專利名稱：提高灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)檢測能力的檢波器耦合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震勘探領(lǐng)域，尤其是涉及一種提高灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)檢測能力的檢波器耦合方法。

背景技術(shù)：
中國南方海相碳酸鹽巖沉積盆地的分布幅員遼闊，從目前普光氣田的發(fā)現(xiàn)來看，該地區(qū)地下油氣等資源極為豐富，但是由于地表大面積堅(jiān)硬灰?guī)r的出露，給地震檢波器與灰?guī)r地表的完好耦合帶來了很大困難。目前常規(guī)的檢波器與灰?guī)r耦合方法是利用粘土等耦合介質(zhì)將帶有鐵質(zhì)尖尾錐的檢波器埋置在灰?guī)r表面，利用這種檢波器耦合方式采集的地震數(shù)據(jù)能量和頻率都較低，降低了灰?guī)r出露區(qū)地震采集資料的品質(zhì)，嚴(yán)重制約了南方海相碳酸鹽巖盆地進(jìn)一步的油氣勘探。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)檢測能力的檢波器耦合方法。
提高灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)檢測能力的檢波器耦合方法包括如下步驟 1)檢波器圓盤尾錐的設(shè)計(jì) 利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰?guī)r耦合在一起，這種情況下檢波器-灰?guī)r耦合系統(tǒng)響應(yīng)主要受到尾錐與石膏所構(gòu)成的諧振系統(tǒng)的影響，尾錐與石膏諧振系統(tǒng)的固有頻率f跟檢波器尾錐的密度ρg、底半徑Rg和高度h、系統(tǒng)剛度系數(shù)k2有關(guān)，其關(guān)系式為， 剛度系數(shù)k為主要與尾錐、石膏之間的接觸剛度有關(guān)，是組合彈性模量E、檢波器尾錐底面粗糙度D、尾錐半徑Rg、尾錐高度h、尾錐密度ρg的函數(shù)，可表示為， k2＝φ(E，D，Rg，h，ρg)(2) 檢波器尾錐材料為鐵質(zhì)，因此其密度ρg等于7800Kg/m3，底面粗糙度等于10-11，檢波器底面半徑給定為2cm，鐵質(zhì)圓盤尾錐與石膏的組合彈性模量等于2×109，如果固有頻率f≥500Hz，那么檢波器-灰?guī)r耦合效應(yīng)對(duì)地震信號(hào)的影響就大大降低了，利用公式(1)、公式(2)計(jì)算出尾錐高度h≤1cm，考慮到機(jī)床等加工設(shè)備的加工能力，檢波器圓盤尾錐的高度取為1cm； 2)檢波器圓盤尾錐的制作 選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質(zhì)材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然后截取一個(gè)1cm厚的圓盤，利用機(jī)床設(shè)備加工出檢波器圓盤尾錐； 3)檢波器的耦合 首先把常規(guī)檢波器鐵質(zhì)尖尾錐取下來，然后把檢波器圓盤尾錐的中心螺絲緊緊的擰到檢波器外殼上；野外施工時(shí)，將石膏粉用水進(jìn)行稀釋，并進(jìn)行攪拌至糊狀，川東北碳酸鹽巖地區(qū)地震勘探技術(shù)難點(diǎn)與對(duì)策石膏上，并稍微壓一下，讓兩者緊密地接觸在一起。等石膏凝固后，即可進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的采集接收。
本發(fā)明利用石膏和檢波器圓盤尾錐進(jìn)行灰?guī)r出露區(qū)地震檢波器的耦合，采用新的耦合方法比常規(guī)耦合方法使得灰?guī)r出露區(qū)所接收的地震數(shù)據(jù)無論是在能量還是在優(yōu)勢頻帶寬度上都得到了較大幅度提高的預(yù)期效果，提高了灰?guī)r出露區(qū)地震有效反射信號(hào)的檢測能力，為解決我國南方海相碳酸鹽巖地區(qū)的檢波器耦合難題提供了一個(gè)有效的實(shí)施方案。



