EA020994B1 - Способ возбуждения сейсмических волн и способ морской сейсморазведки - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу генерирования сейсмической волны при разведке геологической среды, который включает применение первого сейсмического вибратора и применение, по меньшей мере, второго сейсмического вибратора, по существу, одновременно с применением первого сейсмического вибратора. Приводные сигналы, подаваемые на каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов, по существу, некоррелированы друг с другом.

Description

(57) Изобретение относится к способу генерирования сейсмической волны при разведке геологической среды, который включает применение первого сейсмического вибратора и применение, по меньшей мере, второго сейсмического вибратора, по существу, одновременно с применением первого сейсмического вибратора. Приводные сигналы, подаваемые на каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов, по существу, некоррелированы друг с другом.

020994 Β1

020994 В1

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем относится к области геофизических исследований, в особенности к вибрационным источникам сейсмических колебаний, применяемым в геофизических исследованиях. Конкретнее, изобретение относится к способам применения вибраторов для сбора морских сейсмоданных.

Предшествующий уровень техники

Источники сейсмических колебаний, в том числе вибраторы, применяются в геофизических исследованиях, проводимых на суше и в водах, покрывающих поверхность земли. Акустические волны, генерируемые этими источниками, распространяются вниз в землю, отражаются от отражающих границ в геологической среде и регистрируются сейсмоприемниками, обычно гидрофонами или геофонами, расположенными на поверхности или вблизи поверхности земли или воды.

В морской сейсморазведке сейсмоисточник, например пневмопушка или группа таких пневмопушек, буксируется вблизи от поверхности водоема. Группа сейсмоприемников, например гидрофонов, также буксируется в воде поблизости от группы источников. В выбранные моменты времени пневмопушка или группа пневмопушек активируется для передачи в воду импульса высокого давления воздуха или газа. Этот импульс высокого давления возбуждает сейсмическую волну для исследования структур геологических формаций под подошвой слоя воды.

Одним из типов сейсмоисточников, применяемых в морской сейсморазведке, является вибратор. В общем случае сейсмический вибратор включает опорную плиту, взаимодействующую с водой, инертную массу и гидравлическое или иное устройство, заставляющее вибрировать инертную массу и опорную плиту. Вибрации обычно проводятся через некоторый диапазон частот по одной из известных схем, свип или ЛЧМ (сШгр - линейная частотная модуляция, ЛЧМ). Сигналы, зарегистрированные сейсмоприемниками, взаимно коррелированы с сигналом датчика, расположенного вблизи опорной плиты. Результатом этой взаимной корреляции является сейсмический сигнал, приближающийся к такому, какой был бы зарегистрирован сейсмоприемниками при использовании сейсмоисточника импульсного типа. Использование вибраторов для возбуждения сейсмических волн в геологической среде имеет преимущество распределения энергии во времени, что снижает воздействие на окружающую среду, по сравнению с воздействием на окружающую среду при использовании импульсных источников.

Желательность адаптации сейсмических вибраторов для применения в морской сейсморазведке диктуется не только возможными экологическими выгодами. Сейсмоисточник, способный генерировать сигналы произвольного вида, может дать существенные выгоды от использования более умных сейсмических сигналов, чем обычные свип-сигналы. Такой сейсмоисточник мог бы генерировать сигналы, приближающиеся по своим характеристикам к фоновому шуму, а следовательно, менее восприимчивые к интерференции с шумом и в то же время оказывающие меньшее воздействие на окружающую среду. Практическим ограничителем использования морских вибраторов в таких схемах с усложненным сигналом является конструкция известных специалистам морских вибраторов. Для генерирования произвольных сигналов в сейсмической полосе частот необходимо иметь высокоэффективный источник, чтобы сделать этот источник управляемым во всей полосе сейсмических частот, представляющих интерес. Комбинирование нескольких по отдельности управляемых морских вибраторов с более сложными схемами сигналов могло бы дать возможность генерировать одновременно несколькими отдельными источниками сейсмические сигналы с очень низкой взаимной корреляцией, что позволило бы повысить эффективность сбора сейсмических данных. Гидравлические морские вибраторы, известные специалистам, как правило, имеют резонансную частоту, превышающую верхний предел обычных сейсмических частот, представляющих интерес. Это означает, что энергетический КПД вибратора будет очень мал, в особенности на низких частотах, но и в целом во всей полосе сейсмических частот; типом сигнала и частотным составом таких вибраторов трудно управлять. Кроме того, сигналы традиционных морских сейсмических вибраторов подвержены сильным нелинейным искажениям, что ограничивает возможности использования усложненных сигналов. Для понимания этих характеристик вибратора можно рассмотреть импеданс низкочастотного вибратора.

Полный импеданс для морского вибратора может быть выражен следующей формулой:

2_г = К_г + ;Х_Г (Выражение 1) где Ζ_Γ - полный импеданс;

К_г - радиационный импеданс и

Х_г -реактивный импеданс.

При исследовании энерговыделения морского вибратора в качестве модели системы, включающей вибратор и воду, может быть выбран экранированный диск. Радиационный импеданс К_г экранированного диска дается выражением

К_г - ла~р_йсК_А (х) (Выражение 2) а реактивный импеданс:

Х_г = даГ/усА’, (х) (Выражение 3)

- 1 020994 причем χ = 2Αα =

4лн 2(7χι

Л,(х) = 1—/,(х) (Выражение 4) (Выражение 5)

Λ\{χ) = Α|ΐ₅ΐη(χοο8α)5ίη²ίϊί/α (Выражение 6).

где ро - плотность воды;

ω - круговая частота;

к - волновое число;

а - радиус диска;

с - скорость акустических волн;

λ - длина волны и

Ιί - бесселева функция первого порядка.

