CN115980830A - 通过尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋地震勘探过程中的气枪震源数据识别技术领域，公开了通过尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用。该方法包括：计算容量气枪的激发后达到主脉冲峰值时间；然后根据以上所得的主脉冲峰值时间调整上述不同容量气枪的激发时间，使得阵列中各容量气枪达到主脉冲峰值的时间产生对应的时延，从而构造主脉冲波形较窄的尖脉冲震源子波，增大气枪震源低频能量。本发明以控制不同容量的气枪激发时间实现延展震源低频拓宽震源子波频带的目的，产生高分辨率的下传能力强的地震子波以适用浅海中深层地质目标勘探的相关质量要求。

Description

通过尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用

技术领域

本发明属于海洋地震勘探过程中的气枪震源数据识别技术领域，尤其涉及通过尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用。

背景技术

气枪震源激发的地震子波中低频能量穿透能力强，因此低频能量的提高是海洋油气资源勘探中针对海洋中深层目标的关键。随着海洋油气资源的开采迈向中深层，储层条件和勘探条件日趋复杂，低频能量丰富的气枪震源受到越来越多的关注。目前国内外主要通过多子阵平面、立体组合的方法，利用组合子波能量，达到拓宽震源子波频带，提高地震勘探地震波下传能力的目的。

通过多子阵组合对于提高震源高频效果明显，但是震源频带向低频延展的效果并不明显，如何产生低频能量更强的震源子波，是地球物理学领域亟待解决的问题。在保证高频的基础上，延展震源低频从而达到提高地震波穿透能力的目的，是本发明基于先存技术所要提高的焦点。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术中产生地震子波适用浅海中深层地质目标勘探效果差。

(2)现有技术气枪阵列地频带向低频拓展效果差，使得气枪震源对中深层地质目标探测数据准确度较低。

(3)现有提高气枪低频能量的技术主要有提高阵列容量或采用大容量气枪的方式，但大容量气枪技术目前仍不成熟。因此学者们多采用立体阵列的方式压制虚反射从而达到减少低频成分衰减的目的，但是效果并不明显，同时现有技术很难兼顾拓宽频带与拓展低频，现有技术的效果往往使得子波频带整体向高频或者低频方向移动。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了通过尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用，用于海洋野外宽频立体观测系统，勘探采集近海浅水中深层地震反射信号并用于海洋地质调查和油气勘探。

所述技术方案如下：通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，其特征在于，该方法首先计算容量气枪的激发后达到主脉冲峰值时间，然后根据以上所得的主脉冲峰值时间调整不同容量气枪的激发时间，使得阵列中各容量气枪达到主脉冲峰值的时间产生对应的时延，从而构造主脉冲波形较窄的尖脉冲震源子波，增大气枪震源低频能量；

其中，常规气枪子波主脉冲的形态为“直角三角形”，顶角角度较大，尖脉冲子波主脉冲形似等腰三角形，顶角较常规子波小。

主脉冲峰值增大11.6％，峰峰值则大12.4％，初泡比增大16.4％，有效频带宽度较常规阵列增大14.5％。低频扩展约2Hz。

具体包括以下步骤：

S1、根据范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型模拟不同容量的气枪子波，设定模型初始条件；

S2、根据设定的模型初始条件执行模拟过程；

S3、对模拟出的气枪子波进行分析，统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值的时间t_i；

S4、根据模拟结果，设最小时间t_i为t₀，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与t₀的差值Δt_i；

S5、将计算得到的Δt_i作为气枪阵列中不同容量气枪的延迟激发时间，随后进行气枪子波模拟；

S6、对得到的气枪子波作频谱分析。

在步骤S1中，范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的公式表达为：

式中，a＝0.1404m⁶·Pa·mol^-2，b＝3.764×10^-5m³·mol^-1是范德瓦尔斯常数，T_g为有效热力学温度，R_g为普适气体常数，m_g为气体质量，V_g为体积，P_g为气枪压力；

有效热力学温度T_g取决于气室内的高压气体：

T_g＝T_w(1+P_g/P_c)(2)

