专利名称：用于震电勘探的震源波形的制作方法
技术领域：
本发明涉及地球物理勘探领域。更具体地说，本发明涉及震电勘探中所用的震源波形。
背景技术：
震电方法是一种地球物理勘探方法，此方法旨在用电磁能和地震能两者之间的转换来产生地下地层的图像。Thompson等人的美国专利US 5,877,995中说明了震电方法。震电方法的本质是将高强度的电能发送进地面处或地面附近处的地中，并通过包括碳氢化合物在内的地下流体与岩体的相互作用将所述电能转换为地震能。通过一些震波接收器在地面处或地面附近处检测地震波。要使这种方法有效，就需要具有下述特性的输入电流源所述源应该在长时间范围内产生大电流强度。
所述源应该具有高的电效率。
所述源应该几乎不含有或根本没有直流电，以避免电极阵列被电镀。
所述源的频率成份应该适于勘探需要。
所述源的波形与其参考波形的相关应该具有足够低的旁瓣电平。
由于震电波形技术的新颖性，迄今几乎没有什么关于震电波形的、公开发表的文献记载。然而，在通常的地震勘探中，有时用地震振动器作为产生注入地球的受控波列(叫做连续变频振荡)的能量源。当将最后得到的、所记录的地震数据与连续变频振荡波列或其它参考波列相关时，被相关的记录类似于通常的地震记录，比如由脉冲源形成的地震记录。
当将源波形与有关参考波形相关时，在所述波形的起始处一般将有一个大的峰，这个大的峰被较早时刻和晚些时刻的较低的一些峰所围绕。这些峰是相关旁瓣。相关旁瓣是不希望有的，因为它们会掩盖所要的较小地震回波。
应该注意的是，源波形只是震电系统的一个方面。其它重要的因素包括电源波形合成器(它产生波形)以及输入电极阵列、地震接收器阵列和各种现场实施问题。
如上所述，由于震电波形技术的新颖性，目前几乎没有什么关于震电波形的现有技术。一些显然的方法包括脉冲或伪随机方波序列。重复的脉冲与连续的波形相比效率更低(以能量/秒为单位)。以所需的电流强度来实施，方波波形会很昂贵，并且还会以不想要的高频分量耗散能量。
所需要的是一种满足上述要求的源波形。本发明满足了这一需要。
发明概述在一个实施例中，本发明是一种用于震电勘探的方法，该方法包括下述步骤，(a)选择源波形和相应的参考波形，这两个选择都是要减少相关旁瓣的振幅，(b)基于所述源波形产生一个电信号，(c)将所述电信号发送进地中，(d)检测并记录由于所述电信号转换为地下地层中的地震能量所导致的地震信号，以及(e)将所得到的地震信号与一个参考波形相关，以便产生相关过的地震记录。优选的是，选择参考波形，以便当与所用的特定的源波形相关时，使得旁瓣基本上达到最小。
可从每秒60周(Hz)的正弦波即标准的交流电源的单个周期来构造源波形，并通过一种二进制序列编码的控制来转换某些这样的周期的极性。选择二进制编码来按需要设计一个扩展的、但是有限的源波，此源波具有一个参考波，当源波和参考波被相关在一起时，这个参考波基本上使得相关旁瓣最小。所述参考波可以是源波本身，或者是由该源波导出的一种波形。当需要穿透地面下更深时，本发明的另一个实施例通过在一个三相电源的三个相之间的转换构造了低于60Hz的频率。
在本发明的某些实施例中，所用的二进制序列是最大长度的移位寄存器序列，并在最后一步采用循环相关(下面定义)。在另一些实施例中，将两个源波发送进地中。一个是由一个格雷互补序列对(Golaycomplementary sequence pair)的一个成员来编序的60Hz的正弦波成份；另一个是通过另一个格雷对成员来编序的、同样的波成份。将最后得到的地震回波信号分别与它们各自的输入波相关，然后求和。格雷序列和最大长度移位寄存器序列这两者都具有优良的减少相关旁瓣的性质，且，对于格雷序列的情况，理论上旁瓣会减少到零。
按照本发明，对于任何伪随机二进制序列产生的源波形，通过在记录设备的限制要求源的产生必须中断之前尽可能制造源波形，可进一步减少旁瓣。
附图简述通过参考下面的详细的说明和附图，将会更好地理解本发明，在所述附图中
图1A显示了一个60Hz的波形成份，而图1B显示了这样的波形成份的自相关。图1C示出了由60Hz的三相波构造的、频率低于60Hz的的一个波形成份，图1D示出了图1C的波形成份的自相关。
图2A和图2B示出了一个具有60Hz波形成份的格雷互补序列对。
图3A和图3B分别示出了图2A和图2B中的那些波的自相关。图3C显示了这些自相关的求和。
图4A是一个移位寄存器的示意图。
图5A显示了一个具有60Hz波形成份的最大长度移位寄存器序列，而图5B示出了它的自相关。
