可控震源采集技术.docx

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可控震源采集技术

摘要

地震勘探就是利用仪器检测、记录人工激发地震的反射波、折射波的传播时间、振幅、波形等，从而分析判断地层界面、岩土性质、地质构造的一种地球物理勘探方法。

对地震采集来说，人工激发震源和接收是地震采集的重要环节。

可控震源的历史可以追溯到上世纪50年代。

美国一些石油公司开始出现以连续震动为特征的非爆炸地面震源的可控震源雏形。

由此开始了可控震源的先河。

同炸药震源相比，利用可控震源进行地震勘探施工其主要优点表现为：

①可控震源所产生的地震信号特性已知，信号频谱和信号幅度在一定范围内可控，从地震信号激发角度而言，改善地震资料品质潜力较大。

而炸药震源所产生的地震信号未知且信号频谱难于控制，对改善地震资料品质不利。

②由于使用可控震源进行地震勘探时，必须对震源原始资料进行相关处理，而相关处理对信号具有较强的滤波作用，因此可控震源相关记录能够压制一些环境噪声影响，震源相关记录具有较高的信噪比。

而使用炸药震源时，地震资料则对环境噪声（如车辆人员行走，风﹑工业振动及天电干扰等）很敏感，容易在地震记录中引入环境噪声干扰。

③可控震源的绝大部分能量都将用于产生传入大地的地震弹性波，对环境的破坏和影响远小于炸药震源，可在城市，居民区和其它一些禁炮区使用。

而炸药震源在爆炸时所产生的巨大能量中只有很小一部分能量用于产生地震波，其中相当一部分能量都用于破碎岩石，因此使用炸药震源对环境保护不利且受到使用区域的限制。

④在干旱缺水和钻井困难地区使用可控震源进行地震勘探时，施工效率高，成本低。

由于可控震源具有效率高、成本低的优点，在许多国家都得到了广泛的应用。

对可控震源技术发展的研究，能让我们站在物探技术的前沿，有利于我们把握物探技术的发展方向。

关键词：

地震勘探可控震源发展方向高效低成本

Abstract

Seismicsurveyisonekindofexplorationmethods,whichcouldgetlayerinterface,lithologyandstructureinformationthroughanalyzingthespreadingtime,amplitudeandwaveformofreflectionwavewhichisfromartificialsourceandrecordingbyspecialinstrument.Forseismic,twokeypointsaresourceandreceive.ThehistoryfoVibratorcoulddatefromthe1950slastcentury.akindfonon-explosivewithfeatureofcontinousvibrationwaspracticedbysomeAmericanoilcampany.

Comparedtoexplosiveseismic,theadvantagesofVibrationseismicarefollowing.

1Asweknow,thefrequencyandamplitudeofvibratiorsingleiscontrollableinalimitedrange.soitispotentialtoenhancethequalityofseismicdata.

2Theautocorrelationwillbeusedtoprocessseismicrowdata.thisprocessplayastrongroleinfilting.sothethevibratorseismicrecordingcouldreducetheenvironmentnoise.itiseasytoachievehighS/Nratiorecording.Forexplosivesource,thedataissensitivebyenvironmentnoise,suchasvehicleandpeoplemoving,wind,etc.theenvironmentnoiseappearsontherecordingeasily.

3Mostofthevibratorsenergyspreadtotheground.thedamagetoenvironmentislessthanexplosivesource.itiscouldbeusedincity,residentialareaandsomeareaexplosivecannotbeused.Justalittlefoenergyprouctedbyexplosivebeusedtogenerateseismicwave.Mostoftheenergyisusedtodestroytherocks,sotheexplosivesourceislimitedbysomeaeraandenviromentprotecting.

4Someaerawhichislackofwateranddifficulttodrill,itwillreducethecostandenhancetheproductiontousetheVibratior

Thevibrationspreadssomanycountriesbecauseoftheadvantage,highafficiencyandlowcost.ItisusefulforustoresearchofVibrationtechnologytoholdthedevelopmentofexploration.

