一种利用气枪容量、激发深度和点火时间组合压制负压空气枪震源子波旁瓣的方法

技术领域

本发明属于海洋地震勘探震源领域，具体涉及一种利用气枪容量、激发深度和点火时间组合压制负压空气枪震源子波旁瓣的方法。

背景技术

传统的高压空气枪震源通过将加压后的高压气体(如2000PSI≈13.8Mpa)瞬间释放到海水中，可激发得到一个脉冲状的震源子波。但受其本体结构设计和外部激发环境等因素影响，其性能存在诸多局限。例如：1)气体释放到水中后形成的气泡由于胀缩过程中的内外压力变化出现周期震荡，从而产生残留气泡震荡，降低了子波的分辨力，并造成频率域的低频抖动；2)出于施工安全考虑，目前气枪的工作压力普遍在3000PSI以下，随着气枪沉放深度的增加，静水压力变大，所能激发的能量急剧下降，目前气枪深度多在20m以浅；3)海面-空气反射界面的存在，会产生尾随首波的震源鬼波，造成频率域陷波，极大地压缩了子波的有效频带宽度；4)受海面起伏、洋流冲击、点火时延和供气压力变化等因素影响，传统气枪激发子波的一致性，尤其是鬼波部分较低。

鉴于此，有研究者提出了负压气枪震源的方案(CN202310520514.9)。负压气枪震源采用负压供气，“负压”是指激发时气枪内的气体压力小于激发位置的周围水压，从而形成“负压”。海洋负压气枪在激发时，由于其舱内气压低于周围水下，海水会进入舱内挤压气体并形成内爆，产生震源子波。负压气枪震源能够突破常规水深限制，实现深水环境激发，因此可以减弱和延迟震源鬼波的干扰，有限改善海底结构(尤其是浅层结构)的成像效果。通过模拟对比发现，负压气枪震源的残留气泡震荡要明显弱于传统的高压气枪，因此子波分辨能力显著提升。

然而，负压气枪震源在周围海水挤压气体过程中，会产生负向的压力波场，成为内爆冲击脉冲的旁瓣，降低了气枪震源子波的分辨力，在频谱曲线上会造成不同频率成分的起伏震荡，降低了频谱的平坦度，进而影响了后续基于震源子波的反褶积等处理手段的效果。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种利用气枪容量、激发深度和点火时间组合压制负压空气枪震源子波旁瓣的方法。

根据本发明的目的，本发明提出了一种利用气枪容量、激发深度和点火时间组合压制负压空气枪震源子波旁瓣的方法，其包括如下步骤：

1)负压空气枪震源由多个负压空气枪组成，计算不同负压空气枪的内爆时间；并根据下式(1)得到负压空气枪内爆时间、激发深度、点火时间之间的关系：

其中，T

2)在满足式(1)的情况下确定各个负压空气枪的激发深度和点火时间；根据激发深度布设各负压空气枪，根据得到的各负压空气枪的点火时间激发各负压空气枪，使各负压空气枪的主脉冲沿垂直方向同相叠加，压制负压空气枪震源子波旁瓣。

其中，所述给定常数Constant为小于放炮间隔的预设常数。

根据本发明的优选方案，所述负压空气枪的内爆时间为以气枪激发为始，至主脉冲形成的时间长度。内爆时间可以通过给定激发深度和气枪容量后，求解气泡震荡方程得到。

根据本发明的优选方案，所述步骤1)中，通过改变各负压空气枪的容量能够实现各负压空气枪的内爆时间的调整。

根据本发明的优选方案，所述通过改变各负压空气枪的激发深度调整激发深度对应的走时差异

根据本发明的优选方案，所述步骤2)中，在给定负压气枪容量的情况下，模拟得到各负压气枪的内爆时间，根据施工环境和气枪间距布设要求，在满足式(1)的情况下，计算得到各负压空气枪的激发深度和点火时间组合，根据得到的激发深度布设负压气枪，根据得到的各负压空气枪的点火时间激发各负压空气枪，压制负压空气枪震源子波旁瓣。

根据本发明的优选方案所述步骤2)中，将各负压空气枪布设在同一深度处的水平面内，即激发深度相同；通过模拟得到的各负压空气枪的内爆时间差异，根据公式(1)计算得到各负压空气枪的点火时间，根据得到的各负压空气枪的点火时间激发各负压空气枪，压制负压空气枪震源子波旁瓣。

根据本发明的优选方案所述步骤2)中，设定各负压空气枪为同时激发，即点火时间T

根据本发明的优选方案选择多个负压空气枪，将各负压空气枪沿垂直方向布放，计算得到各负压空气枪的内爆时间差异和激发深度差异引起的时间延迟，根据公式(1)计算得到各自的点火时间，根据得到的各负压空气枪的点火时间激发各负压空气枪压制负压空气枪震源子波旁瓣。

本发明通过模拟分析发现，负压气枪的内爆时间(主脉冲形成时间)与气枪的激发舱容量有关。利用上述特点，本发明提出了采用气枪容量组合的方式，并通过调整气枪激发深度和点火时间，控制不同气枪的主脉冲在沿垂直方向上同相叠加，这样负向旁瓣就会被相对压制。该方法将有效改善负压气枪频谱的平滑度，提高子波的分辨能力。

附图说明

图1为100cu.in负压单枪在1000m水深处模拟得到的子波(左)及其频谱(右)；

图2为不同容量负压气枪在1000m深度处模拟得到的子波(左)及其频谱(右)；

图3为100cu.in容量负压气枪在不同深度处模拟得到的子波(左)及其频谱(右)

