CN1254693C - 对源编码和谐波消除采用级联扫描的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用一个或多个由扫描信号驱动的震动地震能源的地震勘测方法。确定强度足以导致一扫描段的明显谐波畸变的最高阶谐波。选择超过源的数量的扫描段数量。为每个地震能源的每个扫描段选择初始相位角，从而抑制掉直到并且包括该最高阶谐波的所有谐波。利用级联的扫描，获得并处理基本衰减掉直到该选定阶数的谐波的地震数据。

Description

对源编码和谐波消除采用级联扫描的方法

技术领域

本发明涉及地球的物理勘探，尤其涉及采集地震震动器数据。

背景技术

地震勘探业利用声脉冲把声振动传递到地球以便为矿物勘探和开采描绘地下结构。这些声脉冲可以来自爆炸、内破裂、扫频(线性调频脉冲)或随机源。利用对从该源传播到接收器的声反射和折射波前的记录产生地震场记录。这些场记录中的反射和折射事件的传播时间变化指示地球内反射表面的位置。在地震数据处理中对一个或多个场记录里的事件的分析及相关产生表明地下结构的声像。利用这些声像寻找有价值的矿床。

扫频或线性调频脉冲型地震源可以采用相对长的例如2到15秒的导频信号以确保对地球施加足够的能量。扫频或线性调频脉冲型源方法依赖于信号压缩以便压缩信号并且确保足够的垂直分辨率，从而解出地下反射物的位置。信号压缩通常被称为去卷积，它的许多技术在地震数据处理中是周知的。扫描或线性调频脉冲信号的去卷积把源信号压缩成代表地下反射边界的短得多的信号。任何去卷积技术的精度和有效性直接依赖于对源信号的知道或了解程度。大多数去卷积运算子是从实际源波形的统计估计导出的。

利用扫频型源，能量是在地震频率范围内按有规律地增加(向上扫描)或降低(向下扫描)频率的扫描形式发射的。可以通过能够控制地震信号的频率和相位的控制信号控制振动。

当只利用一个地震源时，地震勘测可能是非常耗时的。利用现代信号处理方法，如果可以同时使用多于一个的地震源，则可以缩短该周期。如果能提供某种区分不同源发出的信号的手段，则可以使用多个源。另外，振动源产生谐波，在某些情况下这些谐波可能具有接近甚至超过基频的能量，并且它们可以和来自其它源的信号串馈，从而当处理这些信号以便分开来自每个源的信号时会给出错误结果。此外，这些谐波是噪音源并且可能掩盖来自更深层的弱反射信号。

授予Anstey等的美国3885225号专利提出一种区分多个源的方法。Anstey等的专利涉及一种利用数个同时发出信号的震动器进行宽线地震剖面测定的方法和设备。把额定发射频率带宽划分成数个部分，把这些部分分配给各个按顺序独立发射的震动器，并且使这些震动器在任何时候发射互相排它的频率。根据代表来自每个震动器的相应信号的频率分离检测到的信号。对每个震动器的频率限制降低勘测的灵敏性。各个震动器中的谐波畸变或者它们和大地的耦合会抑制对来自不同发生器的信号的分离。该225号专利未试图去掉或减小该畸变。

在授予Landrum的美国4715020号专利中公开另一种利用不同扫描上的信号相位偏移分离来自多个震动源的信号的方法。但是，该专利不解决非线性畸变和串馈问题。

如美国4042910号专利中公开那样，Reitsch得出一种衰减因各地震震动器的谐波能量输出产生的谐波相关噪音的方法。该方法包括顺序地生成多个扫描信号的步骤，其中每个相继的扫描信号的相位相对于前一个扫描信号偏移预定的按2π的几分之一的相位角。在按常规方式相加或堆叠之前，通过反向相位偏移分别记录和变换这些生成的信号。利用该方法，通过多个震动器(每个记录一个)输出一组只是相位不同的N个扫描段。直至第N个谐波的相关噪音被衰减。该方法利用相位偏移提供一种抑制谐波的方法，但是只对单个震动源，而且不解决串馈问题。