式中，P_c＝139MPa，T_w为水温；

气枪激发过程中，根据能量守恒定律，气泡热传播损失和气泡物质量的传递获得的能量必须与气泡内能的变化平衡有：

式中，T是气泡温度，P是气泡压力，m_b是气泡内气体的物质量，U＝C_vm_bT表示气泡的内能，C_m和C_v分别是定压比热容和定体比热容，dQ/dt是通过气泡壁的传热速率，dt为气泡壁运动单位时间间隔，dQ为气泡向周围环境单位时间间隔内的传输热量，dU为气泡内能单位时间减小的量，dV为气泡体积单位时间的变化量，dm为气泡内物质量单位时间内的变化量，传热系数k是通过对模型与试验数据拟合确定，气泡热损失率表示为：

式中，ΔT＝T_b-T_w是气泡温度T_b和周围水温T_w之间的温度差，R是气泡半径，k为传热系数；利用范德瓦尔斯非理想气体公式，非理想气体的内能为气体温度和体积的函数为：

全微分公式表示为：

此外，热力学第一定律转化为：

式中，Rg＝Cp–Cv，Cp为在恒定压力下的摩尔热容量；

引入气体通过气枪端口的速率的节流常数τ，获取气体物质的量的变化率为

对于实际应用的气枪，不同容量气枪的节流常数只与气室大小有关，根据幂次定律，表示为：

式中，τ₀是与容量无关的端口节流常数，ζ是通过与实测数据的对比确定的节流幂律指数；根据测量和计算结果，在任意给定的时间内，通过气枪端口的气体流量取决于气枪内外的压力差，从而气体释放的速率表示为：

式中，m_b是释放到气泡中的气体物质的量，m_g|_t＝0是气室内气体总量，η是气泡中气体量与总量的比；式中V_g是气室容量，m_g是气室内气体的物质量，P_g是气枪压力，P_b是气泡压力；

气泡壁的运动公式表示为：

式中，R是气泡半径，u和

分别是气泡壁的速度和加速度，c是声波在流体介质中的速度，

是气泡壁的焓差，ρ_∞是无穷远处的静水密度，P_b是气泡压力，P_∞是无穷远处静水压；气泡的静水压力在气泡由于浮力上升的过程中发生改变，因此必须考虑气泡的上升；气泡上升过程的气泡垂直上升速度的表达式为：

式中，z是气泡深度，g是重力加速度常数，R是气泡半径，因此，静水压力P_∞的表达式为：

式中，P_atm是标准大气压，z_g是气枪深度；在距离气枪1m处，气枪子波信号可表示为：

在低频时，气泡间的相互作用不忽视；气泡间的这种相互作用可以看作是对流体静水压的调节；气泡间的相互作用使气泡周围的压力变化；相对于地震波长，气泡为一个点，任何任意气泡周围的压力场均为静水压力加上气泡产生的时变压力场的叠加；第i各气泡处的有效静水压力为；

式中，P_∞是静水压，∑_k≠iΔP_ik是气枪阵列中所有其他气枪的压力贡献之和，ΔP_ik是第k个气泡引起的对第i个气泡的静水压力扰动，以及第k个气泡引起的对第i个气泡的延时和按距离标度的压力特征：