Разложение в ряд Тейлора вышеприведенных выражений дает

Для низких частот, когда х=2ка много меньше 1, действительная и мнимая части выражения для полного импеданса могут быть аппроксимированы первыми членами своих рядов Тейлора. Соответствующие выражения для низких частот, когда длина волны много больше радиуса диска, приобретают следующий вид:

ад&ка

Зл(Выражение 9) (Выражение 10)

Отсюда следует, что для низких частот радиационный импеданс К будет малым в сравнении с реактивным импедансом X, что означает низкую эффективность генерации сигнала. Соответственно, имеется потребность в эффективных морских вибраторах, способных генерировать сложные сигналы, и имеется потребность в повышении производительности операций сбора сейсмических данных для обеспечения более экономичной работы и минимизации воздействия морской сейсморазведки на окружающую среду.

Сущность изобретения

Способ генерирования сейсмической волны при разведке геологической среды согласно одной из особенностей настоящего изобретения включает применение первого сейсмического вибратора и применение, по меньшей мере, второго сейсмического вибратора, по существу, одновременно с применением первого сейсмического вибратора. Приводные сигналы, подаваемые на каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов, по существу, некоррелированы друг с другом.

Способ морской сейсморазведки согласно другой особенности настоящего изобретения включает применение первого сейсмического вибратора в водоеме и применение, по меньшей мере, второго сейсмического вибратора в том же водоеме, по существу, одновременно с применением первого сейсмического вибратора. На каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов подаются, по существу, некоррелированные друг с другом приводные сигналы. Сейсмические сигналы регистрируются каждым из набора сейсмоприемников, расположенных в пространственно разнесенных местах. Определяются части зарегистрированных сейсмических сигналов, являющиеся откликами на волны, возбужденные в формациях под подошвой водоема каждым из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов.

Прочие особенности и преимущества настоящего изобретения будут ясны из нижеследующего описания и формулы изобретения.

- 2 020994

Краткий перечень чертежей

На фиг. 1 показан пример морской сейсморазведки, проводимой с использованием набора источников сейсмических волн.

На фиг. 1А показан пример осуществления генератора сигналов сейсмического вибратора.

На фиг. 1В показан пример соединенного с сейсмоприемником прибора выделения сигналов.

На фиг. 2 показан пример конструкции традиционного гидравлического сейсмического вибратора.

На фиг. 3 показан пример конструкции электрического сейсмического вибратора.

На фиг. 4 показан в поперечном разрезе еще один пример вибратора.

На фиг. 5 показан в поперечном разрезе еще один пример вибратора.

На фиг. 6 представлен модельный амплитудный спектр с двумя резонансами.

На фиг. 7 представлен пример автокорреляционной функции для одного типа сигнала с прямым расширением спектра.

На фиг. 8 представлен пример кода прямого расширения спектра (Όδδδ).

На фиг. 9 представлен график частотного состава сигнала привода сейсмического источника при использовании сигнала, кодированного согласно фиг. 8.

На фиг. 10 представлен пример кода прямого расширения спектра с использованием двухпозиционной фазовой манипуляции.

На фиг. 11 представлен график частотного состава сигнала привода сейсмического источника при использовании сигнала, кодированного согласно фиг. 10.

На фиг. 12А и 12В представлены соответственно сигнал Όδδδ и отклик низкочастотного вибратора на приводной сигнал Όδδδ.

На фиг. 13А и 13В представлены соответственно сигнал Όδδδ и отклик на приводной сигнал Όδδδ вибратора более высокой частоты, чем представленный на фиг. 12В.

На фиг. 14А и 14В представлены соответственно комбинированные сигналы Όδδδ и выходные сигналы двух вибраторов, представленных на фиг. 12А, 12В, 13А и 13В.

На фиг. 15 представлена автокорреляция суммы сигналов фиг. 13А и 14А.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Пример морской сейсморазведки, проводимой с использованием набора морских вибрационных источников сейсмических волн, схематически показан на фиг. 1. Судно геологоразведочного приема КУ показано движущимся по поверхности водоема например озера или океана. Судно геологоразведочного приема КУ обычно включает оборудование, обозначенное Κδ и для удобства называемое записывающей системой, которое в выбранные моменты времени активирует один или несколько источников 10 сейсмических волн, определяет геодезическое положение различных компонентов системы сбора сейсмоданных и записывает сигналы, зарегистрированные каждым из набора сейсмоприемников К.

Сейсмоприемники К обычно размещаются в пространственно разнесенных местах вдоль одного или нескольких кабелей кос δ, буксируемых в выбранном расположении в воде судном приема КУ (и/или другим судном). Это расположение поддерживается определенным буксировочным оборудованием ТЕ, включающим устройства, называемые параванами и создающими боковое усилие для разведения компонентов буксировочного оборудования ТЕ на выбранное боковое расстояние от судна приема КУ. Эта схема буксировочного оборудования ТЕ, параванов Р и кабелей кос δ дана для иллюстрации принципа регистрации сейсмических сигналов согласно некоторым особенностям изобретения и никоим образом не ограничивает типов применимых записывающих устройств, вариантов их размещения в воде или количеств и типов таких компонентов.

Судно приема КУ может буксировать сейсмический вибратор 10. В примере фиг. 1 дополнительные сейсмические вибраторы 10 могут буксироваться в выбранном расположении относительно судна приема КУ судном возбуждения 8У. Дополнительные вибраторы 10, буксируемые судном возбуждения 8У, предназначены для того, чтобы увеличить область прослеживаемых границ в разрезе по сигналам, зарегистрированным сейсмоприемниками К. Количества таких дополнительных вибраторов 10 и их относительное расположение, показанное на фиг. 1, не ограничивают объем изобретения.

