一种可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法

技术领域

本发明涉及一种可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法，属于可控震源地震勘探采集技术领域。

背景技术

可控震源是一种频率和能量可控的连续振动系统，它产生连续和频率不断变化的扫描信号，信号的起止频率和持续时间是可以控制的，通过相关后形成地震记录。可控震源工作系统主要包括编码器、控制箱体、平板和重锤一体的振动系统。激发信号是人们根据地质信息和需要进行设计，通过编码器产生扫描信号，控制箱体将扫描信号转换成电信号，通过力矩马达控制伺服阀，再通过伺服阀控制液压油的变化，推动重锤上下运动，重锤与地面紧密耦合的振动平板作相对运动就实现了把扫描信号向地下传播的目的，最后使可控震源按照设计的扫描信号进行振动工作。

可控震源具有高机动性和通过能力；激发频率和能量人为可控；具有精确的相位控制，可以实现多台组合激发，对周围环境及植被的破坏和影响较小，在油气勘探与开发领域得到广泛应用。可控震源的振动系统不是孤立的，震源与大地构成二阶响应系统。大地具有弹性系数和粘度系数，大地的弹性系数直接确定了大地对震源力信号的弹性响应，大地的受迫振动导致了震源产生的信号得以下传；大地的粘度系数决定了大地对震源力信号的阻尼，大地对振动的吸收和衰减决定了下传信号的大小。因此当大地的弹性系数和粘度系数发生变化时，必然会导致下传震源力信号的变化，从而影响单炮资料品质。

现代可控震源振动控制系统在驱动近地表同步震动时，利用振动系统中重力传感器检测出的位移和加速度信息，建立符合震源-近地表物理模型的传递函数，通过一系列数学运算，可以计算出反映近地表弹性系数的感应刚度以及反映近地表粘度系数的感应粘度。即感应刚度和感应粘度在可控震源振动过程中，由传感器检测、控制系统计算并反馈到控制箱体中，由可控震源质量控制系统输出。

申请公布号为CN110907992A的发明专利申请公开了一种基于可控震源震动感应的近地表物性区分方法，该方法基于单台可控震源的震动感应计算得到的感应刚度和感应粘度划分不同近地表物性；但是在实际施工中，为确保可控震源的激发效果，国内外的地震采集中均使用多台可控震源组合的形式施工，可控震源组合施工时，由于大地近表层媒介(如松散砂砾或砂层)是不均匀分布的，造成同一振点不同振动位置处的可控震源平板接触的近地表物性不同以及平板与大地之间的耦合条件不同，这样必然会影响大地感应刚度和感应粘度的计算结果，进而导致同种型号可控震源在相同近地表条件下组合施工时，一次扫描结束后不同可控震源获得的近地表物性参数存在差异，这时如果仍利用现有的基于单台可控震源的物性区分方法进行物性区分，由于各可控震源的物性参数不一致，则各可控震源对应的物性区分结果也会不一致，无法获得准确的物性区分结果。因此，当采用可控震源组合施工时，现有的基于单台可控震源的物性区分方法，无法得到稳定的物性参数用于物性区分，不再适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法，以降低可控震源组合施工时同一振点不同振动位置处的可控震源平板接触的近地表物性差异以及平板与大地之间的耦合条件不同对物性参数的影响，提高物性区分准确性。

为实现上述目的，本发明提供了一种可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法，该方法包括以下步骤：

(1)可控震源组合施工时，获取工区多个不同振点的组合感应刚度和组合感应粘度；

(2)将各振点的组合感应刚度和组合感应粘度绘制到同一个平面坐标系中，得到物性区分图；

(3)根据所述物性区分图将工区划分为不同近地表物性类型或者将同一种近地表物性类型划分为不同物性区域；

(4)根据工区新的近地表区域的物性在物性区分图上所处的位置特征，确定该新的近地表区域所属的近地表物性类型或者物性区域；

其中，某振点的组合感应刚度和组合感应粘度通过以下步骤得到：可控震源采用i台×j次的组合方式施工时，i台可控震源在该振点完成规定的振动次数j，每次振动结束后获取各可控震源的感应刚度和感应粘度，完成j次振动后共获得i×j组感应刚度和i×j组感应粘度，计算i×j组感应刚度的平均值作为该振点的组合感应刚度，计算i×j组感应粘度的平均值作该振点的组合感应粘度。

