專利名稱:利用橢圓偏振剪切波勘探地震的方法
本發(fā)明一般地說涉及地震的勘探，但在不作為限制性的情況下，更具體地說涉及利用攜帶著較各壓縮波及剪切波包含更多信息的橢圓偏振剪切波的改進的勘探方法。
本發(fā)明人發(fā)覺在地震勘探實踐中沒有先有技術(shù)利用了橢圓偏振剪切波。多年來已將多種方法用于壓縮波勘探法和偏振波勘探法中，明顯地還沒有一有規(guī)則的橢圓(在特定情況下為圓形)偏振剪切波存在的概念，該剪切波在通過地球介質(zhì)時賦予粒子在三維正交空間中運動。因此，現(xiàn)設想橢圓偏振剪切被的粒子運動可用一個或多個三維正交的檢測器檢測以進行任意的垂直地震剖面(VSP)法探測，折射或反射測量，三維地震測量和相關(guān)的地震回波探測實踐。
最接近的先有技術(shù)教導已公開的有在1983年于內(nèi)華達、拉斯韋加斯召開的勘探地球物理學家協(xié)會(Society of Exploration Geophysicists)1983年會上發(fā)表的由斯圖爾德.克蘭普賓(Stuart Crampin)所著的S12.7論文題目為“剪切波的偏振三分向記錄法的主張(Shear Wave PolarizationsA Plea for Three-component Recording)”。雖然這篇論文認識到可從剪切波數(shù)據(jù)獲得大量的知識及通過三維探測揭露更多的數(shù)據(jù)，但作者并未發(fā)覺這些剪切波橢圓偏振特性及它們所遵循的特定傳播性質(zhì)。
本發(fā)明涉及應用振動在大地介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的橢圓偏振剪切波以供其后的三維正交粒子運動的地震探測的方法。設想將橢圓偏振剪切波應用于任意的垂直地震剖面法(VSP)、地震測井及包括三分向測量的地震測量。此外，預見到可將橢圓偏振剪切波源應用于海洋測量，由于大多數(shù)情況下波源可在水底接合。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種用于給定的振動回波探測程序使大量的有用信息能被探測的地震源。
本發(fā)明的另一個目的在于提供在大地介質(zhì)中產(chǎn)生精密的橢圓偏振剪切波的方法和裝置。
本發(fā)明的還有一個目的在于提供產(chǎn)生和探測新的及在此之前未被應用的大地粒子運動關(guān)系的方法。
最后，本發(fā)明的一個目的在于應用橢圓偏振剪切波的方法，其中振動源可以不同的方式在大地表面、在水底或鉆孔中以相同的有效性耦合到地球介質(zhì)。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點可通過對下述詳細說明以及聯(lián)系解釋本發(fā)明的附圖一起閱讀后，將會使人一目了然。
圖1A為水平和垂直地偏振剪切波關(guān)系的圖解說明;
圖1B為橢圓偏振剪切波關(guān)系的圖解說明;
圖2A為一帶有鉆孔及在其上耦合以剪切波振動器裝置的大地表面的一部分的理想化截面圖;
圖2B為一帶有軌道振動器及檢測器示出反射和折射射線路徑的大地斷面的理想化圖;
圖3為說明橢圓偏振剪切波的傳播圖的一橢圓偏振剪切波振動器及大地斷面的透視圖;
圖4為用于圖2方案中的橢圓偏振剪切波振動器的一種形式的截面圖;
圖5為說明按照類似于圖2設計的一特定試驗中探測壓縮和剪切運動的地震波記錄圖;
圖6為另一種形式的橢圓偏振剪切波發(fā)生器的示意圖;而圖7為還有一種形式的橢圓偏振剪切波發(fā)生器的示意圖。