图6A显示了一个修正过的、具有60Hz波形成份的移位寄存器序列，而图6B示出了的图6A的波与图5A的波的互相关。
图7显示了本发明的一个典型的野外勘探系统。
图8显示了实验结果。
将参照实施例说明本发明。然而，下面的详细说明系针对本发明的特定的实施例或本发明的特定用途，这只是说明性的，不能理解为构成对本发明的限制。相反，本发明应覆盖可包括在所附权利要求书限定的本发明的构思和范围内的所有替代方案、改进和等同方案。
优选实施例的详细说明本发明是一种确定源波形的方法，此源波形用于油和气的震电勘探。本发明的某些实施例中所述的源信号属于二进制编码波形的种类。二进制编码的波形由一序列成份构成。例如，单个成份可以是60Hz的正弦波的一个单独的周期。事实上，由60Hz的正弦波(或者可以是无论什么样的地方商用电力频率)的片段构成的波形对于震电勘探的情况是特别经济的，因为这种源类型可以通过商用电力线信号的简单转换形成。将这些波形片断相互接合起来，并由一个二进制序列指定极性。如下所述，优选的是，设计所述二进制序列，以给出最小旁瓣，同时将波形成份设计成使得源的频率成份最佳。
二进制编码的波形的自相关将给出一个主要的子波，这个主要的子波是单个波形成份的自相关(见下面关于这一点的一个例子对格雷序列的讨论)。图1A示出了60Hz的正弦波的一个单独的周期。图1B给出了它的自相关20。例如，通过参考Ozdogan Yilmaz所著的“地震数据处理”(勘探地球物理学家学会，1987，18-19)(Seismic DataProcessing，Ozdogan Yilmaz，Society of Exploration Geophysicists，1987，18-19)，易于理解这一点。这种波形部分对比较浅的勘探对象可能足够了。当可以利用三相电源时，可以构造不同的较低频成份。图1C中给出了一个例子30，有关的自相关40示于图1D。
借助于图1C的进一步的说明，三相电源提供了六个两两之间有60度相移的正弦波。可通过在交叉点处从一个正弦波转换为下一个正弦波来构造各种各样的近似方波信号。当一个信号开始从它的峰值下降时，将输出转换到下一个正在达到峰值的信号。用这种方法，可构造一个近似方形的波。可使方波信号具有所需的宽度，此宽度具有整数次这样的周期转换，因此具有低于60Hz的相应频率。图1C显示了一个例子，其中，通过五次转换到下一个同相的正弦波，峰值得以延长，从而产生一个频率大约为20Hz的方波。
波形成份的构造是震电源设计的一个重要方面。可用诸如遗传算法(genetic algorithm)那样的一些方法来确定对于给定的勘探对象所需的成份，该给定的勘探对象具有特定的地震衰减和电磁感应趋肤深度。一般来说，勘探对象越深，优选的频率就越低，因为较高的频率趋于被吸收，降低了效率。偶然地，对于典型的沉积物，对于在大约100英尺和500英尺的深度之间的一些勘探对象，60Hz给出良好的结果。进一步，尽管不是优选的，但60Hz的波成份可成功地用到约5000英尺的深得多的深度。对于地震领域的普通技术人员来说，用60Hz的电力线来构造波形的实用性、方便性的优点是显而易见的。进一步，对于单频率正弦波成份，这样的硬件实现是最容易的，这部分是因为对于宽带放大来说，并非必须牺牲效率。
震电勘探中，相关旁瓣是至关重要的，这是因为在零时刻可能有极大的峰值。这个极大的峰值源于接收器不可避免地从与输入电流有关的场直接拾取的波。所述大峰值具有显著的相关旁瓣。尽管直接拾取的旁瓣比峰值振幅小，它们仍旧还可以大到足以掩盖所需的更小震电回波。可通过适当场设计和/或通过诸如改进接收器那样的其它一些革新来缓和直接拾取的波的强度；不过，最好是通过采用具有最小相关旁瓣的源波形来使得直接拾取的波的影响最小。(与源波形的适当的参考波形相关将减少包括直接拾取的旁瓣在内的所有旁瓣，因为所述直接拾取的波也是由所施加的信号引起的)。
在使源波与参考波相关以便使得旁瓣最小的前述讨论中，源波是震电响应的替代物。在本发明中，在以后的处理步骤中与所选择的参考波相关的，是所记录的电源波的地震响应。本发明的基础是检测震电响应的线性成份。由于是线性的，这样的响应正比于源波。因此，按需要设计源波和参考波，使之关联起来时，具有大中心峰值和最小的旁瓣，这确保了对该同一源波的地震响应与同样的参考波相关时，将类似地产生一个大的中心峰值和一些最小的旁瓣。