На фиг. 2 показан пример традиционного выполнения гидравлического морского вибратора. Штуцер подачи гидравлического масла обозначен позицией 35, а штуцер слива масла - позицией 36. Поршень (опорная плита) 31 генерирует акустическую волну давления и расположен внутри колоколообразного кожуха (инертной массы) 38. Пространство между поршнем 31 и колоколообразным кожухом 38 заполнено воздухом 32. Движение поршня 31 регулируется сервоклапаном 34. Акселерометр 33 используется для получения обратной связи или управляющего сигнала. Амортизирующие подвески 37 смонтированы на колоколообразном кожухе 38 для уменьшения вибраций в системе перемещения (не показана), используемой для позиционирования вибратора. Из-за жесткой конструкции вибратора первая резонансная частота такого вибратора обычно превышает верхний предел полосы сейсмических частот, и такой вибратор будет иметь низкую эффективность на типовых сейсмических частотах.

На фиг. 3 показан пример другого типа морского вибратора, который может быть использован согласно изобретению. Морской вибратор 10 включает вибрационный источник 20, смонтированный в раме 16. Планка 14 соединена с верхом рамы 16 и включает отверстия 24, которые могут быть использова- 3 020994 ны для позиционирования вибратора 10 в воде.

На фиг. 4 показан в частичном поперечном разрезе пример осуществления вибратора, включающего привод 8, который может быть выполнен как магнитострикционный привод и который в некоторых вариантах может быть изготовлен из сплава тербия, диспрозия и железа. Такой сплав может иметь следующий состав: ТЬ (0,3) Оу (0,7) Ре (1,9); этот состав известен под товарным знаком терфенол-Д (Тег1епо1-И). Хотя в конкретном описанном здесь примере вибратора показан только один привод, но в объем изобретения входит и вариант, в котором используется несколько приводов. Далее, настоящий пример включает наружную приводную пружину 3, соединенную с каждым из концов 13 привода 8. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения приводная пружина 3 может иметь эллиптическую форму. В данном примере, в котором привод 8 включает терфенол-Д, привод 8 включает также магнитную цепь (отдельно не показана), создающую магнитное поле, когда в нее подается электрический ток. Это магнитное поле вызывает удлинение терфенола-Д. Длина привода 8 изменяется посредством изменения силы электрического тока и, соответственно, величины магнитного поля. Обычно для задания магнитного поля смещения, действующего на терфенол-Д, используются постоянные магниты, а изменения магнитного поля создаются подачей меняющегося электрического тока в катушки (не показаны), созданные вокруг терфенола-Д. Изменения длины привода 8 вызывают соответствующие изменения размеров наружной приводной пружины 3.

На фиг. 4 показаны дополнительные компоненты вибратора, включая внутреннюю пружину 4 с прикрепленными к ней массами 7. Как будет разъяснено ниже, эта внутренняя приводная пружина 4 с прикрепленными к ней массами 7 может быть включена для получения второй резонансной частоты системы в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований. Хотя система вибратора, включающего только наружную пружину 3, как правило, имеет вторую резонансную частоту, но у систем с размерами, подходящими для применения в морских геофизических исследованиях, вторая резонансная частота оказалась бы в этом случае значительно выше частот, представляющих интерес для сейсмических исследований (обычно от 0 до 300 Гц).

Монтажные стойки 28, показанные на фиг. 4, жестко соединены своими верхними и нижними концами с верхней и нижней концевыми пластинами 18 (показаны на фиг. 3). Привод 8 жестко соединен в своей средней по длине части с монтажными стойками 28 для создания устойчивой опорной точки привода 8. Перемещения концов 13 приводного штока относительно монтажных стоек 28 не ограничено.

Пример, показанный на фиг. 4, включает далее наружную оболочку 2, с которой наружная пружина 3 соединена посредством передаточных элементов 5. Форму оболочки 2 обычно называют гибконапряженной (Пе.х1еп5юпа1). В одном из вариантов осуществления изобретения наружная оболочка 2 включает две боковины, которые могут быть существенно зеркальными отражениями друг друга, и включают две концевые балки 1, причем боковины оболочки 2 шарнирно соединены с концевыми балками 1 шарнирами 6. На фиг. 4 показана одна из боковин наружной оболочки 2, обозначенная как оболочечная боковина 2а. В полностью собранном устройстве вторая оболочечная боковина (не показана на фиг. 4), существенно представляющая собой зеркальное отражение оболочечной боковины 2а, шарнирно соединена шарнирами 6 с концевыми балками 1, завершая полную гибконапряженную оболочку, окружающую смонтированные привод 8, наружную пружину 3 и внутреннюю пружину 4.

На фиг. 5 показан поперечный разрез узла фиг. 4, смонтированного в морском вибраторе 10.

Как показано на фиг. 3, морской вибратор 10 далее включает верхнюю и нижнюю концевые пластины 18. В сборе наружная оболочка 2, включающая две боковины, и две концевые балки 1 герметично соединены с верхней и нижней концевыми пластинами 18. Хотя наружная оболочка 2 герметично связана с верхней и нижней концевыми пластинами 18, однако, когда морской вибратор 10 работает, наружная оболочка 2 допускает перемещение относительно концевых пластин 18, так что соединение концевых пластин 18 и наружной оболочки 2 должно быть гибким; такое соединение может быть обеспечено, например, гибкой мембраной 22 (в подробностях не показана).

На фиг. 6 показаны результаты моделирования методом конечных элементов примера морского вибратора. Первая резонансная частота 11 существенно определяется взаимодействием наружной пружины 3 и привода. Вторая резонансная частота 12 существенно определяется взаимодействием внутренней приводной пружины 4 с добавленными массами 7 и привода 8.