按照聲波理論，偏振方向通常是被定義為粒子在聲能傳播的介質(zhì)中振動的方向。對于壓縮波而言，粒子的振動方向是與射線路徑或沿Z軸的傳播方向是共軸線的。對于水平剪切波和垂直剪切波而言，粒子的振動路徑與其傳播方向成直角。因此，如圖1A中所示，壓縮波粒子振動將與傳播方向軸線即Z軸10成一直線，而垂直剪切波的粒子的運動將發(fā)生在平面12內(nèi)，水平剪切波粒子的位移將發(fā)生在平面14內(nèi)。分別包含垂直剪切振動和水平剪切振動的平面12和14叫做偏振平面。因此，純粹的水平剪切波和垂直剪切波稱之為平面偏振波。
更特殊的剪切波偏振化的類型稱之為橢圓偏振，而這波形實質(zhì)地在圖1B中描出。因此Z軸16可設想成由圖紙向外伸出，而在一垂直于傳播方向Z的平面內(nèi)一粒子位移矢量18在每個振動周期中描繪出一橢圓20。
橢圓偏振中的粒子位移可設想成由兩個與傳播方向垂直的分量?？紤]兩個頻率相同的平面偏振剪切波，其粒子的位移如下式所示
(1)其中，k等于傳播常數(shù)，D1和D2均表示位移振幅，而
x與
y分別為沿x和y方向的單位矢量。該兩個波均沿Z方向上傳播，但彼此垂直偏振并具有一相位差φ。在Z軸的任意一點上的總位移(假定為零衰減)由下式表示
(2)在φ等于+π/2的情況下，將上式展開而給出
(3)在D1/D2＜1的情況下，合成位移矢量描繪出如圖1B所示的其長軸和短軸分別與y軸和x軸重合的橢圓。如果D1/D2＞1，則橢圓的長軸和短軸反過來分別與x軸和y軸重合。而射線束或如圖1B中所示的Z軸望過去，矢量18以角頻率W按順時針方向轉(zhuǎn)動，這樣它可稱為右橢圓偏振波。當φ設定為等于-π/2的情況下其合成矢量路徑仍然將描繪出與圖1B所示的橢圓相同，只是位移矢量將按反時針方向掃掠過去，并可稱之為左橢圓偏振波。
另一種特殊情況為當D1＝D2時，這使圖1B中的橢圓變?yōu)閳A。再者，依賴于φ值為正或負，而可為右或左圓偏振波。通常，D1不必與D2相等，而角φ可取不同于正或負π/2的值，在這樣情況下，橢圓的長軸和短軸將不會與對應的x軸和y軸重合。
彈性剪切波與電磁輻射在許多方面是相似的，使之有關(guān)波動性質(zhì)的相似性在解釋中可被應用。當偏振波入射到物質(zhì)上或與物質(zhì)相互作用時，入射輻射的不同偏振狀態(tài)往往以不相同的方式與物質(zhì)發(fā)生作用。在這種非對稱的相互作用的情況下，入射波的偏振狀態(tài)由于相互作用而被改型或發(fā)生變化。通過測量由一物質(zhì)造成的一已知偏振狀態(tài)的改型，人們可從中認識關(guān)于該物質(zhì)的許多情況。
由于相似性質(zhì)，在光學領(lǐng)域中已知研制出來的多種測量技術(shù)也可針對利用彈性剪切波的測量中。這種技術(shù)之一叫做橢率測量術(shù)是研究光從一表面反射之后偏振狀態(tài)變化的一種技術(shù)。通過測量橢率參數(shù)諸如相對相位變化，相對振幅衰減及有關(guān)的參數(shù)，人們可確定物質(zhì)的特定常數(shù)，并實現(xiàn)選擇性測量。雖然在現(xiàn)階段還不能預見橢圓偏振地震波在勘探活動中的所有應用，但目前相信對這種能量的使用，將在所有的測井、垂直地震剖面法探測及表面地震測量等方面將得到應用。
圖2A說明本發(fā)明的方法的實際試驗在開始進行時的裝置類型。在大地斷面24中形成的一鉆孔22安裝以包含12部三維正交拾震器26、28到30、32。這些拾震器為對振動的各個x、y和z軸有獨立的傳感元件的標準的三分量正交探測器。傳感元件26至32放置在沿鉆孔22向下各相隔100英尺的地方，用多股導體型連接電纜34將每個拾震器26至32連接到位于地面38上的信號處理站36。
如將于下文中敘述的一軌道型地震振動器40，通過將基板42埋入大地以將之牢固地與大地接合，使得其側(cè)壁44無定向地水平地與大地介質(zhì)壓縮性地接觸。軌道型振動器40在一預定頻率及時間間隔下由地震振動器控制48操作。雖然此處敘述在選擇的頻率振動器控制，但軌道振動器40可在任何掃描頻率或連續(xù)頻率的脈沖控制下操作之。
