CN87107204A - 同时进行多次地震振动勘测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是同时进行多次振动地震勘测的方法。多个振动源把信号发射到地内。除了信号的偏移相位在陆续发射时作有选择的相移外，每个振动源都陆续地发射同样的信号。选择每个振动源发射的信号的偏移相位是为了使来自每个振动源的信号都能通过数据处理复原。

Description

本发明一般涉及地震勘探，具体则提出一种进行地震勘探的方法。

为了确定地球内部反射界面的位置，需要通过地面发射一些地震信号，这些信号经地下界面反射之后，可被探测到并记录下来。由信号发射到被界面反射并探测到的时间间隔，给出信号穿透地面往返行程所用的时间，这段时间可以用来确定界面的位置。

在地震勘探中，地震振动器的使用已相当普遍。典型的做法是用几个振动器，在地震频率范围内，发射一个长的扫描频率信号。发射的信号（在地球内部反射和折射之后）由以一定间距布设的检测器接收，接收到的信号与发射的扫描频率信号交叉相关。这一操作产生一个地震记录，然后利用众所周知的技术对记录进行处理，使之成为地球截面的一种描述。

为了增加发射到大地中的能量，在一个特定的地震勘探中可以使用三个振动器。这是很典型的做法。三个振动器都放在基本相同的位置上并通过控制使之同时发射一种信号。虽然可以使用三个振动器，但仅能进行一次勘测。在很多情况下，特别是在进行三维勘探时，同时进行多种勘测将是经济的。然而，为了在同一时间、在大体上同一地点进行多次勘测，则需要设法能把记录信号中由一个振动源发射的信号和其他振动源发射的信号区别开来。“振动源”一词既指单个振动器，又指在大体相同的位置上受控发射相同信号的几个振动器。

在1975年5月20日发给恩斯梯（Anstey）等人的美国3885225号专利中披露了一种同时进行多种勘测的方法。此方法将扫描频率地震信号分解为几个组成部分。例如，如果希望在10到46赫兹的频率范围内发射信号，该频率范围可分解成10到22赫兹、22到34赫兹、34到46赫兹三个波段。使用三个不同的振动源，每个振动源同时发射三个频率波段中各不相同的一个信号。因此，如果第一个振动器发射10到22赫兹范围内的信号，第二个振动器一定在发射22到34赫兹范围内的能量，第三个振动器则在发射34到46赫兹范围内的能量。从所有这三个源发射的能量，都由相同的地声器检测并记录下来。然而，当这个记录的信号与频率范围为10～22赫兹的第一个振动器发射的信号交叉相关时，从第二个和第三个振动器发射的频率范围为22赫兹到34赫兹及34赫兹到46赫兹的信号将基本上从交叉相关记录中消除。同样，接收到的信号也与第二个振动器发射的频率为22到34赫兹的信号及第三个振动器发射的频率为34到46赫兹的信号交叉相关。

在最初的频率波段进入地球内部之后，对所有三个振动器的控制信号即互相交换，例如，1号振动源换成发射频率为22到34赫兹的能量，3号振动器发射频率为10到22赫兹的能量，2号振动器发射频率为34到46赫兹的能量。接着做另一次扫描，使振动器1变成发射频率为34到46赫兹的能量，振动器2发射频率为10到22赫兹的能量，振动器3发射频率为22到34赫兹的能量。在每一种情况下，记录到的信号都分别与每个振动器发射的信号交叉相关，以便与其他振动器发射出的能量区别。因此，在三次发射之后，对于这三个振动器的每一个来说，都将获得一个覆盖整个想要的10赫兹到46赫兹频率范围能量的交叉相关记录。然后，将与每个振动器相对应的三个交叉相关记录叠存起来。这个方法的缺点是：为了产生所期望的频率范围内的信号，必须分别做三次扫描。由于在每次扫描后都需要一个“监听”时间以使能量由所要了解的最紧地层返回地面，因此，与另一种情况相比较，即如果使每个振动器都能不停止地扫描整个感兴趣的频率范围，使用这一方法就显得有点慢了。