式中，r_ik表示第i个气泡与第k个气泡之间的气泡间距。

在步骤S1中，模型初始条件为：

步骤1.1、将气枪压力的初始值P_g|_t＝0设置为工作压力；

步骤1.2、气泡内初始温度设置为T_g＝T_w(1+P_g/P_c)；

步骤1.3、气泡初始体积V_b|_t＝0＝V_g，初始半径为

步骤1.4、气泡壁的初始速度为u＝0；

步骤1.5、气泡初始压力P_b|_t＝0＝P_∞，初始温度为水温T_w＝18°，气泡内的初始物质量为

步骤1.6、设置各条气枪的放置位置(x，y，z)；

在步骤S2中，根据设定的模型初始条件执行模拟具体为：

步骤2.1、输入范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的初始条件；

步骤2.2、开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

步骤2.3、利用公式(1)计算t＝k时刻的气泡压力P_b；

步骤2.4、通过公式(4)计算气泡热损失率

步骤2.5、通过公式(9)计算气体的释放速率

步骤2.6、计算t＝k时刻的气泡体积变化率

步骤2.7、通过公式(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率

步骤2.8、计算气泡壁的焓差

步骤2.9、通过对公式(1)求关于时间t的微分得到气泡压力的变化率

步骤2.10、对焓差求关于时间t的微分得到

步骤2.11、通过公式(10)计算t＝k时刻的气泡壁的速度变化率

即气泡壁的加速度；

步骤2.12、对

求关于时间t的微分得到，

步骤2.13、由于气枪子波模拟是一个迭代过程，通过二阶泰勒级数展开，可以得到气泡壁半径、气泡壁速度、气体温度以及气泡内气体的物质量：

步骤2.14、将气泡压力表示为焓、气泡壁速度和以及气泡半径的函数：

R₀为气泡中心到远场点的距离；

步骤2.15、重复步骤(2.1)至(2.14)，直到t＞t_max；

步骤2.16、计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

R_s表示海面反射系数，D₁是气枪与水听器之间的距离是，D₂是气枪的海面镜像与水听器之间的距离，

是气枪信号经过D₁和D₂的时间延迟。

在步骤S3中，对模拟出的气枪子波进行分析，统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值的时间t_i具体包括：统计

45cu.in\70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in等容量气枪激发后，达到主脉冲峰值的时间t_i。

在步骤S4中，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与t₀的差值Δt_i具体包括：计算70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in容量的气枪激发后达到主脉冲峰值的时间与45cu.in容量的气枪达到主脉冲峰值的时间差值Δt_i。

在步骤S6中，对得到的气枪子波作频谱分析具体包括：计算气枪阵列子波的主脉冲峰值、虚反射值、气泡脉冲峰值，通过傅里叶变换对子波作频谱分析，以最大振幅-6dB为判断有效带宽的标准，求得子波主脉冲的有效带宽，并得到子波主脉冲主频。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法的气枪阵列，所述气枪阵列包括工作枪33条，空枪6条，总容量4040cu.in；

单枪容量与条数分别为：

6条45cu.in；

4条70cu.in；

10条100cu.in，其中包含2条空枪；

11条150cu.in，其中包含2条空枪；

8条250cu.in，其中包含2条空枪。

本发明的另一目的在于提供一种用于海洋地质调查的气枪震源设备，实施所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于油气勘探的气枪震源设备，实施所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法。

本发明的另一目的在于提供一种用于海洋野外宽频立体观测系统、勘探采集近海浅水中深层地震反射信号的气枪震源设备，实施所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：本发明利用气枪容量与主脉冲峰值达到时间的关系，通过延迟激发构造尖脉冲子波，实现气枪阵列地频带在保证高频的基础上向低频拓展的目的，最终获得高低频丰富，能量下传能力强的针对中深层地质目标的气枪震源。

第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明以控制不同容量的气枪激发时间实现延展震源低频拓宽震源子波频带的目的，产生高分辨率的下传能力强的地震子波以适用浅海中深层地质目标勘探的相关质量要求。本发明提供的阵列是一种平面阵列。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；

图1是本发明实施例提供的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的模拟出来的不同容量的气枪单枪子波图；

图3是本发明实施例提供的所用的气枪阵列中各容量气枪单枪模拟所得从激发到达到主脉冲峰值时间统计图；

图4是本发明实施例提供的所用气枪阵列的平面图；

图5(a)是本发明实施例提供的模拟出来的尖脉冲气枪子波图；

图5(b)是本发明实施例提供的模拟出来的频谱图；

图6(a)是本发明实施例提供的模拟构造的尖脉冲子波(带十字线)与常规子波(实线)波形对比图；

图6(b)是本发明实施例提供的模拟构造的尖脉冲子波(带十字线)与常规子波(实线)频谱对比图；

图7是本发明实施例提供的渤海某区块实际勘探的地层的速度场模型；

图8(a)是本发明实施例提供的利用现有技术雷克子波做的波场成像图；

图8(b)是本发明实施例提供的利用本发明构造的尖脉冲子波做的波场成像图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

一、解释说明实施例：

本发明实施例提供的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法包括：

首先计算45.in\70cu.in45.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in容量气枪的激发后达到主脉冲峰值时间，然后根据以上所得的时间调整上述不同容量气枪的激发时间，使得阵列中各容量气枪达到主脉冲峰值的时间产生对应的时延，从而构造主脉冲波形较窄的尖脉冲震源子波，实现提高气枪震源低频能量的目的。

实施例2

如图所示1，本发明实施例提供的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法具体包括以下步骤：

S101、根据范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型模拟不同容量的气枪子波，设定模型初始条件；