圖2B說明使用在一地震測量中沿一選擇的測量線上的橢圓剪切波振動器40b。探測器25-1到25-n例如為選擇的多分量或正交探測器，它們是一字排列在沿著從剪切波振動器40b的能量向下傳播而緊接著反射(路徑23)和/或折射(路徑27)的測量線上，并對振動粒子的運動探測進行在沿探測器25-1和25-n的地震線上。因此，橢圓地震源和多分量探測方案可使用于各種包括多線的三維測量。
圖3說明與傳播的橢圓偏振剪切波能相關(guān)的軌道振動器40。因此，振動器40是由一偏心載重50在響應一馬達控制器54下被驅(qū)動馬達52驅(qū)動而轉(zhuǎn)動操作的。馬達控制器54接收從發(fā)生器56的輸入控制信號及從誤差檢測器58即一加速器的反饋信號。軌道振動器40牢固地接合于大地表面38并起著沿諸如射線路徑60進入大地表面38傳播能量的作用。由于粒子的運動以粒子在垂直于射線路徑60的平面內(nèi)連續(xù)地移動而傳播，粒子運動的代表矢量62(圖1B中的矢量18)繞著射線路徑60而旋轉(zhuǎn)。位移矢量62向下前進時掃掠出螺旋線，而位移矢量62可按發(fā)生器方案的橢圓函數(shù)在短軸和長軸間變化。因此，頻率控制發(fā)生器56確定橢圓偏振剪切波的傳播的周期率，其橢圓對圓的構(gòu)型的比值將依賴于作用在短軸或長軸結(jié)構(gòu)的位移力而定。
圖4說明較簡單形式的軌道振動器40。振動器40有一基板42，其形狀為扁平的圓柱體，具有與大地相接合的底板70，側(cè)壁44及頂板72。底板70最普通是用楔子或者其它與大地接合的結(jié)構(gòu)以保證與大地介質(zhì)牢固的剪切連接。一馬達機外殼74連接在基板42的中心上，以支持諸如液壓馬達，該馬達在伺服閥18及相結(jié)合的液壓控制結(jié)構(gòu)(未示)的控制下工作。液壓馬達76經(jīng)過一軸80通過諸如PARAFLEX′″離合器82提供轉(zhuǎn)動驅(qū)動力到一驅(qū)動軸84，該驅(qū)動軸84是可轉(zhuǎn)動地安裝于一上軸承86和一下軸承88之間。一偏心載重轉(zhuǎn)子90(慮線)堅固在驅(qū)動軸84上，而且轉(zhuǎn)動以提供通過基板結(jié)構(gòu)42傳輸?shù)浇佑|介質(zhì)內(nèi)的軌道運動。
為了驗證橢圓偏振剪切波的存在和性質(zhì)，利用圖2的測試方案，而從該測試中所獲得的數(shù)據(jù)樣品顯示在圖5中。因此，軌道振動器是在一選擇頻率下工作的，而在最上部的7個正交檢測器26至32，意即，從大地表面100至700英尺的間隔上揀拾的數(shù)據(jù)被記錄及處理。圖5說明一種壓縮波或?qū)嵸|(zhì)上Z軸波在跨過700英尺的深度上被探測及記錄如記錄線100所示。同樣方式，我們稱之為南北方向的剪切波的第一類型被揀拾和記錄如記錄線102所示，及我們稱之為東西方向的對立地偏振剪切波被記錄如記錄線組104所示。
在圖5中，由于壓縮波和剪切波信號都出現(xiàn)在各個相隔100英尺的水平位的探測器中，及由于該區(qū)域中的巖心顯示在700英尺間隔內(nèi)存在著軟的和硬的地層，可推斷壓縮波和剪切波都能通過軟的和硬的地層而傳播。可看到存在于通過振動源掃掠的整個路徑上不論是壓縮波或者是剪切波均為凈信號，而速度測定可通過相位或通過相關(guān)性而進行，其結(jié)果是極為一致。因此跨過700英尺深的速度計算揭示出精確及可靠的值。
將在探測器26-32中下至700英尺獲得的軌道源數(shù)據(jù)與用其它振動方法獲得的數(shù)據(jù)進行比較，而每次比較的結(jié)果均令人滿意，有助于證明強的橢圓偏振剪切波的存在。在各個100至700英尺標記上對從各個軌道源、大地表面落錘法及振動器源獲得剪切波計算剪切波速度。在各個情況中，從各種深度測定的剪切波速度是非常接近的，偏差是在10%之內(nèi)。對設置在鄰近位置的軌道源、落錘法、振動器源及海洋振動源的P波速也在各個深度直至700英尺的探測器記錄其數(shù)據(jù)。此處，將各個深度段中壓縮波的速度比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)果是吻合而偏差是微小。