授予Ward的美国4823326号专利请求保护一种具有减小的谐波畸变的对从多个同时运行的震动地震源导出的地震记录进行分离的方法。

授予Edington和Khan的美国4982374号专利公开了一种方法，该方法为任何数量的同时运行的震动地震源减小任何选定价数的谐波的畸变和串馈，同时提供对来自不同源的信号的分离，而且用于改进信噪比。在确定可能引起畸变的最高阶谐波后，选择每个位置处的每个源的扫描数量。该数量取决于源的数量以及要抑制的最高阶谐波。接着为每个源的每个扫描选择初始相位角以允许信号分离并且同时抑制直到并且包括该最高价谐波的各阶谐波。

授予Andersen的美国5410517号专利公开一种级联扫描段以便抑制不希望的谐波能量的方法。该方法使用具有不同相位角的扫描段从而衰减相关弱波中的谐波能量。依据该方法，生成包含N个首尾相连的扫描段的第一级联扫描序列。除了该扫描序列内的每个扫描段的初始相位角按约为360/N度的固定相位增量累进转动外，这N个扫描段基本相同。第二级联扫描序列按如下方式生成：(i)N个首尾相连的与所述第一级联扫描序列对应的连续扫描段，以及(ii)一个和这N个连续扫描段连接的附加扫描段，其被定位并且定相成在相关期间大致抑制掉谐波叠影(ghost)。这些级联扫描序列之一用作为震动器扫描序列而另一个用作为相关基准序列。

发明内容

一种利用通过可级联在一起的扫描信号激励的震动地震能源的地震勘测方法。选择若干地震源，选择能造成明显畸变的最高阶谐波能，确定并且选择若干要组合在一起的扫描或扫描段以便抑制不希望的谐波并且分离源信号。通过在相关前测到的地面力信号能调整相关运算子的幅值，以便平衡和衰减谐波能。该相关运算子可以是导频扫描信号、地面力信号或者导频或地面力的派生分量。

附图说明

通过参阅下面的详细说明和各附图会更好地理解本发明和它的优点，附图中：

图1示出本发明的总结构以及它的各实体。

图2a示出一个带有相角转动的级联扫描。

图2b示出含有谐波能的场记录。

图3a示出一个带有可用于抑制直到五阶谐波的相角转动的级联扫描序列。

图3b是本发明的一实施例的示意说明，其中相关信号包括由一个扫描段扩充的扫描信号。

图3c是本发明的一实施例的示意说明，其中相关信号包括不扩充的扫描信号。

图4示出应用本发明后的场记录。

图5示出可用于二个实现并行数据采集的源的二个扫描序列。

图6示出应用本发明之前的通过二个源获得的场记录。

图7a示出本发明的用来从图6中显示的并行采集的一个源中分离信号的应用。

图7b示出本发明的用来从图6中显示的采集的第二个源分离信号的应用。

图8示出借助导频信号的震动器信号的相关。

图9示出借助地面力信号的震动器信号的相关。

图10示出对谐波抑制的扫描相位转动后与地面力的相关。

图11示出在添加噪音情况下在相位转动扫描段组上与导频扫描的相关。

图12示出添加噪音情况下在相位转动扫描段组上与地面力信号的相关。

图13示出当使用地面力信号时的相关处理的示意图。

尽管通过它的各优选实施例说明本发明，应理解本发明不受它们的限制。相反，本发明意图复盖所有包含在本发明的由附后的权利要求书定义的精神和范围之内的替代、修改和等同物。

