海上立体气枪阵列信号模拟与设计方法研究

摘要

海上气枪阵列被广泛用于海上地震勘探。因其具有能量大、稳定性好、应用范围广等特点而成为地球物理学家研究的热点。随着海上高分辨率地震勘探的发展，海上宽频震源已成为高分辨率地下成像的基础。立体气枪阵列可以很好地解决有震源虚反射引起的陷波效应，拓宽震源信号的有效频带，获得理想的宽频地震波信号。
　　气枪震源的远场子波是不仅是衡量震源性能的重要指标，还是地震资料处理中的重要输入数据。实际中可通过现场实际测量来获取确定性的远场子波记录，但对于气枪震源来说，其设计具有很大的灵活性与多样性，需要反复试验来获得最佳枪阵设计。如果仅通过现场实测的方法来进行验证，则会耗费大量时间和费用。气枪子波模型则可以方便地对枪阵的远场子波进行模拟，极大地提高了枪阵设计的效率，并且可以对枪阵信号进行全面的研究，包括其气泡半径、气泡壁速度、枪阵信号的方向性等。而气枪本身的子波一致性和稳定性保证了这种方法的可靠性。气枪子波模型方法的实现主要依赖于模型本身的合理性和准确度，因此，进行气枪信号模拟研究，建立精确的气枪子波模型具有很高的研究价值和实际意义。
　　本文首先对气枪的运作原理及其信号产生及影响因素过程进行了详细描述，总结了前人建立的气枪子波理想模型，以及对理想模型的各种修正。在现有的范氏气体气枪子波模型的基础上，考虑震源虚反射对单枪气泡振荡过程的影响。震源虚反射是海面对气枪上行压力波的反射，因此也会连同静水压力对气泡产生压力影响，从而对信号子波有改造作用。
　　由于不同类型的气枪在构造上的差异而造成了在相同激发参数和条件下产生的信号子波有所差异，因此需要对依赖于实际气枪类型的参数根据实测子波进行标定。而对子波进行实际测量时，记录系统本身存在的频率响应和采样周期会对采集到的信号子波产生一定的影响，因此在进行标定过程中需要将模拟所得的子波进行滤波和重采样之后再与实际资料进行比对，以保证标定结果的准确性。最终模拟的子波与实测结果非常相近。
　　在建立的气枪单枪子波模型基础上发展了气枪阵列子波模型，考虑了枪阵内气枪间的相互干扰作用等因素，最终的模拟结果与实测资料比较接近。
　　研究立体延时气枪阵列激发理论，建立了延时激发的气枪阵列子波模型。对立体枪阵设计方法及其效果进行了研究，探讨了立体枪阵的深度组合、深度间隔以及气枪层数等对虚反射压制效果的影响。
　　根据已有的立体震源设计方法，结合信号子波模拟模型，针对实际海上勘探要求和实际条件，设计并对比了两层和四层气枪震源，最终试验效果证明了所设计的立体枪阵的优势，取得了良好的应用效果。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 选题的来源、目的及意义

1．2 气枪震源及其模拟的发展过程

1．3 国内外研究现状

1．3．1 气泡振荡理论

1．3．2 气枪子波模型

1．3．3 气枪阵列

1．3．4 立体震源

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

1．5 创新点

2 单枪激发过程及信号基本特性

2．1 气枪激发过程

2．2 信号产生过程

2．3 气枪信号特征

2．4 信号频谱

2．5 声波传播衰减

2．6 实际拍摄气枪激发过程

3 单枪子波理想模型

3．1 单枪子波模型假设

3．2 气枪子波理想模型

3．2．1 Ziolkowski模型

3．2．2 Schulze-Gattermann模型

3．2．3 Safar模型

3．2．4 Johnson模型

3．2．5 Ziolkowski算法

3．3 气枪信号模拟分析

3．3．1 模拟一

3．3．2 模拟二

3．3．3 气泡内温度变化

4 气枪子波模型的修正

4．1 Landr(o)模型

4．2 传热率和气体喷出速率等的修正

4．3 多因素理想气体子波模型

4．4 范氏气体气枪子波模型

4．5 实际条件下气枪子波模型

4．5．1 热力学系统

4．5．2 传热率

4．5．3 节流系数

4．5．4 海面反射

4．5．5 滤波范围

4．5．6 采样间隔

4．6 模拟计算过程

4．7 参数标定

4．8 模拟分析

4．8．1 实际资料模拟

4．8．2 环境因素影响讨论

4．8．3 工作参数影响讨论

5 气枪阵列信号模拟

5．1 调谐阵列原理

5．2 相干枪

5．3 远场子波测量

5．4 枪阵性能衡量标准

5．5 气枪阵列的设计

5．5．1 枪阵总容量

5．5．2 工作压力

5．5．3 单枪数量

5．5．4 频带宽度

5．5．5 枪阵深度

5．5．6 同步性

5．5．7 气枪故障

5．5．8 天气影响

5．5．9 枪阵的方向性

5．6 气枪间的互相干作用

5．6．1 一般调谐模式

5．6．2 其他调谐模式

5．6．3 相干枪

5．7 气枪阵列信号子波模型

5．7．1 调谐阵列信号模拟方法

5．7．2 相干枪信号模拟方法

5．8 气枪阵列信号模拟

5．8．1 模拟一

5．8．2 模拟二

6 立体阵列模拟与设计

6．1 立体震源信号模拟

6．2 立体枪阵设计

6．2．1 延时与同时激发

6．2．2 立体震源深度组合

6．2．3 震源方向性

6．2．4 虚反射压制

6．2．5 立体震源的限制

7 实际资料应用效果

7．1 南黄海立体枪阵采集效果分析

7．2 南海立体枪阵试验

8 结论与建议

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文