專利名稱：使用提供復(fù)合掃描的地震振動(dòng)源的地球物理勘探系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)具有一個(gè)地震源的地球物理勘探系統(tǒng)，上述地震源在一個(gè)多倍頻程頻段上提供一種復(fù)合掃描(composite sweep)。根據(jù)本發(fā)明提供的復(fù)合掃描，是一種正弦或連續(xù)波(CW)信號(hào)的調(diào)頻(FM)掃描，它在相同的時(shí)間間隔內(nèi)，掃過頻段中的不同部分。本發(fā)明所提供的系統(tǒng)可以在海洋環(huán)境中或在陸地上使用，并能產(chǎn)生足夠功率的聲發(fā)射使之進(jìn)入地層，以便在所希望的深度上詳細(xì)描述該地層的各種地球物理特性，通常用于證實(shí)石油油田的存在。
通常由在一個(gè)頻段上的多個(gè)頻率的調(diào)頻掃描來提供用于地球物理勘探的各種聲發(fā)射，上述頻段從一個(gè)低頻開始延伸，并且典型地覆蓋著3到6個(gè)倍頻程。這種掃描可以具有10秒量級(jí)(例如從5秒到20秒)的持續(xù)時(shí)間，并且通常隨著勘探平臺(tái)在地面上移動(dòng)，或隨著裝有聲發(fā)射系統(tǒng)的船只沿著一條勘探線行進(jìn)而重復(fù)著。在海洋環(huán)境的情況下，用一個(gè)水中聽音器來接收來自地層的聲反射，或者在陸地勘探的情況下，用土中聽音器來接收?？梢允褂糜蛇@樣的水中聽音器或土中聽音器組成的陣列。信號(hào)被記錄下來并且借助于相關(guān)處理進(jìn)行分析，并由此產(chǎn)生描述該地層的地震波圖。由于聲波在地層中的深度穿透力，使得在(聲)發(fā)射中各低頻成分變得很重要，而在分辨具有不同信號(hào)傳播特性的地層之間的諸界面時(shí)，各高頻成分則顯得很重要。
已經(jīng)提出了使用帶寬中的不同部分的不同源的各種地震振動(dòng)源。詳見1981年10月13日授予Mifsud的美國專利第4,295,213號(hào)以及1989年4月18日授予Ward的美國專利第4,823,326號(hào)。還已經(jīng)提出了在連續(xù)的時(shí)間增量中連續(xù)地發(fā)射頻段中的各不同部分。詳見1977年1月18日授予Mayne的美國專利第4,004,267號(hào)。還已經(jīng)提出了，為了從已經(jīng)連續(xù)地被發(fā)射的諸離散掃描信號(hào)所需的時(shí)間中縮短掃描時(shí)間，將這些信號(hào)作為一個(gè)組合信號(hào)，在相同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行發(fā)射。然而，尚無調(diào)整諸信號(hào)的振幅、以便提供一個(gè)被發(fā)射能量的平坦的頻譜，即，產(chǎn)生一個(gè)恒定振幅的聲壓或頻譜聲級(jí)這樣的先例。而且，每一個(gè)頻譜成分都已經(jīng)被單獨(dú)地處理，并且不是作為延伸于整個(gè)頻帶的一個(gè)復(fù)合信號(hào)來處理。
當(dāng)一次掃描已經(jīng)延伸于一個(gè)寬頻帶之上并且產(chǎn)生于一個(gè)單獨(dú)源之中時(shí)，或者當(dāng)各單獨(dú)的源已經(jīng)被用于各低頻率時(shí)，這些源都已經(jīng)納入了能在大的沖程上產(chǎn)生振動(dòng)的大型輻射活塞(輻射器)。為了在掃描過程中保持一個(gè)恒定的聲學(xué)能流密度，已經(jīng)對(duì)該源提出了處理運(yùn)動(dòng)的大的物理振幅、以便覆蓋該頻帶的各低頻成分的能力的需求。還需要投入更大的功率以便在各低頻率和高沖程水平上驅(qū)動(dòng)該振動(dòng)器，在液力驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)源的情況下，需要大型的泵組來處理支持大沖程的液流。