Keywords:

SeismicVibrationdevelopmenthigh-productionlow-cost

目录

第1章前言5

1.1立论依据及研究的目的与意义5

1.2国内外研究现状5

1.3论文的研究思路和研究内容6

1.3.1论文的研究思路6

1.3.2论文的主要研究内容6

1.4论文研究工作量及主要成果7

1.4.1论文研究工作量7

1.4.2取得的主要研究成果7

第2章可控震源采集技术的原理8

2.1可控震源与炸药震源信号特征的区别8

2.2如何生成一个有限带宽的震源信号9

2.3可控震源基本信号11

2.4相关技术13

2.5相关的实现15

2.6相关函数子波的特性17

2.7相关子波错误！

未定义书签。

2.8相关子波边叶错误！

未定义书签。

2.9可控震源相关记录的特点25

第3章可控震源的机械实现27

3.1、可控震源振动器27

3.2、可控震源出力28

3.3、液压峰值力（HPF）30

3.4、可控震源液压油路控制32

第4章可控震源采集方法分类33

4.1可控震源能力累计方法33

4.2可控震源采集方法33

4.2.1常规采集方法33

4.2.2交替扫描34

4.2.3滑动扫描34

4.2.4高保真采集37

4.2.5V1单震源采集技术38

第5章可控震源技术发展方向40

致谢41

参考文献42

第1章前言

1.1立论依据及研究的目的与意义

随着石油工业开发的深入，油气勘探目标主体，已经由构造主体转向潜伏构造和岩性圈闭，石油勘探的难度逐渐加大。

地震勘探作为一种勘探方法。

目前，已经成为最重要的勘探方法之一。

可控震源是上世纪50年代开始发展的一种地震勘探方法。

同炸药震源相比，利用可控震源进行地震勘探施工其主要优点表现为：

①可控震源所产生的地震信号特性已知，信号频谱和信号幅度在一定范围内可控，从地震信号激发角度而言，改善地震资料品质潜力较大。

而炸药震源所产生的地震信号未知且信号频谱难于控制，对改善地震资料品质不利。

②由于使用可控震源进行地震勘探时，必须对震源原始资料进行相关处理，而相关处理对信号具有较强的滤波作用，因此可控震源相关记录能够压制一些环境噪声影响，震源相关记录具有较高的信噪比。

而使用炸药震源时，地震资料则对环境噪声（如车辆人员行走，风﹑工业振动及天电干扰等）很敏感，容易在地震记录中引入环境噪声干扰。

③目前在地震勘探领域中所广泛使用的可控震源名义最大输出作用力大都为20到30吨左右，并且其输出能量大小可调。

在扫描振动时，可控震源的绝大部分能量都将用于产生传入大地的地震弹性波，对环境的破坏和影响远小于炸药震源，可在城市，居民区和其它一些禁炮区使用。

而炸药震源在爆炸时所产生的巨大能量中只有很小一部分能量用于产生地震波，其中相当一部分能量都用于破碎岩石，因此使用炸药震源对环境保护不利且受到使用区域的限制。

④在干旱缺水和钻井困难地区使用可控震源进行地震勘探时，施工效率高，成本低。

目前，在中东、非洲、中亚、美洲等国家和地区，基于安全、环保、作业效率、作业成本等因素的考虑，大多数油公司，特别是知名国际油公司，在作业条件许可的情况下，都采用可控震源作业，以降低项目风险；在国内，可控震源在北疆、吐哈、内蒙等探区也得到了广泛的应用。

因此，关注可控震源的发展，对把握未来勘探技术的发展方向有很大帮助。

1.2国内外研究现状

利用地震勘探方法进行石油勘探起源于上世纪20年代。

很长一段时期，人们都是只有采用炸药震源为激发能量。

今天炸药震源也是地震勘探中大量使用的震源类型。

由于炸药震源环境污染大，危险等问题，人们不断研究需找非爆炸震源产生地震信号。

先后出现了落地重锤、撞击式震源、空气枪、可控连续震源等多种震源，而应用最广的就是可控连续震源。

上世纪50年代初，地震勘探使用磁带记录作为数据记录媒介，使能量较低的单脉冲非爆炸震源可以以叠加的的方式，大幅提升能量，催生出现了重法重锤震源。

该震源使用车载形式，重锤质量大于300KG，利用机械装置将重锤提升到一定高度后，进行自由落体，重锤与地面撞击产生脉冲。

但由于受到重锤下落速度的限制，脉冲能量较小。

随后出现了高速撞击震源,该震源重锤质量为340KG，利用弹簧作为动力，使重锤速度达到9m/s，撞击置于地面的钢板，产生能量，进行激发。

同时，还出现了一种以压缩空气推动活塞并撞击钢板的震源。

1962年，出现了气爆震源。

平板压重100KN，将丙烷和氧气混合后引至密闭的爆炸室内，由电火花引爆，爆炸产生的能量作用于平板上，产生脉冲。

我国工程院还研制了一种电火花震源，其原理是利用液体中放电产生强力脉冲的“电水锤效应”。

用电容器组存储电能，并快速释放能量，获得较高的功率，并产生强力脉冲，在放电间隙周围产生强力脉冲，向外扩张，生成地震波。

50年代初，美国大陆石油公司连续震动信号用于地震勘探，设计制造了第一台实验性的可控震源，并于1961年开始应用于商业勘探领域。

当时震动器的形式有电动－机械振动器，液压伺服震动器等。

由于可控震源所产生的信号频谱和基本特性可以人为控制，可以在设计震源扫描信号时避开某些干扰频率，还能对地层对地震信号的吸收作用进行补偿，这是其它人工地面震源和炸药震源难于做到的。

