CN1672065A - 地震勘探 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于产生海底地理构造地震勘探报告的地震勘探和成像系统。该勘探系统提供了一种方法，其中不需要使探测装置与海底接触即可以同时探测P波和S波。将地震事件(seismic event)(12)施加于地表(13)，则探得的响应包括地球中的P波和S波。该探测装置包括用于在距离地表一定距离的位置处监视和记录对地震事件的响应的装置，该响应的形式为地表上微粒的运动。地表的微粒同时响应P波和S波，因此它们的运动可以代表这两种波。这些运动是隔着一定的距离探测的。

Description

地震勘探
技术领域
本发明涉及地震勘探和对地下层的地震成像技术。特别地但不仅限于涉及海底地震勘探和产生海底地理构造的地震勘探报告。
背景技术
传统的用于勘探海床之下地下层地震的方法涉及产生地震波和测量响应。地震波可以简单也可以复杂，可以在海平面上产生，也可以在水面之下或者海床上产生。响应通过一系列间隔的接收器加以探测，这些接收器通常位于在勘探舰船后面拖曳的电缆上。一般地，接收器在探测步骤中保持固定，然后再移动到另一个位置，这样重复该步骤。
对海底岩石中地震事件的响应包括压缩波(P波)和剪切波(S波)。一般认为P波非常适合于对结构进行成像，而与S波结合则非常适合于确定岩石和流体性质。P波能在岩石和水中传播，而S波只能在岩石中传播。因此，如果接收器是在水面或者水面之下漂流的水听器，那么它们将只探测P波。为了探测S波，则需要使用位于海床上的地震检波器(geophone)。
人们已经认识到，通过同时使用P和S波能够更好地进行地震成像。然而，除了使用水听器(hydrophone)之外，在海床上定位和重定位地震检波器的成本势必高昂。尤其是为了更有效地探测S波，需要在每个记录位置布置3个独立正交的地震检波器。
特别地，10年前人们就已经知道，水面下4C地震成像可以为勘探提供更多更好的信息，因为它们可以高质量地记录水底的剪切波(S波)。不幸的是，4C成像并没有预期地那样成功，主要是因为所需成本极高和预期回报的不确定性。成本因素与可获得技术的能力问题有关。
4C记录通常通过水听器和3个独立正交的地震检波器加以执行。地震检波器与海底耦合，因此它们对地震P波和S波引起的微粒振动都敏感。这些技术或者使用位于海底的传感器电缆或者使用放置在或植入在海底的地震检波器节点(node)。4C地震获取包括顺序地移动震源(source)和移动接收器的操作。在独立的震源舰船(source vessel)执行完一系列地震剖面操作(shooting profile)之后，底部设备(bottomequipment)移动到下一个位置。由于获取信息中的静态记录成分(staticrecording component)以及可获得接收器的数目有限，使这些4C获取系统变得无效。由于和沿着水底移动沉重的设备以及地震检波器耦合等有关物理问题，使可靠性受到坏的影响。
最后，人们还认识到，通过避免将探测装置定位在海床上，也就是在与海床间隔一定距离的位置处测量S波，因此允许相对于海床有效地重定位探测装置，能够大大减少执行这种地震成像，尤其是S波测量的成本效率。然而，正如已经提到的，S波不能在海水中传播，从而不可能远离海床直接进行感测。遥感探测还具有进一步的内在问题，即探测装置受到洋流影响，其会妨碍探测装置有效地进行定位并给测量结果引入噪音，使得难以获得准确的结果。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种地震勘探方法，其中P波和S波同时被探测，但比已知的技术更加廉价。
根据本发明的一个方案，提供了一种地震勘探方法，包括：产生一个地震事件；将该地震事件施加到地表；探测对该事件的响应，探测到的响应包括地表中的P波和S波；和分析该探测到的响应；其中：探测步骤包括在距离地表的一定距离处监视和记录对地震事件的响应，该响应处于地表微粒运动的形式；该探测步骤在一定的响应期间内执行，该响应期间是一个预定的地震事件之后的时间周期；而分析步骤包括分析记录响应中地表微粒的运动，该记录响应是在响应期间内对地震事件的响应。
