大容量气枪震源特性研究

摘要

气枪震源具有性能稳定、成本低、易操控、可重复、高精度、无污染等诸多优点，在海洋石油勘探上得到广泛应用。为探索移动式水库气枪震源在区域尺度深部探测的应用前景，福建省地震局于2014年11月在福建省三明市尤溪县街面水库实施移动式水库气枪震源综合实验。本文基于布设在库区水上平台周围的水听器、OBS、测震仪、强震仪组成的近场观测系统记录，研究移动式水库气枪震源近场特性及其影响因素，进而基于开口热力学系统进行气枪子波模拟，并与实验近场观测结果对比，最后利用福建及周边固定台的远场记录研究气枪信号传播特性。本文研究结果表明:移动式水库气枪震源激发的地震信号具有穿透深、传播远、携带深部信息丰富的特性，在区域尺度深部探测有广泛的应用前景。
　　主要工作如下:
　　气枪震源近场特性研究。首先利用实验近场观测记录研究气枪震源的时频特性、能量特性、环境影响和可重复性，再结合枪盘水听器和库区OBS记录分析气枪子波参数受沉放深度、工作压力、气枪数量、枪阵尺寸、水体深度的影响情况。结果表明:(1)气枪子波由高频主脉冲和低频气泡脉冲组成，主脉冲持时短，频带宽，可用于浅层高精度勘探，气泡脉冲富含10Hz以下低频能量，可用于深部探测。(2)气枪是小当量震源，实验中单枪激发能量相当于0.23级地震，四杆枪阵激发能量相当于0.48级地震。(3)气枪震源绿色环保，四杆枪阵激发时大坝振动的峰值加速度为0.45gal，对大坝及周围环境不会产生破坏。(4)气枪信号重复性高，岸上首台速度记录互相关系数峰值大于0.95的占93.26％。(5)气枪沉放越深，气泡振荡能量越大，气泡周期越小，深部探测需选择合适的沉放深度，兼顾低频和能量的需求。(6)气泡能量和气泡周期随工作压力增加而增加。(7)枪阵激发的能量随气枪数量增加而增加，激发的主频受各单枪容量影响。(8)当枪阵尺寸大于5倍气泡半径时，气泡之间相互作用很小，气枪阵列子波近似各枪子波线性叠加，受枪阵尺寸变化的影响很小。(9)沉放深度是水体深度的一半时，气泡能量和气泡周期较大，激发效果较好。
　　基于开口系统的气枪子波模拟。(1)介绍气泡振荡机制，模拟并比较了零阶不可压缩流体的Rayleigh(1917)模型、二阶非线性可压缩流体的Ziolkowski(1970)模型、一阶线性可压缩流体的Johnson(1994)模型和Ziolkowski(1998)模型四种气泡振荡理论模型。结果表明:Rayleigh(1917)模型不考虑声能辐射，没有能量损失，是简谐振荡。其余三种气泡振荡模型的模拟结果基本一致，是周期和幅值逐渐减小的阻尼振荡。其中Ziolkowski(1970)模型具有二阶精度，在研究冲击波和强压力脉冲传播过程中具有不可替代的适用性，但模拟子波与实测子波相比存在初始幅值过大和衰减速度过慢的问题。(2)在Ziolkowski(1970)模型的基础上，引入与外界具有质量和能量交换的开口热力学系统，综合考虑气体释放率、枪体体积、枪口节流、热传导、水气转换、粘滞性等多种因素对气泡振荡的影响，构建新的单枪子波模型。模拟结果表明:枪体体积、枪口节流、热传导和水气转换是影响气枪子波衰减的主要因素。其中枪体体积和枪口节流影响主脉冲振幅，热传导和水气转换影响气泡振荡衰减。实际气体体积为气泡体积减去枪体体积，从而增加子波振幅。枪口节流降低气体释放速度，减小主脉冲振幅。热传导和水气转换加快气泡振荡衰减，大幅减小气泡脉冲振幅。(3)在单枪子波模拟的基础上，考虑气泡之间相互作用随气枪间距的变化，进一步模拟气枪阵列子波。通过与实测子波对比发现当气枪间距大于5倍气泡半径时，气泡之间相互作用很小，气枪阵列子波近似各枪子波线性叠加。(4)基于MATLAB平台自主研发气枪子波模拟程序，实测子波与模拟子波良好的一致性表明建立的单枪子波模型和枪阵子波模型具有较高的准确性和可行性，可应用于气枪震源工况设计，检测气枪震源性能，提供气枪震源子波等工作。
　　气枪信号叠加技术及应用。(1)介绍线性叠加和相位加权叠加两种叠加方法，并在相位加权叠加的基础上提出分频相位加权叠加方法，通过数值模拟分析信噪比、相关性和叠加次数的关系，比较三种叠加方法的叠加效果。结果表明:相位加权叠加在线性叠加的基础上进一步利用相位信息，提高信噪比的效率高于线性叠加，但会引起波形畸变;在低信噪比和叠加次数较少的情况下，分频相位加权叠加方法提高信噪比和降低波形畸变的效果最好。(2)结合固定台的远场记录，提出利用台站平均信噪比进行最优工况评估的方法。固定台站记录的平均信噪比越大，信号传播距离越远，是一种可行的确定最优工况的方法。(3)在对正式工况数据进行1024次分频相位加权叠加后，给出地震剖面并确定气枪信号的传播距离。通过同相轴追踪单炮激发最远传播距离约150km。1024次叠加最远可以在450km处通过同相轴追踪到信号，折合后能看到丰富的Pg，Pm，Pn，Sm等震相，表明气枪信号穿透深度能达到下地壳和上地幔顶部，充分说明了利用大容量气枪震源进行深部探测具有广泛的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 气枪发展历史

1．3 国内外研究现状

1．3．1 大容量气枪震源实验

1．3．2 气枪子波模拟

1．3．3 信号叠加技术

1．4 论文工作与创新点

第二章 街面水库气枪实验概况

2．1 引言

2．2 震源系统

2．3 观测系统

2．4 工况设计

2．5 数据归档

2．5．1 数据格式

2．5．2 数据入库

2．5．3 数据接收率

2．6 小结

第三章 气枪震源近场特性研究

3．1 引言

3．2 气枪子波参数

3．3 气枪震源特性

3．3．1 时频特性

3．3．2 能量特性

3．3．3 环境影响

3．3．4 可重复性

3．3．5 其他特性

3．4 气枪子波影响因素

3．4．1 沉放深度

3．4．2 工作压力

3．4．3 气枪数量

3．4．4 枪阵尺寸

3．4．5 水体深度

3．5 小结

第四章 基于开口系统的气枪子波模拟

4．1 引言

4．2 气泡振荡机制

4．3 气泡振荡模型

4．3．1 Rayleigh(1917)模型

4．3．2 Ziolkowski(1970)模型

4．3．3 Johnson(1994)模型

4．3．4 Ziolkowski(1998)模型

4．3．5 气泡振荡模型比较

4．4 气泡振荡影响因素

4．4．1 开口热力学系统

4．4．2 气泡振荡影响因素

4．5 单枪子波模拟

4．6 气枪阵列子波模拟

4．7 小结

第五章 气枪信号叠加技术及应用

5．1 引言

5．2 信号叠加技术

5．2．1 线性叠加

5．2．2 相位加权叠加

5．2．3 分频相位加权叠加

5．3 数值模拟

5．4 最优工况评估

5．5 正式工况数据分析

5．6 小结

第六章 结语与展望

6．1 结语

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间参与的课题

攻读博士学位期间发表的论文