具体实施方式

通过参照图1可最佳地了解本发明的总结构。这会有助于理解后面的详细说明。如图1中所示的本发明的方法利用级联扫描获取地震数据1。本发明的目的是能够从多个源中分离出数据以及衰减谐波3。在本发明的一实施例中，这是通过使反射的地震信号和一理论的预定信号相关实现的，该理论的预定信号和用于驱动震动器的导频扫描有关5。这可在任何数量的源和任何所希望的谐波清除级别下完成9。概括地说，当相关信号和导频扫描有关时，每个震动器用N个扫描段扫描并且相关信号由N+1个段构成13。

在本发明的一替代实施例中，在每个震动器处测量地面力信号，并且相关信号和地面力信号有关7。如第一方法一样，可能使用任何数量的源以及任何程度的谐波消除11。和第一实施例一样，用N个扫描段扫描震动器；但是，相关信号包括N+2个段的记录的地面力数据。这将在后面说明。

本发明是一种地震数据采集方法，其采用可以对多个同时运行的源使用的相位转动扫描和级联相位转动扫描段。本发明在同时使用多个源的情况下提供对谐波叠影以及串馈能量的抑制，以便减小勘测采集时间并改进数据质量。从而，下面的说明的范围特别涉及本发明的特定实施例或特定使用，但它只是说明性的而不是对本发明范围构成限制。

当场效应涉及把通常在震动器点(VP)输出的扫描组合成例如图2a中所示的扫描段级联序列时，震动器工作人员的工作会更加有效。当使用一个源时，该组带有相位序列0、72、144、216和288度的五个级联扫描段可用于抑制直到第五阶的谐波(二阶、三阶、四阶和五阶)。记录这五个扫描段的数据所需的场时间远短于分别记录它们所需的时间，因为只需要单个收听时间。但是，即使利用用来消除谐波的相位转动法建立级联的扫描段并且利用相同的级联扫描导频信号进行交叉相关。在相关数据中的每个小弱波之前和之后都产生谐波相关噪音。在图2b的相关记录中由级联扫描段组造成的相关噪音是明显的。

1994年授予Andersen的美国5410517号专利(该专利全文收录为本文的参考文献)公开了一种衰减由图2a的级联扫描段组造成的谐波相关噪音的方法。发现通过向图2a中示出的序列添加另一个扫描段(即在图2a的第一扫描段的前面放上最后一个扫描段的复制品)形成相关导频信号，从而衰减谐波。Andersen的方法和权利要求规定组成级联扫描的各个扫描段的相位转动序列必须为累进的+-2π/N，其中N是扫描段的数量。

本发明将采用多个源时的源编码和谐波消除方法与用于级联相位转动震动器的各扫描段的技术相结合。在本发明的一实施例中，在基准导频或相关信号包括N或N+1个级联扫描段方面，级联方式和美国5410517号专利类似。但是‘517’专利中为级联导频扫描段确定相位排序的方法是严格的，即相位转动是累进的并且只由2π除以扫描段数量来确定。遵循‘517’专利提出的方式的教导，将不具有为实现多个同时运行的源所必须的灵活性。由于不能实现串馈谐波消除要求，‘517’专利的方法实际上排除同时使用多个源的可能性。将级联相位转动扫描段的方法和用于产生源信号分离的源编码技术相结合允许同时使用多个源并且抑制谐波叠影和串馈量。

在本发明的一实施例中，一组或多组震动器产生要比包括N个级联的长度额定的扫描段的常规输出长。若使用多于一组的震动器，它们位于不同的VP。记录时间等于N乘以额定长度的扫描时间加上单个收听时间(相关记录长度)。从而该记录时间要比记录N个扫描段中每一个的收听时间短得多。对N个级联扫描段中的每个进行相位转动以用于源编码和抑制谐波。由于缩短了总勘测时间，利用该方法可使现场工作更加有效。

例如，通过如图3a中示出的相位转动为0、144、288、72和216度的五个扫描段可以利用一组震动器源并且抑制到直到第五阶谐波。利用相位转动为0、102.86、205.71、308.57、51.43、154.29和257.14度的7个扫描段可以实现对直至第七阶谐波的抑制。为了用8个扫描段抑制直到第8阶的谐波，这些扫描段的相位转动序列可以为0、135、270、45、180、315、90和225度。为达到现场工作的效率，震动器扫描将包括N个段并且相关运算子将包括N+1个段。

