一种构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用与流程

本发明属于海洋地震勘探过程中的气枪震源数据识别，尤其涉及一种构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用。

背景技术：

1、气枪震源是海洋油气资源勘探和地质调查中的关键设备，尤其是针对海洋中深层目标勘探，震源中的低频能量是至关重要的。随着海洋中深层油气资源的大量开采，复杂油气藏条件目标的勘探对气枪震源低频能量的需求越来越高。目前国内外主要通过子阵平面、立体组合的方法，利用组合子波能量，以达到拓宽震源子波频带的目的。

2、然而通过子阵的常规组合对于提高震源高频效果明显，但是震源频带向低频延展的效果并不理想，如何保证震源子波高频的同时延展低频，是地球物理学领域亟待解决的问题。如何在保证高频的同时，压制海面虚反射，延展低频提高地震子波的穿透能力，是本发明基于先存技术所要提高的焦点。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、(1)现有技术没有以有规律的改变不同容量气枪的沉放深度，使子波接收信号延迟，构造尖脉冲子波，不能高分辨率的下传能力强的地震子波以适用于浅海中深层地质目标勘探。

5、(2)现有技术气枪震源针对中深层地质目标探测数据不精确，效果差。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法及应用，本发明用于海洋野外宽频立体观测系统，勘探采集近海浅水中深层地震反射信号并用于海洋地质调查和油气勘探。

2、所述技术方案如下：通过立体阵列构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，该方法根据气枪不同沉放深度与子波信号接收时间的关系，通过调节不同容量气枪的沉放深度，使阵列中部分气枪的主脉冲峰值时刻进行延迟，构造主脉冲波形较窄的尖脉冲震源子波，增大气枪震源低频能量；具体包括以下步骤：

3、s1、根据范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型模拟不同容量的气枪子波，设定模型初始条件；

4、s2、根据步骤s1设定的初始条件执行模拟过程；

5、s3、对模拟出的气枪子波进行分析，统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值的时间ti；

6、s4、根据模拟结果，容量越小ti越小，假设最小ti为t0，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与t0的差值δti；

7、s5、依据步骤s4得到的δti，计算不同容量气枪的沉放深度，沉放深度使得不同容量气枪子波信号的接收延迟时间为δti；随后进行立体阵列尖脉冲子波模拟；

8、s6、对步骤s5得到的气枪阵列子波做频谱分析。

9、在步骤s1中，范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的方程表达为：

10、

11、式中，a、b均为范德瓦尔斯常数，a＝0.1404m6·pa·mol-2,b＝3.764×10-5m3·mol-1，tg为有效热力学温度，rg为普适气体常数，mg为气体质量，vg为体积；

12、有效热力学温度tg取决于气室内的高压气体：

13、tg＝tw(1+pg/pc)(2)

14、式中，pc＝139mpa；

15、气枪激发过程中，根据能量守恒定律，气泡热传播损失和气泡物质量的传递获得的能量必须与气泡内能的变化平衡，有：

16、

17、式中，t是气泡温度，p是气泡压力，mb是气泡内气体的物质量，u＝cmmbt表示气泡的内能，cm是定压比热容，dq/dt是通过气泡壁的传热速率，传热系数k是通过对模型与试验数据拟合确定的，气泡热损失率表示为：

18、

19、式中，δt＝tb-tw是气泡温度tb和周围水温tw之间的温度差，r是气泡半径；

20、利用范德瓦尔斯非理想气体方程，非理想气体的内能为气体温度和体积的函数：

21、

22、全微分方程表示为：

23、

24、热力学第一定律转化为：

25、

26、式中，rg＝cm-cm；

27、为获取气体物质的量的变化率引入节流常数τ，影响气体通过气枪端口的速率；式中vg是气室容量，mg是气室内气体的物质量，pg是气枪压力，pb是气泡压力；

28、对于实际应用的气枪，高压气体释放到水中的速度和总量受到端口大小、端口打开时间参数的控制，影响气枪子波性能；根据幂次定律，表示为：

29、

30、式中，τ0是与容量无关的端口节流常数，ζ是通过与实测数据的对比确定的节流幂律指数；根据测量和计算结果，在任意给定的时间内，通过气枪端口的气体流量取决于气枪内外的压力差，气体释放的速率表示为：

31、

32、式中，mb是释放到气泡中的气体物质的量，mg|t＝0是气室内气体总量，η是气泡中气体量与总量的比；

33、气泡壁的运动方程表示为：

34、

35、式中，r是气泡半径，u和分别是气泡壁的速度和加速度，c是声波在流体介质中的速度，是气泡壁的焓差，ρ∞是无穷远处的静水密度，pb是气泡压力，p∞是无穷远处静水压；气泡的静水压力在气泡由于浮力上升的过程中发生改变，气泡上升过程的气泡垂直上升速度的表达式为：