圖1是檢波器-灰?guī)r耦合系統(tǒng)理論模型示意圖； 圖2是不同檢波器尾錐高度與耦合系統(tǒng)諧振頻率的關(guān)系圖； 圖3是在新耦合方法與常規(guī)耦合方法接收的淺層單道對(duì)比記錄； 圖4是新耦合方法與常規(guī)耦合方法接收的深層單道對(duì)比記錄； 圖5是新耦合方式方法采集的地震淺層信號(hào)的頻譜； 圖6是常規(guī)耦合方法采集的地震淺層信號(hào)的頻譜； 圖7是新耦合方法采集的地震深層信號(hào)的頻譜； 圖8是常規(guī)耦合方法采集的地震深層信號(hào)的頻譜； 圖9是新耦合方法與常規(guī)耦合方法接收的淺層地震信號(hào)的能量對(duì)比圖； 圖10是新耦合方法與常規(guī)耦合方法接收的深層地震信號(hào)的能量對(duì)比圖。

具體實(shí)施例方式 提高灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)檢測能力的檢波器耦合方法包括如下步驟 1)檢波器圓盤尾錐的設(shè)計(jì) 利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰?guī)r耦合在一起，這種情況下檢波器-灰?guī)r耦合系統(tǒng)響應(yīng)主要受到尾錐與石膏所構(gòu)成的諧振系統(tǒng)的影響，尾錐與石膏諧振系統(tǒng)的固有頻率f跟檢波器尾錐的密度ρg、底半徑Rg和高度h、系統(tǒng)剛度系數(shù)k2有關(guān)，其關(guān)系式為， 剛度系數(shù)k為主要與尾錐、石膏之間的接觸剛度有關(guān)，是組合彈性模量E、檢波器尾錐底面粗糙度D、尾錐半徑Rg、尾錐高度h、尾錐密度ρg的函數(shù)，可表示為， k2＝φ(E，D，Rg，h，ρg)(2) 檢波器尾錐材料為鐵質(zhì)，因此其密度ρg等于7800Kg/m3，底面粗糙度等于10-11，檢波器底面半徑給定為2cm，鐵質(zhì)圓盤尾錐與石膏的組合彈性模量等于2×109，如果固有頻率f≥500Hz，利用公式(1)、公式(2)計(jì)算出尾錐高度h≤1cm，考慮到機(jī)床等加工設(shè)備的加工能力，檢波器圓盤尾錐的高度取為1cm； 2)檢波器圓盤尾錐的制作 選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質(zhì)材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然后截取一個(gè)1cm厚的圓盤，利用機(jī)床設(shè)備加工出檢波器圓盤尾錐； 3)檢波器的耦合 首先把常規(guī)檢波器鐵質(zhì)尖尾錐取下來，然后把檢波器圓盤尾錐的中心螺絲緊緊的擰到檢波器外殼上；野外施工時(shí)，將石膏粉用水進(jìn)行稀釋，并進(jìn)行攪拌至糊狀，然后將灰?guī)r出露區(qū)灰?guī)r地表的雜物清理干凈，以便石膏與灰?guī)r地表能夠很好的粘連在一起，將稀釋后的石膏均勻的放在灰?guī)r上，最后將帶有圓盤尾錐的檢波器牢牢地垂直放在石膏上，并稍微壓一下，讓兩者緊密地接觸在一起。等石膏凝固后，即可進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的采集接收。
詳細(xì)工作過程如下 檢波器圓盤尾錐的設(shè)計(jì)與制作 灰?guī)r出露區(qū)地表巖石非常堅(jiān)硬，很難將檢波器尾錐直接插置在灰?guī)r地表進(jìn)行檢波器耦合，因此通常是用粘土或土壤等耦合介質(zhì)把檢波器埋置在灰?guī)r地表。從振動(dòng)力學(xué)角度來看，如果利用粘土和土壤等將檢波器埋置在灰?guī)r地表，那么檢波器-灰?guī)r耦合系統(tǒng)是一個(gè)三自由度耦合系統(tǒng)，將受到兩個(gè)耦合諧振頻率的影響。如果利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰?guī)r粘連在一起，由于石膏較薄而且較輕，因此這種耦合模式下的系統(tǒng)響應(yīng)主要受到尾錐-石膏單一耦合諧振頻率的影響，從振動(dòng)系統(tǒng)諧振對(duì)檢波器耦合效應(yīng)的影響來看，這種耦合方式是比較有利的，檢波器-石膏-灰?guī)r耦合系統(tǒng)的理論模型如圖1所示。
那么，尾錐-石膏所構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)的等效質(zhì)量為， m＝ρgπRg2h+m殼(3) 其中，ρg為檢波器尾錐的密度；Rg為尾錐的底半徑；h為尾錐的高度；m殼為檢波器外殼的質(zhì)量，SN-10型速度檢波器外殼質(zhì)量約為0.01Kg，因此計(jì)算時(shí)m殼取0.01。
