用于海洋地震振动源的远场特征波形的确定的装置和方法

用于海洋地震振动源的远场特征波形的确定的装置和方法
【专利摘要】一种用于海洋地震振动源的远场特征波形的确定的装置和方法。用于计算振动地震源的远场特征波形的计算设备、系统和方法。所述方法包括在振动地震源产生地震波的同时确定振动地震源的活塞的绝对加速度；基于活塞的绝对加速度计算在远离振动地震源的给定点（O）处的振动地震源的远场波形；以及将远场波形与振动地震源的驱动导频信号互相关以确定振动地震源的远场特征波形。
【专利说明】用于海洋地震振动源的远场特征波形的确定的装置和方法
【技术领域】
[0001]本文公开的主题的实施方案通常涉及用于确定海洋振动源的远场特征波形的方法和系统，更具体而言，涉及用于确定海洋振动源的远场特征波形的机构和技术。
【背景技术】
[0002]反射地震学是一种确定在地下的一部分次表层的特性的地球物理勘探方法；这些信息在石油和天然气工业中是特别有帮助的。在海洋地震勘察中，在水域中使用地震源以产生地震信号，该地震信号在地下传播并且至少部分地通过地下地震反射器进行反射。位于海洋底部或者在已知深度处的水域中的地震传感器记录反射，并且产生的地震数据可以经处理以评估地下反射器的位置和深度。通过测量反射(例如，声频信号)从源行进至多个接收器所使用的时间，则能够估计引起这样的反射的特征的深度和/或组成。这些特征可以与地下碳氢化合物沉淀相关联。
[0003]对于海洋应用而言，地震源本质上是脉冲源(例如，压缩的空气突然得以膨胀)。其中一种最常用的源为在较短时间内产生大量声能的气枪。这样的源被船舶拖曳在水面处或者特定深度处。来自气枪的声波在所有方向上传播。发射的声波的典型频率范围在6至300Hz之间。但是，脉冲源的频率组成不是完全可控的，并且不同的源基于特殊的勘测需求而进行选择。另外，脉冲源的使用能够造成某些安全以及环境问题。
[0004]因此，可以使用另一种类的源，比如振动源。在海洋作业中之前已经使用了振动源，包括液压驱动或电动源以及应用压电或磁致伸缩材料的源。在2012年3月8日提交的序列号为13/415，216，(本文中为‘216)的专利申请“Source for Marine SeismicAcquisition and Method”中描述了这样的振动源,其全部内容通过引用结合于此,并且该申请已经转让给本申请的受让人。振动源的积极方面在于它们能够产生包括多个频带的声频信号。因此，相较于脉冲源，这样的源的频带可以更好地受控。
[0005]可以测量或计算通过源(脉冲源或振动源)产生的声压的表示，其被称为远场波形。基于远场波形，可以定义源的特征波形(远场特征波形)。源的特征波形是所需要的，之后将进行讨论。例如，全部内容通过引用结合于此的欧洲专利申请EP0047100B1，“Improvements in/or relating to determination of far-field signatures, forinstance of seismic sources”提出了一种适用于气枪的用于确定由若干单元阵列产生的远场特征波形的方法。每个单元配置有其位于离源已知距离处的“近场水诊器”。该方法依次给位于阵列中的所有单元点火(即，当一个单元点火时，其他单元不点火)，这意味着忽略了单元之间的相互作用。通过得知一些环境参数(在海洋/空气界面的反射、源深度等)，远场特征波形能够通过对由每个近场水诊器检测的单个源单元的特征波形求和并且通过(综合地)考虑虚反射效应进行估计。
[0006]美国专利第4,868,794 号“Method of accumulation data for use indetermining the signatures of arrays of marine seismic sources，，提出了与以上讨论相似的方法。但是，该方法提供了当全部单元同步点火时阵列的远场特征波形，这意味着将源之间的相互作用纳入考虑。每个地震单元能够通过由后处理近场数据给出的理论近场特征波形来表示。远场特征波形阵列估计之后能够在海洋表面下的任意需求点处进行确定，并且不仅仅沿着通常用于直接远场测量的垂直轴。但是，该方法存在一个问题:当近场传感器用于确定给定源单元的声压时，该近场传感器还检测来自其他源单元的声压以及它们的相互作用。因此，需要处理步骤(用于确定理论近场特征波形)以分离来自其他源单元的声压并且移除这些成分。由于这个处理步骤是耗时的并且可能引入误差，因此希望不必进行这个步骤。