所以利用可控震源进行地震勘探可以得到反射能量足够，信噪比和信号分辨率能够满足地质勘探需要的资料，因此在过去的几十年中可控震源技术在国内外都得到了较快发展。

无论从震源的机械液压系统和电控系统技术发展水平，还是震源野外施工方法和震源资料处理技术都已逐渐提高和日臻完善。

近些年来，为了提高地震资料的信噪比和分辨能力，国内和国外生产厂家竞相利用现代科学技术的一些最新研究成果应用于可控震源的研究，设计和开发，已生产出最大静态推力近30吨的﹑可以适应更加广泛地震勘探目的﹑可在多种地面道路行驶的宽频大吨位可控震源，出现了可以灵活控制震源传入大地地面力幅度和地面力控制方式﹑以数字自适应控制技术为基础的﹑可自动进行可控震源系统识别、安装，并能对震源实施实时的质量控制技术的电控系统，从而扩大了可控震源应用领域，促使可控震源技术得以广泛应用于国内外地震勘探施工，成为了一种重要的地震勘探设备。

1.3论文的研究思路和研究内容

1.3.1论文的研究思路

论文通过对可控震源的技术基础，发展历程和在实际项目中的应用。

通过综合分析可控震源不同采集模式的优缺点，展示可控震源技术目前发展状况和未来发展方向。

1.3.2论文的主要研究内容

以可控震源技术发展为主线，通过对可控震源技术理论和机械实现的分析，结合在不通探区，采用不通采集技术的分析，来总结可控震源技术的发展方向。

研究的内容主要包括一下几个方面：

1）可控震源采集技术的原理

通过综合研究前人资料，分析可控震源采集技术的原理基础。

2）可控震源采集技术的机械实现

在建立可控震源采集技术原理基础上，研究可控震源机械实现的基础。

3）可控震源采集方法的分类

通过分析不通可控震源采集方法在施工中的使用，分析各方法的优缺点。

4）可控震源采集技术的发展方向

针对可控震源目前存在的技术特点，推断可控震源技术未来发展方向。

1.4论文研究工作量及主要成果

1.4.1论文研究工作量

（1）完成国内外文献调研30余篇。

（2）收集4种可控震源采集方法的施工数据和资料，并进行分析对比。

（3）完成各类图件10余件，并完成2万余字论文。

1.4.2取得的主要研究成果

1、通过对可控震源采集技术的原理和发展现状的剖析，并通过不通项目为例证，揭示了可控震源采集巨大的发展前景。

2、通过对可控震源技术的现有技术缺陷的分析，预测了可控震源未来的发展趋势及可能的应用范围。

由目前流行的一般吨位，多台组合采集，逐步向大吨位，单台采集方向发展。

第2章可控震源采集技术的原理

2.1可控震源与炸药震源信号特征的区别

地震勘探中的激发源能量既可以用振幅高度集中的信号（如：

脉冲信号，通常指炸药），也可以用低振幅、长信号（如：

可控震源）产生。

炸药震源和一些用于地震勘探的地面震源，如落重震源、电火花震源和陆地气枪震源等非爆炸地面震源所产生的地震信号一样，都是作用时间很短、信号振幅能量高度集中的脉冲信号，它们都属于脉冲震源。

