EA008398B1

EA008398B1 - Способ непрерывного качания частоты и разделения нескольких сейсмических вибраторов

Info

Publication number: EA008398B1
Application number: EA200600401A
Authority: EA
Inventors: Кристин Э. Крон; Марвин Л. Джонсон
Original assignee: Эксонмобил Апстрим Рисерч Компани
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2007-04-27
Also published as: WO2005019865A3; CA2534519C; WO2005019865A2; EP1654564A2; US20060164916A1; CA2534519A1; EP1654564A4; US20080205193A1; MXPA06001607A; EA200600401A1; US7515505B2

Abstract

Способ одновременной работы нескольких сейсмических вибраторов путем использования непрерывных свип-сигналов (с небольшим временем «прослушивания» между свип-сигналами или без него) для каждого вибратора и восстановления отдельных сейсмических откликов для каждого вибратора с удалением сигнатуры грунта. Каждому вибратору придают уникальный непрерывный исходный сигнал. Измеряют или оценивают отклик грунта на движение каждого вибратора. Записи движения вибратора для каждого вибратора и объединенную запись сейсмических данных для всех вибраторов разбивают на отдельные более короткие записи. Затем более короткие записи используют для образования системы совместных линейных уравнений в области преобразования Фурье с последующим применением высокоточного вибрационного сейсмического способа Sallas или Аллена. Затем уравнения решают при отделенных откликах грунта.

Description

По этой заявке испрашивается приоритет согласно предварительной заявке на патент США 60/494194, поданной 11 августа 2003 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области регистрации сейсмических данных. В частности, изобретение относится к способу регистрации сейсмических данных путем использования нескольких вибраторов без необходимости иметь несколько времен прослушивания свип-сигналов.

Уровень техники

Сейсмические вибраторы длительное время используются в области регистрации сейсмических данных для излучения акустических сигналов, необходимых при геофизических исследованиях. Обычное использование вибраторов включает в себя несколько хорошо понятных этапов. Во-первых, один или несколько вибраторов размещают в точках возбуждения на поверхности грунта. Во-вторых, вибраторы возбуждают исходным сигналом в течение нескольких секунд, обычно от четырех до шестнадцати. Исходный сигнал обычно представляет собой свип-сигнал, частота которого изменяется в течение периода времени, на протяжении которого вибратор возбуждают. В-третьих, сейсмические приемники используют для приема и записи ответных данных в течение периода времени, равного длительности свипсигнала плюс время прослушивания. Период времени, в течение которого данные записывают, включает в себя минимальное время, необходимое для прохождения сигналов до целевых отражающих горизонтов, представляющих интерес, и отражения от них, и для возвращения отраженных сигналов к приемникам. В-четвертых, образуют сейсмограммы путем взаимной корреляции записанных данных либо с исходным сигналом, либо с опорным свип-сигналом. В-пятых, этапы излучения свип-сигналов и корреляции повторяют несколько раз, обычно от четырех до восьми, и корреляционные функции складывают друг с другом при обработке, называемой суммированием. Наконец, вибраторы перемещают в новый пункт возбуждения, а весь процесс повторяют.

Известно, что существует несколько проблем, связанных с вибросейсмическим методом. Вопервых, известно, что процесс корреляции приводит к боковым лепесткам корреляционной функции, которые могут влиять на точность конечных обработанных данных. Во-вторых, после корреляции с исходным сигналом гармонические искажения вибратора приводят к шуму, известному как гармонические паразитные сигналы. Частичное решение этой проблемы заключается в использовании исходных сигналов с разверткой вверх, когда свип-сигнал начинается на низких частотах и продолжается до высоких частот. При таком подходе паразитные сигналы корреляции располагаются до основного корреляционного максимума, где они не могут взаимодействовать с последним и, следовательно, отображаются слабее. В дополнение к этому, чтобы минимизировать шум в результате гармоник, образуют несколько свип-сигналов с постепенно возрастающим поворотом фазы свип-сигналов, так что после корреляции и суммирования гармоники снижаются. Например, чтобы подавить гармоники до четвертого порядка, могут быть образованы четыре свип-сигнала с поворотами фазы на 360°, разделенных на четыре, то есть на 0, 90, 180 и 270°. Данные суммируют после корреляции, при этом гармоники соответственно снижаются, хотя и не исключаются. В-третьих, чтобы точно обрабатывать записанные данные и продолжительность свип-сигнала, и время прослушивания должны быть включены в продолжительность записи на сейсмических приемниках для каждого свип-сигнала. Время прослушивания является важным для гарантии того, что результирующие данные от каждого свип-сигнала могут быть точно обработаны. В дополнение к этому часто требуются несколько свип-сигналов, чтобы инжектировать в грунт достаточное количество энергии. Несколько коротких свип-сигналов могут дать в результате данные более высокого качества, чем продолжительные свип-сигналы, за счет использования поворотов фазы для снижения гармонического шума и благодаря снижению реверберации поверхностной волны. Однако использование нескольких свип-сигналов в том случае, когда за каждым свип-сигналом следует время прослушивания, ограничивает скорость, с которой энергия может быть введена в грунт и зарегистрированы данные исследования. В-четвертых, при одновременной записи сигналов от группы вибраторов запись высоких частот может быть связана с ограничениями, когда каждый вибратор находится на особом месте и на особой высоте и имеет различную связь с грунтом.