根据本发明的另一个方案，提供了一种用于执行地震勘探的装置，其包括：用于产生地震事件的装置；用于将地震事件施加到地表的装置；用于探测对地震事件响应的探测装置，该响应包括地表的P波和S波；和用于分析探测响应的装置；其中：探测装置包括监视装置和记录装置，它们用于在地震事件之后的预定响应期间内在距离地表的一定距离处监视和记录对地震事件的响应，该响应处于地表微粒运动的形式。本发明还涉及使用上述的方法和/或装置产生地震勘探报告的方法，以及由此产生的报告。
地表的微粒能够同时响应P波和S波，因此它们的运动能够表示这两种波。因为这些运动是在一定距离处加以探测的，所以能够避免先前技术的缺点，因为不需要与地表接触，因此也不需要在重定位探测装置之前的分离。
优选地，可以使用光监视微粒的运动，如可见光、X-射线、UV光或者IR光，也可以使用其它形式的辐射，包括：无线电波、雷达、声纳或者使用声波，其原理是摄影测量，包括界面测量和声定位。在响应期间内监视装置可以保持固定，然后在响应期间之后移动到另一个位置，并重复该方法。选择地，在响应期间内监视装置可以相对于地表移动；然后分析步骤优选地包括从探测到的响应中消除由监视装置的相关运动导致的噪音。
监视装置优选地包括多个监视设备，它们在不同的位置处同时被使用。优选地，响应被转换成数字形式并加以记录。优选地，分析步骤包括通过测量监视设备，如相机，与水面之间距离的变化(速度)和相机的速度来分析水面微粒的位移和/或速度和/或加速度。相机的速度能够用3个安装在加速计上的相机分别加以测量。
水面微粒速度的z分量类似于压力分量，其用安装在监视设备上的水听器加以测量。该冗余测量能够用于校正系统，使系统对环境噪音和系统噪音更加稳定。
在优选实施例中，监视装置包括三个光源，它们向所监视的水面区域发射相干单波长光；和一个接收器，用于接收反射相干光束。优选地，相干光和参比光束通过干涉形成斑点图(speckle pattern)，并且能够通过监视斑点子集(subset)的光强度随时间的变化，利用干涉原理计算出水面的3D微粒速度。
通过这种测量，空间上与时间上相干的参比光束从海床散射并且海床作为漫射表面，便产生了镜反射。从海床散射的镜反射能够提供许多散射小波(wavelet)，它们具有恒定的相差，该相差由海床上每点的光路长度决定。将反射光与相干参比光束结合在一起能够产生复杂的干涉图象，它是从水面反射的光路长度不同的结果。在最初的成像处理步骤中，其中从已知参比图象中提取干涉图形，显示作为地震事件结果的3D微粒位移的时间进程。而且，通过选择多个参比图象以减少斑点去相关效应(decorrelation effect)可以提高信噪比。最终的成像处理步骤产生作为所述3D微粒位移结果的光路改变的绝对强度信号。最终，对强度信号进行信号处理步骤，恢复所研究的地震S波信号。
由于水面与“相机”之间的相对运动，由光探测器见到的斑点图可以在地震时间内改变。当相机移动时，斑点图飞快地移动，因此每毫秒必须进行许多次斑点监视，以便每毫秒都探测/识别从而监视同一斑点群。
由于地震波长，微粒速度可以在水面上5m的圆盘内同相。因此在空间上分布的相机组能够用于提高一个地震记录通道内的信噪比。
在一个实施例中，监视装置包括视频记录装置。视频记录装置可以包括一个或多个依靠可见光工作的相机。通过探测由多个相机拍摄的照片中所选水面目标的位置改变，能够使用标准摄影测量原理计算微粒速度。
由于全场波场测量(full field wave field measurement)比斑点图照片的变化更慢，所以时间取样速度能够较低，地震时间取样更多(ms)。
本发明特别适合于海洋地震，其中地表是海床，地震事件被施加到海洋或者直接施加到海床，并且将监视装置布置在海床之上。优选地，在响应期间内，监视装置距离海底1-15米。探测装置可以额外的包括一个水听器用于独立地记录P波。