本发明的有益效果是：可控震源组合激发条件下，通过计算某振点上多台震源感应刚度和感应粘度的平均值，即组合感应刚度和组合感应粘度作为该振点的近地表物性参数，能够降低可控震源组合施工时同一振点不同振动位置处的震源平板接触的近地表物性差异，以及平板与大地之间的耦合条件不同对感应刚度和感应粘度计算结果的影响，获取相对稳定的物性参数，建立起各振点近地表与物性参数的对应关系，取得更佳的物性区分效果；另外本发明方法面对震源施工中通常采用的震源组合激发方式，更贴近生产实际应用。

进一步地，在上述可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法中，当所述多个不同振点处于多个不同近地表上时，获得的物性区分图为不同近地表条件下的物性区分图，根据该不同近地表条件下的物性区分图能将工区划分为不同近地表物性类型；当所述多个不同振点均处于同一种近地表上时，获得的物性区分图为相同近地表条件下的物性区分图，根据该相同近地表条件下的物性区分图能将同一种近地表物性类型划分为不同物性区域。

进一步地，为取得更好的物性区分效果，在上述可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法中，可控震源组合施工时，各可控震源的出力不小于60％，一次振动为一次完整的线性或非线性扫描，扫描时间不小于8s。

附图说明

图1是本发明实施例1中的可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法流程图；

图2是现有技术中的相同近地表物性分布图(以草原地表为例，多次扫描)；

图3是本发明实施例1中的相同近地表物性分布图(以草原地表为例，多次扫描)；

图4是现有技术中的相同近地表条件下的物性区分图(以新疆浮土区为例)；

图5是本发明实施例1中的相同近地表条件下的物性区分图(以新疆浮土区为例)；

图6是本发明实施例2中的可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法流程图；

图7是本发明实施例2中的不同近地表条件下的物性区分图。

具体实施方式

本发明中所用到的近地表、近地表物性和可控震源组合激发等词的含义分别如下：

近地表：是指受可控震源振动行为直接影响的近地表有限范围内的物体，该物体的物理性质同时对可控震源振动效果产生反作用影响。

近地表物性(简称物性)：是指该点近地表物体的物理性质，这里特指该点近地表物体的组合感应刚度和组合感应粘度。

可控震源组合激发：是指采用指定数量的可控震源(通常2～4台)，以一定的组合形式，在一个振点(即炮点)上同时振动规定的次数(1次甚至几十次)，每次振动持续一段时间(几秒到几十秒)，在一个振点振动规定的次数就算完成一“炮”，通过相关和叠加后，获得一张单炮记录。其中，组合激发时，每台可控震源均按照设计的扫描信号同步驱动近地表发生弹性震动，每次振动结束后，每台可控震源的控制箱体输出一组感应刚度和感应粘度。

在一个振点上完成一次振动后，单台可控震源输出的感应刚度和感应粘度的计算方法如下：以Nomad65 Neo可控震源为例，振动过程中，感应刚度和感应粘度是两组随着时间和频率变化的数值，可控震源每隔500ms输出一组感应刚度和感应粘度值，振动结束后，对一次振动时间长度内可控震源输出的所有感应刚度和感应粘度分别做平均统计计算，获得的平均感应刚度和平均感应粘度作为单台可控震源输出的感应刚度和感应粘度。作为其他实施方式，也可以先对一次振动时间长度内可控震源输出的所有感应刚度和感应粘度进行预处理，滤除明显的无效数据，然后再进行平均处理。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例的可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法(以下简称本实施例方法)，包括以下步骤：

(1)可控震源组合施工时，获取工区相同近地表上多个不同振点的组合感应刚度和组合感应粘度；

具体地，可控震源采用i台×j次的组合方式激发，即i台可控震源以一定的组合形式，在一个振点上同时振动规定的次数j，视为完成该振点的一次激发，通过相关叠加后获得一张单炮记录，i表示可控震源台数，j表示一个振点上规定的振动次数，并用Gs

其中，一个振点上第一次振动结束后，各可控震源的控制箱体计算出一个振动时间长度内的感应刚度分别为Gs

针对该振点的一次激发，分别计算i×j组感应刚度和i×j组感应粘度的平均值，作为该振点所获取的近地表物性参数，即组合感应刚度和组合感应粘度。其中，组合感应刚度Gs和组合感应粘度Gv的计算公式分别如公式(1)和公式(2)所示：

在相同近地表上，采用i台×j次的组合激发方式，在N个不同的振点上完成N次激发后(一个振点对应一次激发)，根据公式(1)和公式(2)可以分别得到这N个不同振点的组合感应刚度和组合感应粘度，进而得到该近地表对应的N组组合感应刚度和组合感应粘度。