Стоимость наземных исследований в значительной степени зависит от времени, необходимого для записи данных исследования, и на стоимость влияет промежуток времени, необходимый для записи данных от каждого пункта возбуждения, а также время, которое отводится на перемещение вибраторов в следующий пункт. Время, затрачиваемое на запись данных от каждого пункта возбуждения, зависит от числа свип-сигналов, длительности свип-сигналов и времени прослушивания. Например, если реализуют четыре 8-секундных свип-сигнала, и при этом каждый имеет 7-секундное время прослушивания, то по меньшей мере 60 с требуются для каждого пункта. Для типичных систем регистрации данных также требуются 3-5 с до того, как они будут готовы к началу новой записи, в результате чего могут добавляться еще 12-20 с ко времени для каждого пункта возбуждения. В случае, если можно будет осуществлять регистрацию с нескольких пунктов одновременно или необходимое время прослушивания может быть снижено или исключено, то меньшее время потребуется для записи данных исследования, и поэтому снизятся общие затраты на исследование. Точно так же при использовании усовершенствованных способов снижения боковых лепестков корреляционных функций и гармонических паразитных сигналов будет

- 1 008398 повышаться качество наземных исследований.

В патенте США № 5410517 1995 г. раскрыт способ формирования каскадных свип-сигналов вибраторов для исключения непродуктивных времен прослушивания, однако, при сохранении преимуществ использования множества коротких свип-сигналов. Способ включает в себя возрастающий поворот фазы сегментов свип-сигнала и использование второго каскадного свип-сигнала с дополнительным сегментом свип-сигнала для подавления гармонических паразитных сигналов после корреляции с опорным сигналом. Например, но без ограничения этим, в программе регистрации сейсмических данных, в которой желательно подавлять гармоники вплоть до четвертого порядка, требуются четыре сегмента свип-сигнала с соответствующим поворотом фазы. Углы поворота фазы могут быть 0, 90, 180 и 270°, соответственно, хотя также может быть сделан другой выбор. При использовании 8-секундных сегментов свип-сигнала и необходимости 7-секундного времени прослушивания полное время записи составляет 39 с. По сравнению с этим для стандартного свип-сигнала и времени прослушивания для 4 свип-сигналов оно составляет 60 с. В сочетании с патентом США № 5347494, в котором раскрыт способ формирования простых форм сейсмических импульсов с минимальной энергией боковых лепестков, могут быть получены вибросейсмические данные повышенного качества. Тем не менее, даже в случае этих данных повышенного качества имеются ограничения, связанные с процессом корреляции, проблемы с гармоническими паразитными сигналами и ограничения на расстановку.

Другой способ, используемый в отрасли для повышения скорости регистрации сейсмических данных, заключается в одновременном применении более чем одного вибратора и нескольких положений источников, используемых при записи. Обычно исходные свип-сигналы с различными фазами или в различных частотных диапазонах используют для возбуждения различных вибраторов. Затем осуществляют корреляцию данных с каждым из отдельных исходных свип-сигналов, чтобы разделить данные. Для повышения энергии используют несколько свип-сигналов, а функции взаимной корреляции складывают (суммируют). Поворот фазы свип-сигналов также может быть использован для снижения гармоник. Разделение данных является неполным. Вместо чистых вибросейсмических записей отдельные записи могут содержать остаточную энергию от других вибраторов, работавших одновременно.

Альтернативный подход к разделению вибросейсмических сигналов и к исключению гармоник используется в высокоточном вибрационном сейсмическом способе (ВВСС), раскрытом в патентах США № 5719821 и № 5721710. В высокоточном вибрационном сейсмическом способе не осуществляют корреляции записанных сейсмических данных с исходным сигналом, а вместо этого обращают, используя измеренные сигнатуры вибраторов от каждого свип-сигнала и каждого вибратора. Поскольку измеренные сигнатуры включают в себя гармоники, то обращением соответствующих записей эти гармоники восстанавливаются в обработанных данных, и поэтому не приведут к дополнительному шуму в данных. Поскольку корреляцию не используют, то боковые лепестки корреляционной функции не существуют как проблема. Кроме того, обращением с измеренной сигнатурой вибратора можно ослабить эффекты переменной связи вибратора с грунтом. Однако в этом способе измеряют и используют на этапах обработки движение вибратора для каждой записи данных. Способ включает в себя использование метода обращения матрицы для выделения сигналов от отдельных вибраторов, записываемых одновременно. Для обращения матрицы требуется, чтобы число М свип-сигналов было больше, чем число N вибраторов, или равно ему, чтобы решить систему линейных уравнений для N вибросейсмических сигналов. Для обеспечения возможности разделения вибросейсмических сигналов требуется, чтобы любые два вибратора отличались по меньшей мере одним из их М свип-сигналов. Обеспечивающий преимущество способ осуществления этого заключается в кодировании по фазе М свип-сигналов, обычно в отношении одного вибратора во время качания частоты с фазовым сдвигом относительно других вибраторов. ΜχΝ сигнатур вибраторов используют для образования матрицы фильтрации, которая преобразует М записей данных в N выходных записей, по одной на каждый вибратор. Может быть достигнуто разделение вибросейсмических записей на 60 дБ без видимого ухудшения записей в результате одновременного осуществления записей.

Высокоточный вибрационный сейсмический способ будет описан со ссылкой на фиг. 1, где представлена типичная геометрия наземной системы регистрации данных, и на фиг. 2 представлены типичные свип-сигналы для четырех вибраторов, которые могут быть использованы в этой системе регистрации данных. На фиг. 1 показаны четыре вибратора 18, 20, 22 и 24, установленные на автомобилях 34, 36, 38 и 40. Четыре различные сигнатуры, излучаемые в грунт во время свип-сигнала ί, могут быть названы δη, §12, §13, §14· Осуществляют свертку каждой сигнатуры с последовательностью е_ь е₂, е₃, е₄ различных коэффициентов отражения от грунта, которая включает в себя отражения 26 от границы 28 раздела между слоями грунта, имеющими различные импедансы (произведение плотности среды и скорости распространения акустических волн в среде). Трасса ф, записываемая на геофоне 30, представляет собой сумму профильтрованных по сигнатуре коэффициентов отражения от грунта для каждого вибратора. Формулируя это математически, имеем трассу ф(1) данных, записанную для свип-сигнала ί:

N /=1

-2008398 где 8,,(1) - свип-сигнал ί от вибратора]; с,(1) - коэффициент отражения от грунта, обнаруживаемый по вибратору]; ® - оператор свертки.