[0007]在全部内容通过引用结合于此的GB2, 468，912 “Processing seismic data”中描述的另一种技术提出了一种用于通过利用以上所述的两种方法(基于理论近场特征波形)以及沿着拖缆在特定接收点处测量的数据来提供在远场特征波形估计中的定量误差的方法。这些数据进行比较并且能够显示出是否任意误差理论特征波形估计会导致在远场特征波形估计的误差。
[0008]确定表示由地震传感器接收的一部分声频信号的远场特征波形对于消特征波形(de-signature)过程是重要的，这是因为传统上远场特征波形的估计用于将记录的地震数据去卷积从而最小化干扰和/或得到零相位小波。该处理被称为消特征波形。
[0009]但是，以上讨论的方法具有一个或多个缺点。例如，如果近场传感器用于记录近场特征波形，那么测量可能不会准确或者传感器可能产生故障。如果使用远场传感器(其应该位于在地震群中变化的最小深度处，但是，示例为在源下至少300m处)，那么用于这些测量的仪器是昂贵并且并不总是可靠的。不依靠传感器但是使用各种模型来计算远场特征波形的方法是不准确的，并且需要的集中且耗时的处理步骤。并且，它们可能不适用于浅水应用。
[0010]因此，需要的是以可靠的方式，基于实际的而不是估计的数据而利用最少额外的仪器来获得海洋源的远场特征波形，从而克服前述的问题和缺点。

【发明内容】

[0011]根据一个示例性实施方案，存在一种用于计算振动地震源的远场特征波形的方法。该方法包括在振动地震源产生地震波的同时确定振动地震源的活塞的绝对加速度的步骤；以及基于活塞的绝对加速度来计算在远离振动地震源的给定点(O)处的振动地震源的远场波形的步骤。
[0012]根据另一个示例性实施方案，存在一种用于计算振动地震源阵列的远场特征波形的方法。该方法包括在单个振动地震源产生地震波的同时确定振动地震源阵列的单个振动地震源的活塞的绝对加速度的步骤；以及基于活塞的绝对加速度来计算在远离振动地震源阵列的给定点(O)处的振动地震源阵列的远场波形的步骤。
[0013]根据再一个示例性实施方案，存在一种用于计算振动地震源的远场特征波形的计算设备。计算设备包括用于在振动地震源产生地震波的同时接收振动地震源的活塞的绝对加速度的界面；以及连接至界面的处理器。处理器配置为基于活塞的绝对加速度计算在远离振动地震源的给定点(O)处的振动地震源的远场波形，并且将远场波形与振动地震源的驱动导频信号互相关以确定振动地震源的远场特征波形。【专利附图】

【附图说明】
[0014]并入说明书并且构成说明书一部分的所附附图显示了一个或多个实施方案，并且与描述一起解释了这些实施方案。在附图中:
[0015]图1为使用用于确定地震源的远场特征波形的远场传感器的地震勘测系统的示意图；
[0016]图2A显示了根据示例性实施方案的具有两个活塞的单个振动地震源；
[0017]图2B为用于地震振动源的单极子模型的示意性表示；
[0018]图3A显示了根据示例性实施方案的在活塞上具有传感器以用于测量活塞的加速度的单个振动地震源；
[0019]图3B显示了地震振动源的活塞的移动；
[0020]图4为根据示例性实施方案的地震振动源阵列的示意图；
[0021]图5为根据示例性实施方案的地震振动源阵列以及当计算远场波形时所考虑的相应的虚拟阵列的示意图；
[0022]图6A-6B为根据示例性实施方案的用于获得远场小波的过程的示意图；
[0023]图6C为根据示例性实施方案的用于获得远场小波的另一个过程的示意图；
[0024]图7为根据示例性实施方案的用于确定远场小波的方法的流程图；
[0025]图8为根据示例性实施方案的在其中可以执行上面的方法的计算设备的示意图；以及
