同時進行多次地震振動勘測的方法

專利名稱:同時進行多次地震振動勘測的方法
本發明一般涉及地震勘探，具體則提出一種進行地震勘探的方法。
為了確定地球內部反射界面的位置，需要通過地面發射一些地震信號，這些信號經地下界面反射之后，可被探測到并記錄下來。由信號發射到被界面反射并探測到的時間間隔，給出信號穿透地面往返行程所用的時間，這段時間可以用來確定界面的位置。
在地震勘探中，地震振動器的使用已相當普遍。典型的做法是用幾個振動器，在地震頻率范圍內，發射一個長的掃描頻率信號。發射的信號(在地球內部反射和折射之后)由以一定間距布設的檢測器接收，接收到的信號與發射的掃描頻率信號交叉相關。這一操作產生一個地震記錄，然后利用眾所周知的技術對記錄進行處理，使之成為地球截面的一種描述。
為了增加發射到大地中的能量，在一個特定的地震勘探中可以使用三個振動器。這是很典型的做法。三個振動器都放在基本相同的位置上并通過控制使之同時發射一種信號。雖然可以使用三個振動器，但僅能進行一次勘測。在很多情況下，特別是在進行三維勘探時，同時進行多種勘測將是經濟的。然而，為了在同一時間、在大體上同一地點進行多次勘測，則需要設法能把記錄信號中由一個振動源發射的信號和其他振動源發射的信號區別開來。“振動源”一詞既指單個振動器，又指在大體相同的位置上受控發射相同信號的幾個振動器。
在1975年5月20日發給恩斯梯(Anstey)等人的美國3885225號專利中披露了一種同時進行多種勘測的方法。此方法將掃描頻率地震信號分解為幾個組成部分。例如，如果希望在10到46赫茲的頻率范圍內發射信號，該頻率范圍可分解成10到22赫茲、22到34赫茲、34到46赫茲三個波段。使用三個不同的振動源，每個振動源同時發射三個頻率波段中各不相同的一個信號。因此，如果第一個振動器發射10到22赫茲范圍內的信號，第二個振動器一定在發射22到34赫茲范圍內的能量，第三個振動器則在發射34到46赫茲范圍內的能量。從所有這三個源發射的能量，都由相同的地聲器檢測并記錄下來。然而，當這個記錄的信號與頻率范圍為10～22赫茲的第一個振動器發射的信號交叉相關時，從第二個和第三個振動器發射的頻率范圍為22赫茲到34赫茲及34赫茲到46赫茲的信號將基本上從交叉相關記錄中消除。同樣，接收到的信號也與第二個振動器發射的頻率為22到34赫茲的信號及第三個振動器發射的頻率為34到46赫茲的信號交叉相關。
在最初的頻率波段進入地球內部之后，對所有三個振動器的控制信號即互相交換，例如，1號振動源換成發射頻率為22到34赫茲的能量，3號振動器發射頻率為10到22赫茲的能量，2號振動器發射頻率為34到46赫茲的能量。接著做另一次掃描，使振動器1變成發射頻率為34到46赫茲的能量，振動器2發射頻率為10到22赫茲的能量，振動器3發射頻率為22到34赫茲的能量。在每一種情況下，記錄到的信號都分別與每個振動器發射的信號交叉相關，以便與其他振動器發射出的能量區別。因此，在三次發射之后，對于這三個振動器的每一個來說，都將獲得一個覆蓋整個想要的10赫茲到46赫茲頻率范圍能量的交叉相關記錄。然后，將與每個振動器相對應的三個交叉相關記錄疊存起來。這個方法的缺點是為了產生所期望的頻率范圍內的信號，必須分別做三次掃描。由于在每次掃描后都需要一個“監聽”時間以使能量由所要了解的最緊地層返回地面，因此，與另一種情況相比較，即如果使每個振動器都能不停止地掃描整個感興趣的頻率范圍，使用這一方法就顯得有點慢了。
1981年10月3日發給Mifsud的美國第4295213號專利也表明了同時發射幾個頻率范圍不同的地震信號的可能性。然而，它的目的在于當進行單個勘測時，對不同的頻帶段交替使用向上掃描和向下掃描。此發明的目的在于用一個被分解成段的掃描做為減小測量中相關噪聲的手段而不是同時進行多個測量。