Специалистам в данной области техники известен оператор свертки и сверточная модель, на которых основано уравнение (1). В публикации 811спГГ К.Е., Еисус1оресйс сйсйоиату о£ ехр1отайои деорйузίεδ, 4^ώ Εά. (2002), публикация 8οοίοΙν о£ Ехр1отайои Οοορίινδίοίδΐδ дано определение «свертки» и «модели свертки». В уравнении (1) сделано пренебрежение шумовым членом в определении «сверточной модели», которое дал Шерифф. Эта модель вытекает из концепции, заключающейся в том, что каждая отраженная сейсмическая волна создает свой собственный эффект на каждом геофоне, независимо от влияния на геофон других волн, и в том, что отклик геофона является просто суммой (линейной суперпозицией) действий всех волн.

Поэтому в этом способе N вибраторов излучают в грунт Μ>Ν свип-сигналов, что дает М записанных трасс данных. Высокоточный вибрационный сейсмический способ включает в себя определение оператора путем решения системы линейных уравнений, основанной на известных ΜχΝ сигнатурах вибраторов, которыми определяется набор N коэффициентов отражения от грунта, которые наилучшим образом предсказывают записанные данные. В частотной области, то есть после преобразования Фурье, система уравнений, представленная как уравнение (1), является линейной и может быть записана в виде:

^.(/)=έ^ω^ω(φ или в матричной форме для М свип-сигналов и N вибраторов

Λ	5_\|г	• V
		- *^гл·		А
		• $ЗЯ
		Ά»		л
	^ЛГ2		β».	1 £ · 1__________________________

или

ЗЕ=б.(4)

Если число свип-сигналов равно числу вибраторов, эта система совместных уравнений может быть решена относительно Е :

Ё=-Р0_г(5) где Е=(8)'¹(6)

Е представляет собой фильтр и оператор, который при применении к данным разделяет их на отдельные вибросейсмические записи.

В случае Μ>Ν уравнение (4) может быть решено методом наименьших квадратов. Для этого более общего случая уравнение (4) может быть записано как = (7) где 8* - сопряженная транспозиция матрицы 8.

В таком случае £ = (5‘5)^ч5’п, (8) а фильтр Е превращается в (9)

Высокоточный вибрационный сейсмический способ может быть использован для одновременной записи от нескольких пунктов возбуждения путем использования ряда вибраторов, но при использовании дополнительных вибраторов требуются дополнительные индивидуальные свип-сигналы, каждый из которых со своим собственным временем прослушивания. Однако ранее было невозможно исключить время прослушивания, поскольку для этого записи М свип-сигналов должны быть отдельными несвязанными результатами измерений, чтобы можно было решить систему линейных уравнений, то есть, иными словами, М уравнений (включающих в себя N неизвестных) должны быть независимыми. Если свипсигналы являются каскадными без времени прослушивания, то данные отражения, полученные на основании одного сегмента, будут смешиваться с данными на основании последующего сегмента свипсигнала. В дополнение к этому не будет однозначного соответствия между данными и измеренными движениями вибраторов, которые характеризуют сигнатуры сигналов, вводимых в грунт, так что гармоники не будут обработаны соответствующим образом. Настоящим изобретением эти проблемы решаются.

Технической задачей настоящего изобретения является создание способа регистрации сейсмических данных путем использования нескольких вибраторов без необходимости иметь несколько времен

-3 008398 прослушивания сигнала, т.е. без дополнительных индивидуальных свип-сигналов, со своими собственными временами прослушивания, и который позволил бы установить однозначное соответствие между данными и измеренными движениями вибраторов, которые характеризуют сигнатуры сигналов, вводимых в грунт.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение представляет собой способ работы нескольких N сейсмических вибраторов, одновременно, в одних и тех же или различных пунктах возбуждения путем использования непрерывных свип-сигналов, то есть с реализацией преимуществ нескольких свип-сигналов без недостатка, обусловленного временем прослушивания в конце каждого свип-сигнала, и выделения сейсмического отклика для каждого вибратора, указанный способ заключается в том, что:

(а) загружают каждый вибратор уникальным непрерывным исходным свип-сигналом, состоящим из N сегментов; (Ь) возбуждают вибраторы и используют группу датчиков для обнаружения и записи объединенных сигналов сейсмических откликов от всех вибраторов; (с) записывают измеренное движение для каждого вибратора во время свип-сигнала; (б) разбивают каждую запись движения на N более коротких записей, совпадающих с сегментами свип-сигнала, и затем дополняют нулями конец каждой более короткой записи в достаточной степени, чтобы обеспечить, на самом деле, время прослушивания для более короткой записи движения; (е) формируют матрицу § размера ΝχΝ, элемент 8^(1) которой представляет собой дополненную нулями более короткую запись движения вибратора для ί-το вибратора и )-го сегмента свип-сигнала; (£) разбивают запись сейсмических данных из этапа (Ь) на N более коротких записей, при этом каждая более короткая запись совпадает по времени с дополненной нулями более короткой записью движения вибратора; (д) формируют вектор & длиной Ν, элемент б₁ которого представляет собой ί-тую более короткую запись данных из предшествующего этапа; (11) находят решение для отклика Е,(Г) грунта, используя систему из N линейных уравнений и N неизвестных, ⁼ О · где δ,/Γ) представляет собой преобразование Фурье 8^(1) и Ю (Г) представляет собой преобразование Фурье 6,(1). где ΐ=1, 2,...Ν и )=1, 2,...Ν; и (ί) осуществляют обратное преобразование Фурье отклика Ε|(ΐ) грунта обратно из частотной (Г) области во временную (1) область, чтобы получить с,(1).