1981年10月3日发给Mifsud的美国第4295213号专利也表明了同时发射几个频率范围不同的地震信号的可能性。然而，它的目的在于：当进行单个勘测时，对不同的频带段交替使用向上扫描和向下扫描。此发明的目的在于用一个被分解成段的扫描做为减小测量中相关噪声的手段而不是同时进行多个测量。

在公开号为0122824的欧洲专利申请及相应的编号为AU-A-25893/84的澳大利亚专利申请中披露了一种方法，用它可以同时进行两种勘测。此方法是两个振动源同时分别发射各自的信号。两个振动器中的第一个连续发射一种相同的信号、第二个振动器也连续发射一种信号，除了在交替发射期间发射的信号具有反相之外，这种信号在每次发射期间也是相同的。在接收到的这些发射信号记录下来后，即将连续的信号对加在一起。可以看到，当两个这样记录的信号相加时，第一个振动源发射的能量将加在一起，但第二个振动源发射的能量由于具有交替的反相，因而将基本上从记录中清除。这两个信号也做第二次求和。但是，在做第二次求和之前，这对信号中被记录的第二个信号倒相。现在的结果是：由第一个振动源发射的信号有相反的相位，第二个振动源发射的信号有相同的相位。这样的一对信号求和之后，第一个振动源发射的信号将基本上被除掉，从第二个振动源发射的信号将加在一起。当然，这种简单的处理方法对仅仅仅使用两个振动源的情况来说还是可用的。

另一方面，这两个振动源也可以连续地发射相同的信号。其中一个振动器从低频端向高频扫描，另一个振动源从高频端向低频扫描。然而，使用这种方法会在两个发射信号之间产生串扰。请参阅：R.Gorotta写的“几条可控振动源地震测线（Vibroseis）的同时记录”，1983年，地球物理勘探学会文摘以及“几条可控振动源地震测线的同时记录”，法国通用地球物理公司技术丛书第531.83.07号。

使用伪随机编码同时完成多重地震勘测的建议也已经提出。参阅“可控振动源技术中的信号设计”，Pierre    L.Goupilland在1974年11月12日第44届国际地球物理勘探学会年会上提出的报告。该方法是由不同的源发射一组基本上相互垂直（非相关）的伪随机信号。当包含各个源发射信号的记录信号与一个被选出的发射出来的信号相关时，从其他源发射的信号就基本上被除掉。然而，用地震振动器产生上述信号是困难的。一般说来，振动器仅能发射可以随时间“扫描”的正弦波。

本发明是一种可以用来在基本相同的位置上同时进行多重地震振动勘测的方法。

根据本发明，可有一组与所进行的地震勘测数相等的振动源向地下发射信号。在第一次发射完成之后，再进行一些附加的发射，附加发射中由不同振动源发射的信号可有选择地进行相移。相位相互关系的数目与振动源的数目相等。从每个振动源发射地震信号的相位是经过选择的，这样可使每个振动源发射的信号都能由数据处理系统复原。

检测到的由各次同时发射产生的信号分别与发射期间每个振动源发射的信号相关。然后，对由检测到的信号与从各个振动源发射的信号的相互关联而产生的这些相关信号进行求和或加以“叠存”。这种叠存产生一些记录，在这些记录中，从每个振动源发射的地震信号是与从其他振动源发射的信号分开的。

在实施本发明时，如果每个振动源发射的波形的相位象前面所说的那样变化，每个振动源都可以发射与之相同的波形。也可以由不同的振动源发射完全不同的波形。每个波形还可以有不同的持续时间。

对于n个源要选择n个相位角，这样可使具有与前述所选相位角不同的相位角相对应的n个矢量的矢量和该n个矢量中的对于等长度的矢量来说基本上为零。在n个（或n的倍数）信号发射期间，每个振动源发射信号波形的初始或偏移相位在所选择的n个相位角之间变化，这样可使每个振动源发射的信号都能够与其他振动源发射的信号分开。