这种震源激发的过程可以用脉冲来表示，即：

一个振幅高度集中的信号在非常短的瞬间生成（图1-1-a），它的频谱中包含了所有的频率成分（图1-1-b）。

对于有限带宽信号而言，它只表示在有限带宽内（图1-1-c）。

在可控震源中使用的信号都为有限带宽信号，大多形如图1-d所展示的一个平坦的振幅谱（图中只有10~60Hz的频率成分）。

在时域内，震源信号幅值较低，扫描持续时间较长。

图1-c中表示了震源扫描信号经相关后得到的相关子波信号波形。

可控震源在激发信号时，要求采用均衡振幅、持续较长时间的扫描信号。

可控震源只激发地震施工中所需频带内的信号；反观炸药震源信号，虽然它的信号频带相当宽，但它所产生的其中一部分频率信号在采集过程中是不予记录的。

图2-1可控震源信号与炸药震源信号特点比较

使用可控震源和使用炸药爆炸等脉冲震源进行地震勘探，在原理上有如下几点重要的区别：

①由可控震源所产生的地震信号是延续时间较长的连续振动信号，这个信号函数基本已知，它的频率成份可以按人为需要加以改变，但其信号频率成份有限，能量有限的非周期信号。

炸药震源所产生的地震信号为持续时间很短窄脉冲信号，其信号函数不可预知，信号频谱较宽，且一次激发能量相对较强但信号频率成份难于人为控制。

②利用可控震源施工所得到的地震原始记录不能够直接辩认各反射层，需要经过与已知的参考信号进行相关处理运算，方可得到用于解释的相关记录，而使用炸药震源得到的地震记录则可直接用于解释。

但由于相关处理方法本身具有滤波作用，因此可控震源相关记录的信噪比较高。

③由于可控震源相关记录是由经相关处理后的一系列相关子波所组成，所以相关子波并不是地震信号采集质点上真实运动波形，而是可控震源原始记录与参考信号相关程度曲线，是数学运算的结果，但这种相关记录和用炸药震源所得到地震记录一样，它包含了必要的地震勘探信息，如地震波旅行时间﹑反射波信号能量强度和反射波极性等有用信息。

而利用诸如炸药震源等脉冲震源所得到的地震记录则是由一系列反射子波组成，这些反射波形则反映了采集质点处真实振动波形。

④从地震信号波形对比而言，在可控震源相关记录中的各个反射相关子波的最大波峰出现时刻对应于脉冲震源反射子波的到达时刻，即在震源相关记录上所表示的一个波达到的时间在相关子波最大值所对应时刻，而不是相关子波的“初至“，如果我们认为相关子波也有“初至”的话。

2.2如何生成一个有限带宽的震源信号

如前所述，大多数信号具有有限带宽的特征，通过傅立叶变换可以得到如图2-1-c所示的时域上的信号。

但是一般如图2-1-c所示的振幅，在时域上的信号不能应用于可控震源，可控震源在激发时要求采用均衡振幅、长时间的信号。

为了能够使如图2-1-c所示的信号用于震源的激发，必须将该信号转化为均衡振幅、长时间的有限带宽信号。

采用频率延迟算子，就可以将短脉冲信号转化为长扫描信号，如图2-2所示。

图2-2由短脉冲生成长扫描信号

实际应用过程中，采用将短延迟用于低频、将中等水平的延迟用于中间频率、将长延迟用于高频的处理方法，就会得到一个均匀振幅、视频率从低频逐渐扫到高频结束。

这个信号看起来有些类似于正弦波，在可控震源中就称之为扫描信号。

在图2-3中显示了扫描信号的合成过程。

在时间域内，通过叠加方法，可将若干个单频信号构成一个扫频信号；在信号幅值方面，通过叠加方法，可将若干个单频信号构成一个类似“脉冲”（相关子波）的信号。

各种不同频率成分、具有相同相位的正弦信号迭加后成为图2-3-a中的信号，经过不同的延迟算子迭加后，成为图2-3-b中的扫描信号。

a

b

图2-3频率延迟函数

采用频率延迟算子，能将短脉冲信号转化为一个长扫描信号。

若将高振幅的脉冲信号展开成均匀低振幅、持续时间较长的扫描信号后，其信号总能量保持不变。

因此，可控震源只是一个低振幅的信号激发源，而不是低能量的激发源。

2.3可控震源基本信号

在利用可控震源进行地震勘探中，要求采用可控震源机械-液压系统能够响应并能物理可实现，即信号频率宽度有限，其最低频率大于可控震源振动器所能激发信号的最低频率；最高频率不能超出振动器所能激发信号频率的上限，并且震源所激发信号的频带应在大地可以传输信号通频带内的信号，且信号具有良好分辨率的零相位相关子波。

这类信号的振幅应为均衡振幅，且在时域内持续一定时间的连续振动信号，这种信号的振幅和频率都要是时间的函数，我们称这样的信号为扫描信号，也称扫频信号。

其中应用较为广泛的就是线性扫描信号，这种信号具有相对稳定的振幅，信号频率随时间表呈线性变化，它的数学表达式为：

S（t）＝A（t）Sin［2π×（F1t±kt2）/2］0≤t≤TD

（1）

[1+Cosπ（t/T1+1）]/2，0≤t＜T1

A（t）＝1T1≤t＜TD-T1

（2）

[1+Cosπ（1+（TD-t）/T1]/2，TD-T1≤t≤TD

式中，A（t）为扫描信号S（t）的振幅包络函数，扫描信号在开始和结束时时，信号幅度有一逐渐变化的部分称为过渡带或斜坡，T1称为斜坡长度。

F1为扫描信号的起始频率，即为震源开始扫描振动时的瞬时频率，k称为扫描信号频率变化率，简称为扫描速率，它表示单位时间内扫描信号频率的变化，TD为扫描信号持续时间，TD为扫描振动持续时间，称为扫描长度，式