В других вариантах осуществления записи движения вибраторов и записи сейсмических данных могут быть разбиты на М более коротких записей, где Μ>Ν. В дополнение к этому движения вибраторов могут быть аппроксимированы путем использования теоретических форм импульсов для сигнатур источников вместо записей измеренных движений. В предпочтительных вариантах осуществления гармонический шум снижают, используя свип-сигналы для нескольких вибраторов, которые отличаются от каждого другого только поворотом фазы одного или нескольких сегментов свип-сигнала.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятными из нижеследующего подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает схематический план известной геометрии в случае наземной регистрации данных при использовании четырех вибраторов;

фиг. 2 - диаграммы типичных свип-сигналов и времени прослушивания, используемых при регистрации данных известным высокоточным вибрационным сейсмическим способом в случае четырех вибраторов;

фиг. 3 - диаграммы свип-сигналов для четырех вибраторов, согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг. 4 - диаграммы свип-сигналов для четырех вибраторов, согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 5 - блок-схему последовательности операций, отражающую основные этапы одного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг. 6 - диаграммы сигналов в результате модельной имитации записи, согласно известному высокоточному вибрационному сейсмическому способу;

фиг. 7 - диаграммы сигналов в результате модельной имитации, согласно настоящему изобретению; фиг. 8 - диаграммы сигналов из фиг. 7 для более продолжительных времен по сравнению с длительностью 8-секундного свип-сигнала.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Настоящее изобретение представляет собой способ, обеспечивающий повышение эффективности регистрации вибросейсмических данных высокоточными вибрационными сейсмическими способами. В случае высокоточного вибрационного сейсмического способа данные от ряда вибраторов, вибрирующих одновременно в сейсмической близости друг к другу, разделяют, используя (в одном варианте осуществления) ряд кодированных по фазе свип-сигналов, при этом число свип-сигналов больше или равно числу вибраторов, что дает в результате систему линейных уравнений, которые могут быть решены одновременно. В продолжительность записи для каждого свип-сигнала включено связанное с ним время прослушивания, заключающее в себе отражения. В настоящем изобретении исключается непродуктивное время прослушивания для нескольких свип-сигналов, и тем не менее все же обеспечивается возможность разделений вибросейсмических записей и снижение загрязнения гармониками. Производительность мо

-4008398 жет быть повышена на 30-80%.

В настоящем изобретении несколько вибрационных источников используют для записи при наземном или морском сейсмическом исследовании и, как показано на фиг. 1 для наземного исследования, сигналы записывают с помощью одного или нескольких датчиков. Каждый вибратор возбуждают различными непрерывными свип-сигналами, состоящими из М сегментов, где М должно быть больше или равно числу N вибраторов, как показано на фиг. 3 для четырех вибраторов и четырех сегментов. В варианте осуществления, представленном на фиг. 3, каждый сегмент свип-сигнала образован из полного свип-сигнала известного высокоточного вибрационного сейсмического способа с исключением времени прослушивания между свип-сигналами. При использовании свип-сигнала такой модификации каждый сегмент свип-сигнала вибратора начинается и кончается в состоянии покоя. Однако такое ограничение не является необходимым для настоящего способа. Сегментирование свип-сигнала для каждого вибратора является основным требованием настоящего изобретения, но нет необходимости в том, чтобы свипсигнал был образован вокруг заранее выбранного сегмента. Вместо этого после свершившегося этапа разбиения более продолжительного свип-сигнала на более короткие части сегментирование может быть произвольным, но только с соблюдением условия, чтобы более продолжительный свип-сигнал был таким же, как и свип-сигнал любого вибратора в обычном вибросейсмическом методе, т. е. свип-сигнал не должен выходить за пределы инерционных ограничений вибратора и свип-сигнал должен заключать в себе полный диапазон частот, необходимых для достижения заданных глубины исследования и разрешения. Свип-сигналы двух конкретных типов, которые могут быть хорошо знакомы пользователям вибраторов, представляют собой свип-сигналы с разверткой вверх (с монотонно возрастающей частотой) и свипсигналы с разверткой вниз (с монотонно уменьшающейся частотой). Оба хорошо работают в настоящем изобретении. Например, сегменты могут быть свип-сигналами с разверткой вверх или свип-сигналами с разверткой вниз. Однако настоящее изобретение будет работать с сегментами, в которых используется физически реализуемый свип-сигнал любого типа, включая линейный, нелинейный и псевдослучайный. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления каждый сегмент свип-сигнала является линейным свип-сигналом с разверткой вверх или с разверткой вниз, который заключает в себе полный диапазон частот, необходимых для построения изображения отражающих горизонтов с заданным разрешением, хорошо знакомым специалистам, которые выполняют работы по регистрации сейсмических данных. В других вариантах осуществления сегменты свип-сигнала могут быть сочетанием возрастающей и убывающей частотных прогрессий, нелинейными свип-сигналами или псевдослучайными последовательностями.