Наружная приводная пружина 3 и внутренняя приводная пружина 4, показанные на фигуре, могут отличаться по типу от изображенных. Например, пружины могут быть винтовыми пружинами или пружинами иного типа, работающими существенно аналогично. По существу, пружины 3 и 4 - это устройства смещения, создающие силу, связанную с величиной подвижки устройства смещения. Аналогично, для достижения существенно того же результата наружная пружина 3 и внутренняя приводная пружина 4 могут включать диафрагму, поршень в цилиндре с уплотнением или гидравлический цилиндр.

Посредством введения резонанса в нижний край спектра сейсмических частот можно более эффективно генерировать низкочастотную акустическую волну. При резонансе мнимая (реактивная) часть импеданса существенно обнуляется, и акустический источник способен эффективно возбуждать акустическую волну в воде. Как известно специалистам, при проектировании любого конкретного варианта осуществления морского вибратора для определения первой и второй резонансных частот может быть ис- 4 020994 пользован метод конечных элементов. При любом применении этого метода придерживаются следующих принципов. Если наружная оболочка моделируется диском, то для низких частот инерционная нагрузка, или эквивалентная жидкая масса, действующая на оболочку, может быть выражена как

где М - инерционная нагрузка; р₀ - плотность воды и а - радиус эквивалентного диска, соответствующего размеру наружной оболочки.

Наружная оболочка 2 имеет коэффициент трансформации Т^и, связывающий длинную и короткую оси ее эллипса, так что прогиб двух боковин оболочки (боковины 2а на фиг. 4 и ее зеркального отражения с другой стороны наружной оболочки 2) будет иметь большую амплитуду, чем прогиб концевых балок 1 (связывающих друг с другом две боковины оболочки 2), вызванный перемещением передаточного элемента 5. Далее, наружная пружина 3 создает большую инерционную нагрузку на привод 8, так как эта наружная пружина 3 также имеет коэффициент трансформации, связывающий длинную и короткую оси ее эллипса, при этом длинная ось существенно равна длине привода 8, а короткая ось - это ширина данной эллиптической пружины. Обозначив ее коэффициент трансформации Т_зргш8, получим инерционную нагрузку на привод 8 в следующем виде:

= (Хм)² -(⁷^)² · А — · (Выражение 12)

Частота первого резонанса £_г ношением для массивной пружины:

данного вибратора существенно определяется следующим соотгезопапсе

где К - жесткость пружины и

М_ои1ег - инерционная нагрузка на привод 8.

К это жесткость сочетания наружной пружины 3 с приводом 8, где наружная пружина 3 соединена с наружной оболочкой 2 посредством передаточных элементов 5, концевой балки 1 и шарниров 6.

Для достижения эффективной передачи энергии в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований, важно выполнить вибратор так, чтобы получить вторую резонансную частоту в этом диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований. В отсутствие внутренней пружины вторая резонансная частота возникает как вторая частота собственных колебаний, когда наружная приводная пружина 3 взаимодействует с приводом 8. Однако эта резонансная частота, как правило, намного выше первой резонансной частоты и, соответственно, оказывается вне диапазона частот, представляющих интерес для сейсмических исследований. Как видно из вышеприведенного соотношения, резонансная частота снижается с увеличением инерционной нагрузки на наружную пружину

3. Инерционная нагрузка может быть увеличена добавлением массы к приводу 8, однако, чтобы такой добавкой получить вторую резонансную частоту в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований, величина необходимой добавки массы к приводу сделала бы подобную систему практически не применимой для морских сейсмических исследований. В практическом примере вибратора внутри наружной приводной пружины 3 включена вторая пружина, внутренняя приводная пружина

4, с добавленными массами 7 на боковой части внутренней пружины 4. По своему воздействию добавление таких масс эквивалентно добавлению массы на конце привода 8:

М_1ШК, = (^т,_тег )² * Л/(Выражение 14)

Эта дополнительная пружина, т.е. внутренняя приводная пружина 4, также имеет свой коэффициент трансформации Т_|п1е|. и увеличивает инерционную нагрузку на привод 8. Использование внутренней пружины 4 с добавленными массами позволяет настроить второй резонанс системы так, чтобы вторая резонансная частота оказалась в диапазоне частот, представляющих интерес для сейсмических исследований, повышая тем самым КПД вибратора в сейсмической полосе частот. Эта вторая резонансная частота может быть определена выражением (Выражение 15) где К_|п1е|. - жесткость внутренней пружины и

К,|_Г|,,_ег - жесткость пружины наружного узла привода.

Возможным преимуществом использования описанной в настоящем документе конструкции привода является то, что множественные резонансные частоты могут дать более широкую полосу частот сигнала отклика, чем та, какую можно получить при использовании конструкций вибратора с единственным резонансом. Особое преимущество использования вибратора с электрическим возбудителем (приводом) заключается в более линейном отклике вибратора на входной управляющий сигнал. Это может позволить использовать специальные типы приводных сигналов, объясняемые ниже.

- 5 020994

При использовании системы, показанной на фиг. 1, может дать преимущество существенно одновременное или даже одномоментное использование более чем одного сейсмического вибратора 10, для того чтобы увеличить возможную эффективность получения сейсмических сигналов, связанных с формациями геологической среды (под подошвой слоя воды). В этом случае сейсмические сигналы, зарегистрированные каждым из приемников К, дадут в результате сейсмическую волну, вклад в которую даст каждый из вибраторов 10, реально работавших в момент записи сигналов. Одновременное применение вибраторов должно включать привод каждого вибратора сигналом, который существенно некоррелирован с сигналом, используемым для привода любого другого вибратора. Посредством использования таких приводных сигналов для управления каждым из вибраторов можно определить ту часть зарегистрированных сейсмических сигналов, которая порождена каждым из сейсмических вибраторов.