本發(fā)明的主要目標(biāo)就是提供一種改進(jìn)的地球物理勘探系統(tǒng)，特別是通過改進(jìn)其中的地震振動(dòng)源來改進(jìn)這個(gè)系統(tǒng)，使之能夠在多個(gè)倍頻程的整個(gè)頻帶上，以大致上相同的能譜(一個(gè)大致上恒定的頻譜)去發(fā)射一種復(fù)合的掃描，與此同時(shí)，顯著地降低峰值功率(在液力源的情況下還有流量要求)以及與諸源有關(guān)的設(shè)備尺寸。
本發(fā)明提供了一個(gè)振動(dòng)源，它具有一種復(fù)合掃描，能在一個(gè)給定的掃描頻率范圍以及聲學(xué)源聲級(jí)要求下使源的尺寸以及輻射器沖程最小化。在一個(gè)實(shí)施本發(fā)明的系統(tǒng)中，通過對(duì)較低的和較高的頻率掃描使用不同的振幅，來產(chǎn)生基本上恒定的能譜密度，在相同的時(shí)間間隔中，以不同的變化率(頻率的變化率)進(jìn)行掃描，以便提供復(fù)合掃描。
特別是，覆蓋著帶寬低端(大約是第1倍頻程)的掃描的振幅，相對(duì)于延伸到第1倍頻程以上掃描的振幅來說，得以降低，其降低的程度正比于較高頻率掃描的掃描速率與較低頻率掃描的掃描速率之比值的平方根。換句話說，由于掃描的周期相等，所以低頻掃描振幅被降低的倍數(shù)為較高頻率掃描的帶寬與較低頻率掃描的帶寬之比值的平方根。
人們將會(huì)理解，覆蓋著頻帶的較低的和較高的各部分的掃描可以按照相同的方向改變其頻率，即，向上或向下，或者一次掃描可以向上改變其頻率，而另一個(gè)則向下改變。在所有的情況下，由地震振動(dòng)器產(chǎn)生和發(fā)射一次復(fù)合掃描。
考察根據(jù)本發(fā)明的從5Hz延伸到200Hz的一次復(fù)合掃描的產(chǎn)生的實(shí)例。這個(gè)頻段被劃分為兩個(gè)同時(shí)運(yùn)行的掃描分量。在本例中，第1掃描分量覆蓋了最低的倍頻程，即5到10Hz，而第2掃描分量則覆蓋了從10Hz到200Hz的帶寬范圍?，F(xiàn)在，若這兩個(gè)掃描都是線性的并且在典型的10秒持續(xù)時(shí)間內(nèi)延伸，則第1掃描分量的掃描速率為5Hz-/10 SEC或每秒1/2Hz，而第2掃描分量的掃描速率為190 Hz/10SEC或每秒19Hz。由于該振動(dòng)器所發(fā)射的能譜密度正比于每單位頻率的聲壓的平方(P2/Hz)，所以不同的掃描速率需要不同的聲壓級(jí)，以便得到感興趣的相同的頻譜聲級(jí)。對(duì)于一個(gè)平坦(基本上恒定)的頻譜來說，從5Hz到10Hz的掃描分量應(yīng)當(dāng)具有一個(gè)被降低了的聲壓級(jí)，其相對(duì)于從10Hz延伸到200Hz的分量的振幅來說，降低的倍數(shù)為第2掃描帶寬與第1掃描帶寬之比值的平方根，或者190/5的平方根(或16dB)。對(duì)于一個(gè)等效的頻譜聲級(jí)來說，在復(fù)合掃描的情況下，一次從5到200Hz的單次線性掃描將需要比5到10Hz頻段高出大約16dB的頻譜振幅。
由于在從10Hz到5Hz的倍頻程內(nèi)，對(duì)于恒定的加速度來說，輻射位移的增長為12dB，通過上面的示例性的復(fù)合掃描格式所獲得的16dB的降低使得5到10Hz掃描所需的振幅小于在10到200Hz掃描的10Hz一端所需的振幅。相應(yīng)地，復(fù)合掃描使得振動(dòng)源所需最大沖程顯著地減少，由此，顯著地降低了它的尺寸、重量和輸入功率需求。同時(shí)在所需頻譜的低端保持一個(gè)恒定的頻譜聲級(jí)。各種復(fù)合掃描并不局限于兩個(gè)分量，也沒有任何一個(gè)分量需要在某一頻率范圍(例如一個(gè)倍頻程)上延伸。本發(fā)明提供了各種掃描的一個(gè)復(fù)合的集合，它能提供感興趣的能譜水平，同時(shí)使得源的尺寸、位移振幅以及電源(例如，對(duì)泵和流量的要求)得以最小化。