本实施例中，为获得比较稳定的感应刚度和感应粘度信息以及较好的物性区分效果，设定各可控震源的出力不小于60％，一次振动过程为一次完整的线性或非线性扫描，扫描时间不小于8s。例如，某工区施工，扫描信号为：可控震源出力65％(根据震源参数计算：此时绝对出力值为180.2kN，平板压强为68.8kPa)，线性扫描，扫描时间18s。当然，各可控震源的出力小于60％、扫描时间小于8s时，也可以获取感应刚度和感应粘度信息，但由此计算得到的物性区分效果欠佳。

(2)将各振点的组合感应刚度和组合感应粘度绘制到同一个平面坐标系中，得到相同近地表条件下的物性区分图；

(3)根据相同近地表条件下的物性区分图将同一种近地表物性类型划分为不同物性区域，物性区域包括高粘低刚区、高粘高刚区、高刚低粘区和低刚低粘区；

具体地，将步骤(1)中获得的该近地表对应的N组组合感应刚度(N/m

以草原地表为例，可控震源组合激发方式为2台×1次(即2台可控震源以一定的组合形式，在一个振点上同时振动1次视为完成一次激发)，在该地表采用不同的线性扫描信号(起始频率：1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、6Hz，终止频率：96Hz，出力：70％、75％、80％，斜坡：1000ms，扫描长度10s、12s、14s、16s、18s、20s、22s)完成65次扫描。

对于单个震源来讲，每次扫描结束后，1号震源和2号震源会分别计算并输出一组感应刚度和感应粘度，完成65次扫描后，1号震源和2号震源均会得到65组感应刚度和感应粘度。分别将多次扫描后1号震源和2号震源产生的多组感应刚度和感应粘度在平面图上交会，横坐标为感应刚度，纵坐标为感应粘度，得到如图2所示的现有技术中基于单台可控震源的草原地表的物性分布图，由图2可以看出，1号震源对应的该地表的物性分布区域和2号震源对应的该地表的物性分布区域没有完全重叠，说明可控震源组合施工时，在同一草原地表条件下不同可控震源获得的地表物性参数存在差异，利用现有技术中的基于单台可控震源的物性区分方法无法获得准确的物性区分结果。

在可控震源组合激发方式下，在一个振点处每完成一次激发就会得到一组组合感应刚度、组合感应粘度作为该振点的近地表物性参数，又由于这里采用2台×1次的组合激发方式，则每完成一次扫描就是完成一次激发，那么完成65次扫描后，得到65组近地表组合感应刚度、组合感应粘度参数，利用Surfer软件进行成图，得到如图3所示的草原地表的物性分布图，结合图3可以看出，本实施例方法中，由于每个振点的近地表物性参数不再由单个可控震源确定，而是由多个可控震源综合确定，从而利用本实施例方法能降低可控震源组合施工时同一振点不同振动位置处的可控震源平板接触的近地表物性差异以及平板与大地之间的耦合条件不同对物性参数的影响，获得稳定的物性参数进行物性区分。

对于岩性相近的同一种近地表，能通过制作该近地表的物性区分图，对该近地表类型进一步细分。以新疆典型浮土区地表某束线资料为例，该工区可控震源组合激发方式为3台×1次，每次扫描结束后，1号震源、2号震源和3号震源分别计算并输出一组感应刚度和感应粘度。选取新疆典型浮土区物性资料，按照现有技术中的基于单台可控震源的物性区分方法绘制基于每台震源震动感应的物性区分图，如图4所示。虽然根据图4可以分析每台震源的情况，但是多台震源组合激发时，会出现一个振点对应多组物性参数的情况，导致同一振点在物性图中的物性位置不是唯一的，无法建立单炮资料与物性位置良好的对应关系，难以准确体现组合激发时近地表的物性。

采用本实施例方法绘制的新疆典型浮土区地表的物性区分图如图5所示，可以看出采用本实施例方法恰好解决了组合激发时存在的上述问题，即能建立起单炮记录与物性参数的一一对应关系，可以依据物性位置对单炮记录进行分区和品质分析。

具体地，按照物性点的分布位置和密度，可以将该工区近地表物性细划为4个象限区域，分别为高粘低刚区、高粘高刚区、高刚低粘区、低刚低粘区。浮土区物性位置主要集中在低刚区，越靠近中心位置，分布越集中。