S102、根据步骤S101设定的初始条件执行模拟过程；

S103、对模拟出的气枪子波进行分析，统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值的时间t_i；

S104、根据模拟结果，容量越小t_i越小，假设最小t_i为t₀，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与t₀的差值Δt_i；

S105、将步骤S104计算得到的Δt_i作为气枪阵列中不同容量气枪的延迟激发时间，随后进行气枪子波模拟；

S106、对步骤S105得到的气枪阵列子波作频谱分析。

进一步地，所述步骤S101中的范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的公式表达为：

式中，a＝0.1404m⁶·Pa·mol^-2，b＝3.764×10^-5m³·mol^-1是范德瓦尔斯常数，T_g为有效热力学温度，R_g为普适气体常数，m_g为气体质量，V_g为体积。P_g为气枪压力。

Laws等认为有效热力学温度T_g取决于气室内的高压气体：

T_g＝T_w(1+P_g/P_c)(2)

式中，P_c＝139MPa。T_w为水温。

气枪激发过程中，高压气体从腔室内喷出，形成气泡，这个过程中热量通过气泡壁向外进行传递，符合开放的热力学系统特征。根据能量守恒定律，气泡热传播损失和气泡物质量的传递获得的能量必须与气泡内能的变化平衡，因此有：

式中，T是气泡温度，P是气泡压力，m_b是气泡内气体的物质量，U＝C_vm_bT表示气泡的内能，C_m和C_v分别是定压比热容和定体比热容，dQ/dt是通过气泡壁的传热速率，dt为气泡壁运动单位时间间隔，dQ为气泡向周围环境单位时间间隔内的传输热量，dU为气泡内能单位时间减小的量，dV为气泡体积单位时间的变化量，dm为气泡内物质量单位时间内的变化量，传热系数k是通过对模型与试验数据拟合确定，气泡热损失率可以表示为：

式中，ΔT＝T_b-T_w是气泡温度T_b和周围水温T_w之间的温度差，R是气泡半径，k为传热系数；利用范德瓦尔斯非理想气体公式，非理想气体的内能为气体温度和体积的函数为：

全微分公式表示为：

此外，热力学第一定律转化为：

式中，Rg＝Cp–Cv，Cp为在恒定压力下的摩尔热容量；

为了推导气体物质的量的变化率

引入节流常数τ，其决定了气体通过气枪端口的速率；式中V_g是气室容量，m_g是气室内气体的物质量，P_g是气枪压力，P_b是气泡压力。

对于实际应用的气枪，高压气体释放到水中的速度和总量受到端口大小、端口打开时间等参数的控制，进而影响了气枪子波性能。由于端口面积固定，节流常数τ提高了模型与实测数据的一致性，假设不同容量气枪的节流常数只与气室大小有关。根据幂次定律，可以表示为：

式中，τ₀是与容量无关的端口节流常数，ζ是通过与实测数据的对比确定的节流幂律指数。根据测量和计算结果，气体逸入水中的气泡可以持续几毫秒。在任意给定的时间内，通过气枪端口的气体流量取决于气枪内外的压力差，从而气体释放的速率可以表示为：

式中，m_b是释放到气泡中的气体物质的量，m_g|_t＝0是气室内气体总量，η是气泡中气体量与总量的比。

气泡壁的运动公式可以表示为：

式中，R是气泡半径，u和

分别是气泡壁的速度和加速度，c是声波在流体介质中的速度，

是气泡壁的焓差，ρ_∞是无穷远处的静水密度，P_b是气泡压力，P_∞是无穷远处静水压。气泡的静水压力在气泡由于浮力上升的过程中发生改变，因此必须考虑气泡的上升。考虑气泡上升过程的气泡垂直上升速度的表达式为：

式中，z是气泡深度，g是重力加速度常数，R是气泡半径，因此，静水压力P_∞的表达式为：

式中，P_atm是标准大气压，z_g是气枪深度。在距离气枪1m处，气枪子波信号可表示为：

在低频时，气泡间的相互作用不可忽视。气泡间的这种相互作用可以看作是对流体静水压的调节。气泡间的相互作用会使气泡周围的压力变化。相对于地震波长，气泡可以看作是一个点，所以，任何任意气泡周围的压力场均是静水压力加上气泡产生的时变压力场的叠加。因此，第i各气泡处的有效静水压力为；