至少有两种类型的二进制序列根据本发明能良好地适于震电波形。一种是Golomb，S.，Digital Communications with SpaceApplications，Prentice Hall，Inc.(1964)中的最大长度移位寄存器序列。另一种是Golay，M.J.E.“Complementary Series”，IRETransactions on information Theory(1961)Vol.7，82-87中的格雷互补序列对。可配置这些序列以给出基本上最小的相关旁瓣。
格雷序列在一个实施例中，本发明采用了由格雷互补序列对编序的正弦波成份。格雷序列的一个互补对被格雷定义为两种成份的一对等长的、有限序列，这两种成份具有这样的性质在一个序列中具有任何一个给定的间隔的相同成份的对的数目(为了决定间隔的目的，将每一序列看作循环的)等于在另一个序列中具有相同给定间隔的不相同成份的对的数目。这些序列对具有这样的性质序列自相关的求和具有零旁瓣。一种这样的长度为8的对是{-1，-1，-1，1，-1，-1，1，-1}和{-1，-1，-1，1，1，1，-1，1}。这对序列可看作满足上述定义。例如取一个有3个空隙的间隔，第一个序列具有6个相同的对和2个不相同的对，而第二个序列具有2个相同的对和6个不相同的对，等等。图2A和图2B中示出了具有60Hz成份的、这种长度为8的序列对。图2A示出了第一个所述序列50；图2B示出了第二个所述序列60。在这两个序列的每一序列中，“1”表示具有正极性的60Hz正弦波的一个单独的周期，在图2A中，此周期的起始示为52，而此周期的结束示为54；“-1”表示具有相反极性的一个60Hz波成份，在图2A中，该周期的起始示为54，而该周期的结束示为56。
图3A到图3C中示出了自相关和求和。图3A示出了被延伸了的波形段50的自相关70；图3B中示出了被延伸了的波形段60的自相关80。图3C描绘出了自相关70和80的求和90。理论上，旁瓣全部消除。从波形是连续的，也就是从例如与下述改进的移位寄存器序列相比没有间断的意义上来说，序列对的方法也是极为有效的。缺点是消除旁瓣只是理论上的，就像所做的那样，这取决于自相关70和80的较大的旁瓣之间的适当的减法。实践中，这可能是个问题实践中，可能有电源的频移或信号振幅的起伏。
将序列与参考线性频率配准、缩放数据以便匹配振幅、并选择在所关心的延迟时间具有较小的旁瓣的特定格雷序列对，可使得这些问题尽量减少。
对于典型的现场实施的情况，本发明的一个优选的实施例可包括一个60Hz波形成份和一个长度为1664(27.7秒)的格雷序列。采用Kounias，S.，Koukouvinos，C.，and Sotirakoglou，K.，“On GolaySequence”，Discrete Mathematics，(1991)，Elsevier Science PublisherB.V.，Vol.92，177-185)所讨论的方法，可由较小的序列来构造格雷序列。格雷序列只是以一定的长度存在，例如，有长度为8的格雷序列，但是，没有长度为6的格雷序列。Golay证明了存在由2j10k26l给定长度的序列，这里，j，k，l是非负的正整数，即0，1，2…(见Kounias，p178)。其它的可能有但不一定有格雷序列对的长度由a2+b2给定，这里，a和b是整数(包括零)。对于直到50的长度，格雷声称存在下列长度的序列对2、4、8、10、16、18、20、26、32、34、36、40和50(见格雷，pg84)。Kounias提供了一种用于对给定长度求解的算法(见Kounias，pg184)。Kounias的论文(pg184)中的引理1说明了如何从较短的序列来构造较长的格雷序列。一个长度为nm的格雷序列对可从一个长度为n的格雷对和另一个长度为m的格雷对来构造。遵循这些构造规则，对某一特定长度，有许多可能的序列对。
然后，例如，用穷尽搜索法来选择一对在消除之前具有最小旁瓣的对，从而对给定长度选择一个特定的对。这种选择将使由于消除不完全而残余的旁瓣最少。在野外现场，每一个格雷序列对作为单独的源来工作，在每一个序列对后面分配有一些静寂时间以便收集地震回波。参考相关和求和都是处理步骤。
作为如何产生具有给定长度的其它互补格雷序列的一个例子，考虑上面给出的长度为8的对-1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1和-1 -1 -1 1 1 1-1 1