探测装置可以拖曳在水面或者水底舰船的后面，作为例如拖带(streamer)或者一系列拖带。因此，探测装置优选地包括多个安装在多个电缆上的监视设备，每个电缆上的监视设备优选地彼此间隔一定距离，该距离小于所传送地震事件的波长从而防止记录波场的空间混淆。选择地，其可以位于自动推进的水底舰船上。通过这样的布置，舰船优选地无人驾驶，并且优选地除了监视装置之外还包括RF发射器/接收器和天线、声调制解调器、声屏蔽传感器(acoustic housing sensor)、底部传感器、深度传感器和声追踪系统。在其他的实例中，分析步骤应当包括从探测响应中消除表示由运动导致的干扰的噪音。该运动能够通过三个独立的加速计和直径(diameter)加以测量，然后从通过相机测得的相对运动中减去该运动。
优选地，运动被探测的微粒是海底的沙粒。
优选地，地震事件包括波长为5-100m、持续时间为2ms-1000ms的地震波。取决于勘探靶标的深度和地震的P和S速度，优选地，响应期间为5-20秒。地震事件可以使用水面舰船上的装置产生。其可以在海洋表面或者水面之下产生。通过地震源利用陆地地震源原理能够在海床上产生地震事件，其中能够产生P和S波。
记录装置可以和监视装置组合在一起，其方式和摄象机与磁带或者其他记录介质的方式类似，但具有三个通道，用于立体绘图和图象分析从而识别、探测和定位图象目标。选择地，监视装置，例如相机，可以向遥控记录设备发生输出，该遥控记录设备可以位于水面舰船上。
在发射周期内，探测装置优选地以1-5m/s的速度，更优选地以3-4m/s的速度运动。因此，在使用相机的情况下，获取照片的速度必须远大于地震采样(ms)，也就是＜＜1ms，例如1μs-0.1ms，每秒钟照片的有效数目＞100。
从每张相机照片上可以获得3D速度。
显然，因为这种相机或者海底电影记录器(Ocean Bottom MovieRecorder)(OBM)在记录的同时还在水中移动，所以会给电影添加不希望的动态成分(拖曳噪音)。该噪音的一部分能够通过标准时空过滤器(standard temporal and spatial filter)从记录中分离。落入微粒速度频带内的噪音必须在移动之前加以计算/预测。拖曳噪音的预测能够通过单个附着在相机上的水听器进行的水听器测量和三个附着在相机上的加速计获得，使用单个水听器是因为它们与被探测海底的垂直微粒速度成比例。
OBM舰船/电缆中的相对运动也能够通过处理来自多个记录器的数据加以部分地预测/消除，多个记录器在同一时间但从舰船/电缆的不同位置或多或少地记录波阵面的相同部分。这能够用间隔小于地震波波长的相机获得。如果记录的分辨率足够高，那么能够通过图象分析得出记录器的相对位置，因此能够预测拖曳噪音。
OBM可以用和海洋多拖带扩展类似的形状加以拖曳，用于获取纯的P波地震，但是深度尽可能接近海底。
附图说明
本发明可以以多种方式用于实践，现在将参考附图对一些实施例进行说明，其中：
图1是整个系统的示意图；和
图2、3和4是三个不同数据获取方法的示意性平面图。
具体实施方式
参考图1，通过水面舰船11控制操作。震源12位于海床13上，一系列可移动相机单元14(显示了其中的两个)监视海床13对源12产生的地震波的响应。相机单元14位于海床13之上大约1米。
每一个相机单元14都包括一个光发射器、一个接收器、一个水听器、一个加速计和一个处理单元。发射器发射光线，光线可以是扩展射线(expanding ray)、集中射线(concentrated ray)、调制光和/或三个独立的射线。接收器可以包括一个全场阵列、一个耦合阵列或者单个探测器。
水听器用于测量海底13上方的地震P波。加速计测量0-200Hz范围的相机振动。处理单元用于从所得测量结果中滤除噪音，从而识别和探测图象目标、测量图象目标值并将这些数值转换成微粒速度。
在使用时，源12产生地震波，其响应持续5-20秒，并作为P和S波传播透过岩床15。最初的地震波在各个地层边界处被反射和/或折射，且返回的P和S波在海底13处产生高达200Hz的振动，其中海底13的表面包括泥、沙和岩石。相机单元14通过向海底13施加光线并记录反射光(也就是相机14为海底13摄影)监视海底13处的响应，采样速度范围为0.000001-4ms，但一般＜1ms。实际上，随着它们响应返回P和S波而移动时，便形成了海底13上微粒的电影。