式中，P_∞是静水压，∑_k≠iΔP_ik是气枪阵列中所有其他气枪的压力贡献之和，ΔP_ik是第k个气泡引起的对第i个气泡的静水压力扰动，以及第k个气泡引起的对第i个气泡的延时和按距离标度的压力特征：

式中，r_ik表示第i个气泡与第k个气泡之间的气泡间距。

进一步地，所述步骤S1中初始条件具体为：

步骤1.1、条件1：将气枪压力的初始值P_g|_t＝0设置为工作压力；

步骤1.2、条件2：气泡内初始温度设置为T_g＝T_w(1+P_g/P_c)；

步骤1.3、条件3：气泡初始体积V_b|_t＝0＝V_g，初始半径为

步骤1.4、条件4：气泡壁的初始速度为u＝0；

步骤1.5、条件5：气泡初始压力P_b|_t＝0＝P_∞，初始温度为水温T_w＝18°，气泡内的初始物质量为

步骤1.6、条件6：设置各条气枪的放置位置(x，y，z)。

所述步骤S2中的根据步骤S1设定的初始条件进行的模拟过程具体为：

步骤2.1、输入范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的初始条件；

步骤2.2、开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

步骤2.3、利用公式(1)计算t＝k时刻的气泡压力，P_b；

步骤2.4、通过公式(4)计算气泡热损失率，

步骤2.5、通过公式(9)计算气体的释放速率，

步骤2.6、计算t＝k时刻的气泡体积变化率，

步骤2.7、通过公式(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率，

步骤2.8、计算气泡壁的焓差，

步骤2.9、通过对公式(1)求关于时间t的微分得到气泡压力的变化率，

步骤2.10、对焓差求关于时间t的微分得到，

步骤2.11、通过公式(10)计算t＝k时刻的气泡壁的速度变化率，

既气泡壁的加速度；

步骤2.12、对

求关于时间t的微分得到，

步骤2.13、由于气枪子波模拟是一个迭代过程，通过二阶泰勒级数展开，可以得到气泡壁半径、气泡壁速度、气体温度以及气泡内气体的物质量：

步骤2.14、将气泡压力表示为焓、气泡壁速度和以及气泡半径的函数：

R₀为气泡中心到远场点的距离；

步骤2.15、重复步骤(2.1)至(2.14)，直到t＞t_max；

步骤2.16、计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

R_s表示海面反射系数，D₁是气枪与水听器之间的距离是，D₂是气枪的海面镜像与水听器之间的距离，

是气枪信号经过D₁和D₂的时间延迟。

进一步的，所述步骤S2中的分析步骤S2模拟的气枪阵列子波，统计不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间t_i，即统计45cu.in\70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in等容量气枪激发后，达到主脉冲峰值的时间t_i。

进一步地，所述步骤S4中根据步骤S3统计所得ti计算Δt_i，即计算70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in容量的气枪激发后达到主脉冲峰值的时间与45cu.in容量的气枪达到主脉冲峰值的时间差值Δt_i；

进一步地，所述步骤S5中的气枪阵列具体为：气枪阵列中共有39条枪，其中工作枪33条。空枪6条，总容量4040cu.in，单枪容量与条数分别为45cu.in(6条)、70cu.in(4条)、100cu.in(10条，包含2条空枪)、150cu.in(11条，包含2条空枪)、250cu.in(8条，包含2条空枪)。将步骤4计算的Δt_i作为不同容量气枪的延迟激发时间，分别为45cu.in\70cu.in气枪延迟激发2.5ms，100cu.in/150cu.in气枪延迟激发2.0ms，250cu.in气枪无延迟。阵列沉放深度为7m，缆沉放深度8m。

进一步地，步骤S6对步骤S5所述气枪阵列的子波进行频谱分析。具体包括：计算气枪阵列子波的主脉冲峰值、虚反射值、气泡脉冲峰值，通过傅里叶变换对子波作频谱分析，以最大振幅-6dB为判断有效带宽的标准，所以本发明以-6Db来求得子波主脉冲的有效带宽，并得到子波主脉冲主频。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。

二、应用实施例：

应用例1

步骤1、根据范德瓦尔斯非理想气体条件气枪子波模型模拟气枪子波，首先设定模型初始条件。具体包括气枪沉放深度7m，缆沉放深度为8m，气枪容量和条数分别为45cu.in、70cu.in、100cu.in、150cu.i、250cu.in。采样间隔为0.0005s，海水密度为1.03g/cm3，海水速度为1500m/s，海水温度为293.15开尔文，海面反射系数为-0.9等。