通過閱讀下列結(jié)合諸附圖的說明，將使本發(fā)明的上述的和其他目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)變得更為明顯。


圖1是說明一個(gè)地球物理勘探系統(tǒng)的概略圖，該系統(tǒng)具有一個(gè)由復(fù)合信號(hào)驅(qū)動(dòng)的寬帶聲信號(hào)投射器或振動(dòng)器以及一個(gè)接收通道，它處理來自土中和地層所反射的復(fù)合信號(hào)，以便產(chǎn)生地震波圖，以上所有這些都根據(jù)本發(fā)明。
圖2是表示在水中環(huán)繞振動(dòng)源的輻射器的復(fù)合掃描的頻譜聲級(jí)，并且該掃描從輻射器投射出來，以每赫茲微帕為單位，同時(shí)通過對(duì)復(fù)合信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理來獲得一個(gè)自相關(guān)函數(shù)的示意圖。
圖3是關(guān)于1種復(fù)合掃描的3個(gè)分量的相對(duì)輻射器位移的示意圖，其中低頻段掃描從5Hz延伸到14Hz，并且高頻段掃描從14Hz延伸到200Hz。這份圖示出了由于低頻段掃描分量、高頻段掃描分量以及復(fù)合掃描所引起的輻射器相對(duì)位移(各種位移都是在相同聲壓級(jí)下，相對(duì)于一個(gè)10Hz音調(diào)所需的位移來說的)。這份圖說明了持續(xù)16秒的復(fù)合掃描中的起初第1秒的部分，并且示出了針對(duì)一個(gè)給定的正比于輻射器加速度的聲壓級(jí)的輻射器相對(duì)位移，對(duì)于這個(gè)復(fù)合掃描來說，低頻段聲壓級(jí)是((14-5)/(200-14))的平方根，或者約為高頻段聲壓級(jí)的22％。由于聲壓級(jí)正比于位移的二階導(dǎo)數(shù)，所以對(duì)相同的聲壓級(jí)來說，5Hz時(shí)的輻射器位移將是14Hz時(shí)位移的784％。復(fù)合掃描允許低頻段位移減少為0.22*7.84倍(譯者注似應(yīng)為“增加為0.22*7.84倍)，或者5Hz時(shí)的位移是14Hz時(shí)的位移的1.72倍。這兩種掃描隨后被疊加，其相對(duì)峰值復(fù)合位移約為1。
圖4是以每分鐘加侖為單位表示圖3所示的整個(gè)16秒掃描間隔內(nèi)的流量的示意圖。
圖5是一條曲線，表示一次單獨(dú)的16秒線性調(diào)頻(LFM)掃描的流量與時(shí)間的關(guān)系，該掃描延伸于與圖3和圖4所示的諸掃描相同的頻段上，即，從5到200Hz。圖5通過跟圖4進(jìn)行比較，示出了從5到200Hz的一次16秒鐘的單次掃描的峰值流量與根據(jù)本發(fā)明的用于地球物理勘探系統(tǒng)的、產(chǎn)生相同頻譜能量的一次復(fù)合掃描的峰值流量相比，前者大于后者的150％。以上諸圖說明，為了處理流量以及為提供相同的頻譜能量所需的較大沖程，一個(gè)單獨(dú)的掃描源在物理上應(yīng)當(dāng)是較大的和較重的。
圖6A和B分別說明類似于圖3和4的曲線，表明當(dāng)高頻段掃描的掃描方向被倒置時(shí)的結(jié)果。這里的復(fù)合掃描是針對(duì)一次5到14Hz的掃描以及一次200到14Hz的掃描。這次掃描的峰值流量和位移均好于前面的復(fù)合掃描。(對(duì)于位移圖來說，高頻段的振幅是如此之低，使得復(fù)合的以及低頻段的位移差不多相同并且互相重疊。)參看圖1，圖中示出了一個(gè)低頻段掃描發(fā)生器10以及一個(gè)高頻段掃描發(fā)生器20，它們產(chǎn)生高頻段和低頻段掃描，其振幅跟低頻段掃描帶寬與高頻段掃描帶寬之比值的平方根，或高頻段掃描的掃描速率與低頻段掃描的掃描速率之比值的平方根有關(guān)。這兩種掃描都是正弦掃描，并且，例如，可以如圖3所示以相同的向上的方向進(jìn)行掃描，或者如圖6所示，以相反的方向進(jìn)行掃描。通過來自源12的一個(gè)掃描開始信號(hào)，這兩種掃描都在相同的時(shí)間開始。當(dāng)掃描開始以后，就繼續(xù)一段相同的時(shí)間間隔，比方說16秒，如圖3和6所示?？梢允褂脧?到20秒的掃描間隔。