格雷证明了对于给定的对，下面这些运算的任何一种可产生另一个互补序列的对(a)互换序列；(b)使第一个序列反过来；(c)使第二个序列反过来；(d)转换(用每一个元素的相反元素来替换这个元素)第一个序列(e)转换第二个序列；或者(f)转换每一序列中序号为偶数的那些元素。
遵循这些规则，可得出6个长度为8的互补序列-1 -1 -1 1 1 1 -1 1和-1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1-1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1和-1 -1 -1 1 1 1 -1 1-1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1和 1 -1 1 1 1 -1 -1 -11 1 1 -1 1 1 -1 1和-1 -1 -1 1 1 1 -1 1-1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1和 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1-1 1 -1 -1 -1 1 1 1和-1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1可通过进行上面给出的运算中的两个或更多个运算来产生更多的长度为8的互补序列(其中某些序列可能是相同的)。此外，可对子序列(例如，长度为2和4的对)进行这些运算，然后组合成长度为8的序列。
最大长度移位寄存器序列Golomb将伪随机二进制序列(“PRBS”)为通过一种确定性的过程(例如移位寄存器)以这样一种方式所产生的任何二进制序列，所述方式使序列将满足可以选择的无论什么样的随机性检验(见Golomb，pp.7-16)。一个n度的移位寄存器是一个由n个连续的二进制(1，-1或1，0)存储位置或“寄存器”构成的装置，这个装置按照时钟或其它计时装置的有规律的节拍将每一寄存器的内容向后移位至下一个寄存器。为了防止移位寄存器在n个时钟脉冲后变空，可编制一个“反馈项”作为所述n个位置的内容的逻辑(即布尔)函数并被反馈到所述移位寄存器的第一个位置。
例如，考虑n＝4且反馈函数为第三和第四个寄存器的内容相加的情况，在下一个移位操作使得寄存器1变空后所述和变成输入进寄存器1中的内容。这样的二进制数的加法叫做模2加法，由符号表示。
这样，在二进制{1，0}域中，00＝0；01＝10＝1；而11＝0。图4中显示了这样的一个移位寄存器。
可以看出，这种反馈函数可表达为下述递推公式Xi＝Xi-3Xi-4这里，Xi是第i次移位时，四个寄存器中的任何一个的内容。这样，任何一个寄存器的内容是同一个寄存器中三次移位之前的内容和同一个寄存器中四次移位之前的内容的模2和。
使所有四个寄存器置于1来开始所述过程，也就是说，X0(R1)＝X0(R2)＝X0(R3)＝X0(R4)＝1，上述四个寄存器在数值重复之前取下述这些值
寄存器1中所产生的数(其它寄存器以循环排列的方式产生同样的序列)是该特定的长度为4的移位寄存器和特定递推关系的“移位寄存器序列”。可看出，对任何i值，寄存器1中的数是寄存器3和4中的一个移位之前的数的模2和，寄存器3和4中的所述数按所述递推公式又是移位寄存器1中在三个和四个移位之前的数。这一序列例如满足下面三个由Golomb在他的书中的第10页所提出的随机性检验。
1、在序列的每一周期中，1的数目与0的数目至多差1。
2、在每一周期中的1的“列(run)”和0的“列”中，一半的列(包括每一种列)的长度为1，四分之一的列的长度为2，八分之一的列的长度为3，等等，只要这些分数能给出有意义的列数就行。
3、如果逐项将一个周期的序列与它本身的任何循环移位比较，一致的数目与不一致的数目至多相差1。
在上面(寄存器1)产生的长度为15的序列中，有8个1和7个0，满足检验1。所述序列有5个长度为1的列、2个长度为2的列、和2个长度为3的列，完全满足检验2。(一个“列”指序列中一个数的重复，除了长度为1的列为单独一个数之外。)将寄存器1的序列与寄存器4的作为寄存器1的一个移位了3个位置的循环排列的序列比较，可找到7个一致和8个不一致，满足检验3。这种随机性检验的一致满足是伪随机序列和真实的随机序列两者之间的差别。因为它们是确定性的，每个和每一伪随机序列将满足上述那些检验。真实的随机序列将只是平均地满足上述那些检验。