在公開號為0122824的歐洲專利申請及相應的編號為AU-A-25893/84的澳大利亞專利申請中披露了一種方法，用它可以同時進行兩種勘測。此方法是兩個振動源同時分別發射各自的信號。兩個振動器中的第一個連續發射一種相同的信號、第二個振動器也連續發射一種信號，除了在交替發射期間發射的信號具有反相之外，這種信號在每次發射期間也是相同的。在接收到的這些發射信號記錄下來后，即將連續的信號對加在一起。可以看到，當兩個這樣記錄的信號相加時，第一個振動源發射的能量將加在一起，但第二個振動源發射的能量由于具有交替的反相，因而將基本上從記錄中清除。這兩個信號也做第二次求和。但是，在做第二次求和之前，這對信號中被記錄的第二個信號倒相。現在的結果是由第一個振動源發射的信號有相反的相位，第二個振動源發射的信號有相同的相位。這樣的一對信號求和之后，第一個振動源發射的信號將基本上被除掉，從第二個振動源發射的信號將加在一起。當然，這種簡單的處理方法對僅僅僅使用兩個振動源的情況來說還是可用的。
另一方面，這兩個振動源也可以連續地發射相同的信號。其中一個振動器從低頻端向高頻掃描，另一個振動源從高頻端向低頻掃描。然而，使用這種方法會在兩個發射信號之間產生串擾。請參閱R.Gorotta寫的“幾條可控振動源地震測線(Vibroseis)的同時記錄”，1983年，地球物理勘探學會文摘以及“幾條可控振動源地震測線的同時記錄”，法國通用地球物理公司技術叢書第531.83.07號。
使用偽隨機編碼同時完成多重地震勘測的建議也已經提出。參閱“可控振動源技術中的信號設計”，Pierre L.Goupilland在1974年11月12日第44屆國際地球物理勘探學會年會上提出的報告。該方法是由不同的源發射一組基本上相互垂直(非相關)的偽隨機信號。當包含各個源發射信號的記錄信號與一個被選出的發射出來的信號相關時，從其他源發射的信號就基本上被除掉。然而，用地震振動器產生上述信號是困難的。一般說來，振動器僅能發射可以隨時間“掃描”的正弦波。
本發明是一種可以用來在基本相同的位置上同時進行多重地震振動勘測的方法。
根據本發明，可有一組與所進行的地震勘測數相等的振動源向地下發射信號。在第一次發射完成之后，再進行一些附加的發射，附加發射中由不同振動源發射的信號可有選擇地進行相移。相位相互關系的數目與振動源的數目相等。從每個振動源發射地震信號的相位是經過選擇的，這樣可使每個振動源發射的信號都能由數據處理系統復原。
檢測到的由各次同時發射產生的信號分別與發射期間每個振動源發射的信號相關。然后，對由檢測到的信號與從各個振動源發射的信號的相互關聯而產生的這些相關信號進行求和或加以“疊存”。這種疊存產生一些記錄，在這些記錄中，從每個振動源發射的地震信號是與從其他振動源發射的信號分開的。
在實施本發明時，如果每個振動源發射的波形的相位象前面所說的那樣變化，每個振動源都可以發射與之相同的波形。也可以由不同的振動源發射完全不同的波形。每個波形還可以有不同的持續時間。
對于n個源要選擇n個相位角，這樣可使具有與前述所選相位角不同的相位角相對應的n個矢量的矢量和該n個矢量中的對于等長度的矢量來說基本上為零。在n個(或n的倍數)信號發射期間，每個振動源發射信號波形的初始或偏移相位在所選擇的n個相位角之間變化，這樣可使每個振動源發射的信號都能夠與其他振動源發射的信號分開。
圖1和圖2給出使用本發明完成一次三維勘測的示意圖。
圖3為實施本發明時可以使用的野外電子設備簡圖。
圖4為利用本發明完成一次垂直地震剖面(VSP)勘測的示意圖。