В некоторых примерах для управления морскими вибраторами используется тип приводного сигнала, известный под названием сигнала Όδδδ - сигнала с прямым расширением спектра (Όδδδ: Лгсс! 5сс|испсс кргеаб 8рес1гит - спектр, расширенный прямой последовательностью). Для генерации сигнала с прямым расширением спектра (сигнала Όδδδ) используется модулированный кодированный сигнал с частотой элементарных сигналов, выбранной так, чтобы определить частотный состав (полосу частот) переданного сигнала. Элементарный сигнал (сЫр) означает имеющую форму импульса часть сигнала, кодированного прямой последовательностью. Сигналы с прямым расширением спектра могут также быть созданы соответствующим выбором частоты элементарных сигналов и формы волны модулирующего сигнала, чтобы результирующий сигнал Όδδδ имел спектральные характеристики, подобные фоновому шуму. Вышеуказанное может сделать сигналы Όδδδ особенно подходящими для использования в экологически чувствительных зонах.

Пример осуществления сигнального генератора для создания специальных типов вибраторных сигналов, применяемых в настоящем изобретении, схематически показан на фиг. 1А. Гетеродин 30 генерирует сигнал несущей в полосе модулирующих частот. В одном из примеров сигналом несущей в полосе модулирующих частот может быть импульс постоянного тока выбранной длительности или непрерывный постоянный ток. В других примерах модулирующим сигналом может быть свип- или ЛЧМ-сигнал, применяемые в традиционной вибросейсмической разведке, например, с изменением частоты в диапазоне от 10 до 150 Гц. Генератор псевдослучайных чисел (ПСЧ) или кодовый генератор 32 генерирует последовательность чисел +1 и -1 согласно определенным типам кодирующих схем, как будет объяснено ниже. Выходной сигнал генератора ПСЧ 32 и выходной сигнал гетеродина 30 смешиваются в модуляторе 34. Выходной сигнал модулятора 34 подается на усилитель мощности 36, выходной сигнал которого в конечном счете управляет одним из сейсмических вибраторов 10. Аналогичное исполнение может быть применено для управления каждым из набора вибраторов, например, показанных на фиг. 1.

Сигналы, сформированные устройством, показанным на фиг. 1А, могут быть детектированы с использованием такого устройства, как показано на фиг. 1В. Каждый из сейсмоприемников К может быть соединен с предусилителем 38 или непосредственно, или через подходящий мультиплексор (не показан). Выходной сигнал предусилителя 38 может быть переведен в цифровую форму в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) 40. Модулятор 42 смешивает выходной сигнал АЦП 40 с идентификационным кодом, сформированным генератором ПСЧ 32. Как будет объяснено ниже, устройство генерирования сигналов, показанное на фиг. 1А, и соответствующее ему устройство детектирования сигналов, показанное на фиг. 1В, генерируют и детектируют сигналы Όδδδ.

Теоретическое объяснение генерирования и детектирования сигнала Όδδδ может быть понято следующим образом. Сигнал Όδδδ, обозначаемый щ, может быть сформирован с использованием расширяющего спектр кода, обозначаемого с! и генерируемого, например, генератором ПСЧ (32 на фиг. 1А), для модуляции несущей в полосе модулирующих частот. Несущая в полосе модулирующих частот может генерироваться, например, гетеродином (30 на фиг. 1А). Эта несущая имеет форму волны, обозначаемую ψ(1). Расширяющий код включает отдельные элементы (называемые элементарными сигналами), каждый из которых равен +1 или -1 при 0<)<Ν и 0 для всех остальных значений ф Если используется надлежащим образом запрограммированный генератор ПСЧ, код будет повторяться после прохождения выбранного числа элементарных сигналов. Ν - это длина кода (число элементарных сигналов) до его повторения. Несущая в полосе модулирующих частот предпочтительно центрирована относительно момента времени 1=0, и ее амплитуда нормирована так, чтобы в момент времени 1=0 амплитуда несущей равнялась единице, или (ψ(0)=1). Время появления каждого элементарного сигнала ί в расширяющем коде может быть обозначено Тс. Таким образом, сигнал, применяемый для привода каждого вибратора, может быть определен выражением «,(0= (Выражение 16)

Форма волны и₁(1) детерминирована так, что ее автокорреляционная функция определяется выражением

ЯЛ^Т)= (Выражение 17)

- 6 020994 где τ - временная задержка между коррелированными сигналами.

Дискретная периодическая автокорреляционная функция для а=а, определяется выражением

Используя формулу типа выражения (17), можно определить функцию взаимной корреляции двух различных сигналов выражением <30 _в. (г) - } и(1)и' (ι - τ)<ίί (Выражение 19) —«

Дискретная периодическая функция взаимной корреляции для а=а, и Ь=Ь, определяется выражением

Сигнал, зарегистрированный приемниками (К на фиг. 1), будет включать возбужденную одним из вибраторов сейсмическую волну, из которой должна быть получена сейсмическая информация, а также нескольких типов интерференционных сигналов, например фоновый шум, обозначаемый и(1), и волны, возбужденные другими вибраторами, работавшими в то же время, но с отличающимися кодами прямого расширения спектра (обозначаемые с_к(1). где к^1). Сигнал каждого из приемников, обозначаемый х,(1), это сигнал, зарегистрированный каждым из приемников (К на фиг. 1) в системе с М сейсмическими вибраторами, работающими в одно и то же время; он может быть описан выражением м