图1和图2给出使用本发明完成一次三维勘测的示意图。

图3为实施本发明时可以使用的野外电子设备简图。

图4为利用本发明完成一次垂直地震剖面（VSP）勘测的示意图。

这里只一般描述本发明在大地勘测方面应用的情况。但它是可以用于大地及海洋地震勘探的。在利用振动器进行地震勘测时，典型的做法是同时开动2个或3个振动器以便把同样的信号发射到地球内。在本文中，振动源一词包含着一个单个的振动器或者协调开动以发射基本上相同的信号的一组振动器这两层意思。

本发明是在基本相同的位置上同时进行几次地震勘测的一种方法。为了进行几次地震勘测，需要用n个振动源，而且所有这n个振动源都要向地球内发射n次扫描（或几倍于n次的扫描）以形成一个序列。在最佳情况下，发射到地球内的信号一般可用下式表示：

S＝ASin〔φ（+）+φ₀〕

其中（+）是时间函数，₀表示初始相位。

在一个序列的每次发射期间，由每个振动源发射的信号的初始相位，可根据下列公式选择：

φ₀＝ (360°（s-1）（v-1）)/(n)

其中：φ₀＝初始相位

s＝扫描数

v＝振动源数

n＝振动源总数

相移与频率无关，因此，初始相位将在整个给定的扫描中出现并可适当地视作偏移相位。

上述公式可用于任意奇数个或偶数个振动源。如果使用偶数个振动源，也可以选择其他的相位角。对于偶数个源来说，仅仅要求在任何一个给定的相位选择时，都必须选择超出给定相位角180°的相位角。然而，为了使信号之间可能产生的干扰减到最小，最好选择具有最大角距的相位角。

对于偶数个振动源来说，在连续发射期间，振动源发射的信号的初始相位可以如下选择：在n个相位角选定之后，可将之设为相位0、相位1、相位2，…相位（n-1）。相位角的大小随相位角号数的增加而陆续增加。因此，每个振动源每次发射的相位数可由下面的公式选择：

相位数＝（s-1）（v-1）-an

其中：s＝扫描数

v＝振动源数

n＝振动源总数

a是为实现下式而选择的数

0≤〔（s-1）（v-1）-an〕≤n

使用四个振动源并利用下述公式进行四次振动勘测时，

φ₀＝ (360°（s-1）（v-1）)/(n)

在四次连操发射（或扫描）期间，四个振动源产生的信号的偏移相位如下：

扫描1    扫描2    扫描3    扫描4

振动器1    0°    0°    0°    0°

振动器2    0°    90°    180°    270°

振动器3    0°    180°    0°    180°

振动器4    0°    270°    180°    90°

使用仅可用于偶数个振动源的第二种办法时的相位选择如下：

相位0＝0°

相位1＝60°

相位2＝180°

相位3＝240°

在四次扫描期间发射的信号的偏移相位如下：

扫描1    扫描2    扫描3    扫描4

振动器1    0°    0°    0°    0°

振动器2    0°    60°    180°    240°

振动器3    0°    180°    0°    180°

振动器4    0°    240°    180°    60°

根据本方法，在进行一次地震勘测时，经过选定数目的振动源（图1中以V₁，V₂，V₃，V₄表示）可在横向隔开的位置上排成一行向前推进。这个横向间隔一般可以是大约50米。第一次发射是在初始位置12上进行的，然后这些振动器可以向前推进到下一个位置12，该位置距初始位置约10米，在此位置上按本文所说判据推进的发射信号相移做第二次发射。然后，被不断向前推进振动器，而且，信号的相位也有选择地移动，直到完成一个序列为止。其后，发射序列将在下一个振动器位置重复一遍。在此方法中，显然可能有一些变化。例如，一个给定的扫描可以重复任意需要的次数，但在一个序列中每一扫描也需是重复同样的次数。在每个位置上可以发射多个扫描。如图1所示，振动器可以沿着地声检波器布设线G的任何一侧推进。