步骤2、根据步骤1所设的初始条件来进行模拟过程。具体执行过程为：

a)输入气枪子波模型所有的初始条件。

b)开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

c)利用公式(1)计算t＝k时刻的气泡压力，P_b；

d)通过公式(4)计算气泡热损失率，

e)通过公式(9)计算气体的释放速率，

f)计算t＝k时刻的气泡体积变化率，

g)通过公式(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率，

h)计算气泡壁的焓差，

i)通过对公式(1)求关于时间t的微分得到气泡压力的变化率，

j)对焓差求关于时间t的微分得到，

k)通过公式(10)计算t＝k时刻的气泡壁的速度变化率，

既气泡壁的加速度；

l)对

求关于时间t的微分得到，

m)由于气枪子波模拟是一个迭代过程，通过二阶泰勒级数展开，可以得到气泡壁半径、气泡壁速度、气体温度以及气泡内气体的物质量：

n)将气泡压力表示为焓、气泡壁速度和以及气泡半径的函数：

R₀为气泡中心到远场点的距离；

o)重复步骤(a)至(n)，直到t＞t_max；

p)计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

q)

R_s表示海面反射系数，D₁是气枪与水听器之间的距离是，D₂是气枪的海面镜像与水听器之间的距离，

是气枪信号经过D₁和D₂的时间延迟。经过步骤(a)到(q)得到不同容量的气枪子波，并统计得到如图2所示的不同容量气枪子波。

步骤3、统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值所用时间t_i，如图3所示。

步骤4、根据步骤3统计所得t_i计算Δt_i；

步骤5、根据设定的初始条件，进行尖脉冲子波气枪阵列模拟，具体过程为：气枪阵列中共有39条枪，其中工作枪33条。空枪6条，总容量4040cu.in，单枪容量与条数分别为45cu.in(6条)、70cu.in(4条)、100cu.in(10条，包含2条空枪)、150cu.in(11条，包含2条空枪)、250cu.in(8条，包含2条空枪)。将步骤4计算的Δt_i作为不同容量气枪的延迟激发时间，分别为45cu.in\70cu.in气枪延迟激发2.5ms，100cu.in/150cu.in气枪延迟激发2.0ms，250cu.in气枪无延迟。阵列沉放深度为7m，缆沉放深度8m。图4所示为气枪阵列平面图，其中，阵列为：718_4040_7_66-air-narrow pulse-3，容量：4040cu.in，*为枪簇，o为单枪，+为空枪。

步骤6、根据傅里叶变换对尖脉冲子波进行频谱分析，得到如图5(b)是本发明实施例提供的模拟出来的频谱图；频谱图中的虚线以上的部分对应的频率为有效频率。虚线-6dB为目前地球物理领域通用的确定有效频率的界限；

为了更好的展示本发明的技术优越性，与渤海某区块实际气枪阵列子波进行对比，图6(a)是本发明实施例提供的模拟构造的尖脉冲子波(带十字线)与常规子波(实线)波形对比图；图6(b)是本发明实施例提供的模拟构造的尖脉冲子波(带十字线)与常规子波(实线)频谱对比图。图6(a)-图6(b)中barn为气枪激发产生的气泡的腔室内的压力。通过图6(a)-图6(b)中子波对比可以看出，采用本发明方法之后，所得到的气枪子波的频带宽度得到拓宽，频谱中低频能量得到增强。可以看出尖脉冲子波的波形特点，同时可以看出尖脉冲子波较常规子波的低频能量更高。

应用例2

本发明实施例还提供了一种利用获得的尖脉冲子波进行高精度的全波形波场成像。该全波形波场成像的具体方法包括渤海某区块实际勘探的速度场数据、本发明构造的尖脉冲子波以及进行波场成像的计算方法。

所述渤海某区块实际勘探得到的速度场数据如图7所示，该模型基本包含了包括裂缝、断层、凹陷、向斜、背斜、潜山等各种地质构造，通过对该模型的成像可以较全面的反应地震子波的质量优劣。