36、

37、式中，z是气泡深度，g是重力加速度常数，r是气泡半径，静水压力p∞的表达式为：

38、

39、式中，patm是标准大气压，zg是气枪深度；在距离气枪1m处，气枪子波信号表示为：

40、

41、在低频时，气泡间的相互作用不忽视；气泡间的这种相互作用是对流体静水压的调节；气泡间的相互作用使气泡周围的压力变化；对于地震波长，气泡是一个点，任何任意气泡周围的压力场均是静水压力加上气泡产生的时变压力场的叠加；第i各气泡处的有效静水压力为；

42、

43、式中，p∞是静水压，∑k≠iδpik是气枪阵列中所有其他气枪的压力贡献之和，δpik是第k个气泡引起的对第i个气泡的静水压力扰动，以及第k个气泡引起的对第i个气泡的延时和按距离标度的压力特征：

44、

45、式中，rik表示第i个气泡与第k个气泡之间的气泡间距。

46、在步骤s1中，初始条件具体为：

47、步骤1.1、条件1：将气枪压力的初始值pg|t＝0设置为工作压力；

48、步骤1.2、条件2：气泡内初始温度设置为tg＝tw(1+pg/pc)；

49、步骤1.3、条件3：气泡初始体积vb|t＝0＝vg，初始半径为

50、步骤1.4、条件4：气泡壁的初始速度为u＝0；

51、步骤1.5、条件5：气泡初始压力pb|t＝0＝p∞，初始温度为水温tw＝18°，气泡内的初始物质量为

52、步骤1.6、条件6：设置各条气枪的放置位置(x，y，z)。

53、在步骤s2中，根据步骤s1设定的初始条件执行模拟过程，具体为：

54、步骤2.1、输入范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的初始条件；

55、步骤2.2、开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

56、步骤2.3、利用方程(1)计算t＝k时刻的气泡压力，pb；

57、步骤2.4、通过方程(4)计算气泡热损失率，

58、步骤2.5、通过方程(9)计算气体的释放速率，

59、步骤2.6、计算t＝k时刻的气泡体积变化率，

60、步骤2.7、通过方程(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率，

61、步骤2.8、计算气泡壁的焓差，

62、步骤2.9、通过对方程(1)求关于时间t的微分得到气泡压力的变化率，

63、步骤2.10、对焓差求关于时间t的微分得到，

64、步骤2.11、通过方程(10)计算t＝k时刻的气泡壁的速度变化率，既气泡壁的加速度；

65、步骤2.12、对求关于时间t的微分得到，

66、步骤2.13、由于气枪子波模拟是一个迭代过程，通过二阶泰勒级数展开，可以得到气泡壁半径、气泡壁速度、气体温度以及气泡内气体的物质量：and

67、

68、步骤2.14、将气泡压力表示为焓、气泡壁速度和以及气泡半径的函数：r0为气泡中心到远场点的距离；

69、步骤2.15、重复步骤(2.1)至(2.14)，直到t＞tmax；

70、步骤2.16、计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

71、rs表示海面反射系数，d1是气枪与水听器之间的距离是，d2是气枪的海面镜像与水听器之间的距离，是气枪信号经过d1和d2的时间延迟。

72、在步骤s3中，统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值的时间ti包括：统计45cu.in\70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in等容量气枪激发后，达到主脉冲峰值的时间ti。

73、在步骤s4中，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与t0的差值δti为计算70cu.in\100cu.in\150cu.in\250cu.in容量的气枪激发后达到主脉冲峰值的时间与45cu.in容量的气枪达到主脉冲峰值的时间差值δti。

74、在步骤s6中，对步骤s5得到的气枪阵列子波做频谱分析具体包括：计算气枪阵列子波的主脉冲峰值、虚反射值、气泡脉冲峰值，通过傅里叶变换对子波做频谱分析，以最大振幅-6db为判断有效带宽的标准，求得子波主脉冲的有效带宽，并得到子波主脉冲主频。

75、本发明的另一目的在于提供一种气枪阵列，实施所述的通过立体阵列构造尖脉冲子波提高气枪震源低频能量的方法，所述气枪阵列包括工作枪33条，空枪6条，总容量4040cu.in；单枪容量与条数分别包括：

76、6条45cu.in；

77、4条70cu.in；

78、10条100cu.in，其中包含2条空枪；

79、11条150cu.in，其中包含2条空枪；

80、8条250cu.in，其中包含2条空枪。

81、本发明的另一目的在于提供一种所述气枪阵列在海洋油气资源勘探气枪震源设备上的应用。

82、本发明的另一目的在于提供一种所述气枪阵列在地质调查中气枪震源设备上的应用。

83、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

84、第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：本发明利用气枪沉放深度与子波信号接收时间的关系，通过有规律的调整不同容量气枪的沉放深度，使子波接收信号延迟，构造尖脉冲子波，实现气枪阵列的频带在保证高频的基础上向低频拓展的目的，最终获得高低频丰富，能量下传能力强的针对中深层地质目标的气枪震源。

85、第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明以有规律的改变不同容量气枪的沉放深度，使子波接收信号延迟，构造尖脉冲子波，产生高分辨率的下传能力强的地震子波以适用浅海中深层地质目标勘探的相关质量要求。