因此，從表面軌道源40的野外試驗結(jié)果顯示如下1.該表面軌道源產(chǎn)生剪切波;
2.該源產(chǎn)生壓縮波;
3.剪切波和壓縮波速度的比較，在相同試驗地區(qū)上不論用落錘法、剪切和P波振動器及海洋振動器所獲的數(shù)據(jù)比較結(jié)果均令人滿意;
4.記錄下的波形并不因反射而顯著地畸變;
5.速度測量可應用掃掠頻率和相位;及6.通常出現(xiàn)在現(xiàn)有振動器中的二次諧頻壓縮波，在軌道源振動器中不存在。
再參照圖5，通過檢驗壓縮波掃描線100，可注意到，該掃描線是清晰并簡潔的、不包含二次諧頻壓縮波。此外，組102和組104記錄線的比較，可將剪切東西方向與剪切南北方向的記錄線加以比較以顯示在振動器的作用下大地介質(zhì)中的波動實際上是在軌道上運動的。通過將出現(xiàn)在(1)100英尺水平位處的剪切波拾震器儀的記錄線組102和在(2)100英尺水平位處獲得的信號的記錄線組104進行比較，我們可以看到，在檢查對應的100英尺水平位的記錄線間的相位時，在整個掃描期間它們一直保持90°的相位差。在其它各對應的200英尺處、300英尺處及其它下面的水平位處這種記錄線組102與104之間的90°的相位差值也都一樣出現(xiàn)。由于相位差值是恒定地存在并可在各個水平位處正確地加以推導，因而大地介質(zhì)的波動事實上在振動粒子位移的影響下是繞軌道運動的，且產(chǎn)生真實的橢圓偏振波。
圖6為說明一橢圓偏振剪切波振動器110的示意圖，該振動器利用了一線性振動器元件的組合，這些元件是以可調(diào)節(jié)的角度互相連接著，以向地球賦予在長軸和短軸的關(guān)系上可調(diào)的橢圓剪切波。因此，具有多個無定向穩(wěn)定的大地連接元件114的基板112是由中央傳動齒輪組件116可轉(zhuǎn)動地固定于具有大地連接部件120的基板118上。振動器112可在振動器SA控制器122控制下作縱向振動，而振動器118也同樣可用振動器SB控制器124控制。各個振動器控制器122和124接收從適宜的掃描發(fā)生器126來的掃描輸入，然而，在振動器控制頻率變化的情況下，可用一種分頻之類來實現(xiàn)。依賴于相互作用力的大小，在中央傳動齒輪組件116提供以某種振動隔離器是極為理想的。
操作中，振動器112與振動器118的相對定位可調(diào)節(jié)在選定的角度上，而作用于各個振動器112和118的往復驅(qū)動力也可變化。以這些變化方式，偏心的偏振剪切波可按照位移矢量及相位關(guān)系而加以調(diào)節(jié)。此外，相位關(guān)系仍可通過控制來自振動器122和124所加的控制信號的相位關(guān)系而加以改變。
圖7的振動器的安排說明相同的振動器基板112和118，雖然彼此分開操作但在它們與大地連接的位置上極為接近地定位。在此，振動器再次運轉(zhuǎn)以便分別在基板112與118施加一線性往復力，而從剪切波振動的粒子位移合并成偏心的偏振剪切波通過大地介質(zhì)而向下傳播。相位差及偏振剪切波的橢圓手型可通過調(diào)節(jié)從振動器控制122和124的控制信號的相對相位而進行控制，而偏振剪切波的長軸和短軸的關(guān)系可通過控制位移矢量或施用于各基板上的振動力的大小加以改變。