图3a示出用于本发明的采用一组震动器并消除直至第五阶的谐波的一优选实施例的级联扫描序列。该扫描序列不是累进的。利用图3中示出的扫描段组的交叉相关数据(带有一个附加的扫描)的结果在图4示出，其中这些谐波已经消除。和不对相关运算子级联该附加扫描段的图2b的交叉相关数据相比，该结果显示出谐波已被消除。在图3b中示出用于一个震动器的该实施例的方法。数据段A′、B′、C′和LISTEN对应3个扫描段和一个跟在该扫描的结束处的收听时间。相关信号包括扫描段C、A、B、C。

在本发明的另一优选实施例中，可使用例如图3a的扫描序列获取数据。在数据处理期间，在第一扫描段记录的数据部分可以和扫描序列之后的记录阶段“收听时间”组合。替代地，可以在采集期间使数据记录的该第一扫描部分和现场数据记录的“收听时间”部分组合。将此应用于多个同时运行的源是直接的。在图3c中示出的该方法中，如图3b中那样，存在三个后面跟着一个收听时间LISTEN的数据段A′、B′、C′。在扩大的数据集中，对收听时间期间内的数据添加来自阶段A′的数据并且利用相关运算子A、B、C执行相关。

如果要同时使用多个震动器源，就需要一种分离各个源信号的方法。在美国4982374号专利中公了的Edington和Khan得出的一种相位转动方法，该方法不设想级联的扫描段而是提供同时的源编码并且分离多个源而且消除交叉相关的谐波噪音。美国4982374号专利收录在此作为参考文献。

在本发明中，对每组震动器用级联扫描导频信号来交叉相关记录数据。相关运算子基准信号或震动器扫描信号可包含N或N+1个级联扫描段，但这些扫描段的相位排序被选择成能分离来自同时运行的源的信号。不论是把附加的扫描段放在相关运算子上还是放在震动器扫描序列中，包含该附加段的扫描段序列的第一个和最后一个扫描段将具有相同的初始和最后扫描段。接着交叉相关产生从每组震动器得到的压缩数据并且从而可把各个源信号做成是分离的数据集。源谐波以及级联扫描段二者造成的相关噪音被大大衰减，这使得采用级联的扫描段是可接受的并且可应用于通过多于一个源的同时数据采集。

Edington和Khan的专利教导了一种确定用于信号分离的相位转动的方法。图5示出用于二组震动器的允许进行信号分离并且能消除直到第五阶谐波(即，消除二阶、三阶、四阶和五阶谐波)的级联扫描序列。对于该例，第一震动器或震动器组Vib 1的相位序列是0、102.86、205.71、308.57、51.43、154.29和257.14度。注意，如前面在单个震动器例子中指出的那样，Vib 1序列独自可抑制直到第七阶的谐波。同时的第二扫描震动器或震动器组Vib 2将具有0、257.14、154.29、51.43、308.57、205.71和102.86度的扫描序列相位转动。在同时使用Vib 1和Vib 2级联扫描段的情况下，和单个震动器例子对比只抑制直到第五阶的谐波。图6示出利用扫描序列Vib 1和Vib 2获得的未相关的场记录的第一部分，其指出这二个源位于记录跨距的相对二端处。图7a和7b显示在消除谐波噪音情况下图6的每个震动器源的分离的记录。

扫描段序列已示出是顺序相邻的，但是本发明还可以用附带着重叠的扫描序列段实现。例如，可以在一个10秒长的扫描段尚存2秒结束时开始下一个扫描段。对于包含七个10秒长的扫描的扫描序列，这会在采集工作上显示出明显的时间节约。