任何移位寄存器的输出最终是周期性的，周期不超过2n，这里，n是所述移位寄存器的度(degree)或长度(Golomb，p.9)。对于由Golomb在第9页所定义的线性递推公式，周期至多为2n-1。在上面的例子中，n＝4，周期是15，因此，上面所产生的序列具有最大的可能长度，相应地就叫做最大长度移位寄存器序列。
长度为7的一个最大长度移位寄存器序列的一个例子是{-1 1-1 1 1 1 -1}。图5A示出了最后所得到的使60Hz成份扩展波形段100。波形100的循环自相关110示于图5B。波形100的中心部分是60Hz周期的自相关，而旁瓣是60Hz且具有1/7(对于长度为7的序列)的相对振幅。旁瓣的这种强度对于长序列来说是可以接受的，但是，也可有替代的方法。
例如，Foster和Sloan改变了波形100，使之只包括正的二进制成份120，而用零振幅成份来替换负的成份，就如同图6A所示出的那样。(Foster，M.R.，and Sloan，R.W.，“The Use of PseudonoiseSequences to Code a Pulsed Neutron Logging Source”，Geophysics(1972)Vol.37，481-487)。当用波形100作为参考被循环相关时(图5A)，则结果130具有零旁瓣(图6B)。这种方法的缺点是，由于零振幅的成份，峰值约略减半。
下面解释上面所用的术语。自相关意指一个信号与其本身相关。循环相关可做如下解释在一个标准相关过程中，在相关之前，信号假定为“由零填充”，也就是说，信号波序列和它的参考波在所述序列之前和之后都假定为降到零振幅。相关过程涉及一个信号和第二个信号的进行了各种移位的形式的叉积。由于零填充，在静态信号末尾通过的移位信号部分不产生效果，这是因为被所附的那些零相乘了的缘故。对于信号相关的情况，信号假定为重复，而不是由零填充。这样，在相关过程中，当移位信号经过静态信号末尾时，它开始与所述静态信号的开始部分重叠。当采用循环相关时，就用它，这是因为它比标准相关更好地减少旁瓣。
二进制序列和波形的选择取决于勘探对象、地质状况、和现场形态。关于波形成份的决定很大程度上基于勘探对象的深度和所期望的衰减。对于二进制序列类型的决定基于所直接拾取的电磁信号的相对强度，从而即基于减少旁瓣的需要。一种合适的选择可能需要计算机建立模型和现场检验。如下面进一步讨论的那样，序列越长，旁瓣就减少得越多。记录设备的能力对于序列长度是实际上的限制。尽管本发明主要是用于陆地上，在海洋环境中它也可给出有用的结果。
一般来说，较长的二进制序列比较短的序列趋于产生较低的相关旁瓣。对于由最大长度移位寄存器序列产生的波形的情况，人们知道，在序列与其本身循环相关之后，旁瓣的振幅随1/L变化，这里，L是所述序列的长度。因此，优选的是较长的最大长度移位寄存器序列。已知，真随机序列表现出更小的随长度的减少，与长度的平方根成反比，但是，这种效果只是在统计学上显示出来。
本发明的另一个二进制编码优选类型，格雷序列对，既不是伪随机的也不是随机的。它们也表明旁瓣振幅与序列长度成反比相关，但是，这种相关性比1/L要弱得多。尽管对于格雷序列对来说旁瓣的消除在理论上是完全的，而不管序列长度如何，但正如上面所指出的那样，在实践中这种完美的消除不太可能实现。因此，优选的是，选择格雷序列，使之在格雷对被相加在一起之前具有最小的旁瓣，而在这样的选择中，序列长度是一个因素。除了长度，选择序列的基础与PRBS序列一样人们必须尝试各种序列并观察所获得的旁瓣衰减的情况。
用于格雷序列的相关是标准相关。伪随机序列需要循环相关，以便最好地减少旁瓣，这倾向于给这种序列的长度一个实际上的限制。至少需要将伪随机序列重复一次(在现场)，以便提供循环叠加。第一个周期可只用来提供对于下一个周期的延迟的相关影响，因此，对于收集数据的目的来说损失掉了。尽管为了减少旁瓣优选的是较长的PRBS，较短的PRBS也是优选的，以避免数据损失和浪费现场时间。优选的折衷方案是采用中等长度的PRBS并将它重复几次，也许总共三到七个周期。这样，可选择长度为255的一个最大长度移位寄存器序列并重复六次，总共七个周期。假设为60Hz的成份，这将在现场耗费约28秒，而且，实际上将只有1/7的数据损失。从这样的一个PRBS例子这样收集的数据在量上与从长度为1664的格雷对序列得到的数据非常接近(因为6×255＝1530可与1664相比)。