這里只一般描述本發明在大地勘測方面應用的情況。但它是可以用于大地及海洋地震勘探的。在利用振動器進行地震勘測時，典型的做法是同時開動2個或3個振動器以便把同樣的信號發射到地球內。在本文中，振動源一詞包含著一個單個的振動器或者協調開動以發射基本上相同的信號的一組振動器這兩層意思。
本發明是在基本相同的位置上同時進行幾次地震勘測的一種方法。為了進行幾次地震勘測，需要用n個振動源，而且所有這n個振動源都要向地球內發射n次掃描(或幾倍于n次的掃描)以形成一個序列。在最佳情況下，發射到地球內的信號一般可用下式表示S＝ASin〔φ(+)+φ0〕其中(+)是時間函數，0表示初始相位。
在一個序列的每次發射期間，由每個振動源發射的信號的初始相位，可根據下列公式選擇φ0＝ (360°(s-1)(v-1))/(n)其中φ0＝初始相位s＝掃描數v＝振動源數n＝振動源總數相移與頻率無關，因此，初始相位將在整個給定的掃描中出現并可適當地視作偏移相位。
上述公式可用于任意奇數個或偶數個振動源。如果使用偶數個振動源，也可以選擇其他的相位角。對于偶數個源來說，僅僅要求在任何一個給定的相位選擇時，都必須選擇超出給定相位角180°的相位角。然而，為了使信號之間可能產生的干擾減到最小，最好選擇具有最大角距的相位角。
對于偶數個振動源來說，在連續發射期間，振動源發射的信號的初始相位可以如下選擇在n個相位角選定之后，可將之設為相位0、相位1、相位2，…相位(n-1)。相位角的大小隨相位角號數的增加而陸續增加。因此，每個振動源每次發射的相位數可由下面的公式選擇相位數＝(s-1)(v-1)-an其中s＝掃描數v＝振動源數n＝振動源總數a是為實現下式而選擇的數0≤〔(s-1)(v-1)-an〕≤n使用四個振動源并利用下述公式進行四次振動勘測時，φ0＝ (360°(s-1)(v-1))/(n)在四次連操發射(或掃描)期間，四個振動源產生的信號的偏移相位如下掃描1 掃描2 掃描3 掃描4振動器1 0° 0° 0° 0°振動器2 0° 90° 180° 270°振動器3 0° 180° 0° 180°振動器4 0° 270° 180° 90°使用僅可用于偶數個振動源的第二種辦法時的相位選擇如下相位0＝0°相位1＝60°
相位2＝180°相位3＝240°在四次掃描期間發射的信號的偏移相位如下掃描1 掃描2 掃描3 掃描4振動器1 0° 0° 0° 0°振動器2 0° 60° 180° 240°振動器3 0° 180° 0° 180°振動器4 0° 240° 180° 60°根據本方法，在進行一次地震勘測時，經過選定數目的振動源(圖1中以V1，V2，V3，V4表示)可在橫向隔開的位置上排成一行向前推進。這個橫向間隔一般可以是大約50米。第一次發射是在初始位置12上進行的，然后這些振動器可以向前推進到下一個位置12，該位置距初始位置約10米，在此位置上按本文所說判據推進的發射信號相移做第二次發射。然后，被不斷向前推進振動器，而且，信號的相位也有選擇地移動，直到完成一個序列為止。其后，發射序列將在下一個振動器位置重復一遍。在此方法中，顯然可能有一些變化。例如，一個給定的掃描可以重復任意需要的次數，但在一個序列中每一掃描也需是重復同樣的次數。在每個位置上可以發射多個掃描。如圖1所示，振動器可以沿著地聲檢波器布設線G的任何一側推進。
如圖2所示，地震能量從地表面10向下傳播，直到到達一個反射界面，例如，界面16為止。一部分能量從界面反射回地面并被檢測到。如圖2所示，對于每個源來說，能量從反射界面16的不同位置反射回地聲檢波器臺陣G。因此，四個振動源能夠同時完成四次測量。
