延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法及应用

技术领域

本发明属于海洋地震勘探过程中的气枪震源数据识别技术领域，尤其涉及延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法及应用。

背景技术

在海洋地质调查及油气资源勘探中气枪震源是海洋地震信息采集系统中的关键设备，尤其是针对海洋中深层目标勘探，震源中的低频能量是最为重要的。随着海洋中深层油气资源的大量开采，低频能量丰富的气枪震源受到越来越多的关注。大容量气枪可以贡献更多的低频信号，但是相应的气泡振荡强。

目前国内外主要通过多子阵平面、立体组合的方法，利用调谐子波能量，以达到拓宽震源子波频带，提高地震勘探地震波下传能力的目的。通过多子阵的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明显，如何保证高频的同时延展低频，是地球物理学领域亟待解决的问题。如何压制海面虚反射，提高震源低频能量以及地震波下传能力，是现有技术解决的难题。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术获得地针对中深层地质目标的气枪震源下传能力弱；

(2)现有技术形成的气枪震源对中深层勘探分辨率低、构造刻画不清晰。

(3)现有技术由于不能控制不同容量的气枪激发时间实现延展震源低频，拓宽震源子波频，使得产生的地下传能力地震子波不能适用浅海中深层地质目标勘探的相关质量要求。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法及应用，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。

所述技术方案如下：一种通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，包括以下步骤：

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；

S2、根据设定模型初始条件执行模拟过程；

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t

S4、根据模拟结果，计算不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间与最小时间t

S5、将计算得到的Δt

S6、对得到的气枪阵列子波作频谱分析。

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：

式中，a和b是范德瓦尔斯常数a＝0.1404m

有效温度T

T

式中，P

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与气泡内能的变化平衡，则有：

式中，T是气泡温度，P是气泡压力，m

式中ΔT＝T

利用范德瓦尔斯非理想气体方程，非理想气体的内能是气体温度和体积的函数：

全微分方程表示为：

此外，热力学第一定律可以转化为：

式中，R

不同容量气枪的节流常数与气室大小有关，根据幂次定律，表示为：

式中，τ

式中，m

气泡壁的运动方程表示为：

式中R是气泡半径，u和

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

式中，P

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；

式中，P

式中r

在步骤S1中，设定模型初始条件为：

步骤1.1、条件1：将气枪压力的初始值P

步骤1.2、条件2：气泡内初始温度设置为T

步骤1.3、条件3：气泡初始体积V

步骤1.4、条件4：气泡壁的初始速度为u＝0；

步骤1.5、条件5：气泡初始压力P

步骤1.6、条件6：设置各条气枪的放置位置(x，y，z)。

在步骤S2中，根据设定模型初始条件执行模拟过程具体为：

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；

步骤2.2、开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

步骤2.3、利用方程(1)计算t＝k时刻的气泡压力，P

步骤2.4、通过方程(4)计算气泡热损失率，

步骤2.5、通过方程(9)计算气体的释放速率，

步骤2.6、计算t＝k时刻的气泡体积变化率，

步骤2.7、通过方程(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率，

步骤2.8、计算气泡壁的焓差，

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，

步骤2.10、对焓差求关于时间t的微分得到，

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，

步骤2.12、对

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，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：

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：

步骤2.15、重复步骤(2.1)至(2.14)，直到t＞t

步骤2.16、计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

R

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t

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最小时间t

在步骤S5中，产生宽脉冲形态的气枪阵列子波具体为：气枪阵列中共有39条枪，其中工作枪33条；空枪6条，总容量4040cu.in，单枪容量与条数分别为45cu.in、70cu.in、100cu.in、150cu.in、250cu.in。

在步骤S6中，对得到的气枪阵列子波作频谱分析具体包括：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。

本发明的另一目的在于提供一种大容量气枪，实施所述通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法。

本发明的另一目的在于提供一种如所述通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法在海洋野外宽频立体观测系统，以及海洋地质调查和油气勘探设备上的应用。

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：

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：本发明首先计算45.in70cu.in45.in100cu.in150cu.in250cu.in容量气枪的激发后达到主脉冲峰值时间，然后根据以上所得的时间调整上述不同容量气枪的激发时间，使得阵列中各容量气枪达到主脉冲峰值的时间产生对应的时延，从而构造主脉冲波形较宽、近似梯形的宽脉冲子波，实现保证震源高频的同时拓展低频的目的。本发明利用气枪容量与主脉冲峰值达到时间的关系，如附图2所示，通过有规律的调整不同容量气枪的延迟激发时间，构造如附图4所示的宽脉冲子波，通过附图5对比可见实现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。

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：本发明以控制不同容量的气枪激发时间实现延展震源低频，拓宽震源子波频带的目的，从而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。本发明提供的宽脉冲子波的频率成分更加丰富，高低频兼顾性更好。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理；

图1是本发明实施例提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的模拟出来的不同容量的气枪单枪子波；