尾錐-石膏所構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)的等效剛度系數(shù)k主要由尾錐與石膏的接觸剛度所決定，兩個(gè)粗糙表面之間的法向接觸剛度公式為， 其中，E為兩個(gè)接觸介質(zhì)的組合彈性模量，al為兩者的最大接觸點(diǎn)的面積，ac為兩者的臨界接觸面積，D為粗糙表面的分形維數(shù)，而且， 其中，E1、E2、σ1、σ2分別代表兩接觸介質(zhì)的彈性模量和泊松比。
臨界接觸面積的計(jì)算公式為，
其中，G為粗糙表面的分形粗糙度參數(shù)，k為較軟材料硬度和屈服強(qiáng)度的比值，

為較軟材料的屈服強(qiáng)度和組合彈性模量的比值。
作用在粗糙表面上的法向力P與最大接觸點(diǎn)的面積關(guān)系為， 當(dāng)D≠1.5時(shí)，
當(dāng)D＝1.5時(shí)，
本文在計(jì)算法向力時(shí)，主要考慮了重力的影響。根據(jù)(4)-(8)的一系列公式，可求出剛度系數(shù)k。
根據(jù)振動(dòng)系統(tǒng)理論，可知尾錐-石膏所構(gòu)成振動(dòng)系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率為， 這樣根據(jù)公式(1)-(9)，可計(jì)算出檢波器圓盤尾錐高度h與固有頻率f關(guān)系圖如圖2所示。當(dāng)考慮f≥500Hz時(shí)的情況，這時(shí)檢波器-灰?guī)r耦合效應(yīng)對(duì)地震信號(hào)的影響就大大降低了，可以確定檢波器圓盤尾錐的高度h≤1cm。
因此，基于以上理論分析，并考慮到加工檢波器圓盤尾錐的機(jī)床等設(shè)備的加工能力，制作了1cm厚度的鐵質(zhì)圓盤狀尾錐以替代常規(guī)鐵質(zhì)尖尾椎，尾錐的底面直徑為4cm，高度為1cm。常規(guī)鐵質(zhì)尖尾錐高度一般在7cm，因此，從理論上來說新制作的圓盤尾錐接收能力要優(yōu)于常規(guī)尾錐。
選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質(zhì)材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然后截取一個(gè)1cm厚的圓盤，利用機(jī)床設(shè)備加工出檢波器圓盤尾錐。
野外實(shí)施方法 野外施工時(shí)，首先將石膏粉用水進(jìn)行稀釋，并進(jìn)行攪拌至糊狀。然后，將灰?guī)r出露區(qū)灰?guī)r地表的雜物(浮土等)清理干凈，以便石膏與灰?guī)r地表能夠很好的粘連在一起，將稀釋后的石膏均勻的放在灰?guī)r上。最后，將帶有圓盤尾錐的檢波器牢牢地垂直放在石膏上，并稍微壓一下，讓兩者緊緊地接觸在一起。等石膏凝固后，即可進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的采集接收。同時(shí)，在附近利用常規(guī)的耦合方法將同類型的檢波器埋置在灰?guī)r地表，以便進(jìn)行同等條件下的接收對(duì)比，檢驗(yàn)新耦合方法的接收效果。
結(jié)果分析 在圖3中，左邊的信號(hào)新耦合方法采集的，右邊的信號(hào)是常規(guī)耦合方法采集的。在圖4中，左邊的信號(hào)新耦合方法采集的，右邊的信號(hào)是常規(guī)耦合方法采集的。由圖3、圖4可以看出，無論淺層還是深層反射資料，新耦合模式所接收的信號(hào)分辨率都較高，而且，波形比較自然，基本上沒有畸變，表明所接收信號(hào)的信噪比也是比較高的。
由圖5、圖6對(duì)比可以看出，以-15dB所對(duì)應(yīng)的頻帶來分析，新耦合方法要比常規(guī)耦合方法接收的淺層信號(hào)頻帶寬度高出10Hz左右；由圖7、圖8對(duì)比可以看出，新耦合方法采集的深層信號(hào)優(yōu)勢頻帶比常規(guī)耦合方法高出5Hz左右。表明新耦合方法所接收地震反射信號(hào)的頻帶寬，分辨率高。
在圖9中，左邊對(duì)應(yīng)新耦合方法采集的，右邊對(duì)應(yīng)常規(guī)耦合方法采集的。在圖10中，左邊對(duì)應(yīng)新耦合方法采集的，右邊對(duì)應(yīng)常規(guī)耦合方法采集的。由圖9、圖10可以看出，無論是淺層還是深層反射信號(hào)，新耦合方法所接收信號(hào)的能量都比常規(guī)耦合方式的高，表明新耦合模式檢測地震反射信號(hào)的能力較強(qiáng)。