從每個振動源來的信號與由其他振動源發射的信號分開的過程說明如下。為簡便起見，本方法僅用三個振動源進行說明，但其原理也可用于其他數目的振動源。對于三個振動源來說，三個信號(s1，s2和s3)將進入地面，它們具有的偏移相位由下述公式計算φ0＝ (360°(s-1)(v-1))/(n)掃描1 掃描2 掃描3振動器1 s1∠0° s1∠0° s1∠0°振動器2 s2∠0° s2∠120° s2∠240°振動器3 s3∠0° s3∠240° s3∠480°眾所周知，+360°或+720°的角與角相等，因此480°的角以后就表示為120°。由振動源1發射的信號設為s1，從振動源2發射的信號設為s2，從源3發射的信號設為s3。除了相位差之外這些信號可以相同，但它們也可以完全不同。不言而喻，0°是一個任意的參考點，如果在每次掃描期間由每個振動源發射的信號的相位改變相同的量，那么過程將是等同的。無需贅言，這些掃描并不需要按本文所說的順序進行，而是也可以按任何一個隨機的順序進行。
通過相互關聯和疊存過程，來自每個振動源的信號可與其他振動源發射的信號分開。例如，如果三個振動源同時發射信號，安置在這三個源附近的地聲檢波器顯然將檢測到從所有這三個源來的信號。在利用三個源實施本發明時，每個發射序列都發射三次分開的信號。如上所述，在該序列中，由三個源發射的信號的偏移相位，對于第二個和第三個發射有經過選擇的改變。對每次發射來說，從每次發射檢測到的信號分別與由每個源發射的信號相關，由此產生9個相關信號。對從檢測到的信號中的每一個信號與由每個振動源發射的信號的相關而產生的三個相關信號進行求和或“疊存”，從而產生三個疊存信號，其中，每個疊存信號基本上只包含從三個振動器中的一個振動器發出的信號。
在第一、第二和第三次掃描期間，在地聲檢波器上出現的反射信號將包含由所有的三個源發射的信號，表示如下掃描1s1∠0°+s2∠0°+s3∠0°掃描2s1∠0°+s2∠120°+s3∠240°掃描3s1∠0°+s2∠240°+s3∠120°使用三個獨立的相關器，在各掃描期間每個相關器把每個接收到的信號與由一個特定的振動源發射的信號相關。
相關器1的輸出信號是對于掃描1s1∠0°×s1∠0°+s1∠0°×s2∠0°+s1∠0°×s3∠0°對于掃描2s1∠0°×s1∠0°+s1∠0°×s2∠120°+s1∠0°×s3∠240°對于掃描3s1∠0°×s1∠0°+s1∠0°×s2∠240°+s1∠0°×s3∠120°當這三個相關信號在疊存器中相加時，從振動器1而來的信號被復原。由于相位關系，從振動器2和3來的信號基本上被取消。
同樣地，2號相關器產生的信號是對掃描1s2∠0°×s1∠0°+s2∠0°×s2∠0°+s2∠0°×s3∠0°對于掃描2s2∠120°×s1∠0°+s2∠120°×s2∠120°+s2∠120°×s3∠240°對于掃描3s2∠240°×s1∠0°+s2∠240°×s2∠240°+s2∠240°×s3∠120°而3號相關器產生的信號為對于掃描1s3∠0°×s1∠0°+s3∠0°×s2∠0°+s3∠0°×s3∠0°對于掃描2s3∠240°×s1∠0°+s3∠240°×s2∠120°+s3∠240°×s3∠240°對于掃描3s3∠120°×s1∠0°+s3∠120°×s2∠240°+s3∠120°×s3∠120°當從2號相關器來的三個相關信號“疊存”時，從振動器1和振動器3發射的信號基本上被除掉。同樣，當從3號相關器而來的三個相關信號疊存時，從振動源3發射的信號被復原。