在一個(gè)求和電路14中諸掃描信號(hào)被相加。求和電路的輸出是延伸于頻段(fa到fb)從低端到高端的復(fù)制信號(hào)以及用于一個(gè)聲源30的驅(qū)動(dòng)信號(hào)兩者。這個(gè)源典型地可以是一個(gè)具有一個(gè)伺服閥32的液力源，其輸出被fa到fb復(fù)合掃描所調(diào)制，以便從一個(gè)泵34通過一個(gè)振動(dòng)器38的驅(qū)動(dòng)腔36去產(chǎn)生各種流量。這是一個(gè)液力振動(dòng)器，它具有一塊輻射板或活塞40，在海上源的情況下，它被保持于水下，在陸地源的情況下，它與地表相接觸。(能量的)發(fā)射通過水投射到陸地上或者直接進(jìn)入陸地，并且被地球勘探系統(tǒng)的處理通道50的一個(gè)接收器42所檢出。接收器可以是一個(gè)具有適當(dāng)放大倍數(shù)的水中聽音器或土中聽音器陣列。一個(gè)相關(guān)處理器44對(duì)從土中和地層反射回來的接收信號(hào)以及復(fù)制信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算以產(chǎn)生一個(gè)輸出，最好將這個(gè)輸出記錄下來，以便提供一份關(guān)于被勘探的土地和地層的地震波圖。這樣的處理發(fā)生在復(fù)合信號(hào)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)，以便簡單地和直接地得益于復(fù)合信號(hào)。
必要時(shí)，可以通過反饋以及在業(yè)界中熟知的其他技術(shù)，對(duì)(振動(dòng))源的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。
從前面的敘述可以明顯地看出，已經(jīng)提供了一種改進(jìn)的地球物理勘探系統(tǒng)，它納入了一個(gè)用于產(chǎn)生和發(fā)射各種聲音地震信號(hào)、并且利用延伸于多個(gè)倍頻程的各頻率的復(fù)合連續(xù)波掃描的改進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)顯著地降低了對(duì)峰值功率和流量的要求，同時(shí)縮小了與地震源有關(guān)的設(shè)備尺寸。
權(quán)利要求
1.一種用于地球物理勘探的、在一個(gè)多倍頻程頻段上產(chǎn)生各種聲學(xué)信號(hào)的系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生第1和第2信號(hào)的裝置，上述第1和第2信號(hào)在振幅上按正弦規(guī)律變化，并且在相同的時(shí)間間隔內(nèi)在所述頻段的較低的和較高的各部分分別地進(jìn)行掃描，并且它們的頻譜幅度與它們?cè)谄渖线M(jìn)行掃描的帶寬部分成正比，還包括用于將所述諸信號(hào)組合在一起以提供一組復(fù)合掃描信號(hào)的裝置，以及響應(yīng)于所述諸組合信號(hào)、用于產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于所述復(fù)合掃描信號(hào)、在所述頻段內(nèi)具有大體上恒定的頻譜聲級(jí)的聲學(xué)信號(hào)的裝置。