图7是采用本发明的可能的现场布置示意图。通过在两根被埋的电极导线142和143之间的一个电源141所施加的电压将电流注入地下140。所述的那些电极导线一般是裸的4/0铜电缆。按传导所需电流的需要，可采用其它尺寸的电缆。所述那些电极导线埋的深度应该恰好足以使得与土壤有良好的电接触。一般来说，这一深度是从1英寸到10英尺，但是，对于某些情况，例如，对特别干燥的表面土壤，甚至可能需要埋得更深。
图7显示了电流路线144。所显示的方向为电子从负电极到正电极的流动方向。电源141提供了电流，且主要由一个能够产生本发明优选的二进制编码波形段的波形发生器构成。最终的电源一般来说是当地公用供电线路(图7中未示出连接)。也可用一个或多个发生器。图7中所示出的电流路线144代表了向下穿透到勘探对象145的深度的那些电流路线，一般来说，勘探对象145是石油储层。这种电流轨迹在电极下面是几乎垂直的。经验表明，最大垂直电流146一般来说是在电极导线正下方，或者，甚至稍微偏向该电极导线的外侧。因此，最终得到的指向地表的地震波147的最大振幅(正电极下方的类似波未示出)将沿着最大垂直电流的路线出现，而这决定了地震探测器148的优选位置。
地震检测器可放在地面的任何地方，但是，优选的是在电极导线的外侧，而不是在两个电极导线之间。地震检测器可以是地震检波器、水下地震检波器、加速度计或任何其它类似的装置。本领域普通技术人员众所周知这样的地震设备。优选的是，将地震检测器埋在地面下面，以便减少地震噪音。
一般来说，将图7所示的结构设计成覆盖整个有关区域，也就是说，将不需要像通常的地震勘探那样重复地移动源和接收器以便逐渐地覆盖有关区域。这是震电方法的一个优点，尽管采用单一装置对于本发明来说并非必须的(当进行完试验时，可挖出电极导线和接收器转移到其它位置)。因此，电极的长度可在储层(勘探对象)深度的十分之一到该储层深度的若干倍之间变化。在本发明的优选的实施例中，在两个电极之间的间隔近似等于勘探对象的深度。
在震电勘探中，电磁源波在基本上相同的瞬时到达整个勘探对象。因此，假如如图7那样部署地震检波器，人们通常只对大致同时到达所有地震检波器的向上传播的地震波感兴趣。这样，在处理过程中，可过滤掉普通的地震噪声，因为它显示了地震领域中所谓的“时差”。称为“偏移距”的源-接收器的距离在震电勘探中不大。在通常的地震勘探中，必须覆盖大得多的地表面区域，因为对每一个激发点需要更长的偏移距，以便在公共中点选排中提供足够的信噪比。与通常的地震勘探相比，震电勘探中面积可近似减少四倍。
上面讨论过的二进制编码波形满足震电勘探的前述五个要求。论述了需要大电流强度，这是由于用连续的波形取代了例如具有大量静寂时间的脉冲的缘故。采用简单的60Hz(或被构造的三相)成份也能够允许大电流强度和高的电效率，这是由于简化了相关的硬件的缘故。由于每一波形成份(例如一个60Hz全周期)没有直流分量(也就是说，其平均值为零)确保了没有直流分量；因此，得出一组这样的成份将没有直流分量。通过调整波形成份的频率，源的频率组成可与勘探对象匹配。
为了进一步说明上述关于调整源频率以便获得所需的穿透深度的说明，源波和回波地震响应都不是由单一频率构成的。从傅立叶分析的分解的意义上来说，相位的翻转和(在某些实施例中)使某些成份为零产生了由许多频率构成的波，对于本发明来说这是必须的，也就是说，所述波具有一个频率带宽。如果地震回波是单一频率，就没有波与其交叉相关而在处理步骤中产生定域脉冲(localized pulse)。需要一个频率带宽以产生所需要的峰值。基本的傅立叶分析告诉我们，峰值越尖，所需的带宽就越宽。这样，尽管源波和回波每一个都具有一个频率分布，还是可以合理地期望，而且傅立叶分析可以证明，这两种波的频率分布将在构造单元、波形成份的频率处达到峰值。这样，通过改变波形成份的频率可获得所需的地下穿透度。
图8显示了在德克萨斯Friendswood气田应用本发明的方法所获得的结果。所画的区域是在181号井附近。工位的选择系基于地面的气体泄漏，这种泄漏表明在生产地层上面有浅的气藏。对该区域的传统的地震勘探给出了示于图8的地震强反射，其中带160是至今最显著的。五个暗体170代表高振幅电磁信号的区域。该显示使得小于峰值的约一半的电磁信号透明。所检测的信号平均来说相对于背景为101或更多。(图8是由Geospace Corporation销售的GEOVIS程序所产生的显示的复制图)。用垂直地震剖面和先前的地震数据来建立时间到深度的转换。