х, (() = (0^{+ л}0) (Выражение 21) /-1

Волны каждого вибратора проникают в формации геологической среды под подошвой слоя воды, и отраженные в геологической среде сигналы регистрируются приемниками по прошествии времени двукратного пробега волны; это время зависит от расположения вибраторов и приемников, а также от распределения скоростей сейсмических волн в воде и в геологической среде под подошвой слоя воды. Если возбужденный вибратором сигнал ί с кодом прямого расширения спектра передается в момент времени ΐ=ΐ₀, то принятый сигнал отклика на него появляется после передачи в момент времени 1=т_к+1_кТ_с+1₀, где 1_к - любое целое число, а т_к - расхождение между принятым сигналом и временем элементарного сигнала Т_с. Принятый сигнал может быть смешан с идентификационным расширяющим кодом, использованным для формирования выходного сигнала и₁(1₀) каждого вибратора, как показано на фиг. 1В. Такое смешивание даст сигнал, который может быть скоррелирован с сигналом, использованным для привода каждого отдельного вибратора. Смешанный выходной сигнал может быть использован для определения соответственного сейсмического отклика на сигналы, возбужденные каждым вибратором. Для зарегистрированных сигналов вышеуказанное может быть выражено следующим образом:

Л0 ⁺¹,^Те +1,Т_С + /„) = и,(0)х,(г, +/,7,.)

= и,(г + /7Х(0) + Σ«Λ4+4Ό«,(θ)+«,(')«(') (Выражение 22)

Смешивание (фиг. 1В) зарегистрированных сигналов с расширяющим кодом дает корреляцию. Результат этой корреляции таков:

- 7 020994

9, И ^+/Λ) = Σ^(θΧηΚς^7+/

7=0

Ν-1 (Выражение 23) + «,(/)«(/) +Σ ^^(θ)

7«0

Упрощая вышеприведенные выражения, получим

7+4

А

(Выражение 24) = ^(0>(г,)Л„_А(/,) +ИО) Σ [ин (4)]+ «, ('МО

А=],А*Г

Если Κ(0)=Ν и ψ(0)=1, вышеуказанное выражение упрощается:

25) где ба!а - данные;

сто88_сотте1айоп - взаимная корреляция;

ЬаскдгоипД_по18е - фоновый шум.

Выражение (25) показывает, что можно разделить, с одной стороны, сигналы с прямым расширением спектра, соответствующие каждому расширяющему коду, и, с другой, сигнал, включающий компоненты нескольких расширяющих кодов. Ν, в сущности, представляет собой автокорреляционную функцию переданного сигнала, и, если использовать существенно ортогональные или некоррелированные сигналы с расширением спектра для привода каждого морского вибратора, взаимная корреляция между ними будет очень мала по сравнению с Ν. Другое возможное преимущество заключается в том, что любая помеха, появляющаяся в части временного интервала записи сейсмических сигналов, будет усреднена с расчетом на всю длину записи и тем самым уменьшена, что можно видеть из выражения (25).

На практике сейсмический отклик геологической среды на возбужденную каждым из вибраторов сейсмическую волну может быть определен как функция взаимной корреляции зарегистрированных сейсмических сигналов с сигналом, использованным для привода каждого вибратора, где взаимная корреляция включает интервал выбранных временных задержек; как правило, это интервал от нуля до ожидаемого максимального времени двукратного пробега сейсмической волны для представляющих интерес формаций геологической среды (обычно это примерно 5-6 с). Выходной сигнал взаимной корреляции может быть сохранен и/или представлен в формате сейсмотрасс с амплитудой взаимной корреляции в функции от времени задержки.

Несущая в полосе модулирующих частот имеет два свойства, которые могут быть оптимизированы. Эта несущая должна быть выбрана так, чтобы обеспечить выходной сигнал вибратора с подходящим частотным составом и автокорреляционную функцию с хорошо определенным корреляционным пиком. Выражение (25) показывает также, что длина последовательности прямого расширения спектра влияет на отношение сигнал/помеха сигнала вибратора. Корреляционные пики, являющиеся результатом взаимной корреляции, выполненной, как объяснено выше, линейно возрастают пропорционально длине (числу элементарных сигналов) расширяющего кода. Увеличение Ν (удлинение последовательностей) улучшает свойства сигнала вибратора в плане отношения сигнал/помеха.

Используя надлежащим образом выбранные последовательности расширяющего кода, можно генерировать сейсмические сигналы, приближающиеся по спектральной статистике к фоновому шуму. Некоторые полезные последовательности, которые могут быть применены для набора сейсмических вибраторов, обсуждаются ниже.

Последовательности максимальной длины - это тип циклического кода, который генерируется с использованием линейного сдвигового регистра из т последовательно соединенных ячеек, причем выходы определенных ячеек прибавляются по модулю 2 и подаются в качестве сигнала обратной связи на вход сдвигового регистра. Своим наименованием последовательность максимальной длины обязана тому факту, что такая последовательность - это наиболее длинная последовательность, какая может ге- 8 020994 нерироваться с использованием сдвигового регистра. Математически такая последовательность может быть выражена полиномом Ь(х)

А(х) = А_о х_т + Λ, χ„,_, +... + А_вЧ х + А„ (Выражение 26)

Для 1<_)<т он имеет значение 1,= 1, если на _)-й ячейке имеется обратная связь, и 1,=0, если на _)-й ячейке не имеется обратной связи, 1₀=1_т=1. Причем ячейка Ιί,. которую следует установить на единицу или на ноль, не случайна, а должна быть выбрана так, чтобы 1(х) становился простым полиномом. Термин простой означает, что полином 1(х) не может быть факторизован. Число элементарных сигналов для последовательности максимальной длины дается выражением Ы=2т-1, где т представляет собой число ячеек в сдвиговом регистре. В последовательности максимальной длины значений 1 на одно больше, чем значений 0. Так, например, в последовательности из 511 элементарных сигналов 256 единиц и 255 нулей.