綜上來看，新的耦合方法比常規(guī)耦合方式提高了檢波器-灰?guī)r的耦合效果，所接收的地震信號(hào)無論在能量上還是在頻率上都有明顯的優(yōu)勢，提高了灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)的檢測能力。
權(quán)利要求
1.一種提高灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)檢測能力的檢波器耦合方法，其特征在于包括如下步驟
1)檢波器圓盤尾錐的設(shè)計(jì)
利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰?guī)r耦合在一起，這種情況下檢波器-灰?guī)r耦合系統(tǒng)響應(yīng)主要受到尾錐與石膏所構(gòu)成的諧振系統(tǒng)的影響，尾錐與石膏諧振系統(tǒng)的固有頻率f跟檢波器尾錐的密度ρg、底半徑Rg和高度h、系統(tǒng)剛度系數(shù)k有關(guān)，其關(guān)系式為，
剛度系數(shù)k為主要與尾錐、石膏之間的接觸剛度有關(guān)，是組合彈性模量E、檢波器尾錐底面粗糙度D、尾錐半徑Rg、尾錐高度h、尾錐密度ρg的函數(shù)，可表示為，
k2＝φ(E，D，Rg，h，ρg) (2)
檢波器尾錐材料為鐵質(zhì)，因此其密度ρg等于7800Kg/m3，底面粗糙度等于10-11，檢波器底面半徑給定為2cm，鐵質(zhì)圓盤尾錐與石膏的組合彈性模量等于2×109，如果固有頻率f≥500Hz，那么檢波器-灰?guī)r耦合效應(yīng)對(duì)地震信號(hào)的影響就大大降低了，利用公式(1)、公式(2)計(jì)算出尾錐高度h≤1cm，考慮到機(jī)床等加工設(shè)備的加工能力，檢波器圓盤尾錐的高度取為1cm；
2)檢波器圓盤尾錐的制作
選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質(zhì)材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然后截取一個(gè)1cm厚的圓盤，利用機(jī)床設(shè)備加工出檢波器圓盤尾錐；
3)檢波器的耦合
首先把常規(guī)檢波器鐵質(zhì)尖尾錐取下來，然后把檢波器圓盤尾錐的中心螺絲緊緊的擰到檢波器外殼上；野外施工時(shí)，將石膏粉用水進(jìn)行稀釋，并進(jìn)行攪拌至糊狀，然后將灰?guī)r出露區(qū)灰?guī)r地表的雜物清理干凈，以便石膏與灰?guī)r地表能夠很好的粘連在一起，將稀釋后的石膏均勻的放在灰?guī)r上，最后將帶有圓盤尾錐的檢波器牢牢地垂直放在石膏上，并稍微壓一下，讓兩者緊密地接觸在一起。等石膏凝固后，即可進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的采集接收。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高灰?guī)r出露區(qū)地震信號(hào)檢測能力的檢波器耦合方法。它是考慮到檢波器尾錐的密度、底面積、表面粗糙度等物性參數(shù)，利用檢波器耦合振動(dòng)系統(tǒng)理論通過調(diào)整尾錐的幾何參數(shù)來進(jìn)行檢波器耦合系統(tǒng)諧振頻率的計(jì)算。然后，通過對(duì)比分析理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)出檢波器尾錐的最佳接收參數(shù)。之后，根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)的最佳接收參數(shù)進(jìn)行檢波器尾錐的制作。最后，利用特制的檢波器尾錐和石膏進(jìn)行檢波器與灰?guī)r地表的耦合，進(jìn)行地震數(shù)據(jù)的接收。本發(fā)明使得所接收的地震信號(hào)無論在能量上還是在優(yōu)勢頻帶上都要優(yōu)于常規(guī)耦合方式，提高了灰?guī)r出露區(qū)地震數(shù)據(jù)的接收品質(zhì)，解決了我國南方海相碳酸鹽巖地區(qū)地震采集中檢波器耦合效果不好的難題。
文檔編號(hào)G01V1/18GK101672924SQ20091015369
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者石戰(zhàn)結(jié), 鋼 田, 沈洪壘, 尹喜玲 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)