[0026]图9为弯曲的拖缆的示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面的示例性实施方案的描述参考所附附图。在不同的附图中相同的附图标记指代相同或相似的元件。下面的具体描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求来限定。为了简单起见，关于具有两个反向从动活塞的声源单元的术语和结构来讨论下面的实施方案。但是，接下来讨论的实施方案并不限制为这种类型的振动源，而是可以应用于具有一个活塞或多于两个活塞的其他地震源。
[0028]贯穿说明书提及的“一个实施方案”或“实施方案”指的是结合实施方案描述的特殊特征、结构或特性包含于所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，贯穿说明各个位置出现的词组“在一个实施方案中”或“在实施方案中”并不必须涉及相同的实施方案。此外，特殊特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施方案中。
[0029]根据一个示例性实施方案，存在一种用于计算振动地震源的远场特征波形的方法。该方法包括在振动地震源产生地震波的同时确定振动地震源的活塞的加速度的步骤；基于活塞的加速度计算在远离振动地震源的给定点(O)处的振动地震源的远场波形的步骤；以及将远场波形与振动地震源的驱动导频信号互相关以确定振动地震源的远场特征波形的步骤。相同的新概念可以应用于包括多个单个振动源的地震振动源阵列。
[0030]为了清楚起见，应当注意到对于脉冲源(例如，气枪)可以交替地使用远场波形和远场特征波形。但是，对于振动地震源，这两个概念是不同的。远场波形在仅利用包含的空气/水边界反射而不包含地表或海洋或地下地层特征或多次反射而在水中操作源的条件下，被视为是对在海洋中的移除点处的合成源阵列压力的估计。远场特征波形是更为普遍的量，例如远场波形与另一个信号的互相关。对于当另一个信号为导频信号和/或虚反射导频信号的特殊情况，该互相关的结果为远场小波(远场特征波形的特殊情况)。对于其他数学过程，则相关可以被本领域技术人员设想为定义振动源的远场特征波形。
[0031]在地震勘测过程中，可测量响应T(t)(利用地震传感器记录的信号)被视为由地层G(t)的脉冲响应与地层衰减E(t)和地震源的远场波形P(t)的卷积，加上一些噪声N(t)组成。这在数学上可以转换为:
[0032]T(t) = [P(t)*G(t)*E(t)]+N(t)， (I)
[0033]其中“ ”表示卷积算子。
[0034]初始地震数据处理步骤试图恢复来自可测量的量T(t)的地层脉冲响应G(t)。为了实现这个，信噪比需要足够大并且需要已知远场波形p(t)的形状。因此，监测远场波形需要使用地层的脉冲响应，与使用何种地震源技术无关。
[0035]脉冲能量源(例如，气枪)允许在极短的时间周期内将大量的能量注入到地层中，同时海洋地震振动源通常用于在延长的时间周期内传播能量信号。以这种方式记录的数据之后进行互相关以便将扩展的源信号转换为脉冲(如下面讨论的小波)。
[0036]如在【背景技术】部分讨论的，远场波形能够利用位于源下方足够深处的远场传感器(水诊器)进行记录，以便使用源的远场辐射。这与所使用的地震源技术的类型完全无关。
[0037]这样的系统100在图1中显示。系统100包括拖曳着一个或多个拖缆104和地震源106的船舶102。地震源106可以是以上讨论的任意的源。在这个实施方案中，地震源106为上下重叠的源(over/and source),即，源具有在第一频带发射信号的一部分以及在第二频带发射信号的一部分。这两个频带可以是不同的或者它们可以重叠。系统100进一步包括用于获取源的远场波形的传感器108。注意，源可以包括一个或多个独立源点(未示出)。例如，如果源为气枪阵列，则阵列包括多个单个气枪。对于振动源也是如此。传感器108记录由源106产生的能量，即源的远场波形110。
[0038]但是，这种方法存在一些缺点。如果地震系统为被拖曳的系统，如图1中所示，则与拖曳探针有关的电缆的振动可以根据通过声源产生的信号由远场传感器感测到，并且因此，地震记录被这样的扰动而污染。