（1）中若取正号时，则扫描瞬时频率随时间的增长而升高，这种扫描称为升频扫描；若取负号，则扫描瞬时频率随时间的增加而降低，称为降频扫描；如图2-4所示。

图2－4线性升频和降频扫描信号（a）升频扫描信号；（b）降频扫描信号

有关线性扫描信号物理量的几个定义：

图2－5扫描信号的几个物理量

⑴扫描信号终了频率F2：

它为扫描信号结束瞬间，即t＝TD时扫描信号的瞬时频率，可表示为：

F2＝F1＋kTD（3）

⑵扫描信号平均频率F0：

它为t＝TD/2时扫描信号瞬时频率，也称为扫描中心频率，可表示为：

F0＝（F1＋F2）/2（4）

⑶扫描信号最低频率FL和最高频率FH：

对于升频扫描：

FL＝F1，FH＝F2；对于降频扫描：

FL＝F2，FH＝F1。

⑷绝对频带宽度Δ：

绝对频带宽度定义为扫描信号最高频率FH与最低频率FL的差，表示为：

Δ＝FH-FL（5）

对于升频扫描，Δ＝F2-F1；（6）

对于降频扫描，Δ＝F1-F2；（7）

⑸相对频带宽度R：

相对频带宽定义为扫描信号最高频率FH与最低频率FL之比，即：

R＝FH／FL（8）

对于升频扫描信号，R＝F2／F1（9）

对于降频扫描信号，R＝F1／F2（10）

在实际应用中，通常用扫描信号最高频率FH与最低频率FL之比的倍频程ROCT表示相对频带宽度，因此有：

ROCT＝log2（FH／FL）（11）

或可表示为：

ROCT＝（lg（FH／FL））/lg2（12）

⑹扫描信号瞬时频率f（t）：

扫描信号瞬时频率定义为在扫描期间，任意瞬时信号的频率，它可表示为：

f（t）＝F1±kt0≤t≤TD（13）

式中若取正号时为升频扫描，取负号则为降频扫描。

线性扫描信号在地震勘探中得到广泛应用是由于线性扫描信号的自相关子波形状接近于雷克子波，此外，在实际应用中，线性扫描信号的参数设计和调整比较简单方便，可控震源机械-液压系统易于响应实现。

2.4相关技术

可控震源的连续扫描振动技术之所以能够在地震勘探领域中取得成功，一个重要的原因就是对可控震源地震数据相关分析技术的应用。

一张炸药记录是由以直达波、反射波、折射波和其它信号波经各种传播途径到达检波器构成。

这些信号幅值各异，相位和极性不同的信号在被检波器接收到之后，形成最终记录。

地震信号记录表明了有许多信号由反射产生，这些信号在速度上会有所差别。

地层与地层间波传播速度的不同，以及地层密度的差异会使地层形成具有一个反射层，且不同的反射层将具有不同的反射系数。

可控震源为了产生足够能量的地震波信号，需采用长时间扫描振动，这个扫描时间往往比最深目的层的反射时间还要长。

所以，从各个地层反射回来的信号就会重叠干扰，形成很复杂的波形，如图2-6所示。

图中第1道表示地层反射特性曲线，第2道为传入大地的可控震源信号，第3、4、5道分别表示几个地层反射信号。

这些反射信号在时间上相互重叠、干涉后形成如图中第6道所示曲线，这就是可控震源原始记录。

显然，这样的记录无法用于解释。

若将可控震源原始记录变为可用于解释的、类似于炸药震源的记录，将淹没在相互干涉信号中震源反射信号恢复出来，就需对可控震源原始记录做相关处理。

图2-6可控震源相关记录形成示意图

当使用连续振动方法进行地震勘探时，只要扫描信号中所包含的信号频率成分能被可控震源送入大地，并进行波的传播和反射，则由检波器接收到的连续振动信号与扫描信号相关后，将会产生一个含有与原来扫描信号相同频率，相同极性以及与炸药脉冲信号幅值相对应的相关子波。

这是可控震源施工方法的最大优点之一，这