В предпочтительных вариантам осуществления настоящего изобретения длительность каждого сегмента больше, чем время пробега для целевых отражающих горизонтов, или больше, чем время прослушивания при обычной записи. Точно так же, как в корреляционном процессе, обращение вибросейсмических данных приводит к сжатию в импульс энергии от свип-сигнала или сегмента свип-сигнала. Если второй сегмент свип-сигнала начинается до прошествия времени пробега до наиболее глубокого отражающего горизонта, представляющего интерес, и обратно («времени прослушивания»), то отражения от неглубоких границ из-за второго сегмента могут интерферировать с отражениями от глубоких границ из-за первого сегмента. Между сегментами может быть введено мертвое время любой продолжительности, но предпочтительно, чтобы мертвое время было равно нулю, поскольку это значение изобретения. Использованный в настоящей заявке термин «непрерывный свип-сигнал» применительно к настоящему изобретению означает свип-сигнал, для которого предпочтительно, чтобы любое мертвое время между сегментами свип-сигнала было равно нулю, но никогда не было бы больше, чем время прослушивания, используемое в известном высокоточном вибрационном сейсмическом способе.

Свип-сигнал для каждого вибратора должен быть уникальным, то есть не должно быть двух вибраторов, имеющих совершенно одинаковый свип-сигнал. Это необходимо для того, чтобы данные, полученные от одного вибратора, могли быть отделены от данных других вибраторов. Один способ осуществления этого требования заключается в применении поворота фазы в одном или в нескольких сегментах свип-сигнала. Например, первый вибратор может иметь первый сегмент свип-сигнала, отличающийся на 90° от всех других сегментов. Второй вибратор может иметь второй сегмент, отличающийся на 90° от других сегментов. Третий вибратор имеет третий сегмент, отличающийся на 90° от других сегментов. Эту схему можно продолжить для N вибраторов и N сегментов, показанных на фиг. 3. В качестве альтернативы, для различных сегментов могут быть использованы фазовые углы, известные из патента, в котором раскрыт высокоточный вибрационный сейсмический способ. Использование каскадной последовательности, описанной в патенте, в которой фазы последовательных сегментов повернуты на 0, 90, 180 и 270°, в сочетании с указанным выше поворотом фазы на 90°, показанным на фиг. 4, дает исключительные преимущества при снижении гармоник. В настоящем изобретении также могут быть использованы другие способы образования уникального свип-сигнала путем использования различных частотных диапазонов, скоростей изменения частоты свип-сигналов или путем использования различных случайных свип-сигналов.

На фиг. 5 показана блок-схема последовательности основных этапов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. На этапе 101 свип-сигналы, например, показанные на фиг. 3 или

- 5 008398

4, загружают в контроллеры соответствующих вибраторов. Каждый вибратор получает уникальный свип-сигнал, обычно (но необязательно) сформированный способом поворота фазы, рассмотренным выше. В отличие от высокоточного вибрационного сейсмического способа свип-сигнал является единственным продолжительным непрерывным свип-сигналом, примерами которого являются свип-сигналы, показанные на фиг. 3 и 4, которые состоят из четырех сегментов по 8 с каждый с последующим временем прослушивания 8 с. В этом заключается отличие от типичного свип-сигнала высокоточного вибрационного сейсмического способа из фиг. 2, где имеются четыре свип-сигнала по 8 с, но за каждым следует время прослушивания 8 с. Поэтому в этом примере в случае высокоточного вибрационного сейсмического способа для получения того же самого количества энергии в грунте требуются 64 с по сравнению с 40 с в случае настоящего изобретения. Каждый из N единственных непрерывных свип-сигналов, используемых на этапе 101 для N вибраторов, должен быть разделен, по меньшей мере, на N сегментов, при этом каждый сегмент в свип-сигнале любого одного вибратора имеет ту же самую длину (длительность), что и соответствующие сегменты в свип-сигналах всех других вибраторов. Например, второй сегмент должен быть одинаковой длины для всех вибраторов, как и должен быть четвертый (или любой другой), но длина вторых сегментов может быть иной по сравнению с длиной четвертых сегментов.

На этапе 102 (может быть выполнен до этапа 101) вибраторы размещают на заранее выбранных местах. Затем все вибраторы одновременно возбуждают их соответствующими исходными свипсигналами (этап 103) и на этапе 104 регистрируют единственную продолжительную запись от одного или нескольких датчиков. Продолжительность записи данных должна быть равна продолжительности исходного свип-сигнала плюс одно время прослушивания. В дополнение к этому записывают измеряемые движения каждого вибратора, обычно сигналы от акселерометров, установленных на опорной плите или на реактивной массе каждого вибратора. Помимо использования в матрицах 5и 8 в уравнениях (1-5) этот сигнал толкающего усилия, который может быть вычислен как взвешенная по массе сумма сигналов акселерометров на опорной плите и реактивной массе, обычно используют в контуре обратной связи для регулирования возбуждения вибратора. Любой другой сигнал, такой как сам исходный сигнал, который может считаться характерным для сигнатуры источника, может быть использован для целей настоящего изобретения.