[0039]利用远场传感器以确定远场波形的另一个缺点为需要传感器位于在源下方的给定深度处(例如，300m)。因此，当需要进行浅水地震勘测(通常小于100m)时，传感器不能放置在需要的深度处以确定远场波形，这是因为海床112过于接近源106。
[0040]此外，这种技术仅提供了垂直特征波形，其大多数时候是有用的，但是在一些情况下是不足够的。此外，当远场传感器位于500m附近时，由源的直接辐射引入的虚反射函数加上在海洋/空气界面上的反射没有充分发展。这意味着垂直特征波形包含估计误差并且不是源真正的垂直远场特征波形。
[0041]如果如接下来的讨论使用振动源并且执行用于计算远场特征波形的新方法，则可以消除上述问题。图2A显示了地震振动源200。该源可以是在专利申请‘216中公开的源或者另外的振动源。将振动源200视为具有带两个容纳两个活塞204的开口的外壳202。活塞204可以通过单个或多个致动器206来驱动(同时或不同时)。致动器206可以是电磁致动器或者为其他类型的(例如，气动的)。如通过致动器206驱动的活塞204的来回移动产生了声频信号208。如果两个活塞具有相同的面积并且是同步的/受控的，使得它们两个一起向外并且一起向内同样地扩展，并且如果辐射的波长相对于源的尺寸较大，那么这样的源可以如图2B中所示利用单极子来建模，即，发射球面声频信号208的点源。
[0042]这不同于在其中驱动单个活塞的传统的海洋振动源，并且出于这个原因，这些源建模为单极子源和偶极子源的组合。单个活塞的存在使得海洋振动源机械模型既考虑了基板也考虑了反作用体(参见Baeten等人于1988年9月发表的“The marine vibratorsource”(First Break, vol.6，n0.9),其全部内容结合于此)。对于图2A中显示的源，因为不需要反作用体，所以该模型不适用。因此，如之后讨论的，用于确定远场特征波形的数学公式是不同的。
[0043]传感器210可以放置在活塞204上，用于确定活塞的加速度。图2A示出了安装在外壳202内的传感器210。在一个应用中，传感器210可以安装在活塞的外部。如果引导系统足够硬，则传感器210也可以安装在致动器206的组件上，例如，驱动活塞的杆。在一个实施方案中，致动器206牢牢地附接至外壳202。
[0044]关于利用传感器210测量的加速度，下面的讨论将是有序的。根据一个示例性实施方案，需要的是测量相对于地面相关的参考点的活塞的加速度，使得设备的体积改变的真实加速度得以确定。换言之，待在下面的计算中使用的量是相对于地面的活塞的加速度(绝对加速度)，而不是相对于源的外壳的活塞的加速度(相对加速度)。因此，如果外壳具有其本身的加速度，则位于活塞上的传感器可以测量相对于外壳的活塞的加速度，而不是绝对加速度。如果系统测量相对于自由空间的活塞的加速度，并且外壳被拖曳且遭受拖曳噪声，则这将通过其参考为空间中的固定点的加速计来测量。该噪声通过利用例如微分加速度测量(活塞的加速计-外壳的加速度)可以消除。为了确定活塞的绝对加速度，需要计算源的加速度。源的加速度可以利用已知方法测量，并且该加速度可以从活塞的测量的加速度中增加或减去，以确定活塞的绝对加速度。
[0045]对于图2A中显示的双驱动器的情况，假定两个背对背致动器206完全匹配。但是，这可能不是这种情况。因此，相对于外壳的两个活塞加速度的测量将趋于消除测量中的这种不平衡。由于其表现得像偶极子，因此这种不平衡不是声能的有效发生器。另外，双驱动器被拖曳并且遭受拖曳振动。
[0046]为了估计微分加速度，可以使用类似线性差动变换器(LVDT)传感器的设备，并且它们可以安装在活塞和外壳之间，并且之后可以对它们的输出对时间进行两次微分。例如，第一组件可以固定地附接至活塞，传感器的第二组件可以固定地附接至外壳，以确定活塞对于外壳的相对加速度。之后，安装在外壳上的另一个传感器可以用于确定外壳相对于地面的加速度。可替代地，甚至可以使用速度转换器，并且对它们的输出进行一次微分以得到微分加速度。
[0047]通过地震振动源产生的地震信号208可以是在频率范围内单调递增或递减的连续变化频率的扫描信号，并且能够呈现出幅度调制。也可以产生其他类型的信号，例如，非线性、伪随机序列。