图3是本发明实施例提供的所用的气枪阵列中各容量气枪单枪模拟所得从激发到达到主脉冲峰值时间统计图；

图4是本发明实施例提供的所用气枪阵列的平面图；

图5是本发明实施例提供的模拟出来的宽脉冲气枪子波及频谱图；

图5(a)是本发明实施例提供的模拟出来的宽脉冲子波图；

图5(b)是本发明实施例提供的模拟出来的频谱子波图；

图6(a)是本发明实施例提供的模拟出来的时间与压力脉冲关系子波图；

图6(b)是本发明实施例提供的常规阵列模拟出来的频率与功率关系子波图；

图7是本发明实施例提供的marmousi模型的速度场模型；

图8(a)是本发明实施例提供的现有技术利用常规气枪子波波场成像(71_4040_7_66-air)图；

图8(b)是本发明实施例提供的利用本发明构造的宽脉冲子波波场成像(71_4040_7_66-air-broad pulse-3)图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

一、解释说明实施例：

本发明实施例提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法首先计算45.in70cu.in45.in100cu.in150cu.in250cu.in容量气枪的激发后达到主脉冲峰值时间；

然后根据以上所得的时间调整上述不同容量气枪的激发时间，使得阵列中各容量气枪达到主脉冲峰值的时间产生对应的时延，从而构造主脉冲波形较宽、近似梯形的宽脉冲子波，实现保证震源高频的同时拓展低频的目的。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，包括以下步骤：

S101、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；

S102、根据步骤S101设定的初始条件执行模拟过程；

S103、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t

S104、根据模拟结果，容量越小t

S105、将步骤S104计算得到的Δt

示例性的，常规气枪子波主脉冲的形态为“直角三角形”，顶角角度较大，宽脉冲子波主脉冲形似等腰梯形，主脉冲持续时间增大约2ms；

S106、对步骤S105得到的气枪阵列子波做频谱分析。

实施例2

基于实施例1提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，进一步优选地，所述步骤S101中的范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型的方程表达为：

式中a＝0.1404m

Laws等认为有效温度T

T

式中，P

气枪激发过程中，高压气体从腔室内喷出，形成气泡，这个过程中热量通过气泡壁向外进行传递，符合开放的热力学系统特征。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，因此有：

式中，T是气泡温度，P是气泡压力，m

式中ΔT＝T

气体分子的动能受到温度的影响，气体分子的势能受变化的体积的影响。因此，利用范德瓦尔斯非理想气体方程，非理想气体的内能是气体温度和体积的函数：

全微分方程表示为：

此外，热力学第一定律可以转化为：

式中，R

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、端口打开时间等参数的控制，进而影响了气枪子波性能。由于端口面积固定，节流常数τ提高了模型与实测数据的一致性，假设不同容量气枪的节流常数只与气室大小有关。根据幂次定律，可以表示为：

式中τ

式中m

气泡壁的运动方程可以表示为：

式中R是气泡半径，u和

式中z是气泡深度，g是重力加速度常数，R是气泡半径，因此，静水压力P

式中P

在低频时，气泡间的相互作用不可忽视。气泡间的这种相互作用可以看作是对流体静水压的调节。气泡间的相互作用会使气泡周围的压力变化。相对于地震波长，气泡可以看作是一个点，所以，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。因此，第i各气泡处的有效静水压力为；

式中P

式中r

实施例3

基于实施例1提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，进一步优选地，所述步骤S101中，采用范德瓦尔斯非理想气体气枪子波模型，上述初始条件具体为：

步骤1.1、条件1：将气枪压力的初始值P

步骤1.2、条件2：气泡内初始温度设置为T

步骤1.3、条件3：气泡初始体积V

步骤1.4、条件4：气泡壁的初始速度为u＝0；

步骤1.5、条件5：气泡初始压力P

步骤1.6、条件6：设置各条气枪的放置位置(x，y，z)。

实施例4

基于实施例1提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，进一步优选地，所述步骤S102以设定的初始条件为基础执行模拟过程中，

本发明所用的范氏非理想气体气枪子波模型是在理想气体气枪子波模型的基础上改进得到的，模拟执行过程(根据步骤S101设定的初始条件进行的模拟过程)具体为：

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；

步骤2.2、开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

步骤2.3、利用方程(1)计算t＝k时刻的气泡压力，P

步骤2.4、通过方程(4)计算气泡热损失率，

步骤2.5、通过方程(9)计算气体的释放速率，

步骤2.6、计算t＝k时刻的气泡体积变化率，

步骤2.7、通过方程(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率，

步骤2.8、计算气泡壁的焓差，

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，

步骤2.10、对焓差求关于时间t的微分得到，

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，

步骤2.12、对

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：

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：

步骤2.15、重复步骤(2.1)至(2.14)，直到t＞t

步骤2.16、计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

R

实施例5

基于实施例1提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，进一步优选地，所述步骤S103中分析步骤S102模拟的气枪阵列子波，统计不同容量气枪从激发到达到主脉冲峰值的时间t

实施例6

基于实施例1提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，进一步优选地，所述步骤S104中根据步骤S103统计所得ti计算Δt