На этапе 105 записи измеренного движения для каждого вибратора разбивают на М трасс (на более короткие записи), составленных из Μ>Ν индивидуальных временных сегментов, на которые исходные свип-сигналы были разделены на этапе 101. Затем более короткие записи удлиняют путем добавления нулей к концам, называемого дополнением трасс нулями. Дополнение концов нулями должно продолжаться в течение достаточного времени, чтобы по существу (не фактически) обеспечить для сегмента время прослушивания (время пробега сейсмической волны до наиболее глубокого отражающего горизонта и обратно). Дополнение большим количеством нулей сверх этого требуемого количества приведет к росту времени вычислений без получения дополнительной выгоды. При желании нули или добавление нулей можно использовать в начале каждой трассы. Поскольку предпочтительно, чтобы продолжительность сегмента выбиралась большей, чем требуемое время прослушивания, то может быть удобным стандартизировать суммарную продолжительность добавления нулей, чтобы она была той же самой, что и длительность первоначального сегмента с тем, чтобы суммарная длина трассы соответствовала удвоенной продолжительности сегмента. Эти М трасс станут частью матрицы 8 свип-сигналов из уравнения (1). Например, 8ц равно измеренному движению первого вибратора в течение длительности первого сегмента плюс дополнение нулями в конце сегмента. Элемент 812 равен измеренному движению первого вибратора в течение длительности второго сегмента плюс дополнение нулями в конце сегмента и т.д.

На этапе 106 разбивают копию записи данных геофонов, чтобы сделать N более коротких записей, при этом длительность каждой заданной равна длительности сегмента плюс длительность заполненной нулями длины, использованной для измеренных движений. В одном варианте осуществления настоящего изобретения первая запись соответствует первому сегменту плюс данные до и после сегмента, соответствующие продолжительности дополнения нулями. Вторая запись состоит из второго сегмента плюс продолжительность дополнения и т.д. Из N записей образуют вектор , который фигурирует в уравнении (1) выше. Дополнение нулями концов на этапе 105 должно быть достаточной длительности для захвата сейсмического отклика, обусловленного концом этого сегмента движения источника.

Если желательно, для повышения энергии можно создать больше свип-сигналов путем добавления дополнительных рядов в матрицу 8 свип-сигналов и к вектору данных. Поскольку система совместных уравнений не будет линейной во временной области, вычисляют преобразование Фурье, дающее матрицу § и вектор В, а разделительный и обратный фильтр Е получают на этапе 107 путем обращения матрицы 8, используя уравнение (9). Уравнение (6) может быть использовано, если М выбрано равным Ν. В случае Μ>Ν система является переопределенной, и решение, обеспечивающее наилучшее соответствие, получают, используя такой критерий, как критерий наименьших квадратов. Такой подход может быть полезным даже в случае, когда М выбирают равным Ν, поскольку один из вибраторов может быть временно неисправен, и запись может продолжаться при меньшем числе вибраторов. Способ может действовать

-6008398 даже в случае, если в процессе регистрации число вибраторов временно уменьшается до одного. Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что хотя в предшествующем описании использован матричный формализм, любой способ, численный или аналитический, решения М совместных линейных уравнений при N неизвестных может быть использован в настоящем изобретении. Затем на этапе 108 фильтр применяют к вектору В данных и вычисляют обратное преобразование Фурье, что приводит к N разделенным записям ЕЩ, где £ - частота. В случае выполнения указанной выше процедуры гармоники и данные от последующих и предшествующих сегментов будут обнаруживаться в более поздние моменты времени по сравнению с временным отрезком сегмента, и они не будут взаимодействовать с целевыми отражающими горизонтами. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что фильтр Е может быть обратно преобразован во временную область и затем применен к данным во временной области. Точно так же может быть изменен порядок этапов 106 и 107. Такие альтернативные процедуры представляют собой несущественные изменения и, следовательно, эквивалентны процедуре, описанной выше, и поэтому являются частью настоящего изобретения.

Примеры

На фиг. 6 и 7 приведены для сравнения на интервале первых 2,5 с модельные данные после процесса разделения и обращения путем использования известного высокоточного вибрационного сейсмического способа (фиг. 6) и способа настоящего изобретения (фиг. 7). Модельные данные формировали, используя 51 приемник с разнесением на 400 футов. Четыре источника были размещены на расстояниях 5000, 8333, 11666 и 15000 футов от первого приемника. Данные для каждого положения источника свертывали с реальными сигнатурами вибраторов на основании полевых измерений и объединяли для имитации одновременной регистрации от четырех источников. Свип-сигналом вибраторов для высокоточного вибрационного сейсмического способа был 8-секундный линейный свип-сигнал от 8 до 128 Гц. Свипсигналом вибраторов для настоящего изобретения был 32-секундный свип-сигнал, составленный из четырех 8-секундных сегментов. На каждом чертеже по горизонтальной оси отображается местоположение приемника относительно источника. Результаты после разделения и обращения модельных данных свидетельствуют о небольшом различии между двумя способами, и обоими способами данные отраженных волн в случае 4 источников полностью разделяются.

На фиг. 8 показаны результаты после разделения и обращения, полученные с помощью настоящего изобретения для более длительного периода времени действия непрерывного свип-сигнала по сравнению с показанным на фиг. 7. Сегмент свип-сигнала представляет собой свип-сигнал с разверткой вниз. Как можно видеть, разделенные записи являются чистыми до конца 8 с, что соответствует продолжительности сегмента, показанной на фиг. 3. Эго объясняет причину, по которой предпочтительно, чтобы продолжительность сегмента в настоящем изобретении выбиралась, по меньшей мере, столь же большой, что и время пробега сейсмической волны вниз до самого глубокого горизонта, представляющего интерес, и вверх от него. Интерференция от следующего свип-сигнала происходит спустя 8 с, а интерференция от предшествующего свип-сигнала происходит спустя 15 с. Эти интерференции разделены по положениям индивидуальных источников. Шум от гармоник, которые не полностью согласованы с соответствующими сигнатурами вибраторов, возникают после первой интерференции от последующего свипсигнала на интервале около 10-14 с.