将一口试验井钻到1000英尺的深度，以核实由任何地震领域的普通技术人员可从图8所做出的地震解释。图8中，在180处示出了井线。测井记录证实了在五个位置170中的四个位置有含气砂岩。未被证实的是一个中间深度，如图8所示，该井几乎没有接触该位置。传统的地震反射表面160被证实为封住了最上面的含气砂岩170的一个页岩层。(页岩比周围的物质具有高得多的声速，从而使其成为地震的强反射体)由传统的地震结果来预测仅能预测本发明所预测的五个含气砂岩的最上面的一个。注意，在这个例子中，本发明指出了碳氢化合物矿藏本身，而不是可能圈闭或含有也可能未圈闭或含有碳氢化合物的构造。
在Friendswood所用的电磁源信号是采用长度为1664的格雷互补对序列从60Hz的正弦波构造的，产生27.73秒持续时间的连续变频振荡。对于信号的每一个格雷对，这一连续变频振荡重复约500次。这种重复倾向于减少周相对于地震信号的环境噪声，因为，环境噪声相对于所述信号是以随机相位的形式出现的。
Fiendswoodd实验的现场布置类似于图7所示。电极导线的长度约为800英尺，而电极间隔约为650英尺。地震检波器放在180个地面位置，在仅一个电极的外侧形成18×10的网格，这足以检验所述方法。在每一地面位置采用两组地震检波器引线(geophone string)。在一个引线上的地震检波器与另一引线上的地震检波器的不同之处仅在于线圈绕组的方向。所用地震检波器的工作原理为轻微的震动使得线圈穿过一个固定磁场移动而产生电信号。反转线圈绕组的方向就反转了不想要的邻近电磁干扰的极性，而不会影响通过移动线圈所产生的想要的信号。结合两个相反绕组的地震检波器的引线的输出就会消除不想要的邻近电干扰。
在Friendswood的实验中所用的、也可叫做电源波形合成器的信号发生器产生大约100kw的功率输出，以120伏的峰值电压输出。因为地的阻抗低，波形合成器必须能够有高电流强度。设计或组装这样的功率合成器的主要挑战是满足强功率(电流)的要求。硬件设计领域中的普通技术人员利用市场上可买到的组件可以做到这一点。
最后，当所施加的电信号被发送进Friendswood的地中时，将所施加的电信号做现场记录。然后，在数据处理阶段将这一记录用做相关参考波形，这样，就提供了可能的最精确的参考波形，这一参考波形考虑了实际线路电压和类似的起伏。所记录的信号既可以是电压信号，也可以是电流信号。对于图8所表示的实验的例子，记录的是电流信号。
前述说明是针对本发明的特定的一些实施例，只是为了说明本发明的目的。不过，显然，对于本领域普通技术人员来说，可能有对于此处所述的那些实施例的许多改进和变化。例如，可用其它的源波形成份和二进制序列，只要它们能令人满意地满足上面所列的五项要求。如前所述，对于任何伪随机波形，相关旁瓣振幅反比于扩展波形段的长度而变化。这样，在上述本发明的框架内，就有许多关于波形成份和二进制序列的可能选择会给出满意的结果。况且，本发明并不要求通过单一波形成份的二进制排序或通过任何方式的二进制排序来产生源波形。所有这些改进和变化都在本发明如所附权利要求所确定的范围内。
权利要求
1.一种用于地下地层的震电勘探的方法，所述方法包括下述步骤选择一种源波形和相应的参考波形，选择所述两种波形以便降低所述源波形与所述参考波形的相关所产生的旁瓣的振幅；将所述源波形生成为电信号并将所述电信号发送进所述地下地层；检测和记录所述电信号转换为所述地下地层中的地震能所导致的地震信号；以及将所述记录的地震信号与所述参考波形相关。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于从一种单一成份构造所述源波形，所述单一成份由一种预先选择的周期性波形的单个全周期构成，将所述成份相互接合起来，极性由预定的二进制编码顺序指定，所述周期性波形具有预定的频率，以便给出所需的对所述地下地层的穿透深度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述波形成份是60Hz正弦波的单个周期。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于从三相电源的选定的相来构造所述波形成份，以便具有小于60Hz的所需频率。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述二进制编码是伪随机的，所述源波形具有预定的长度，所述长度足以将所述相关旁瓣进一步减少到预定水平，所述参考波形就是所述源波形，而所述相关是循环相关。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述二进制编码是最大长度移位寄存器序列。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述二进制编码是最大长度移位寄存器序列，改变所述的得到的源波形，使所述源波形中的负极性成份变为零，在所述负极性波形成份变为零之前，所述参考波形就是所述源波形，而且，所述相关是循环相关。