图4为负压气枪激发后内爆时间T随容量(左)和激发深度(中，右)的变化规律。其中激发深度变化曲线求取中，负压气枪为100cu.in。

图5为四杆不同容量气枪在1000m处采用不同点火时间得到的模拟子波及其频谱结果。(a)原始模拟子波结果；(b)对应(a)中的频谱；(c)归一化后的子波；(d)主频对齐后的频谱。

图6为四杆气枪在不同深度处采用不同点火时间模拟得到的子波及其频谱。(a)原始模拟子波结果；(b)对应(a)中的频谱；(c)归一化后的子波；(d)主频对齐后的频谱。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

负压空气枪震源采用低于枪体周围静水压力的方式供气，借助天然的静水围压挤压空气，从而产生负向压力波场。负压是指激发时气枪内的气体压力小于激发位置的周围水压。根据需要，气枪内也可以采用低于、等于或略大于大气压的气体气压作为本发明的供气压力，但无论选择怎样的气体压力，均需满足压力小于激发位置的周围水压。不同的压差会赋予不同的子波特征，可以根据所需的子波特征来决定气枪压力的大小。

以下实施例中的负压气枪均采用CN202310520514.9中的内爆式海洋负压空气枪，其中，不同容量负压气枪是指改变CN202310520514.9中内爆式海洋负压空气枪的激发舱大小。本发明对负压气枪不同深度激发的震源子波进行了模拟，如图1-3所示。

如图1所示为100cu.in负压气枪在水下1000m深度处激发时模拟得到的子波及其频谱结果。图中T对应激发后到气泡内爆(主脉冲形成)的时间，可以看到在主脉冲之前为水体挤压空气形成的负的压力场(图1左中箭头所示负压旁瓣)。与去除旁瓣后的子波频谱相比，负压力场导致子波的频谱呈现起伏震荡。

图2为不同容量负压气枪在1000m深度处模拟得到的子波及其频谱曲线。通过对比可以发现，随着负压气枪容量的增加，主脉冲到达时间延长，相应频谱震荡频率变快。不同容量气枪的频谱在不同频率处起伏各异。类似的结论同样可以从不同深度处模拟得到的子波及其频谱结果中得出(图3)。通过对比可以看出，随着激发深度不同，主脉冲到达时间和相应的频谱震荡频率同样发生变化。

图4进一步对比了内爆时间与容量和激发深度之间的关系。通过分析可以看出，改变负压气枪容量实现激发内爆时间的多样化相对于通过调整激发深度在实际野外操作中更容易实现。图4右中内爆时间在10m深度变化范围内差别非常小，在不改变气枪容量的前提下通过小范围内深度组合难以有效改变内爆时间。

基于上述分析，本发明提出了采用多个气枪进行组合激发的思路，通过组合点火时间和激发深度，实现不同容量气枪的主脉冲在垂直方向上同相叠加。方案具体如下：

1)负压空气枪震源由多个负压空气枪组成，计算不同负压空气枪的内爆时间；并根据下式(1)得到负压空气枪内爆时间、激发深度、点火时间之间的关系：

其中，T

2)在满足式(1)的情况下确定各个负压空气枪的激发深度和点火时间；根据激发深度布设各负压空气枪，根据得到的各负压空气枪的点火时间激发各负压空气枪，使各负压空气枪的主脉冲形成时间沿垂直方向一致，从而实现同相叠加，压制负压空气枪震源子波旁瓣。

公式(1)表明，针对气枪内爆和深度差异造成的不同容量气枪的主脉冲到时差异，可以通过调整点火时间进行消除，从而实现主脉冲的同相叠加。

本项发明提供了两个实施例。假设有4杆负压气枪，容量分别为50cu.in、100cu.in、150cu.in和200cu.in。实施例1：所有负压气枪均在同一深度处的水平面内，此时不存在激发深度差异，因此点火时间只需要考虑不同容量气枪的内爆时间差异即可。通过模拟得到四杆枪的内爆时间分别为0.875ms、1.102ms、1.261ms和1.388ms。假设人为给定常数Constant为10ms，那么点火时间对应为9.125ms、8.898ms、8.739ms和8.612ms。也就是容量大的气枪先激发，容量小的气枪后激发。

图5为同一深度处四杆气枪采用不同点火时间得到的震源子波模拟结果。通过对比，可以看出，通过调整不同气枪的点火时间，使其主脉冲形成时间一致，从而实现同相叠加，旁瓣被相对压制，相应频谱变得更加平滑。

实施例2，四杆气枪沿垂直方向布放，激发深度分别为1000m(50cu.in)、1001m(100cu.in)、1002m(150cu.in)和1003m(200cu.in)，平均深度为1001.5m。根据模拟结果，四杆枪的内爆时间0.875ms、1.101ms、1.260ms和1.386ms，由激发深度差异引起的时间延迟为1.0345ms、0.3448ms、-0.3448ms和-1.0345ms，给定10ms常数，则点火时间分别为8.0905ms、8.5542ms、9.0848ms和9.6485ms。图6为对应上述激发模式得到的震源子波模拟结果。经过对比，通过计算不同气枪的内爆时间以及深度对应的走时差异，调整不同气枪的点火时间，能够其主脉冲形成时间沿垂直方向一致，从而实现同相叠加，旁瓣被相对压制，相应频谱变得更加平滑。

利用不同容量气枪内爆时间的差异，还可以通过调整气枪之间的深度关系，实现不同容量在同时激发下，主脉冲同相叠加的目的。此时需要将内爆时间最长的大容量气枪放置在最深处，相应地，小容量气枪放置在较浅处激发。同样以50cu.in、100cu.in、150cu.in和200cu.in为例。假设200cu.in气枪位于1000m深度，通过模拟其它气枪在不同深度处的内爆时间，并结合深度差异带来的走时差，得到150cu.in、100cu.in和50cu.in三杆枪的激发深度为999.82m、999.59m和999.26m。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。