如图2所示，地震能量从地表面10向下传播，直到到达一个反射界面，例如，界面16为止。一部分能量从界面反射回地面并被检测到。如图2所示，对于每个源来说，能量从反射界面16的不同位置反射回地声检波器台阵G。因此，四个振动源能够同时完成四次测量。

从每个振动源来的信号与由其他振动源发射的信号分开的过程说明如下。为简便起见，本方法仅用三个振动源进行说明，但其原理也可用于其他数目的振动源。对于三个振动源来说，三个信号（s₁，s₂和s₃）将进入地面，它们具有的偏移相位由下述公式计算：

φ₀＝ (360°（s-1）（v-1）)/(n)

扫描1    扫描2    扫描3

振动器1 s₁∠0° s₁∠0° s₁∠0°

振动器2 s₂∠0° s₂∠120° s₂∠240°

振动器3 s₃∠0° s₃∠240° s₃∠480°

众所周知，+360°或+720°的角与角相等，因此480°的角以后就表示为120°。由振动源1发射的信号设为s₁，从振动源2发射的信号设为s₂，从源3发射的信号设为s₃。除了相位差之外这些信号可以相同，但它们也可以完全不同。不言而喻，0°是一个任意的参考点，如果在每次扫描期间由每个振动源发射的信号的相位改变相同的量，那么过程将是等同的。无需赘言，这些扫描并不需要按本文所说的顺序进行，而是也可以按任何一个随机的顺序进行。

通过相互关联和叠存过程，来自每个振动源的信号可与其他振动源发射的信号分开。例如，如果三个振动源同时发射信号，安置在这三个源附近的地声检波器显然将检测到从所有这三个源来的信号。在利用三个源实施本发明时，每个发射序列都发射三次分开的信号。如上所述，在该序列中，由三个源发射的信号的偏移相位，对于第二个和第三个发射有经过选择的改变。对每次发射来说，从每次发射检测到的信号分别与由每个源发射的信号相关，由此产生9个相关信号。对从检测到的信号中的每一个信号与由每个振动源发射的信号的相关而产生的三个相关信号进行求和或“叠存”，从而产生三个叠存信号，其中，每个叠存信号基本上只包含从三个振动器中的一个振动器发出的信号。