8.一种用于地下地层的震电勘探的方法，所述方法包括下述步骤由一种单一成份构造一种第一源波形和第二源波形，所述成份由一种预定的周期性波形的单个完整周期构成，所述周期性波形具有预定的频率，以便给出所需的对所述地下地层的穿透深度，所述成分被接合起来，其构性这样规定对于所述第一源波形的情况，由一个二进制序列格雷互补对的一个成员顺序指定，对于所述第二源波形的情况，由所述格雷互补对的第二个成员顺序指定；将所述两种源波形的每一种生成为一个电信号，并将每个所述电信号依次发送进所述地下地层；检测和记录所述电信号转换为所述地下地层中的地震能所导致的地震信号；将来自每一所述源波形的所述被记录的地震信号与所述各源波形本身相关；以及将所述被记录的地震信号的所述相关的对与它们相应的源波形求和。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述波形成份是60Hz正弦波的单个周期。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述二进制序列的格雷互补对利用下述标准选自其它格雷对在求和前自相关旁瓣振幅最小。
11.一种用于地下地层的震电勘探的电信号，所述信号具有从单个成份所构造的波形，所述成份由一种预先选择的周期性波形的单个完整周期构成，将所述成份接合起来，极性由预定的二进制编码顺序指定的，所述周期性波形具有预定的频率，以便给出所需的对所述地下地层的穿透深度，选择所述二进制编码，以便当上述信号波形与其本身相关时，产生在预定强度以下的旁瓣振幅。
12.如权利要求11所述的电信号，其特征在于所述波形成份是60Hz正弦波的单个周期。
13.、如权利要求11所述的电信号，从三相电源的选定相来构造所述波形成份，以便具有小于60Hz的所需频率。
14.如权利要求11所述的电信号，其特征在于所述二进制编码是伪随机的，而所述相关是循环相关。
15.如权利要求14所述的电信号，其特征在于所述信号波形具有预定的长度，所述长度足以将所述旁瓣振幅进一步降低到预定的强度。
16.如权利要求14所述的电信号，其特征在于所述二进制编码是最大长度移位寄存器序列。
17.一种用于地下地层的震电勘探的电信号，所述信号具有由一种单一成份构造的波形，所述成份由一种预先选择的周期性波形的一个单个完整周期构成，所述周期性波形具有预定的频率，以便给出所需的对所述地下地层的穿透深度，将所述成份接合起来，极性由一最大长度移位寄存器序列顺序指定，修改所述最终得到的信号波形，使得最终得到的负极性成份变为零。
18.在地下地层的震电勘探中相互结合使用的互补电信号对，所述信号具有由单个成份构造的波形，所述成份由一种预先选择的周期性波形的单个完整周期构成，所述周期性波形具有预定的频率，以便给出所需的对所述地下地层的穿透深度，所述成分被接合起来，其极性这样确定对于所述两种电信号之一，由一个二进制序列格雷互补对的一个成员顺序指定，对于另一电信号，由所述格雷互补对的第二个成员顺序指定。
19.如权利要求18所述的电信号，其特征在于所述波形成份是60Hz正弦波的单个周期。
20.如权利要求18所述的电信号，其特征在于从三相电源的选定相来构造所述波形成份，以便具有小于60Hz的所需频率。
全文摘要
一种地震勘探方法(140)，利用电磁能量(144)和地震能量(147)之间的转换，特别涉及所用的电磁源波形。按照本发明，源波形与所选择的参考波形相关，以便使相关旁瓣最小。可用60周的电力线，以便提供一种波形成分，用一种二进制编码对这种波形成分排序，以产生一种具有最小相关旁瓣的扩展源波形段。优选的二进制编码包括格雷互补对和最大长度移位寄存器序列。
文档编号G01V3/08GK1419655SQ01806899
公开日2003年5月21日 申请日期2001年3月16日 优先权日2000年3月21日
发明者斯科特·C·霍恩巴斯特尔, 阿瑟·H·汤普森 申请人:埃克森美孚上游研究公司