Вышеизложенное описание касается конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, показанных с целью иллюстрации. Однако специалисту в данной области техники должно быть понятно, что возможны многочисленные модификации и изменения в вариантах осуществления, описанных в настоящей заявке. Например, на этапе 107 (фиг. 5) осуществляют преобразование Фурье системы уравнений в частотную область. Любое другое преобразование, которое дает систему линейных уравнений в области преобразования, будет работать в способе согласно изобретению, и должно быть понятно, что прилагаемая формула изобретения включает в себя любые такие преобразования. Все такие модификации и изменения находятся в рамках объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ работы множества N сейсмических вибраторов одновременно с непрерывными свипсигналами и выделения сейсмического отклика для каждого вибратора, заключающийся в том, что (a) загружают каждый вибратор уникальным непрерывным свип-сигналом, состоящим из Μ>Ν сегментов, при этом ί-й сегмент имеет одну и ту же длительность для каждого вибратора, 1=1,2,..., М, (b) возбуждают все вибраторы и используют по меньшей мере один датчик для обнаружения и записи объединенных сигналов сейсмических откликов от всех вибраторов, (c) выделяют и записывают сигнатуру для каждого вибратора, показывающую движение этого вибратора, (б) разбивают запись движения вибратора для каждого вибратора на М более коротких записей, при этом каждая более короткая запись совпадает по времени с сегментом свип-сигнала, и затем дополняют нулями конец каждой более короткой записи в достаточной степени, чтобы увеличить ее длительность,

-7 008398 по существу, до одного времени прослушивания, (е) формируют матрицу 8 размерами ΜχΝ, элемент зЦ!) которой представляет собой дополненную нулями более короткую запись движения вибратора как функцию времени ΐ для ί-το вибратора и]-го сегмента свип-сигнала, (Г) разбивают запись сейсмических данных из этапа (Ь) на М более коротких записей, при этом каждая более короткая запись совпадает по времени с дополненной нулями более короткой записью движения вибратора из этапа (ά), (§) формируют вектор длиной М, элемент ф которого представляет собой ί-ю более короткую запись данных из предшествующего этапа, (11) решают относительно Е,(Г) следующую систему из М линейных уравнений с N неизвестными

8Ё = д, где 8Д£) - преобразование Фурье 8у(!) в частотную (£) область, О,(Г) - преобразование Фурье ф(1), где ί=1,2, ..., Ми]=1, 2, ...,Ν, и (ί) осуществляют обратное преобразование Фурье ЕДГ). чтобы получить е/1).
2. Способ по π. 1, отличающийся тем, что каждый сегмент свип-сигнала выбирают из одной из следующих категорий модификации свип-сигнала: (а) линейной, (Ь) нелинейной и (с) псевдослучайной.
3. Способ по π. 1, отличающийся тем, что все из N уникальных непрерывных свип-сигналов являются идентичными, за исключением фазы их сегментов.
4. Способ по п.З, отличающийся тем, что все N сегментов являются идентичными, за исключением фазы, а разности фаз для N свип-сигналов определяют следующим образом: (а) формируют опорный свип-сигнал, начиная с заранее выбранного опорного сегмента, затем создают для сегмента опережение по фазе на 360°/М, чтобы образовать второй сегмент, затем создают опережение по фазе на дополнительные 360°/М, чтобы образовать третий сегмент, и т.д., чтобы образовать свип-сигнал из М сегментов;

(Ь) формируют первый свип-сигнал путем создания для первого сегмента опережения по фазе относительно опорного свип-сигнала на 90°; (с) формируют второй свип-сигнал путем создания для второго сегмента опережения по фазе относительно опорного свип-сигнала на 90°; (ά) и т.д. до тех пор, пока не сформируют N свип-сигналов.
5. Способ по π. 1, отличающийся тем, что используют уникальный непрерывный свип-сигнал, который имеет достаточную длительность во времени для сбора всех необходимых сейсмических данных до перемещения вибраторов.
6. Способ по π. 1, отличающийся тем, что запись сигнатуры вибратора для каждого вибратора представляет собой взвешенную сумму или запись толкающего усилия движения этого вибратора.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают Μ=Ν, а систему линейных уравнений 8Е = ϋ решают матричными методами, содержащими этапы, на которых получают разделительный и обратный фильтр (8)'¹, обращая матрицу 8, после чего выполняют матричное умножение (Ή В .
8. Способ по π. 1, отличающийся тем, что систему линейных уравнений 8Е = В решают матричными методами и методом наименьших квадратов, содержащими этапы, на которых получают разделительный и обратный фильтр вида Е- (55) 5 , затем выполняют матричное умножение ΓΙ) .
9. Способ по π. 1, отличающийся тем, что каждый сегмент имеет длительность, которая является, по меньшей мере, такой большой, как время пробега сейсмической волны вниз до самого глубокого отражающего горизонта, представляющего интерес, и обратно вверх.
10. Способ выделения сейсмического отклика для каждого из множества N сейсмических вибраторов, работающих одновременно с непрерывными свип-сигналами, заключающийся в том, что (a) получают запись сейсмических данных объединенных сигналов откликов от всех вибраторов, обнаруживаемых и записываемых с помощью по меньшей мере одного датчика, при этом каждый вибратор загружают уникальным непрерывным свип-сигналом, состоящим из Μ>Ν сегментов, ί-ый сегмент имеет одну и ту же длительность для каждого вибратора, 1=1,2,..., М, (b) получают запись движения вибратора для каждого вибратора, содержащую сигнатуру для каждого вибратора, показывающую движение этого вибратора, (c) разбивают запись движения вибратора для каждого вибратора на М более коротких записей, при этом каждая более короткая запись совпадает по времени с сегментом свип-сигнала, и затем дополняют нулями конец каждой более короткой записи в достаточной степени, чтобы увеличить ее длительность, по существу, до одного времени прослушивания, (ά) формируют матрицу 8 размерами ΜχΝ, элемент зЦ!) которой представляет собой дополненную нулями более короткую запись движения вибратора как функцию времени 1 для ί-το вибратора и]-го сегмента свип-сигнала, (е) разбивают запись сейсмических данных из этапа (а) на М более коротких записей, при этом каждая более короткая запись совпадает по времени с дополненной нулями более короткой записью движения вибратора с этапа (с), (ί) формируют вектор $ длиной М, элемент ф которого представляет собой ί-ю более короткую за