極其可能由于使用橢圓偏振剪切波而開創(chuàng)利用在迄今之前未加以利用的地震能量關(guān)系而探測地震的新方法。因此，從光學橢圓測量技術(shù)中抽取可能的相似性則可能測量諸如相對相位變化及相對振幅衰減等橢圓偏振參數(shù)，以便測定地表下物質(zhì)的物理常數(shù)或測定厚度和/或確定性的鑒別地表下巖層。通過使用橢圓剪切波數(shù)據(jù)上述可能性是存在的，可以預見本發(fā)明的方法將在鉆孔測井，垂直地震部面法探測，表面地震測量及其它相關(guān)的探測技術(shù)獲得應用。
前述公開的新的探測方法發(fā)現(xiàn)了迄今之前地球物理學家未曾獲得的數(shù)據(jù)，可以設想對這些數(shù)據(jù)的使用將可提供更多的用于勘探中的互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)。此外，按本發(fā)明的方法制造的源和它的應用是可能提供一壓縮和交叉偏振剪切波的特殊組合以便配合使用以獲得更大量的情報。
可在對前述說明書中并示于圖中的元件的組合和安排做出各種改變，顯然，對公開的實施例也可在不偏離本發(fā)明限定于下述權(quán)利要求
的精神和范圍下可做出各種改變。
權(quán)利要求
1.在大地介質(zhì)中產(chǎn)生橢圓偏振剪切波的方法，其特征在于，此方法包括-將一大地連接部件連接到大地介質(zhì)，該連接部件相對大地介質(zhì)是無定向反抗水平方向運動上的；及-在一選擇的時間內(nèi)向所述大地連接元件施加一轉(zhuǎn)動的力；從而在大地介質(zhì)中產(chǎn)生是所述轉(zhuǎn)動力的轉(zhuǎn)動率的函數(shù)的橢圓偏振剪切波。
2.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，其中所述轉(zhuǎn)動的力是常值而所述偏振剪切波是圓形的。
3.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，其中所述施加一轉(zhuǎn)動力的方法的步驟包括在一預先選擇的轉(zhuǎn)動率下轉(zhuǎn)動至少一個與大地連接部件轉(zhuǎn)動性連接的偏心載重。
4.按照權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括改變所述至少一個偏心載重的轉(zhuǎn)動方向從而改變所述橢圓偏振剪切波的轉(zhuǎn)動手性。
5.按照權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括改變所述至少一個偏心載重的合成力從而改變所述橢圓偏振剪切波的位移矢量。
6.按照權(quán)利要求
4所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括改變所述至少另一個偏心載重的合成力，從而改變所述橢圓偏振剪切波的位移矢量。
7.按照權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，其中所述連接和施加轉(zhuǎn)動力的方法進一步包括一重復地在一選擇的第一方位角上產(chǎn)生第一個線性力以施加于所述大地連接部件;及一重復地在一選擇的第二方位角上產(chǎn)生第二個線性力以施加于所述大地連接部件;而其所產(chǎn)生的合力為所述橢圓偏振剪切波。
8.按照權(quán)利要求
7所述的方法，其特征在于，其中所述大地連接部件是兩個分開的放置在極為鄰近的位置的基板，且無定向抗水平運動的。
9.按照權(quán)利要求
7所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括改變第一及第二線性力以改變合成位移矢量力;從而控制所述剪切波的橢圓偏振構(gòu)型。
10.按照權(quán)利要求
7所述的方法，其特征在于，該方法還包括控制所述第一和第二線性力的激發(fā)的相對相位以控制合成力的轉(zhuǎn)動方向從而控制所述剪切波的手性。