实施例7

基于实施例1提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法，进一步优选地，所述步骤S105中，根据设定的初始条件，进行宽脉冲子波气枪阵列模拟，气枪阵列具体为：气枪阵列中共有39条枪，其中工作枪33条。空枪6条，总容量4040cu.in，单枪容量与条数分别为45cu.in(6条)、70cu.in(4条)、100cu.in(10条，包含2条空枪)、150cu.in(11条，包含2条空枪)、250cu.in(8条，包含2条空枪)。

将步骤S104计算的Δt

在本发明一实施例中，步骤S106对步骤S105所述气枪阵列的子波进行频谱分析。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，所以本发明以-6dB来求得子波主脉冲的有效带宽，并得到子波主脉冲主频。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述装置/单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其具体功能及带来的技术效果，具体可参见方法实施例部分，此处不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程。

二、应用实施例：

应用例1

本发明实施例提供的通过延迟激发构造宽脉冲子波拓宽气枪震源频带的方法包括：

步骤1、根据范德瓦尔斯非理想气体条件气枪子波模型模拟气枪子波，首先设定模型初始条件。具体包括气枪沉放深度7m，缆沉放深度为8m，气枪容量和条数分别为45cu.in、70cu.in、100cu.in、150cu.i、250cu.in。采样间隔为0.0005s，海水密度为1.03g/cm3，海水速度为1500m/s，海水温度为293.15开尔文，海面反射系数为-0.9等。

步骤2、根据步骤1所设的初始条件来进行模拟过程。具体执行过程为：

a)输入气枪子波模型所有的初始条件。

b)开始时间循环并计算t＝k时刻的气泡体积

c)利用方程(1)计算t＝k时刻的气泡压力，P

d)通过方程(4)计算气泡热损失率，

e)通过方程(9)计算气体的释放速率，

f)计算t＝k时刻的气泡体积变化率，

g)通过方程(7)计算t＝k时刻气泡内的温度变化率，

h)计算气泡壁的焓差，

i)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，

j)对焓差求关于时间t的微分得到，

k)通过方程(10)计算t＝k时刻的气泡壁的速度变化率，

l)对

m)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：

n)将气泡压力表示为焓、气泡壁速度和以及气泡半径的函数：

o)重复步骤(a)至(n)，直到t＞t

p)计算气枪远场子波声压，包括海面虚反射：

q)

步骤3、统计不同容量气枪子波从激发到达到主脉冲峰值所用时间t

步骤4、根据步骤3统计所得ti计算Δt

步骤5、根据设定的初始条件，进行宽脉冲子波气枪阵列模拟，图4是本发明实施例提供的所用气枪阵列的平面图；具体过程为：气枪阵列中共有39条枪，其中工作枪33条。空枪6条，总容量4040cu.in，单枪容量与条数分别为45cu.in(6条)、70cu.in(4条)、100cu.in(10条，包含2条空枪)、150cu.in(11条，包含2条空枪)、250cu.in(8条，包含2条空枪)。将步骤4计算的Δt

步骤6、根据傅里叶变换对宽脉冲子波进行频谱分析，得到如图5(a)所示的宽脉冲子波图，及如图5(b)所示的频谱图；图中bar m为气枪激发产生的气泡的腔室内的压力；

为了更好的展示本发明的技术优越性，与渤海某区块实际气枪阵列子波进行对比，得到如图6(a)所示的时间与压力脉冲关系图，如图6(b)所示的频率与功率关系图。

通过图6(a)-图6(b)中子波对比可以看出，采用本发明方法之后，所得到的气枪子波的频带宽度得到拓宽，频谱中低频能量得到增强。其中常规阵列为渤海某一区块所用实际气枪阵列，阵列编号为718_4040_7_66-air，本发明所用阵列是在该阵列的基础上进行优化所得，本发明设计的阵列编号为718_4040_7_66-air-broad pulse-3。

应用例2

本发明实施例还提供了一种利用获得的宽脉冲子波进行高精度的全波形波场成像。该全波形波场成像的具体方法包括marmousi模型的速度场数据、本发明构造的宽脉冲子波以及进行波场成像的计算方法。

所述marmousi模型的速度场数据如图7所示，该模型基本包含了包括裂缝、断层、凹陷、向斜、背斜、潜山等各种地质构造，通过对该模型的成像可以较全面的反应地震子波的质量优劣。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

三、实施例相关效果的证据：

图8(a)是本发明实施例提供的现有技术利用常规气枪子波波场成像(71_4040_7_66-air)图；

图8(b)是本发明实施例提供的利用本发明构造的宽脉冲子波波场成像(71_4040_7_66-air-broad pulse-3)图；

其中常规阵列为渤海某一区块所用实际气枪阵列，阵列编号为718_4040_7_66-air，本发明所用阵列是在该阵列的基础上进行优化所得，本发明设计的阵列编号为718_4040_7_66-air-broad pulse-3。

通过图8(a)-图8(b)可以看出，利用本发明构造的宽脉冲子波完成的波场成像效果更好，具体为能量下传深度更深，宽度更广，中深层潜山和内幕地区构造刻画更清晰。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。