图8(a)雷克子波波场成像为目前常规的计算方法效果图；如图8(b)所示。尖脉冲子波波场成像(71_4040_7_66-air-narrow pulse-3)效果图。其中常规阵列为渤海某一区块所用实际气枪阵列，阵列编号为718_4040_7_66_air，本发明所用阵列是在该阵列的基础上进行优化所得，阵列编号为718_4040_7_66-air-narrow pulse-3。

通过图8(a)-图8(b)可以看出，利用本发明构造的尖脉冲子波完成的波场成像效果更好，具体为低频能量更强，能量下传深度更深，宽度更广，中深层潜山和内幕地区构造落实更清楚。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、根据范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型模拟不同容量的气枪子波，设定模型初始条件；

S2、根据设定的模型初始条件执行模拟过程；

S3、对模拟出的气枪子波进行分析，统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值的时间t_i；

S4、根据模拟结果，设最小时间t_i为t₀，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与t₀的差值Δt_i；

S5、将计算得到的Δt_i作为气枪阵列中不同容量气枪的延迟激发时间，随后进行气枪子波模拟；

S6、对得到的气枪子波作频谱分析。

2.根据权利要求1所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，其特征在于，在步骤S1中，范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的公式表达为：

式中，a和b是范德瓦尔斯常数，a＝0.1404m⁶·Pa·mol^-2，b＝3.764×10^-5m³·mol^-1，T_g为有效热力学温度，R_g为普适气体常数，m_g为气体质量，V_g为体积，P_g为气枪压力；有效热力学温度T_g取决于气室内的高压气体，表达式为：

T_g＝T_w(1+P_g/P_c)(2)

式中，P_c＝139MPa，T_w为水温；

气枪激发过程中，根据能量守恒定律，气泡热传播损失和气泡物质量的传递获得的能量与气泡内能的变化平衡，则有：

式中，T是气泡温度，P是气泡压力，m_b是气泡内气体的物质量，U＝C_vm_bT表示气泡的内能，C_m为定压比热容，C_v为定体比热容，dQ/dt是通过气泡壁的传热速率，dt为气泡壁运动单位时间间隔，dQ为气泡向周围环境单位时间间隔内的传输热量，dU为气泡内能单位时间减小的量，dV为气泡体积单位时间的变化量，dm为气泡内物质量单位时间内的变化量，传热系数k是通过对模型与试验数据拟合确定，气泡热损失率表示为：

式中，ΔT＝T_b-T_w是气泡温度T_b和周围水温T_w之间的温度差，R是气泡半径，k为传热系数；利用范德瓦尔斯非理想气体公式，非理想气体的内能为气体温度和体积的函数为：

全微分公式表示为：

此外，热力学第一定律转化为：

式中，Rg＝Cp–Cv，Cp为在恒定压力下的摩尔热容量；

引入气体通过气枪端口的速率的节流常数τ，获取气体物质的量的变化率为

对于实际应用的气枪，不同容量气枪的节流常数只与气室大小有关，根据幂次定律，表示为：

式中，τ₀是与容量无关的端口节流常数，ζ是通过与实测数据的对比确定的节流幂律指数；根据测量和计算结果，在任意给定的时间内，通过气枪端口的气体流量取决于气枪内外的压力差，从而气体释放的速率表示为：

式中，m_b是释放到气泡中的气体物质的量，m_g|_t＝0是气室内气体总量，η是气泡中气体量与总量的比；式中V_g是气室容量，m_g是气室内气体的物质量，P_g是气枪压力，P_b是气泡压力；气泡壁的运动公式表示为：

式中，R是气泡半径，u和

分别是气泡壁的速度和加速度，c是声波在流体介质中的速度，

是气泡壁的焓差，ρ_∞是无穷远处的静水密度，P_b是气泡压力，P_∞是无穷远处静水压；气泡的静水压力在气泡由于浮力上升的过程中发生改变，因此必须考虑气泡的上升；气泡上升过程的气泡垂直上升速度的表达式为：

式中，z是气泡深度，g是重力加速度常数，R是气泡半径，因此，静水压力P_∞的表达式为：

式中，P_atm是标准大气压，z_g是气枪深度；在距离气枪1m处，气枪子波信号可表示为：

在低频时，气泡间的相互作用不忽视；气泡间的这种相互作用可以看作是对流体静水压的调节；气泡间的相互作用使气泡周围的压力变化；相对于地震波长，气泡为一个点，任何任意气泡周围的压力场均为静水压力加上气泡产生的时变压力场的叠加；第i各气泡处的有效静水压力为；