11.探測地震的方法，其特征包括-將大地介質(zhì)與一能在所述大地介質(zhì)中產(chǎn)生橢圓性偏振剪切波的地震源連接;及-利用至少一粒子運動探測器探測所述橢圓偏振剪切波，及接收并記錄該數(shù)據(jù)。
12.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其特征在于，所述探測點是選擇在一鉆孔中的一位置上。
13.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其特征在于，所述探測點是選擇在大地表面上距振動源一定距離的地方。
14.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其特征在于，其中所述探測步驟進一步包括利用放置在鉆孔中相互間隔的位置上的多個正交探測器探測所述剪切波。
15.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其特征在于，其中所述探測步驟進一步包括利用放置在沿大地表面上相間隔的位置上的多個正交探測器探測所述剪切波。
16.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括將接收到的各正交的相關(guān)形式的數(shù)據(jù)進行處理以產(chǎn)生各壓縮分量信號和各剪切分量信號。
17.按照權(quán)利要求
14所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括將接收到的各正交的相關(guān)形式的數(shù)據(jù)進行處理以產(chǎn)生各壓縮分量信號和各剪切分量信號。
18.按照權(quán)利要求
15所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括將接收到的各正交的相關(guān)形式的數(shù)據(jù)進行處理以產(chǎn)生各壓縮分量信號和各剪切分量信號。
19.按照權(quán)利要求
11所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括選擇性倒轉(zhuǎn)地震源的橢圓偏振特性的手性。
20.按照權(quán)利要求
9所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括按照具已知時間間隔內(nèi)的脈沖函數(shù)改變所述第一和第二力。
21.按照權(quán)利要求
9所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括按照預先選擇的起始和終止頻率間的掃描頻率的函數(shù)改變所述第一和第二力。
22.按照權(quán)利要求
9所述的方法，其特征在于，該方法進一步包括按照在一預先選定時間間隔內(nèi)一選擇的連續(xù)頻率的函數(shù)改變所述第一和第二力。
專利摘要
本發(fā)明涉及在一地球介質(zhì)內(nèi)利用振動產(chǎn)生的橢圓偏振剪切波供其后探測一維或多維正交粒子運動的地震勘探的方法。本發(fā)明依賴一種耦合一連續(xù)轉(zhuǎn)動的縱向力到一大地介質(zhì)剪切波源從而傳播一橢圓偏振剪切波以供折射、反射或地表下探測，可能范圍內(nèi)的各種合適的勘探形式。
文檔編號G01V1/053GK87103768SQ87103768
公開日1988年3月2日 申請日期1987年5月21日
發(fā)明者杰克·H·科爾, 約翰·S·格治利 申請人:康諾科有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan