基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法

摘要

本发明提供一种基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法，该方法包括：优选勘探区域剖面、测井或是典型单炮进行目的层频谱分析，并拟合出频谱曲线A(f)；根据探区频率及能量要求，设计起始频率、扫描长度及起止斜坡长度；求出每个采样频率所对应的时间函数t(f)；将时间函数t(f)进行反变换求取时频函数f(t)；通过对时频函数f(t)进行积分求取瞬时相位，进而求取正弦可控震源扫描信号。本发明产生的可控震源扫描信号主要以提高勘探区域目的层的能量与信噪比为主要目的，尤其是复杂的工区，可根据工区不同区域目的层不同埋深进行扫描信号的设计，以提高可控震源激发的地震资料品质。

说明书

技术领域

本发明涉及油田可控震源地震勘探领域，具体的是指一种非线性可控震源扫描信号设计方法。

背景技术

可控震源是在比较长的时间内分散地把能量传入地下，利用相关处理可将延续时间较长的信号压缩成持续时间较短的相关子波信号，它是大地反射和传播特征修整后的扫描信号的自相关函数(子波)的集合，扫描信号的优劣就直接影响可控震源采集资料品质。

扫描信号设计方法很多，最常用的有线性、非线性扫描，其中线性信号应用最为广泛，实现容易，各个频率分布均匀扫描能量平均分配、单位频率所占有的能量相同；而非线性扫描信号主要是由于地层对地震波的吸收衰减不是线性的而提出来的，主要应用有两种，指数函数扫描和对数函数扫描，可以用来补充低频或是高频成分。

为了提高地震资料品质，人们研究了模拟变频扫描、组合扫描或是伪随机扫描等扫描方法，但并未广泛应用。东方物探(张宏乐、曹务祥等)提出了一种改善相关子波特性的扫描信号，称为：“旋转相位、对数分段”扫描信号，其特点是扫描信号频谱与Ri cker子波频谱一致，能够突出主频附近的能量。东方物探(曹务祥)提出了非线性扫描因子的量化分析，利用主要目的层段的频谱特征，求出地震波能量随频率变化的衰减曲线，进而求出大地滤波的补偿曲线，然后进行扫描信号的设计，从而达到对高频信号进行补偿的目的，它其实是对指数或对数扫描信号进行优化，加入了衰减补偿，信号设计过程还是采用了对数或指数扫描公式进行设计。同济大学(王华忠、胡江涛)在SPG/SEG深圳2011国际地球物理会议中提出：面向反射目标层规定所需要的反射子波的振幅谱特性，进行不同时刻、不同空间位置、不同频带、不同扫描方式的可控震源同时激发，使得同时激发的波到达目标反射面后进行同相叠加可以得到高信噪比的、宽谱的反射地震信号。它采用不同震源的激发时间、扫描方式形成一种自然编码函数来编码同时接收到的数据，然而这种扫描方式还需要进一步的理论分析和地震数据采集的实践来检验。

为此，研制了一种考虑勘探区域目的层频谱要求的可控震源信号的设计方法，该方法简单易懂，实现简单，针对目的层勘探效果良好。

发明内容

本发明通过分析勘探区域目的层频谱特征，提出了一种非线性扫描信号的设计方法，建立了基于目的层频谱的可控震源扫描信号的设计流程，主要以提高勘探区域目的层的能量与信噪比，尤其是复杂的工区，可根据工区不同区域目的层不同埋深进行扫描信号的设计，以提高可控震源地震资料品质。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法，该基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法包括：步骤1，优选勘探区域剖面、测井或是典型单炮进行目的层频谱分析，并拟合出频谱曲线A(f)；步骤2，根据探区频率及能量要求，设计起始频率、扫描长度及起止斜坡长度；步骤3，求出每个采样频率所对应的时间函数t(f)；步骤4，将时间函数t(f)进行反变换求取时频函数f(t)；步骤5，通过对时频函数f(t)进行积分求取瞬时相位，进而求取正弦可控震源扫描信号。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，在拟合目的层频谱曲线A(f)时应考虑探区浅、中、深层的频谱，并根据要求可以适当调整或是补偿频谱。

在步骤3中，根据各个频率的扫描时间应与该频率成分要求的振幅呈正比，求取各个频率成分在扫描信号中的出现时间，以确定信号的频时关系。

在步骤3中，根据步骤1中的频谱曲线A(f)及步骤2中的扫描参数，对各个频率的扫描时间按照其与该频率成分要求的振幅呈正比的关系进行分配：

dt(f)＝kA(f)df                  (1)

求各个频率成分在扫描信号中的出现时间，求出时间函数t(f)：

$>T={k\int }_{f1}^{f2}A\left(f\right)\mathrm{df}---\left(2\right)$>

$>t\left(f\right)=\frac{T{\int }_{f1}^{f}A\left(f\right)\mathrm{df}}{{\int }_{f1}^{f2}A\left(f\right)\mathrm{dt}}---\left(3\right)$>

式中：

T----可控震源扫描信号长度；

k----计算使用比例常数；

f1----可控震源扫描信号的起始频率；

f2----可控震源扫描信号起终止频率；

A(f)----子波频谱；

f----可控震源扫描信号瞬时频率；

df----可控震源扫描信号瞬时频率微分。

在步骤4中，将频时曲线t(f)经过反变换求取等时间间隔的时频曲线f(t)。

在步骤5中，根据时频函数f(t)求取扫描信号的相位，输出正弦可控震源扫描信号:

$>S\left(t\right)=B\left(t\right)·\sin \left[2\pi {\int }_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{dt}\right]---\left(4\right)$>

式中：

$>B\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}w\left(k\right),k=\frac{t}{\mathrm{\Delta t}},& 0\le t\le T1\\ 1& T1<t<T2\\ w\left(k\right),k=\frac{T-t}{\mathrm{\Delta t}}& T2\le t\le T\end{array}\right)---\left(5\right)$>

$>w\left(k\right)\text{=0.42-0.5cos}\left(2\pi \frac{k-1}{N-1}\right)\text{+0.08cos}\left(4\pi \frac{k-1}{N-1}\right)---\left(6\right)$>

k＝1,2,…,N_i

$>N_i=\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{\Delta t}}+1,i=\mathrm{1,2}---\left(7\right)$>

式中：

S(t)----可控震源扫描信号；

B(t)----布莱克曼斜坡(Blackman)斜坡函数；

T1----可控震源扫描信号起始段斜坡长度；

T2----可控震源扫描信号终止段斜坡长度；

Δt----可控震源扫描信号采样率。

随着可控震源勘探领域的开拓与发展，勘探区域向更加复杂的地表、地下条件延伸，尤其是针对目的层的勘探，要求越来越高，因此针对性的可控震源扫描信号的设计尤为重要，直接影响着高品质完成地质任务。本发明的基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法，以目的层的响应频谱特征作为扫描信号设计的依据，可以根据采集区域剖面、测井或是典型单炮的频谱进行可控震源扫描信号设计，设计出的扫描信号在优势频带内具有较强的能量。与常规线性与非线性扫描信号相比，本发明扫描信号在优势频带内扫描时间较长，优势频带内具有较强能量的特点，而且在地层传播过程损失较小，而且可根据工区不同区域目的层不同埋深进行扫描信号的设计，从而提高可控震源地震资料品质。本发明的种采用目的层频谱进行非线性信号设计的方法，从在新疆某地区的成功应用来看，基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法具有良好的适用性和应用前景。

附图说明

图1为本发明的基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的基于目的层频谱的可控震源扫描信号的一具体实施例的信号；

图3为本发明的基于目的层频谱的可控震源扫描信号的一具体实施例的时频曲线分析；

图4为本发明的基于目的层频谱的可控震源扫描信号的一具体实施例的频谱分析；

图5为本发明的基于目的层频谱的可控震源扫描信号的一具体实施例的自相关子波分析；

图6为新疆某地区线性信号的扫描信号单炮解编记录；

图7为新疆某地区本发明方法的扫描信号单炮解编记录；

图8为新疆某地区线性信号、本发明方法的扫描信号单炮单炮目的层频率分析。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

根据可控震源扫描信号原理可知，扫描信号的设计实质就是时频曲线的设计，再根据非线性扫描信号公式计算出可供可控震源使用的正弦信号。

如图1所示，图1为本发明的基于目的层频谱的可控震源非线性扫描信号的设计方法的流程图。

在步骤101，优选勘探区域剖面、测井或是典型单炮进行目的层频谱分析，并拟合出频谱曲线A(f)。流程进入到步骤102。

在步骤102，根据探区频率及能量要求，设计起始频率f1与f2、扫描长度T及起止斜坡长度T1与T2。流程进入到步骤103。

在步骤103，将步骤101中的频谱曲线A(f)，按照各个频率的扫描时间按照其与该频率成分要求的振幅呈正比的关系进行分配：

dt(f)＝kA(f)df                   (1)

求各个频率成分在扫描信号中的出现时间，求出时间函数t(f)：

$>T={k\int }_{f1}^{f2}A\left(f\right)\mathrm{df}---\left(2\right)$>

$>t\left(f\right)=\frac{T{\int }_{f1}^{f}A\left(f\right)\mathrm{df}}{{\int }_{f1}^{f2}A\left(f\right)\mathrm{dt}}---\left(3\right)$>

式中：

T----可控震源扫描信号长度；

k----计算使用比例常数；

f1----可控震源扫描信号的起始频率；

f2----可控震源扫描信号起终止频率；

A(f)----子波频谱；

f----可控震源扫描信号瞬时频率；

df----可控震源扫描信号瞬时频率微分；

在一实施例中，根据各个频率的扫描时间应与该频率成分要求的振幅呈正比，求取各个频率成分在扫描信号中的出现时间，以确定信号的频时关系。流程进入到步骤104。

在步骤104，求扫描信号中的瞬时频率,它就是t(f)的反函数f(t)，实际上就是由上式解出f(t)的表达式；在一实施例中，将频时关系经过变换求取等时间间隔的时频曲线数据。流程进入到步骤105。

在步骤105，根据时频函数f(t)求取扫描信号的相位，输出正弦可控震源扫描信号:

$>S\left(t\right)=B\left(t\right)·\sin \left[2\pi {\int }_0^{t}f\left(t\right)\mathrm{dt}\right]---\left(4\right)$>

式中：

$>B\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}w\left(k\right),k=\frac{t}{\mathrm{\Delta t}},& 0\le t\le T1\\ 1& T1<t<T2\\ w\left(k\right),k=\frac{T-t}{\mathrm{\Delta t}}& T2\le t\le T\end{array}\right)---\left(5\right)$>

$>w\left(k\right)\text{=0.42-0.5cos}\left(2\pi \frac{k-1}{N-1}\right)\text{+0.08cos}\left(4\pi \frac{k-1}{N-1}\right)---\left(6\right)$>

k＝1,2,…,N_i

$>N_i=\frac{\mathrm{Ti}}{\mathrm{\Delta t}}+1,i=\mathrm{1,2}---\left(7\right)$>

式中：

S(t)----可控震源扫描信号；

B(t)----布莱克曼斜坡(Blackman)斜坡函数；

T1----可控震源扫描信号起始段斜坡长度；

T2----可控震源扫描信号终止段斜坡长度；

Δt----可控震源扫描信号采样率；

在一实施例中，如图2所示，得出了新疆某地区基于VSP测井资料频谱进行扫描信号的设计、起始频率4-84Hz，扫描长度为26s以及起止斜坡分别为800ms、500ms的可控震源扫描信号。

在应用本发明的一具体实施例中，根据新疆某勘探区VSP测井资料，求出了目的层的频谱曲线A(f)，以及根据频率及能量的要求，选取了起止频率2-100Hz以及扫描长度26s，起止斜坡分别为1000ms、500ms,运用本发明进行信号设计，具体实现步骤如图1，生成的可控震源扫描信号如图2所示，并对该发明生成的扫描信号进行时频分析，如图3；进行频谱分析，如图4；进行自相关子波分析，如图5；将本发明产生的扫描信号测试合格后，输入到可控震源中就能进行作业，如图6和图7所示为线性信号、该方法基于目的层频谱的扫描信号设计方法所得到的地震单炮记录；对震源产生的两个单炮进行目的层的频率分析，如图8。本发明扫描信号较常规的线性扫描信号相比，设计出的扫描信号在优势频带内具有较强的能量，而且较常规信号扫描资料得到提高。