返回P波还从海床13向上传播通过水16，并通过水听器加以探测，采样速度为1-4ms，该数据被传送到处理单元。加速计向处理单元传送相应于相机振动的噪音数据。
处理单元分析从接收器、水听器和加速计收集的数据，并产生海底微粒的响应记录，用于补偿相机的运动。然后使用标准原理对记录进行分析，从而对地震处理结果进行解读，并表征结构、地层特征和岩石以及流体参数。
因此对于来自震源12的每个地震拍摄，所有的相机单元14都以2-4ms的电影样本同时地记录海底13的波场响应。相机单元14执行预处理步骤，其包括降低噪音、提高分辨率和辨认图象目标。计算相机单元动态并从电影中将之除去。然后得出Vx、Vy和Vz(S波的三个分量)和P(来自P波的压力)，并保存在四个地震轨迹(traces)上。每2-4ms重复一次该操作。
在可选择实施例中，震源不固定在海床上，而实际上是一个运动的P波源，其可以位于例如舰船11上。所产生的P波在水16中传播并进入岩床15，在那里它继续传播并和前面的P和S波一样被反射/折射。
图2显示了一种布局，其中震源21是运动的，并且包括一个运动的相机单元22阵列，以及一个运动的地震接收器23。每个阵列中显示了4个相机，但数目可以更大。理想的布局应当包括1-3个间隔50-400m的震源。地震接收器23也和震源间隔25-400m的距离，并以1-4ms的采样速度记录5-20秒(取决于发射周期)。相机单元22和地震接收器23以1-5m/s的速度运动。当漂浮的、拖曳的源移动时，底部的源(bottom source)固定。地震接收器是存储所有测量结果，对驾驶进行控制，对能量进行分配并容纳操作员的中心。这与现今的地震舰船类似，即拖曳震源和接收器并记录/存储地震信息。
图3显示了一种可选择实施例，其中任意的1-3个震源31能够以1-5ms的速度运动，而相机单元32和地震接收器33固定。其间隔与前一种布局类似。
图4显示了相应于图1的第三种布局，其中震源41(也是任意的1-3个)固定，而相机单元42和地震接收器43可以移动。间隔和速度与第一种布局相同。
相机单元通常安装在电缆上或者与电缆相连，该电缆被拖曳在舰船后面或者被专用的海底推进设备拖曳。通过声技术确定相机相对于海床的位置，并通过电缆上的“侧翼”操纵电缆。电缆上的垂直力通过重物或者压舱物(ballast)加以平衡。电缆提供相机单元阵列之间的机械连接，还提供能量和通讯传递。在典型的布局中有多个电缆，每一个拖曳一个相机单元阵列。
舰船或者拖曳设备包括航海装置和数据存储器，整个相机单元也具有数据存储器。
选择地，相机单元之间的连接可以是无线连接，例如无线电连接，其可以替代或者附加于电缆。

Claims (32)

1.一种地震勘探方法，包括：产生一个地震事件；将该地震事件施加到地表(13)；探测对该事件的响应，所探得的响应包括地表(13)中的P波和S波；和分析所探得的响应；其中：探测步骤包括在距离地表(13)的一定距离处监视和记录呈地表(13)上的微粒运动形式的地震事件的响应；该探测步骤在一定的响应期间上执行，该响应期间是在地震事件之后预定的的时间段；而分析步骤包括分析在响应期间内所记录的对地震事件响应中地表(13)上微粒的运动。
2.根据权利要求1的方法，其中使用光线监视微粒的运动，该光线可以是可见光、X-射线、UV光或者IR光，或者使用其它形式的辐射，包括无线电波、雷达、声纳或者使用声波。
3.根据权利要求1或2的方法，其中使用监视装置(14)执行监视，该监视装置(14)在响应期间内相对于地表(13)运动。
4.根据权利要求3的方法，其中分析步骤包括从探得的响应中消除由监视装置的相对运动产生的噪音。
5.根据权利要求1或2的方法，其中使用监视装置(32)进行监视，该监视装置(32)在响应期间内保持固定，在响应期间之后移动到另一个位置，然后重复该方法。