-8008398 пись данных предшествующего этапа, (д) решают относительно Е,(Г) следующую систему из М линейных уравнений с N неизвестными

8Ё = б, где 8^(ί) - преобразование Фурье 8^(1) в частотную (£) область, ϋ_;(£) - преобразование Фурье б;(1), где ί=1,2,Μηϊ=1, 2, ...,Ν, (к) осуществляют обратное преобразование Фурье Е,(Г). чтобы получить с,(1).
11. Способ работы множества N сейсмических вибраторов одновременно с непрерывными свипсигналами, обеспечивающий выделение сейсмического отклика для каждого вибратора, заключающийся в том, что (a) загружают каждый вибратор уникальным непрерывным свип-сигналом, состоящим из Μ>Ν сегментов, при этом ί-й сегмент имеет одну и ту же длительность для каждого вибратора, 1=1,2,..., М, (b) возбуждают все вибраторы и используют по меньшей мере один датчик для обнаружения и записи объединенных сигналов сейсмических откликов от всех вибраторов, (c) выделяют и записывают сигнатуру для каждого вибратора, показывающую движение этого вибратора, (б) передают запись движения вибратора для каждого вибратора и запись сейсмических данных на обработку, при которой разбивают запись движения вибратора для каждого вибратора на М более коротких записей, при этом каждая более короткая запись совпадает по времени с сегментом свип-сигнала, и затем дополняют нулями конец каждой более короткой записи в достаточной степени, чтобы увеличить ее длительность, по существу, до одного времени прослушивания, формируют матрицу § размерами ΜχΝ, элемент 8^(1) которой представляет собой дополненную нулями более короткую запись движения вибратора как функцию времени ΐ для ί-το вибратора и]-го сегмента свип-сигнала, разбивают запись сейсмических данных из этапа (Ь) на М более коротких записей, при этом каждая более короткая запись совпадает по времени с дополненной нулями более короткой записью движения вибратора, формируют вектор ί/ длиной М, элемент б, которого представляет собой ί-ю более короткую запись данных, решают относительно Е,(£) следующую систему из М линейных уравнений с N неизвестными:

8Ё = д, где 8у(£) - преобразование Фурье 8^(1) в частотную (£) область, ϋ_;(£) - преобразование Фурье ф(1), где ί=1,2, ...,Μηϊ=1, 2, ...,Ν, осуществляют обратное преобразование Фурье Ε,/Γ). чтобы получить с/1).
12. Способ по любому из пи. 10 или 11, отличающийся тем, что каждый сегмент свип-сигнала выбирают из одной из следующих категорий модификации свип-сигнала: (а) линейной, (Ь) нелинейной и (с) псевдослучайной.
13. Способ по любому из пи. 10 или 11, отличающийся тем, что все из N уникальных непрерывных свип-сигналов являются идентичными, за исключением фазы их сегментов.
14. Способ по и. 13, отличающийся тем, что все N сегментов являются идентичными, за исключением фазы, а разности фаз для N свип-сигналов определяют следующим образом: (а) формируют опорный свип-сигнал, начиная с заранее выбранного опорного сегмента, затем создают для сегмента опережение по фазе на 360°/М, чтобы образовать второй сегмент, затем создают опережение по фазе на дополнительные 360°/М, чтобы образовать третий сегмент, и т.д., чтобы образовать свип-сигнал из М сегментов; (Ь) формируют первый свип-сигнал путем создания для первого сегмента опережения по фазе относительно опорного свип-сигнала на 90°; (с) формируют второй свип-сигнал путем создания для второго сегмента опережения по фазе относительно опорного свип-сигнала на 90°; (б) и т.д. до тех пор, пока не сформируют N свип-сигналов.
15. Способ по любому из пи. 10 или 11, отличающийся тем, что используют уникальный непрерывный свип-сигнал, который имеет достаточную длительность во времени для сбора всех необходимых сейсмических данных до перемещения вибраторов.
16. Способ по любому из пи. 10 или 11, отличающийся тем, что запись сигнатуры вибратора для каждого вибратора представляет собой взвешенную сумму или запись толкающего усилия движения этого вибратора.
17. Способ по любому из пи. 10 или 11, отличающийся тем, что устанавливают Μ=Ν, а систему линейных уравнений 8Е = ΰ решают матричными методами, содержащими этапы, на которых получают разделительный и обратный фильтр (8)'¹, обращая матрицу 8, после чего выполняют матричное умножение
18. Способ по любому из пп. 10 или 11, отличающийся тем, что систему линейных уравнений 8Е = О решают матричными методами и методом наименьших квадратов, содержащими этапы, на которых по

-9008398 лучают разделительный и обратный фильтр вида Р= ¢5 5) ¹5 , затем выполняют матричное умножение ΓΏ .
19. Способ по любому из пи. 10 или 11, отличающийся тем, что каждый сегмент имеет длительность, которая является, по меньшей мере, такой большой, как время пробега сейсмической волны вниз до самого глубокого отражающего горизонта, представляющего интерес, и обратно вверх.