Другой тип последовательности, который может быть использован, - это последовательность Голда (Οο16). Структура последовательности Голда описана в работе К. Οοΐά, Орйта1 Ъшату 5сс.|испес5 ίοτ зргеаб зресЧит ти1бр1ехш§, ΙΕΕΕ Тгаиз. 1и£огтайои Ткеоту, νοί. ΙΤ-13, р. 619-621 (1967). Последовательности Голда обладают хорошими характеристиками взаимной корреляции, подходящими для применения в случаях, когда в одно и то же время используется более чем один вибратор. Последовательности Голда генерируются с использованием двух или более последовательностей максимальной длины. Из последовательностей максимальной длины можно сформировать N+2 последовательности Голда, где N длина последовательности. Последовательности Голда имеют период Ν=2'-1 и определены для всех целых чисел т, не кратных 4. Возможно, недостатком последовательности Голда является то, что ее автокорреляционная функция не так хороша, как в последовательности максимальной длины.

В некоторых примерах могут быть использованы ансамбли последовательностей Касами (Ка8ат1), поскольку у них очень низка взаимная корреляция. Существуют два отличающихся друг от друга ансамбля последовательностей Касами. Процедура, подобная той, что использовалась для генерирования последовательностей Голда, формирует малый ансамбль последовательностей Касами из М=2^и/2 двоичных последовательностей с периодом Ν=2^η-1, где и - четное целое число. Такая процедура начинается с последовательности максимальной длины, обозначенной а, и прореживанием ее по значениям 2^и/2+1 формируется последовательность а'. Можно показать, что результирующая последовательность а' - это максимальная последовательность с периодом 2^и/2-1. Так, например, если и=10, то а имеет период Ν= 1023, и период а' равен 31. Таким образом, рассматривая 1023 бита последовательности а', увидим 33 повторения 31-битовой последовательности. Тогда, взяв N = 2^и-1 битов последовательностей а и а', можно сформировать новый ансамбль последовательностей, добавляя, по модулю 2, биты из а, биты из а' и все 2^и/2-2 циклических сдвига битов из а'. После включения а в ансамбль результатом будет ансамбль из 2^и/2 двоичных последовательностей длиной Ν=2'-1. Автокорреляционные функции и функции взаимной корреляции этих последовательностей принимают значения из множества {-1, -(2^и/2+1), 2^и/2-1}. Большой ансамбль последовательностей Касами также включает последовательности с периодом 2^и-1, где и четное целое число, и, кроме того, включает в качестве подмножеств как последовательности Голда, так и малый ансамбль последовательностей Касами. См., например, Бртеабтд Собез ίοτ Эпес! Бециеисе СИМА аиб ^1беЪаиб СИМА Се11и1аг №ΐ№οΛδ, ΙΕΕΕ Сοттии^саΐ^οи8 Мада/те, 5ер1. 1998.

При реализации расширяющих кодов для генерации приводных сигналов вибраторов может быть предпочтительно генерировать элементарные сигналы в коде, используя двухпозиционную фазовую манипуляцию. На фиг. 8 представлен пример расширяющего кода, в котором изменение полярности с +1 на -1 представляет число -1, а обратное изменение полярности представляет число +1. Спектр сигнала, сформированного вышеуказанным расширяющим кодом, показан на фиг. 9. Как видно из фиг. 9, имеется существенная амплитуда сигнала при постоянном токе (нулевой частоте). Такой спектр в общем случае не подходит для генерации сейсмического сигнала. Однако если используется двухпозиционная фазовая манипуляция, то амплитуда сигнала при нулевой частоте равна нулю. Тот же расширяющий код, который показан на фиг. 8, но реализованный с использованием двухпозиционной фазовой манипуляции, показан на фиг. 10. Двухпозиционная фазовая манипуляция может быть осуществлена представлением каждого бита исходного входного сигнала (элементарных сигналов в расширяющем коде) в виде двух логических состояний, которые вместе формируют 1 бит выходного сигнала. Каждое логическое значение +1 на входе может быть представлено, например, в виде одного из двух различных битов (10 или 01) в бите выходного сигнала. Каждое входное логическое значение -1 может быть представлено, например, в виде двух эквивалентных битов (00 или 11) на выходе. Таким образом, каждый логический уровень на старте битовой ячейки - это инверсия уровня в конце предыдущей ячейки. При двухпозиционной фазовой манипуляции выходные логические значения +1 и -1 представляются одной и той же амплитудой напряжения, но противоположных полярностей. На фиг. 11 представлен спектр сигнала расширяющего кода, показанного на фиг. 10. При нулевой частоте амплитуда сигнала очень мала (менее -50 дБ), что делает такой код более подходящим для генерации сейсмической волны.

В некоторых примерах может быть использовано более одного вибратора, расположенных в определенном месте в воде, например, как показано позицией 10 на фиг. 1, где отклик на сигнал каждого из

- 9 020994 вибраторов происходит на отличающейся от других частоте. В некоторых примерах для генерации низкочастотной части сейсмического сигнала (например, на частотах 3-25 Гц) может быть применен вибратор низкочастотного отклика, а для генерации сейсмической волны более высокой частоты (например, 25-100 Гц) может быть применен другой вибратор с более высокой частотой. В других примерах может быть применен многорезонансный вибратор описанной выше конструкции. Как объяснено выше, такие вибраторы могут иметь две или более резонансные частоты в пределах сейсмический полосы частот (например, в интервале приблизительно от 0 до 300 Гц).