式中，P_∞是静水压，∑_k≠iΔP_ik是气枪阵列中所有其他气枪的压力贡献之和，ΔP_ik是第k个气泡引起的对第i个气泡的静水压力扰动，以及第k个气泡引起的对第i个气泡的延时和按距离标度的压力特征：

式中，r_ik表示第i个气泡与第k个气泡之间的气泡间距。

3.根据权利要求1所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，其特征在于，在步骤S1中，模型初始条件为：

步骤1.1、将气枪压力的初始值P_g|_t＝0设置为工作压力；

步骤1.2、气泡内初始温度设置为T_g＝T_w(1+P_g/P_c)；

步骤1.3、气泡初始体积V_b|_t＝0＝V_g，初始半径为

步骤1.4、气泡壁的初始速度为u＝0；

步骤1.5、气泡初始压力P_b|_t＝0＝P_∞，初始温度为水温T_w＝18°，气泡内的初始物质量为

步骤1.6、设置各条气枪的放置位置(x，y，z)；

在步骤S2中，根据设定的模型初始条件执行模拟过程，具体为：

步骤2.1、输入范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的初始条件；

步骤2.2、开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

步骤2.3、利用公式(1)计算t＝k时刻的气泡压力P_b；

步骤2.4、通过公式(4)计算气泡热损失率

步骤2.5、通过公式(9)计算气体的释放速率

步骤2.6、计算t＝k时刻的气泡体积变化率

步骤2.7、通过公式(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率

步骤2.8、计算气泡壁的焓差

步骤2.9、通过对公式(1)求关于时间t的微分得到气泡压力的变化率

步骤2.10、对焓差求关于时间t的微分得到

步骤2.11、通过公式(10)计算t＝k时刻的气泡壁的速度变化率

即气泡壁的加速度；

步骤2.12、对

求关于时间t的微分得到，

步骤2.13、由于气枪子波模拟是一个迭代过程，通过二阶泰勒级数展开，可以得到气泡壁半径、气泡壁速度、气体温度以及气泡内气体的物质量：

步骤2.14、将气泡压力表示为焓、气泡壁速度和以及气泡半径的函数：

R₀为气泡中心到远场点的距离；

步骤2.15、重复步骤(2.1)至(2.14)，直到t＞t_max；

步骤2.16、计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

R_s表示海面反射系数，D₁是气枪与水听器之间的距离是，D₂是气枪的海面镜像与水听器之间的距离，

是气枪信号经过D₁和D₂的时间延迟。

4.根据权利要求1所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，其特征在于，在步骤S3中，对模拟出的气枪子波进行分析，统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值的时间t_i；具体包括：

统计45cu.in\70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in等容量气枪激发后，达到主脉冲峰值的时间t_i。

5.根据权利要求1所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，其特征在于，在步骤S4中，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与t₀的差值Δt_i，具体包括：

计算70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in容量的气枪激发后达到主脉冲峰值的时间与45cu.in容量的气枪达到主脉冲峰值的时间差值Δt_i。

6.根据权利要求1所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，其特征在于，在步骤S6中，对得到的气枪子波作频谱分析具体包括：

计算气枪阵列子波的主脉冲峰值、虚反射值、气泡脉冲峰值，通过傅里叶变换对子波作频谱分析，以最大振幅-6dB为判断有效带宽的标准，求得子波主脉冲的有效带宽，并得到子波主脉冲主频。

7.一种实现权利要求1-6任意一项所述通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法的气枪阵列，其特征在于，所述气枪阵列包括工作枪33条，空枪6条，总容量4040cu.in；

单枪容量与条数分别为：

6条45cu.in；

4条70cu.in；

10条100cu.in，其中包含2条空枪；

11条150cu.in，其中包含2条空枪；

8条250cu.in，其中包含2条空枪。

8.一种用于海洋地质调查的气枪震源设备，实施权利要求1-6任意一项所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法。

9.一种用于油气勘探的气枪震源设备，实施权利要求1-6任意一项所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法。

10.一种用于海洋野外宽频立体观测系统、勘探采集近海浅水中深层地震反射信号的气枪震源设备，实施权利要求1-6任意一项所述的通过延迟激发构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法。

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