构成级联扫描段序列的每个扫描段除了它们各自的相位转动外是相同的。但是，它们可以为任何类型，包括线性或非线性向上扫描、向下扫描或者甚至伪随机扫描。伪随机扫描的例子例如在Goder，A，的“Minimum phase correlation of pseudo-random vibrator signals”(64thAnn.Internat.Mtg：Soc.of Expl.Geophys.，884-885，1994)和Cunningham，A.B.的“Some alternate vibrator signals”(Geophysics，V.44，pp1901-1921，1979)中说明。

允许信号分离的相位转动序列等同于添加着常量的相位转动序列。换言之，可以通过简单地对相位转动序列的每个相位项加上一个常量使该序列更加普通。例如，如果S1＝0、144、288、72和216并且S2＝0、216、72、288和144，则具有相同谐波消除和信号分离的等同序列是S3＝10、154、298、82和226以及S4＝10、226、82、298和154。应注意，当使用单个震动器源时，不应采用Edington规定的表中的第一列和最后一列。

上面的讨论和本发明的其中相关信号与用来驱动震动器的导频扫描信号关联的各实施例相关。在本发明的另一实施例中，相位转动扫描段序列和地面力(GF)信号而不是和导频或带有一重复段的导频交叉相关。GF信号代表震动器实际发送到地球中的能量，并且可以和导频基准扫描不同。通常，由于和地表面的非线性耦合，GF信号包含谐波和副谐波。可以通过授于Barr等的美国6161076号专利(收录为参考文献)中公开的方法或者任何其它方法测量地面力信号。GF信号测量是一种公用的实践，并且存在若干技术上周知的获取这些测量的方法。

例如，可以通过一种或多种方法从震动器上或者其附近的不同位置测量GF信号。在获取勘测数据期间可以把各种测量放置在辅助信道上。把GF测量保存到磁带或存储器允许例如在处理中心的进一步处理。可以通过技术上已知的各种方法调整GF信号，例如实质上均衡化各震动器或各震动器组之间的测量，或者组合各信号以建立地面力的加权的和表达。然后可以使用这些GF信号或它们的进一步处理的形式，供与现场记录相关或者供建立其它滤波器。

早就知道将地震记录和测到的地面力信号相关产生不希望有的基波和高阶谐波之间的交叉相关项。可以从把导频用作为相关运算子的图8和其中利用GF信号执行相关的图9中看出该效应。来自谐波的交叉相关项的谐波能从每个小弱波的中央向外扩散并且可能掩盖较弱的反射。

和导频信号相关的主要问题是，震动器输出的许多能量未呈现在得到的记录中。换言之，从震动器输出的谐波能未被积极利用。本发明利用来自震动器的谐波能。

图10表示利用GF信号的结果，由于把相关运算子应用到其中已转动各扫描从而抑制掉不希望的谐波能的无噪音模型上，该结果包含较高阶的谐波能。如果谐波能的振幅在各次扫描之间不变，会消除掉该谐波能；如果振幅不同，会衰减谐波能。

可以利用相关运算子(不论运算子是震动器扫描导频或是测到的GF)的振幅定标来补偿不同扫描期间随时间变化的震动器输出之间的差异。震动器输出是利用地面力信号测量的，从而可以建立定标运算子。例如，可以为一个震动器源建立用于平衡不同扫描间出现的振幅变化的定标运算子。对输出扫描的振幅的平衡或均衡将趋于均衡谐波能；不同扫描之间的谐波能均衡加大不希望的谐波能的衰减。

可以形成另一种振幅定标运算子，以便加强各源之间的信号分离而不只是对某特定源的扫描序列消除谐波。有效的和有用的源信号分离至少部分地取决于从同时运行的源发出的能量的振幅关系以及它们的相位。可以形成和用来在特定源的各扫描之间进行振幅补偿相类似的振幅补偿运算子，这可确保在同时运行的源之间恰当地出现所需的消除(并且从而实现信号分离)。