Пример низкочастотного кода Όδδδ, применяемого для привода надлежащим образом выполненного вибратора, показан на фиг. 12А. Код Όδδδ может быть сформирован так, чтобы получить выбранный частотный выход при соответствующем выборе частоты следования элементарных сигналов. Спектр выходного сигнала надлежащим образом выполненного вибратора при использовании кода фиг. 12А показан на соответственной фиг. 12В. На фиг. 13А представлен код Όδδδ, примененный для привода вибратора, выполненного для работы на более высоких частотах. Отклик такого вибратора (спектр выходного сигнала) на код Όδδδ фиг. 13А показан на фиг. 13В. Оба сейсмических сигнала эффективно суммированы. После выделения сигнала каждого такого вибратора в принятых сейсмических сигналах, как объяснено выше, выделенные сигналы могут быть суммированы. Объединенные сигналы Όδδδ показаны на фиг. 14А, а объединенный спектр выхода вибратора показан на фиг. 14В. Функция автокорреляции суммированных сигналов показана на фиг. 15; видны два отдельных корреляционных пика, по одному на каждый код Όδδδ. Различные вибраторы могут работать в воде на выбранных глубинах, соответствующих частотному диапазону каждого из вибраторов.

Сейсмические вибраторы и способы управления такими вибраторами согласно различным особенностям изобретения могут обеспечить более устойчивый к внешним воздействиям прием сейсмических сигналов, могут уменьшить нежелательное воздействие сейсмический геологоразведки на окружающую среду путем распределения сейсмической волны на сравнительно широкий интервал частот и могут увеличить эффективность сейсмической геологоразведки, позволяя использовать одновременно несколько сейсмических источников и в то же время регистрировать сейсмический отклик на каждый из этих сейсмических источников в отдельности.

Хотя настоящее изобретение описано с использованием ограниченного числа вариантов осуществления, специалисты, воспользовавшись раскрытым здесь изобретением, смогут вывести из настоящего описания другие варианты осуществления, не отступающие от объема раскрытого здесь изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ генерирования сейсмической волны при разведке геологической среды, включающий следующие шаги:

   применяют первый сейсмический вибратор и применяют, по меньшей мере, второй сейсмический вибратор, по существу, одновременно с применением первого сейсмического вибратора, причем применение первого сейсмический вибратора и, по меньшей мере, второго сейсмического вибратора включает подачу некоррелированных друг с другом приводных сигналов на каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов, при этом каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов возбуждает волны в формациях геологической среды для последующей регистрации после отражения от геологических структур и каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов имеет по меньшей мере две резонансные частоты в выбранной полосе частот, при этом каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов содержит гибконапряженную наружную оболочку;

   магнитострикционный привод, расположенный внутри наружной оболочки;

   первую пружину, расположенную внутри наружной оболочки и находящуюся в контакте с приводом; и вторую пружину, расположенную внутри наружной оболочки между первой пружиной и наружной оболочкой, причем вторая пружина находится в контакте с приводом и с наружной оболочкой, причем инерционную нагрузку внешней оболочки, жесткость первой пружины и второй пружины и инерционную нагрузку на привод со стороны первой пружины выбирают таким образом, чтобы обеспечить по меньшей мере две резонансные частоты при размещении первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов в водоеме.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приводные сигналы, подаваемые на каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов, включают код прямой последовательности расширения спектра.

   - 10 020994
3. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что код включает по меньшей мере одну из следующих последовательностей: последовательность максимальной длины, последовательность Голда и последовательность Касами.
4. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает регистрацию сейсмических сигналов набором сейсмоприемников, расположенных в пространственно разнесенных местах, и определение частей зарегистрированных сейсмических сигналов, возбужденных каждым из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов.
5. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один из группы вибраторов, включающей первый и, по меньшей мере, второй вибраторы, включает набор вибраторов, имеющих отличающиеся частоты отклика, причем приводной сигнал, применяемый для управления набором вибраторов, включает компоненты, соответствующие частотам отклика каждого из вибраторов набора.
6. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый из вибраторов имеет по меньшей мере две резонансные частоты в выбранном диапазоне частот.
7. 7. Способ морской сейсморазведки, включающий следующие шаги: применяют первый сейсмический вибратор в водоеме;

   применяют, по меньшей мере, второй сейсмический вибратор в том же водоеме, по существу, одновременно с применением первого сейсмического вибратора, причем применение первого сейсмического вибратора и, по меньшей мере, второго сейсмического вибратора включает подачу некоррелированных друг с другом приводных сигналов на каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов, при этом каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов имеет по меньшей мере две резонансные частоты в выбранной полосе частот, причем каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов содержит гибконапряженную наружную оболочку;

   магнитострикционный привод, расположенный внутри наружной оболочки;

   первую пружину, расположенную внутри наружной оболочки и находящуюся в контакте с приводом, и вторую пружину, расположенную внутри наружной оболочки между первой пружиной и наружной оболочкой, причем вторая пружина находится в контакте с наружной оболочкой и с приводом, при этом инерционную нагрузку внешней оболочки, жесткость первой пружины и второй пружины и инерционную нагрузку на привод со стороны первой пружины выбирают таким образом, чтобы обеспечить по меньшей мере две резонансные частоты;

   регистрируют сейсмические сигналы каждым из набора сейсмоприемников, расположенных в пространственно разнесенных местах; и определяют части зарегистрированных сейсмических сигналов, являющиеся откликами на волны, возбужденные в формациях под подошвой водоема каждым из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов.
8. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что приводные сигналы, подаваемые на каждый из первого и, по меньшей мере, второго сейсмических вибраторов включают код прямой последовательности расширения спектра.
9. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что код включает по меньшей мере одну из следующих последовательностей: последовательность максимальной длины, последовательность Голда и последовательность Касами.
10. 10. Способ по п.7, отличающийся тем, что по меньшей мере один из группы вибраторов, включающей первый и, по меньшей мере, второй вибраторы, содержит набор вибраторов, имеющих отличающиеся частоты отклика, причем приводной сигнал, применяемый для управления набором вибраторов, включает компоненты, соответствующие частотам отклика каждого из вибраторов набора.