在第一、第二和第三次扫描期间，在地声检波器上出现的反射信号将包含由所有的三个源发射的信号，表示如下：

扫描1：s₁∠0°+s₂∠0°+s₃∠0°

扫描2：s₁∠0°+s₂∠120°+s₃∠240°

扫描3：s₁∠0°+s₂∠240°+s₃∠120°

使用三个独立的相关器，在各扫描期间每个相关器把每个接收到的信号与由一个特定的振动源发射的信号相关。

相关器1的输出信号是：

对于扫描1：

s₁∠0°×s₁∠0°+s₁∠0°×s₂∠0°+s₁∠0°×s₃∠0°

对于扫描2：

s₁∠0°×s₁∠0°+s₁∠0°×s₂∠120°+s₁∠0°×s₃∠240°

对于扫描3：

s₁∠0°×s₁∠0°+s₁∠0°×s₂∠240°+s₁∠0°×s₃∠120°

当这三个相关信号在叠存器中相加时，从振动器1而来的信号被复原。由于相位关系，从振动器2和3来的信号基本上被取消。

同样地，2号相关器产生的信号是：

对扫描1：

s₂∠0°×s₁∠0°+s₂∠0°×s₂∠0°+s₂∠0°×s₃∠0°

对于扫描2：

s₂∠120°×s₁∠0°+s₂∠120°×s₂∠120°+s₂∠120°×s₃∠240°

对于扫描3：

s₂∠240°×s₁∠0°+s₂∠240°×s₂∠240°+s₂∠240°×s₃∠120°

而3号相关器产生的信号为：

对于扫描1：

s₃∠0°×s₁∠0°+s₃∠0°×s₂∠0°+s₃∠0°×s₃∠0°

对于扫描2：

s₃∠240°×s₁∠0°+s₃∠240°×s₂∠120°+s₃∠240°×s₃∠240°

对于扫描3：

s₃∠120°×s₁∠0°+s₃∠120°×s₂∠240°+s₃∠120°×s₃∠120°

当从2号相关器来的三个相关信号“叠存”时，从振动器1和振动器3发射的信号基本上被除掉。同样，当从3号相关器而来的三个相关信号叠存时，从振动源3发射的信号被复原。

同样，对于任意的n次勘测（以及n个振动源）来说，n个检测到的信号中的每一个信号都分别与振动源中每一源发射的波形相关以产生n²个相关信号。当n个相关信号叠存时，亦即对于n次发射中的每一个发射都把由振动源中的一个源所发射的信号与按收到的信号相关时，从特定的振动源来的信号就与来自其他振动源的信号分开了。

图3给出了实施本发明时有用的野外检测和记录设备的一个简图。地声检波器G1的输出信号接通到放大器R上，在这里信号可以放大并加到相关器C₁，C₂…Cn上。然后，相关器的输出信号在叠存器A₁，A₂…An中叠存，叠存起来的输出信号然后由大容量记录器50作永久性记录，这种记录器可以是一个磁带录音机。没有详细地表示出电子检测、处理和记录设备，因为对本技术具有一般熟练程度的人都对它们非常了解。不言而喻，相关和叠存这两个步骤可在数据处理中心而不是在野外进行。

除了用于二维（2D）和三维（3D）地震勘测之外，本发明的方法对VSP（垂直地震剖面）和孔下检验爆破记录特别有用。在进行VSP勘测时，要给在地面上的一个地震源供能并在井孔内的选定位置嵌放一个地震仪。地震仪将记下所有向下和向上传播的事件。然后，地震仪可下移到第二个位置，并给地震源供能以重复信号发射。这样的记录可以在孔深每5米间隔做一次。

在进行VSP勘测时，可能希望同时记录多个偏移数据，同时记录多个偏移能加快勘测速度并确保地震仪对n个偏移来说都严格地位于同一地点。本发明给出的方法可以用来进行这种多个偏移的记录。例如，振动源可象图4所示的那样置于位置2，4和6，它们可以（例如）从距井30米延伸到距井2500米。地震能量直接从位于2、4、6位置上的振动源传送到地震仪，地震仪可以被连接地放置在譬如井孔30中20A和20B的位置。能量也将能从诸如14那样的地下界面反射回地震仪。在正常情况下，根据本发明给出的方法，当地震仪处于每个位置时，可以完成n个扫描（或n倍于n次的扫描）的序列。

在实施本发明时，必须使用能产生满足不同振动器要求的、具有各种偏移相位变化的扫描信号的扫描发生器。这种发生器在技术上是人所熟知的，因而此处不予详述。

虽然实施本发明的特定的方法和手段已在本文中作了描述并用附图进行了说明，然而，非常清楚，已经做的一个仅仅是为了说明而已。因此，本发明涉及的范围不局限于此，而是由附后的权利要求确定的。

Claims (16)

1、在基本上相同的位置上，同时进行n次地震勘测的方法，这里n是大于2的整数。该方法包括：

用n个振动源，同时发射n次，n个信号。

检测由n个振动源的n次同时发射所产生的n个信号。

在n个初始相位中，改变上述发射信号的初始相位，以使由n个振动源中每个源发射的信号能够通过数据处理从n个探测到的信号中区分出来。

2、权利要求1所述的方法，进一步包括：

把检测到的每次同时发射所产生的信号与在发射期间由每个振动源发射的信号分别相关，并且，

分别叠存通过每个振动源发射的信号与检测到的每个信号相关而产生的关联信号。

3、在权利要求1所述的方法中，除了相位变化外，所有n个信号都是相同的。

4、权利要求1所述的方法中，除了相位以外，上述n个信号中有一个或n个与上述n个信号中的其他信号不同。

5、权利要求1所述的方法中，至少上述振动源中有一个包含一组振动器。

6、权利要求1所述的方法中，每次发射产生的信号都被检测，而且把从每个振动源发出的信号与从其他振动源发出的信号分开，方法是：对于每次发射都把检测到的每个信号与每个振动源发射的信号相关以产生n²个相关信号，并分别叠存通过检测到的信号与每个振动源发射的信号的相关而产生的各个相关信号。

