲线进行反演，从而得到近地表横波速度垂向分布结构，如图7所示。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述近地表地层结构的分析方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有执行上述近地表地层结构的分析方法的计算机程序。
综上所述，本发明实施例通过：钻机在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；动力机在为钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声，可以在地震炮井的钻井施工的过程中产生地震动噪声，与现有的为了分析近地表地层结构而单独打井的方法相比，降低了施工成本；多个检波器检测地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；信号处理器根据多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构，可以提高近地表地层结构的计算精度，从而为后续地震资料的静校正和深度偏移成像等处理工作提供有效的依据。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种近地表地层结构的分析系统，其特征在于，包括：钻机、动力机、多个检波器、信号处理器；
其中，所述钻机用于：在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；
所述动力机用于：在为所述钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声；
所述多个检波器用于：检测所述地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；所述动力机与所述钻机通过一连接件形成一连接体；所述多个检波器与所述连接体布置在同一条直线上，且所述多个检波器在所述连接体的同一侧；所述多个检波器布置在以该噪声源为中心的一条辐射线上；
所述信号处理器用于根据所述多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构；
根据所述多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构，包括：
确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱；
根据互相关谱，确定面波频散谱；
在所述面波频散谱中获得面波频散曲线；
根据所述面波频散曲线，确定近地表的横波速度垂向分布结构；
确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱，包括：
将与所述钻机距离最近的检波器检测的地层震动噪声信号与其余各道地层震动噪声信号分别进行互相关计算；
根据互相关计算结果，确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在根据所述多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构之前，还包括：去除所述多道地层震动噪声信号中的干扰信号。
3.一种地表地层结构的分析方法，其特征在于，
钻机在地震炮井的钻井过程中产生地层震动噪声；
动力机在为所述钻机提供动力的过程中产生地层震动噪声；
多个检波器检测所述地层震动噪声，并输出多道地层震动噪声信号；所述动力机与所述钻机通过一连接件形成一连接体；所述多个检波器与所述连接体布置在同一条直线上，且所述多个检波器在所述连接体的同一侧；所述多个检波器布置在以该噪声源为中心的一条辐射线上；
信号处理器根据所述多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构；
根据所述多道地层震动噪声信号，确定近地表地层结构，包括：
确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱；
根据互相关谱，确定面波频散谱；
在所述面波频散谱中获得面波频散曲线；
根据所述面波频散曲线，确定近地表的横波速度垂向分布结构；
确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱，包括：
将与所述钻机距离最近的检波器检测的地层震动噪声信号与其余各道地层震动噪声信号分别进行互相关计算；
根据互相关计算结果，确定多道地层震动噪声信号之间的互相关谱。
4.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求3所述方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求3所述方法的计算机程序。
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