(4)根据工区新的近地表区域的物性在物性区分图上所处的位置特征，确定该新的近地表区域所属的物性区域，这里工区新的近地表区域指相同地表上的新区域。

基于步骤(3)中获得的相同近地表条件下的物性区分图，针对该近地表的某一新区域，便可以根据可控震源组合激发时获得的该新区域的物性参数(即组合感应刚度和组合感应粘度)，将该新区域归属到某个具体的物性区域，以此定量划分地表地震条件。

实施例2：

如图6所示，本实施例的可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法(以下简称本实施例方法)，包括以下步骤：

(1)可控震源组合施工时，分别获取工区内各不同近地表上多个不同振点的组合感应刚度和组合感应粘度；

(2)将各振点的组合感应刚度和组合感应粘度依次绘制在同一个平面坐标系中，得到不同近地表条件下的物性区分图；

(3)根据不同近地表条件下的物性区分图将工区划分为不同近地表物性类型；

(4)根据工区新的近地表区域的物性在物性区分图上所处的位置特征，确定该新的近地表区域所属的近地表物性类型，这里工区新的近地表区域指工区内的新地表。

具体地，在多种近地表条件下，针对每种地表均采用i台×j次的组合激发方式完成N次激发，然后根据公式(1)和公式(2)可以得到每种地表对应的N组组合感应刚度和组合感应粘度，并将每种地表对应的N组组合感应刚度和组合感应粘度依次绘制在同一张平面图中，可以得到不同近地表条件下的物性区分图。

以草原、沙滩、湿泥土、火成岩出露(表面被泥土覆盖)4种地表为例，可控震源采用2台×1次的组合方式，在4种地表采用不同的线性扫描信号(起始频率：1Hz、2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、6Hz，终止频率：96Hz，出力：70％、75％、80％，斜坡：1000ms，扫描长度10s、12s、14s、16s、18s、20s、22s)完成多次扫描后，获取每种地表对应的多组组合感应刚度和组合感应粘度，依次绘制在同一种平面图上，结果如图7所示。可以看出：不同近地表的组合感应刚度和组合感应粘度在物性区分图上具有明显的分区特征。结合不同近地表条件下的物性区分图，以及新地表的物性在物性区分图上所处的位置特征，可以确定该新地表所属的近地表物性类型。

综上所述，本发明提供了一种可控震源组合激发条件下的近地表物性区分方法，通过计算某振点上多台震源感应刚度和感应粘度的平均值，即组合感应刚度和组合感应粘度作为该振点的近地表物性参数，来降低多台震源组合施工时同一振点不同振动位置处的震源平板接触的近地表物性差异，以及平板与大地之间的耦合条件不同对感应刚度和感应粘度计算结果的影响，获取相对稳定的物性参数，建立起各振点近地表与物性参数的对应关系，取得了更佳的物性区分效果。

本发明方法可以指导可控震源与近地表耦合效果的改善，针对特殊地表可以指导对震源的平板及振动系统进行改进，提高可控震源激发效果。另外本发明方法面对震源施工中通常采用的震源组合激发方式，更贴近生产实际应用，可以加速科技成果转化应用，充分发挥科技创新对企业发展的支撑引领作用。

本发明方法适用于各种地表类型、以及各种类型、大小的可控震源。应用本发明方法能进行地表物性分区，且该方法采用组合感应刚度和组合感应粘度数据定量区分近地表物性条件，相比传统的人为查看地表岩性定性区分地表条件的方法，因为在理论机制上和振动系统、振动效果直接相关，所以更加科学合理，精确可靠，对于地震勘探资料质量、地质效果的提高具有重大指导意义。应用本发明方法还可以直接指导可控震源扫描信号设计等施工参数选择，相比以往的一个工区采用统一施工参数生产，具有更强的科学性、准确性、方便性和适应性，并且能针对不同地表物性条件设计最佳的扫描信号及扫描参数，提高不同地表条件的激发效果，使可控震源激发能量实现最有效的下传，从而提高激发单炮资料的信噪比和分辨率，为后期的地震资料处理解释提供最优品质的可控震源原始单炮资料。

总之，本发明方法较好地解决了以往复杂工区地表难以定量化和可控震源组合激发参数设计适应性差的难题。随着物探技术的不断进步，对地震资料品质的要求也更高，面对国内外地震勘探工区复杂多样的地表条件，本发明方法具有独特的技术优势，市场应用前景十分广阔。