2.一個(gè)用于地球物理勘探的系統(tǒng)，包括一個(gè)聲學(xué)源，用于直接地向地層投射按正弦規(guī)律變化的各種聲學(xué)振動(dòng)信號(hào)，或者當(dāng)所述地層是處于海洋環(huán)境之中時(shí)，經(jīng)過海水投射到所述地層，所述源包括用于產(chǎn)生第1和第2諸信號(hào)的裝置，上述第1和第2諸信號(hào)在振幅上按正弦規(guī)律變化，并且在相同的時(shí)間間隔內(nèi)在所述頻段的較低的和較高的各部分分別地進(jìn)行掃描，并且它們的頻譜幅度與它們?cè)谄渖线M(jìn)行掃描的帶寬部分成正比，還包括用于將所述諸信號(hào)組合在一起以提供一組復(fù)合掃描信號(hào)的裝置，以及響應(yīng)于所述諸組合信號(hào)、用于產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于所述復(fù)合掃描信號(hào)、在所述頻段內(nèi)具有大體上恒定的頻譜水平的聲學(xué)信號(hào)的裝置，用于向所述地層發(fā)射所述聲學(xué)信號(hào)的裝置，經(jīng)過在所述地層中傳播之后、檢出所述聲學(xué)信號(hào)的裝置，通過跟所述發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算、對(duì)所述檢出信號(hào)進(jìn)行處理、以提供被探測地層的諸地震波圖的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述第1和第2信號(hào)的頻率在所述時(shí)間間隔內(nèi)線性地變化，并且第1信號(hào)的頻譜幅度相對(duì)于第2信號(hào)的頻譜幅度有所降低，所降低的倍數(shù)為在所述(時(shí)間)間隔內(nèi)，所述第2信號(hào)頻率的變化率與所述第1信號(hào)頻率的變化率之比值的平方根。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述第1部分大約是所述頻段的一個(gè)倍頻程，并且第2部分是在所述大約1個(gè)倍頻程之上的所述帶寬的其余部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，其中所述第1和第2信號(hào)中的一個(gè)在頻率上以一種向上的方向進(jìn)行掃描，而另一個(gè)則以一種向下的方向進(jìn)行掃描。
全文摘要
一種用于地球物理勘探的系統(tǒng)使用一個(gè)單獨(dú)的(振動(dòng))源(30),它在多個(gè)倍頻程之上發(fā)射各種信號(hào)。該(振動(dòng))源由一個(gè)具有兩種或多種掃描的復(fù)合掃描信號(hào)來驅(qū)動(dòng),諸掃描中的一種覆蓋著較低的倍頻程(10),而其他掃描則覆蓋著帶寬的其余部分。在掃描(頻率)以線性規(guī)律隨時(shí)間而變化的情況下,覆蓋著較低部分的諸信號(hào)(的幅度)得以降低,所降低的倍數(shù)為覆蓋著高端的諸信號(hào)的掃描速率與覆蓋著低端的諸信號(hào)的掃描速率之比值的平方根。諸信號(hào)被同時(shí)發(fā)射。由于復(fù)合掃描,使得被發(fā)射的能譜相同于延伸于整個(gè)頻段的一個(gè)正弦波掃描,同時(shí)在低頻段為保持一個(gè)平坦的頻譜所需的峰值功率以及輻射器位移得以降低。設(shè)備的尺寸也得以減少。
文檔編號(hào)G01V1/00GK1244260SQ97181284
公開日2000年2月9日 申請(qǐng)日期1997年10月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月7日
發(fā)明者約漢·V·布尤庫斯, 大衛(wèi)·P·霍林格爾 申請(qǐng)人:液壓聲學(xué)公司