[0048]通过图2A中示出的源产生的声压可以如接下来的讨论进行计算，利用赫姆霍兹积分公式:
【权利要求】
1.一种用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，所述方法包括: 在所述振动地震源(200)产生地震波的同时确定所述振动地震源(200)的活塞(204)的绝对加速度(700);以及 基于所述活塞的绝对加速度，计算在远离所述振动地震源(200)的给定点(O)处的所述振动地震源(200)的远场波形(702)。
2.根据权利要求1所述的用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，进一步包括: 将所述远场波形与所述振动地震源的驱动导频信号互相关，以确定所述振动地震源的远场特征波形。
3.根据权利要求1所述的用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，其中确定的步骤包括: 测量具有至少一个传感器的活塞的相对加速度；以及 通过考虑振动地震源的加速度来计算所述活塞的绝对加速度。
4.根据权利要求3所述的用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，其中至少一个传感器具有一个直接附接至所述活塞的组件以及一个直接附接至所述振动地震源的外壳的组件，并且包括线性可变差动变换器，并且其输出对时间微分两次以确定所述活塞相对于所述外壳的加速度。
5.根据权利要求1所述的用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，其中确定的步骤包括: 计算所述活塞相对于地面的加速度。
6.根据权利要求1所述的用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，其中计算的步骤包括: 根据下式计算远场波形
7.根据权利要求1所述的用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，进一步包括: 基于远场特征波形反卷积利用多个接收器记录的地震数据，所述远场特征波形基于远场波形进行计算；以及 在屏幕上显示基于记录的地震数据的勘测的地下的图像，所述记录的地震数据基于所述远场特征波形进行反卷积。
8.根据权利要求1所述的用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的方法，其中将所述驱动信号在与所述远场波形互相关之前加入虚反射导频中，以得到消虚反射的远场小波，并且其中，在选择的点处计算的远场波形相关于(i)由地震振动源和来自邻近振动源的在地震振动源的活塞上的影响产生的声压，(ii)但与由邻近振动源直接产生的声压不相关。
9.一种用于计算振动地震源阵列(400)的远场特征波形的方法，所述方法包括:在单个振动地震源(200)产生地震波的同时，确定所述振动地震源阵列(400)的单个振动地震源(200)的活塞(204)的绝对加速度(700);以及 基于所述活塞的绝对加速度，计算在远离所述振动地震源阵列(400)的给定点(O)处的所述振动地震源阵列(400 )的远场波形(702 )。
10.一种用于计算振动地震源(200)的远场特征波形的计算设备(800)，所述计算设备包括: 界面(810)，所述界面(810)用于在所述振动地震源(200)产生地震波的同时接收所述振动地震源(200)的活塞(204)的绝对加速度；以及 处理器(802 )，所述处理器(802 )连接至所述界面(810)并且配置为， 基于所述活塞的绝对加速度，计算在远离所述振动地震源(200)的给定点(O)处的所述振动地震源(200)的远场波形，以及 将所述远场波形与所述振动地震源(200)的驱动导频信号互相关，以确定所述振动地震源的远场特征波形。
【文档编号】G01V1/38GK103969686SQ201410032782
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2013年1月24日
【发明者】B·泰桑迪耶 申请人:地球物理集团公司