利用带有适当转动扫描的GF信号产生的结果优于利用导频扫描相关运算子产生的结果。当和图12的使GF信号与相位转动扫描的结果相关相比，如可从图11中看出，使用导频的信噪比较低。

把GF信号用作为相关运算子还可以应用于类似于上面概述的技术的相位转动级联扫描段方法。但是，一般情况下要求把二个扫描段添加到相关运算子上，一个在该运算子的开头处，另一个在相反的结束处。由N个段构成的级联扫描会变成一个带有N+2个段的级联GF相关运算子。例如，对于包含相位为0、144、288、72和216的震动器扫描段序列，应从测到的GF信号形成相关运算子。应复制震动器扫描GF信号的初始段和结束段并且添加到相反的二端上。从该示例的五段震动器扫描的输出记录的测到的GF信号应变成包括下述相位序列的七扫描段GF相关运算子的基础：216、0、144、288、72、216和0。图13中示出用于三个数据段A′、B′、C′(LISTEN)的相关处理，其中相关信号包括C、A、B、C、A。

应理解，不应把本发明严格地限制在为说明目的上述描述。对于本领域技术人员来说，在不背离附后权利要求中所规定的本发明的真正范围的情况下，各种修改和更替是明显的。

Claims (9)

1.一种利用通过扫描信号激励的震动地震能源的地震勘测方法，该方法包括：

(a)选择多个要用于勘测的地震能源，并且选择超过所述第一多个的第二数量的扫描段；

(b)选择要从利用所述地震源获取的处理数据中衰减的第三多个最高阶谐波；

(c)定义和每个所述源关联的扫描信号，每个扫描信号包括多个扫描段，每个地震源的每个扫描段具有确定的相位；

(d)用其关联的扫描信号驱动每个所述源以产生传播到地球中的地震波并且记录响应于此的地震信号；以及

(e)利用包括下述信号中的至少一个的扩充信号处理所述记录的地震信号：(i)与所述多个扫描段中的至少一个级联的所述扫描信号，和(ii)加上了所述记录的地震信号的至少一个扫描段的所述记录的地震信号，其中所述记录的地震信号与每个地震源相关，以产生多个处理过的地震信号，所述多个处理过的地震信号中的每一个和所述地震源中的一个不同的源关联并且使直到所述选定的第三多个最高阶谐波的各次谐波衰减。

2.如权利要求1的方法，还包括为每个所述扫描信号的每个所述段确定所述相位，其中所述相位按如下确定：

(i)构建一个N行和N列的表，其中N为该多个扫描段的数量，按以下公式计算每个项e_H，M

e_H，M＝hm模N

其中h是行号，m是列号；

(ii)选择和源的数量相等的列数，以使每个选定列的第一行中的数在行H＝F+1之前不在任何选定列中再次出现，其中F是确定为产生明显串馈的最高阶谐波的阶数；

(iii)对每个地震能源分配一个选定的列，该地震能源的第h个扫描的初始相位角用该列的第h行中的数乘以2π/N得到的数表示。

3.如权利要求1的方法，其中每个所述关联的扫描信号包括若干扫描段，所述扫描段按下述方式之一设置：(i)顺序地级联，以及(ii)顺序地重叠。

4.如权利要求3的方法，其中每个所述扩充的扫描信号还包括所述关联扫描信号以及(i)所述关联序列的第一扫描段和(ii)所述关联序列的最后段中的至少一个。

5.如权利要求1的方法，还包括测量生成的地震信号的电平，并且利用所述电平在相关所述记录地震数据之前调整所述其它的所述扩充信号中的每个的振幅。

6.如权利要求1的方法，其中所述扫描段还包括一个正弦波列，其频率为下述之一：(i)随时间单调增大，(ii)随时间单调减小。

7.如权利要求6的方法，其中所述频率的所述增大或减小随时间是线性变化的。

8.如权利要求1的方法，其中所述扫描段还包括伪随机扫描序列。

9.如权利要求8的方法，其中所述伪随机扫描序列按选定增量相位转动。

Images