同樣，對于任意的n次勘測(以及n個振動源)來說，n個檢測到的信號中的每一個信號都分別與振動源中每一源發射的波形相關以產生n2個相關信號。當n個相關信號疊存時，亦即對于n次發射中的每一個發射都把由振動源中的一個源所發射的信號與按收到的信號相關時，從特定的振動源來的信號就與來自其他振動源的信號分開了。
圖3給出了實施本發明時有用的野外檢測和記錄設備的一個簡圖。地聲檢波器G1的輸出信號接通到放大器R上，在這里信號可以放大并加到相關器C1，C2…Cn上。然后，相關器的輸出信號在疊存器A1，A2…An中疊存，疊存起來的輸出信號然后由大容量記錄器50作永久性記錄，這種記錄器可以是一個磁帶錄音機。沒有詳細地表示出電子檢測、處理和記錄設備，因為對本技術具有一般熟練程度的人都對它們非常了解。不言而喻，相關和疊存這兩個步驟可在數據處理中心而不是在野外進行。
除了用于二維(2D)和三維(3D)地震勘測之外，本發明的方法對VSP(垂直地震剖面)和孔下檢驗爆破記錄特別有用。在進行VSP勘測時，要給在地面上的一個地震源供能并在井孔內的選定位置嵌放一個地震儀。地震儀將記下所有向下和向上傳播的事件。然后，地震儀可下移到第二個位置，并給地震源供能以重復信號發射。這樣的記錄可以在孔深每5米間隔做一次。
在進行VSP勘測時，可能希望同時記錄多個偏移數據，同時記錄多個偏移能加快勘測速度并確保地震儀對n個偏移來說都嚴格地位于同一地點。本發明給出的方法可以用來進行這種多個偏移的記錄。例如，振動源可象圖4所示的那樣置于位置2，4和6，它們可以(例如)從距井30米延伸到距井2500米。地震能量直接從位于2、4、6位置上的振動源傳送到地震儀，地震儀可以被連接地放置在譬如井孔30中20A和20B的位置。能量也將能從諸如14那樣的地下界面反射回地震儀。在正常情況下，根據本發明給出的方法，當地震儀處于每個位置時，可以完成n個掃描(或n倍于n次的掃描)的序列。
在實施本發明時，必須使用能產生滿足不同振動器要求的、具有各種偏移相位變化的掃描信號的掃描發生器。這種發生器在技術上是人所熟知的，因而此處不予詳述。
雖然實施本發明的特定的方法和手段已在本文中作了描述并用附圖進行了說明，然而，非常清楚，已經做的一個僅僅是為了說明而已。因此，本發明涉及的范圍不局限于此，而是由附后的權利要求
確定的。
權利要求
1.在基本上相同的位置上，同時進行n次地震勘測的方法，這里n是大于2的整數。該方法包括用n個振動源，同時發射n次，n個信號。檢測由n個振動源的n次同時發射所產生的n個信號。在n個初始相位中，改變上述發射信號的初始相位，以使由n個振動源中每個源發射的信號能夠通過數據處理從n個探測到的信號中區分出來。
2.權利要求
1所述的方法，進一步包括把檢測到的每次同時發射所產生的信號與在發射期間由每個振動源發射的信號分別相關，并且，分別疊存通過每個振動源發射的信號與檢測到的每個信號相關而產生的關聯信號。
3.在權利要求
1所述的方法中，除了相位變化外，所有n個信號都是相同的。
4.權利要求
1所述的方法中，除了相位以外，上述n個信號中有一個或n個與上述n個信號中的其他信號不同。
5.權利要求
1所述的方法中，至少上述振動源中有一個包含一組振動器。
6.權利要求
1所述的方法中，每次發射產生的信號都被檢測，而且把從每個振動源發出的信號與從其他振動源發出的信號分開，方法是對于每次發射都把檢測到的每個信號與每個振動源發射的信號相關以產生n2個相關信號，并分別疊存通過檢測到的信號與每個振動源發射的信號的相關而產生的各個相關信號。
7.權利要求
1所述的方法中，信號的初始相位從n個相位角中選擇，上述經過選擇的n個相位角用以使n個矢量的矢量和對于等長度的矢量來說基本上為零。n個矢量中的每一個矢量，都具有相應于上述被選擇的相位角中不同的相位角，而且，由振動源發射的信號的初始相位在上述n個相位角之角變化。