7、权利要求1所述的方法中，信号的初始相位从n个相位角中选择，上述经过选择的n个相位角用以使n个矢量的矢量和对于等长度的矢量来说基本上为零。n个矢量中的每一个矢量，都具有相应于上述被选择的相位角中不同的相位角，而且，由振动源发射的信号的初始相位在上述n个相位角之角变化。

8、权利要求1所述的方法中，每次发射的由每个振动源发射的信号的初始相位，按下述公式计算：

φ₀＝ (360°（S-1）（V-1）)/(n)

其中：φ₀＝信号的初始相位角

S＝发射数

V＝振动源数

n＝振动源总数

9、权利要求1所述的方法中，使用数个振动源，而且发射信号的初始相位从一组相位中选出。在这组相位中，对于任何一个给定的被选择的相位角来说，也选择超出上述给定的、被选择相位角180°的相位角。

10、权利要求9所述的方法中，在n次发射期间，由n个振动源发射的每个信号的初始相位按下述公式选择：

相位选择＝（S-1）（V-1）-an

其中：S＝发射数

V＝振动源数

n＝振动源总数

a＝被选择的整数，它能使

0〔（S-1）（V-1）-an〕n

在该方法中，相位选择包含从0到n号的相位选择，而且相位角大小的增加与相位选择数的增加相对应。

11、权利要求8所述的方法中，n＝3，初始相位角是0°、120°和240°。由每个振动源在每次发射期间发射的信号的初始相位是：

扫描1  扫描2  扫描3

振动器1  0°  0°  0°

振动器2  0°  120°  240°

振动器3  0°  240°  120°

12、权利要求8所述的方法中，n＝4初始相位角是0°、90°、180°和270°。每次发射期间由每个振动源发射的信号的初始相位是：

扫描1  扫描2  扫描3  扫描4

振动器1  0°  0°  0°  0°

振动器2  0°  90°  180°  270°

振动器3  0°  180°  0°  180°

振动器4  0°  270°  180°  90°

13、权利要求8所述的方法中，n＝5，被选择的相位角是：0°、72°、144°、216°、288°。每次扫描期间由每个振动源发射的信号的初始相位是：

扫描1  扫描2  扫描3  扫描4  扫描5

振动器1  0°  0°  0°  0°  0°

振动器2  0°  72°  144°  216°  288°

振动器3  0°  144°  288°  72°  216°

振动器4  0°  216°  72°  288°  144°

振动器5  0°  288°  216°  144°  72°

14、一种同时进行n次地震振动勘测的方法，在这里n是一个大于2的整数，其中包括：

（a）选择n个相位角使得n个矢量的矢量和对于等长度的矢量来说基本上为零。n个矢量中的每个矢量具有的相位角都与上述被选择的相位角中不同的相位角相对应。

（b）用n个振动源、n个信号、同时发射n次。

（c）检测从n个信号的n次同时发射所产生的n个信号。而且，

（d）在上述被选择的相位角内，改变上述发射信号的初始相位，以使由n个振动器中的每一个振动器发射的信号都能通过数据处理从n个检测到的信号中区分出来。

15、权利要求14所述的方法中，对于每一个振动源、每一次扫描来说，信号的初始相位由下面公式计算：

φ₀＝ (360°（S-1）（V-1）)/(n)

φ₀＝相位角

S＝扫描数

V＝振动源数

n＝振动源总数

16、权利要求14所述的方法中，使用偶数个振动源，而且相位角如此选择：对任何给定的、被选择的相位角来说，也选择超出上述给定的、被选择的相位角180°的相位角。

Images