6.根据权利要求3-5中任何一个的方法，其中监视装置包括数个监视设备(14)，其在不同的位置处同时使用。
7.根据前述任何一个权利要求的方法，其中响应被转换成数字形式并加以记录。
8.根据前述任何一个权利要求的方法，其中分析步骤包括分析表面微粒的位移和/或速度和/或加速度。
9.根据权利要求2-8中任何一个的方法，其中监视装置包括3个朝向于被监视水面区域的相干单频率光的光源，和一个用于被反射的相干光的接收器，或者是单一的相干光源和3个接收器。
10.根据权利要求9的方法，其中相干光和参比光束通过干涉计形成斑点图，并在分析步骤中分析斑点图的变化。
11.根据权利要求2-8中任何一个的方法，其中监视装置(14)包括视频记录装置。
12.根据权利要求11的方法，其中视频记录装置包括一个或多个依靠可见光工作的相机。
13.根据前述任何一个权利要求的海洋地震勘探方法，其中地表是海床(13)，地震事件被施加于海洋或者直接施加到海床，监视装置(14)间隔地位于海床之上。
14.根据权利要求13的方法，其中监视装置在响应期间内位于海底之上0.5-5米。
15.根据权利要求13或14的方法，其中监视装置(14)还包括水听器。
16.根据权利要求13-15中任何一个的方法，其中监视装置或者被拖曳或者自我推进，且分析步骤包括从探得的响应中消除代表由监视装置的运动导致的干扰的噪音。
17.根据权利要求13-16中任何一个的方法，其中运动被探测的微粒是海底(13)上的沙粒。
18.根据权利要求13-17中任何一个的方法，其中地震事件包括波长为5-100m、持续时间高达3s的地震波。
19.根据权利要求13-18中任何一个的方法，其中响应期间为4-8秒。
20.根据权利要求13-19中任何一个的方法，其中监视装置包括多个安装在多个电缆上的监视设备(22)，每个电缆上的监视设备彼此间隔一定距离，该距离小于所传播的地震事件的波长。
21.一种用于执行地震勘探的装置，包括：用于产生地震事件的装置(12)；用于将地震事件施加到地表的装置；用于探测对包括地表(13)的P波和S波的地震事件的响应的探测装置(14)；和用于分析探得响应的装置；其中：探测装置(14)包括监视装置和记录装置，用于在地震事件之后的预定响应期间上从距离地表(13)一定距离的位置监视和记录呈地表(13)上的微粒运动形式的地震事件的响应。
22.根据权利要求21的装置，其中监视装置(14)使用光线，如可见光、X-射线、UV光或者iv光，或者使用其它形式的辐射，包括无线电波、雷达、声纳或者使用声波。
23.根据权利要求21-23中任何一个的装置，其中监视装置在响应期间内可以相对于地表运动。
24.根据权利要求21或22的装置，其中监视装置在响应期间内保持固定，在响应期间之后移动到另一个位置。
25.根据权利要求21-24中任何一个的装置，其中监视装置包括多个监视设备(22)，其用于在不同的位置被同时地使用。
26.根据权利要求21-25中任何一个的装置，其中监视装置包括多个监视装置(14)，包括3个设置成朝向被监视区域的相干光的光源，和用于被反射的相干光的接收器。
27.根据权利要求21-25中任何一个的装置，其中监视装置(14)包括视频记录装置，并可视地记录响应。
28.根据权利要求21-27中任何一个的海洋地震勘探装置，其中地表是海床(13)，地震事件被施加到海洋或者直接施加到海床，该监视装置(14)间隔地位于海床(13)之上。
29.根据权利要求28的装置，其中检测装置还包括水听器。
30.根据权利要求28或29的装置，其中探测装置或者被舰船拖曳或者自我推进。
31.根据权利要求21-30中任何一个的装置，其中探测装置包括多个安装在多个电缆上的监视设备(22)，每个电缆上的监视设备彼此间隔一定距离，该距离小于被传播的地震事件的波长。
32.一种产生一个区域地震勘探报告的方法，包括：执行权利要求1-20中任何一个的方法；从分析步骤中获得表面下各层的表示；和对所述各种表示进行汇编作为对该区域地理结构的描述。
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