8.權利要求
1所述的方法中，每次發射的由每個振動源發射的信號的初始相位，按下述公式計算φ0＝ (360°(S-1)(V-1))/(n)其中φ0＝信號的初始相位角S＝發射數V＝振動源數n＝振動源總數
9.權利要求
1所述的方法中，使用數個振動源，而且發射信號的初始相位從一組相位中選出。在這組相位中，對于任何一個給定的被選擇的相位角來說，也選擇超出上述給定的、被選擇相位角180°的相位角。
10.權利要求
9所述的方法中，在n次發射期間，由n個振動源發射的每個信號的初始相位按下述公式選擇相位選擇＝(S-1)(V-1)-an其中S＝發射數V＝振動源數n＝振動源總數a＝被選擇的整數，它能使0〔(S-1)(V-1)-an〕n在該方法中，相位選擇包含從0到n號的相位選擇，而且相位角大小的增加與相位選擇數的增加相對應。
11.權利要求
8所述的方法中，n＝3，初始相位角是0°、120°和240°。由每個振動源在每次發射期間發射的信號的初始相位是掃描1 掃描2 掃描3振動器1 0° 0° 0°振動器2 0° 120° 240°振動器3 0° 240° 120°
12.權利要求
8所述的方法中，n＝4初始相位角是0°、90°、180°和270°。每次發射期間由每個振動源發射的信號的初始相位是掃描1 掃描2 掃描3 掃描4振動器1 0° 0° 0° 0°振動器2 0° 90° 180° 270°振動器3 0° 180° 0° 180°振動器4 0° 270° 180° 90°
13.權利要求
8所述的方法中，n＝5，被選擇的相位角是0°、72°、144°、216°、288°。每次掃描期間由每個振動源發射的信號的初始相位是掃描1 掃描2 掃描3 掃描4 掃描5振動器1 0° 0° 0° 0° 0°振動器2 0° 72° 144° 216° 288°振動器3 0° 144° 288° 72° 216°振動器4 0° 216° 72° 288° 144°振動器5 0° 288° 216° 144° 72°
14.一種同時進行n次地震振動勘測的方法，在這里n是一個大于2的整數，其中包括(a)選擇n個相位角使得n個矢量的矢量和對于等長度的矢量來說基本上為零。n個矢量中的每個矢量具有的相位角都與上述被選擇的相位角中不同的相位角相對應。(b)用n個振動源、n個信號、同時發射n次。(c)檢測從n個信號的n次同時發射所產生的n個信號。而且，(d)在上述被選擇的相位角內，改變上述發射信號的初始相位，以使由n個振動器中的每一個振動器發射的信號都能通過數據處理從n個檢測到的信號中區分出來。
15.權利要求
14所述的方法中，對于每一個振動源、每一次掃描來說，信號的初始相位由下面公式計算φ0＝ (360°(S-1)(V-1))/(n)φ0＝相位角S＝掃描數V＝振動源數n＝振動源總數
16.權利要求
14所述的方法中，使用偶數個振動源，而且相位角如此選擇對任何給定的、被選擇的相位角來說，也選擇超出上述給定的、被選擇的相位角180°的相位角。
專利摘要
本發明是同時進行多次振動地震勘測的方法。多個振動源把信號發射到地內。除了信號的偏移相位在陸續發射時作有選擇的相移外，每個振動源都陸續地發射同樣的信號。選擇每個振動源發射的信號的偏移相位是為了使來自每個振動源的信號都能通過數據處理復原。
文檔編號G01V1/00GK87107204SQ87107204
公開日1988年8月3日 申請日期1987年10月28日
發明者拉爾夫·A·蘭德魯姆 申請人:西方國際阿特拉斯公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan