Способ формирования сейсмических данных с использованием сейсмического вибратора (варианты) - RU2126983C1

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к области геофизической разведки и, в частности, к способу формирования данных сейсмического вибратора с использованием каскадированных разверток.

В нефтяной и газовой отраслях промышленности обычно применяют геофизическую разведку для упрощения поиска и оценки подземных залежей углеводородов.

Обычно применяют сейсмический источник энергии для формирования сейсмического сигнала, который распространяется в землю и по меньшей мере частично отражается подземными сейсмическими отражателями (т.е. поверхности раздела между подземными формациями, имеющими различные акустические импедансы).

Отражения записываются сейсмометрами, установленными на или вблизи поверхности земли, в массе воды или на известной глубине в буровых скважинах, причем полученные сейсмические данные можно обработать для получения информации, относящейся к расположению подземных отражателей и к физическим свойствам подземных формаций.

В одном типе геофизической разведки применяют импульсный источник энергии, например, динамит или судовую пневматическую пушку для генерирования сейсмического сигнала. При применении импульсного источника энергии в землю вводят большое количество энергии за очень короткий отрезок времени.

Таким образом полученные данные обычно имеют сравнительно высокое отношение сигнал-шум, что позволяет упростить последующие операции по обработке данных. С другой стороны, применение импульсного источника энергии может создать определенные проблемы в отношении безопасности и экологические проблемы.

В конце 1950 и в начале 1960 годов фирма Conoco Inc. разработала новый способ геофизической разведки, обычно известный как "Vibroseis" или "вибросейсмическая" разведка.

В способе разведки Vibroseis применяют наземный или морской сейсмический вибратор в качестве источника энергии. В отличие от импульсного источника энергии сейсмический вибратор посылает в землю сигнал, имеющий значительно низкий уровень энергии, но в течение более продолжительного периода времени.

Сейсмический сигнал, генерируемый сейсмическим вибратором, представляет собой контролируемый цуг волн (т.е. колебания), который передается поверхности земли или массе воды. Обычно эти колебания представляют собой синусоидальное изменение непрерывно изменяющейся частоты, увеличивающейся однообразно в пределах данного диапазона частот, которую применяют во время периода колебаний продолжительностью от 2 до 20 секунд или даже больше.

Со временем частота может изменяться линейно или нелинейно. Также частота может быть сначала низкой, а затем может увеличиваться со временем (развертка вверх) или может быть сначала высокой и затем может постепенно уменьшаться (развертка вниз).

Сейсмические данные, записанные во время вибросейсмической разведки (дальше будут называться "данные вибратора"), представляют собой сложные сигналы, причем каждый сигнал состоит из множества длинных отраженных цук волн, наложенных друг на друга. Поскольку эти сложные сигналы обычно во много раз более продолжительные, чем интервал между отражениями, то отдельные отражения невозможно различить по записанному сигналу.

Итак, как хорошо известно специалистам в данной области техники, одним из первых этапов в обработке данных сейсмического вибратора является взаимная корреляция записанных данных с сигналом развертки (так же известен, как "опорный сигнал"). См., например, Kirk, P. "Vibroseis Processing", глава 2, "Developments in Geophysical Exploration Methods-2, изд. A. Fitch, Applied Science Publishers Ltd., Лондон, 1981, стр. 37 - 52.

Полученные коррелированные данные аппроксимируют данные, которые были записаны, в том случае, если в качестве источника применяли импульсный источник энергии.

Одним нежелательным побочным результатом применения известного способа взаимной корреляции является присутствие чрезмерного количества энергии боковых лепестков в образующейся короткой волне. Для решения этой проблема был разработан новый способ развертки, известный как "формированная" развертка.

Основным преимуществом "формированной" развертки является то, что коррелированные данные вибратора будут иметь простую форму небольшой волны и минимальную энергию боковых лепестков. Это достигается формированием развертки для получения спектра удельной энергии, как более подробно описано в одновременно рассматриваемой заявке США N 08/086776, поданной 1 июля 1993 года.

Количество энергии, вводимой в землю во время обычных колебаний вибратора, определяют по размеру вибратора и продолжительности колебаний. Если существуют конкретные практические ограничения для размера вибратора и продолжительности колебаний, то обычно необходимо формировать несколько колебаний в каждой точке источника.

Обычно за каждой разверткой следует период ожидания, во время которого вибратор не совершает колебательных движений, но энергия отражения все же принимается сейсмическими детекторами. Затем данные, полученные для каждой развертки, взаимно коррелируют с опорным сигналом для этой развертки, при этом полученные отдельные записи данных суммируют или "накапливают" для получения окончательной записи составных данных для точки источника.

Значительная часть времени, необходимого для каждой точки источника, связана с временем ожидания между развертками. Очевидно, эффективность способа вибросейсмической разведки можно значительно улучшить за счет исключения части или всего этого периода ожидания.

Другой проблемой, связанной с известным способом вибросейсмической разведкой, является то, что вибраторы создают нелинейное искажение в результате нелинейных эффектов в гидравлике вибратора и нелинейной реакции породы на силу, создаваемую опорной плитой вибратора, причем вторая, третья и четвертая гармоники составляют большую часть искажения.

Эти гармоники присутствуют в записанных данных и приводят к возникновению серии взаимосвязанных помех, известных как гармонические ложные спектральные линии (или "духи") в коррелированных данных.

Эти гармонические помехи создают трудности особенно в случае с разверткой вниз, где они возникают после основного пика корреляции (т.е. время позитивного запаздывания), и следовательно они могут взаимно влиять с последним, таким образом отражения будут более слабыми. Тем не менее, гармонические помехи могут вызвать трудности в обработке и интерпретации данных развертки вверх, а также от развертки вниз.

В публикации S. Sorkin (1972) описан способ удаления помех гармоник с четными номерами из коррелированных данных. См., доклад Sorkin, S., "Способ уменьшения эффектов искажения, вызванного опорной плитой, представленный на совместной встрече Общества геофизиков-исследователей и Американской Ассоциации геологов-нефтянников на побережье Тихого Океана, Бейкерсфилд, Калифорния, 9 марта и 10, 1972.

Метод Соркинса основан на том факте, что конечная запись составных данных представляет собой алгебраическую сумму нескольких отдельных записей данных. В методе Соркинса только часть отдельных записей данных получают обычным способом. Другую половину формируют с разверткой обратной полярности.

Во время процесса суммирования или группирования данных полярность данных из второй группы изменяют на входе в систему записи, таким образом вторая группа записей данных идентична первой группе. Однако это второе изменение полярности не оказывает влияния на гармоники с четными номерами и, следовательно, процесс группирования заставляет гармоники с четными числами из второй группы записей вычеркивать те, которые находятся в первой группе.

В 1981 г. E. Riebsch предложил обобщить метод Соркинса для исключения гармоники во время развертки вверх до любого требуемого порядка. Cм., Rietsch, E. , "Уменьшение нелинейного искажения в записях источника колебаний", Geophysical Prospecting, т. 29, стр. 178 - 188, 1981.

Метод Rietsch требует применения серии сигналов М, где каждый сигнал имеет начальный разовый угол, отличающийся от разового угла предшествующего сигнала на угол 2П/М. До группирования отдельные записи данных коррелируют с их соответствующими сигналами развертки.

При применении этого метода все гармоники, вплоть до и включая гармонику М, аннулируются. В коррелированных данных присутствует гармоника (М+1), а следующие гармоники М-1 устраняются и так далее.

Для устранения помех во время корреляции также были предложены другие способы. В 1982 г. Edelmann и Werner предложили два возможных способа для достижения этого. См., Edelmann, Н.А.К., Werner,H., "Cигнaлы комбинированных разверток для подавления помех во время корреляции", Geophysical Prospecting, т. 30, cтр. 786 - 812, 1982.

Этот их первый способ, известный как метод "Combisweep", заключается в применении двух или больше последовательных обычных разверток, имеющих различные диапазоны частот. Симметричное или асимметричное взвешивание частоты для записи составных данных может достигаться посредством перекрытия или наложения спектров частот различных колебаний.

В их втором способе, известном как метод "Закодированных Колебаний", применяют множество коротких разверток, объединенных в закодированные последовательности без временных интервалов. Две эти последовательности кодов - код и дополнительный код с периодом ожидания между ними - образуют конечную закодированную развертку.

Однако эти способы не были предназначены для улучшения эффективности вибросейсмической разведки, и в общем они не были более эффективными, чем иэвестные способы, в которых применяют вибратор.

В патенте США N 4823326, выданном 18 апреля 1989 Р.М. Уорду, описан способ сбора сейсмических данных, который позволяет одновременно применять два или больше сейсмических вибраторов, установленных в различных местах источника. Каждый из вибраторов применяет последовательность по крайней мере из четырех отдельных разверток.

Опорный сигнал для каждого вибратора имеет множество отдельных фазовых углов, причем последовательность разверток для каждого вибратора отличается от последовательности разверток другого вибратора (вибраторов). Записанные сигналы коррелируют в зависимости от каждой последовательности разверток. Это формирует отдельно коррелированные записи для каждой из разверток, которые суммируют соответствующим образом для разделения данных, полученных из каждого места источника.

Уорд применяет метод Rietsch для подавления гармонических помех. Однако способ Уорда не улучшает эффективности вибратора за счет исключения части или всего времени ожидания между отдельными развертками. Скорее, любое улучшение эффективности является результатом применения множества вибраторов.

В докладе, сделанном в 1990 г. Уордом и др., указано, что каскадирование разверток с соответствующим кодированием фаз позволит исключить мешающие периоды ожидания для повышения эффективности вибросейсмической разведки. См. "Фазовое кодирование вибросейсмических сигналов для одновременного сбора данных из множества источников "известно из доклада, представленного на Шестидесятой Годовой Международной Конференции и Экспозиции Общества геофизиков-исследователей", Сан-Франциско, Калифорния, сентябрь 23 - 27, 1990.

Однако Уорд и др. не смогли показать, что конкатенация вместе в последовательности приводит к образованию гармонических помех во время отрицательных и положительных задержках по времени, когда их коррелируют независимо от направления развертки. По этой причине современные методы конкатенации или связи развертки вместе требуют применения пар последовательностей вибраторов для подавления гармонических помех.

Развертка во второй последовательности - дополняющая последовательность - представляет собой фазу, вращающуюся в противоположном направлении от направления первой последовательности.

Кроме того, чтобы этот способ был эффективным, обе последовательности развертки должны вибрировать в одной точке источника. Ясно, что существует необходимость в способе конкатенирования или связи шести разверток для уменьшения или исключения непродуктивного времени ожидания без необходимости применения пар последовательностей разверток вибратора для подавления гармонических помех. Такой способ предложен в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом задачей настоящего изобретения является разработка способа для каскадирования или связывания вместе разверток для вибратора для получения последовательности каскадированных колебаний.

Другой задачей изобретения является разработка способа для улучшения эффективности вибросейсмической разведки за счет исключения части или всего непродуктивного времени ожидания между отдельными развертками.

Задачей изобретения является разработка способа для корреляции полученных данных вибратора по последовательности каскадированных разверток.

Еще одной задачей изобретения является разработка способа корреляции, который позволит подавить гармонические "помехи" во время отрицательных и положительных задержек по времени без необходимости применения пар последовательностей разверток вибратора.

Признаком изобретения является то, что любой тип разверток (линейные или нелинейные) может быть связан или каскадирован в последовательность разверток с использованием описанного здесь способа.

Другим признаком изобретения является то, что каждый отдельный сегмент развертки внутри последовательности развертки поступательно поворачивается на постоянное приращение фазы примерно 360/N градусов, где N = количество сегментов развертки в последовательности разверток.

Еще одним признаком настоящего изобретения является то, что контрольная последовательность корреляции либо последовательность разверток вибратора, но не обе, содержит дополнительный сегмент развертки, расположенный и фазированный так, чтобы по существу подавлять гармонические помехи во время корреляции.

Эти и другие задачи и технический результат, полученный от изобретения станут очевидными для специалиста в данной области техники на основе указанных здесь отличительных особенностей.

Настоящим изобретением является способ формирования сейсмических данных с использованием сейсмического вибратора.

В первом варианте предложенный способ включает в себя стадии: (а) формирования первой последовательности каскадированных разверток, состоящей из N - сегментов разверток, соединенных концами, где N = или больше 2, причем N - сегменты разверток являются по существу идентичными, за исключением, что начальные фазовые углы упомянутых N - сегментов разверток поступательно поворачиваются на постоянное фазовое приращение 360/N градусов; (в) формирование второй последовательности каскадированных разверток, состоящей из N - последовательных сегментов разверток, соответствующих первой последовательности каскадированных разверток; и дополнительного сегмента развертки, соединенного с N - последовательными сегментами разверток, причем дополнительный сегмент развертки расположен и фазирован таким образом, что по существу подавляет гармонические помехи во время корреляции сейсмических данных; (с) применение одной из указанных последовательностей каскадированных разверток для последовательности развертки вибратора, посредством чего формируется сейсмический сигнал, который распространяется в породе; (d) запись некоррелированных сейсмических данных в результате отражения сейсмического сигнала от подземных геологических формаций; (е) применение другой из упомянутых последовательностей каскадированных разверток для опорной последовательности корреляции; и (f) корреляция сейсмических данных с использованием контрольной последовательности корреляции.

Для отдельных сегментов можно применять любой тип paзверток, поскольку все сегменты разверток в пределах конкретной последовательности развертки являются по существу идентичными за исключением для постепенного вращения начального фазового угла. Дополнительный сегмент, который может быть расположен в опорной последовательности корреляции либо в последовательности вибратора, но не в обеих, обеспечивает соответствующее равновесие для подавления гармонических помех во время отрицательных и положительных задержек по времени с одной последовательностью разверток вибратора.

Изобретение и его технический результат лучше всего будут поняты из последующего подробного описания со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Фиг. 1A-1D показывают развертку вверх и развертку вниз, имеющие различные начальные фазовые углы;
Фиг. 2A-2D показывают в форме блок-схемы, четыре основных вариантов исполнения изобретения.

Фиг. 3 показывает опорную последовательность корреляции и последовательность разверток вибратора для одного примера исполнения изобретения.

Фиг. 4A-4D показывают результаты взаимной корреляции опорной последовательности корреляции с последовательностью развертки вибратора, показанной на фиг. З.

Фиг. 5 показывает опорную последовательность корреляции и последовательность развертки вибратора для другого варианта исполнения изобретения.

Фиг. 6 показывает результаты взаимной корреляции моделированной последовательности усилия вибратора, содержащей дополнительный сегмент развертки согласно изобретению с соответствующей опорной последовательностью корреляции.

Фиг. 7 показывает результаты взаимной корреляции моделированной последовательности усилия вибратора с соответствующей контрольной последовательностью корреляции, где никакая последовательность не включает в себя дополнительный сегмент развертки.

Фиг. 8A, 8B и 8C показывают соответственно сравнительные короткие записи данных экспериментальной области для группы из четырех обычных колебаний, последовательности каскадированных разверток в соответствии с изобретением и неуравновешенной последовательности каскадированных разверток (т.е. без дополнительного сегмента развертки).

Хотя изобретение будет описано в связи с его конкретными исполнениями, однако ясно, что изобретение не ограничено ими. Напротив, оно охватывает все варианты, модификации и эквиваленты, которые могут быть включены в объем изобретения, определенный приложенной формулой изобретения.

Изобретением является способ каскадирования для связи вместе разверток сейсмического вибратора, который устраняет недостатки современных способов. Способ кодирования, в соответствии с изобретением, обеспечивает полное подавление гармонических помех как при отрицательной, так и при положительной задержках по времени.

Другие преимущества изобретения станут понятными специалистам в этой области изобретения из последующего подробного описания. Последующее подробное описание относится к конкретному исполнению или конкретному применению изобретения, однако оно представлено только для иллюстрации, а не ограничения объема изобретения.

Изобретение объединяет в себя преимущества применения ряда коротких разверток для точки источника (т.е. образуется меньше когерентных помех и лучше подавляются произвольные помехи) с повышением эффективности, достигаемой от применения меньшего количества продолжительных разверток.

Последовательность каскадированных разверток формируют путем передачи нескольких коротких колебаний для формирования одной последовательности развертки. Каждая развертка в пределах одной последовательности определена как сегмент, причем отдельные участки развертки можно соединить с/или без дополнения (время ожидания) между ними.

Отдельные сегменты развертки имеют продолжительность обычно 1 - 16 секунд, причем продолжительность в 4 - 8 секунд является предпочтительной. Количество дополнения или заполнения может составлять от нуля до нормального времени ожидания, применяемого в обычной вибросейсмической разведке. Однако предпочтительно сегменты развертки соединяют без дополнения, это обеспечивает более эффективную работу.

Например, четыре обычные развертки продолжительностью в 6 секунд можно заменить одной последовательностью каскадированных разверток, состоящей из четырех сегментов развертки продолжительностью в 6 секунд, тем самым уменьшается количество периодов ожидания от четырех до одного, при этом сохраняется тот же объем работ для всей развертки (развертка продолжительностью в 24 секунды).

Как хорошо известно специалистам в данной области техники, отдельные развертки (или сегменты развертки) обычно имеют форму I
S(t) = A(t)Sin(Ф(t) + Ф_i),
где А(t) представляет огибающую амплитуду колебаний, причем обычно это функция окна, применяемая для колебаний с целью исключения их начала или останова резко по амплитуде;
Ф(t) - мгновенная фазовая функция колебаний (производная которой дает мгновенную частоту колебаний);
Ф_i - постоянная, представляющая начальный фазовый угол колебаний, равный от 0 до 360^o.

Эти характеристики определяют развертку (или сегмент развертки).

Согласно изобретению каждый сегмент развертки в пределах последовательности является по существу идентичным (т.е. имеет по существу одни и те же характеристики) за исключением его начального фазового угла.

Как должно быть понятно специалистам в данной области техники, характеристики (а не начальный фазовый угол) сегментов развертки в данной последовательности должны быть предпочтительно по возможности почти идентичными; однако могут быть допустимы незначительные изменения в одной или нескольких характеристиках колебаний.

Начальный фазовый угол каждого сегмента развертки постепенно поворачивается на постоянное фазовое приращение примерно 360/N градусов, где N - количество участков колебаний, связанных вместе.

Например, четыре участка колебаний, связанных вместе могут иметь начальные углы сдвига фаз 0^o, 90^o, 180^o и 270^o соответственно. Следует отметить, что исходный угол, который может составлять от 0^o до 360^o, не имеет значения, и в вышеприведенном примере его произвольно установили на 0^o.

Кроме того, направление вращения может быть либо положительным (против часовой стрелки), либо отрицательным (по часовой стрелке), но оно должно быть соответствующим на протяжении всей конкретной последовательности развертки. Вращение фазового угла необходимо для обеспечения соответствующего подавления гармонических помех.

Согласно Rietsch, вращение через углы N будет подавлять первые N гармоники. Типичное количество участков развертки в последовательности (т.е. значение N ) составляет от трех до восьми, причем три является до некоторой степени минимальным количеством для обеспечения номинального подавления гармонических помех, а число восемь является относительно максимальным, чтобы длина последовательности не превышала ограничения, установленные для современного оборудования.

Конечно, прогресс в области конструирования приборов и вибраторов позволит применять на практике последовательности развертки, состоящие из восьми сегментов развертки. Также изобретение можно применять с небольшим количеством сегментов развертки, например, с двумя, однако в этом случае только четные гармоники будут подавляться.

Для восстановления требуемых данных опорная последовательность корреляции (которую применяют для корреляции записанных сейсмических данных) и последовательность развертки вибратора (которую применяют для формирования сейсмических данных) должны находиться в "соответствии" друг с другом.

Как указано здесь и в формуле изобретения, две последовательности развертки "соответствуют" друг другу, если они состоят из сегментов развертки, которые имеют по существу одну мгновенную фазовую функцию, Ф(t), и если вращения их начальных фазовых углов имеют одно направление и по существу одно приращение.

Однако необязательно, чтобы одинаково расположенные сегменты развертки в двух последовательностях имели одинаковую огибающую амплитуду А(t) или начальный фазовый угол Ф_t. Тем не менее специалисты в данной области техники поймут, что это является предпочтительным, когда опорная последовательность корреляции и последовательность развертки вибратора являются по возможности почти идентичными, как это происходит во время наипростейшей работы.

Важно отметить, что в отличие от обычных разверток вверх (которые создают гармонические помехи только при отрицательных задержках по времени на коррелированной записи) или от обычных разверток вниз (которые создают гармонические помехи только при положительных задержках по времени на коррелированной записи), каскадирование или соединение вместе разверток создает гармонические помехи как при отрицательных, так и при положительных задержках по времени на коррелированной записи независимо от направления развертки.

Таким образом, помимо описанной схемы вращения фазовых углов, требуется дополнительный сегмент развертки для достижения соответствующего равновесия, необходимого для гашения гармонических помех как при отрицательных, так и при положительных задержках по времени с применением одной последовательности развертки вибратора.

Как будет более полно описано, этот дополнительный сегмент развертки может быть расположен в опорной последовательности корреляции либо в последовательности развертки вибратора, но не в обеих. Именно этот дополнительный сегмент развертки делает настоящее изобретение более эффективным.

Изобретение можно применять с любым из различных типов разверток вибратора, известных специалисту в данной области техники (например, развертки вверх, вниз, линейные, нелинейные развертки, развертки специальной формы и т. п.). Все, что требуется - это то, чтобы каждый сегмент развертки в пределах данной последовательности развертки был по существу идентичным за исключением описанного вращения начального фазового угла. Эти подходы показаны на фиг. 1A-1D. Фиг. 1А показывает развертку вверх 10 (т.е. она начинается при низкой частоте, которая постепенно увеличивается), имеющую начальный фазовый угол 0^o . Развертка вверх 10 может быть линейной или нелинейной разверткой в зависимости от того, как изменяется частота - линейно или нелинейно по отношению к времени.

Фиг. 1B показывает развертку вверх 12, имеющую начальный фазовый угол 90^o. Здесь также развертка вверх 12 может быть линейной или нелинейной.

Фиг. 1C показывает развертку вниз 14 (т.е. она начинается при высокой частоте, которая постепенно уменьшается), имеющую начальный фазовый угол 270^o. Как и с развертками вверх 10 и 12, развертки вниз 14 и 16 могут быть линейными или нелинейными.

Специалисты в данной области техники легко поймут, что возможны другие комбинации и изменения. Однако следует отметить, что так называемые "развертки специальной формы", которые были описаны, просто представляют собой специальный тип нелинейной развертки, при которой частота изменяется так, что получают требуемый энергетический спектр.

Фиг. 2A-2D показывают четыре основных варианта исполнения настоящего изобретения. На каждой из этих фигур отдельные сегменты развертки показаны в форме блоков. В каждом блоке указано количество сегментов, направление развертки (вверх или вниз) и начальный фазовый угол (IРА).

Другие характеристики сегментов развертки, например, огибающая амплитуды, А(t) и мгновенная фазовая функция, Ф(t) исключили, поскольку они должны быть на усмотрение пользователя. Как было отмечено, все, что требуется - это, чтобы отдельные сегменты развертки в пределах данной последовательности были по существу идентичными за исключением постепенного вращения начального фазового угла.

Постепенное вращение начального фазового угла (IРА) может быть положительным или отрицательным, поскольку оно остается согласующимся на протяжении всей последовательности. Величина заполнения 18 (т.е. время ожидания) между отдельными сегментами может составлять от нуля до времени обычного ожидания; однако как было указано, нулевое заполнение является предпочтительным, поскольку оно обеспечивает наиболее эффективную работу.

Каждый из четырех вариантов исполнения, показанных на фиг. 2A-2D, включает в себя две последовательности каскадированных разверток: опорная последовательность корреляции и последовательность развертки вибратора. Последовательность развертки вибратора применяют для привода сейсмического вибратора, а опорную последовательность корреляции применяют для корреляции полученных сейсмических данных.

Для каждого варианта исполнения опорная последовательность корреляции и последовательность развертки вибратора соответствуют друг другу за исключением того, что одна или другая, но не обе, включает в себя дополнительный сегмент развертки. Однако, как было отмечено, опорная последовательность корреляции и последовательность развертки вибратора предпочтительно являются по существу идентичными (за исключением дополнительного сегмента).

Расположение дополнительного сегмента и его начального фазового угла зависит от направления развертки (вверх или вниз) и от того, как расположен дополнительный сегмент: в опорной последовательности корреляции или в последовательности развертки вибратора. Функция этого дополнительного сегмента развертки будет описана более подробно.

Теперь обратимся к варианту исполнения, показанному на фиг. 2А, где опорная последовательность 20 корреляции включает в себя N - количество идентичных разверток вверх.

Начальный фазовый угол (IРА) сегмента 1 установлен произвольно на значении Ф_А (он может иметь любое значение от 0^o до 360^o), причем начальный фазовый угол каждого последующего сегмента вращается на постоянное приращение примерно 360/N градусов.

Таким образом начальный фазовый угол сегмента 2 равен

Дополнительный сегмент 24 развертки расположен в конце последовательности 22 развертки вибратора. Этот дополнительный сегмент развертки по существу идентичен сегменту 1 в последовательности 22 развертки вибратора. Следует отметить, что начальный фазовый угол сегмента 1 в последовательности 22 развертки вибратора равен Ф_В, причем он может принимать любое значение от 0^o до 360^o. Необязательно (только предпочтительно), чтобы Ф_В был равен Ф_А.

В варианте исполнения, показанном на фиг. 2B, опорная последовательность 26 корреляции включает в себя N по существу идентичных сегментов развертки вниз. Начальный фазовый угол (IРА) сегмента 1 равен Ф_А, а начальный фазовый угол каждого последующего сегмента поворачивается на постоянное приращение примерно 360/N градусов. Снова это вращение может быть в любом направлении при условии, что направление является согласованным во всей последовательности.

Последовательность 28 развертки вибратора включает в себя N + 1 сегментов, причем последний N сегмент соответствует N сегментам опорной последовательности 26 корреляции. Дополнительный сегмент 30 развертки расположен вначале последовательности 28 развертки вибратора. Этот дополнительный сегмент развертки по существу идентичен сегменту N последовательности 28 развертки вибратора.

В показанных на фиг. 2C и 2D вариантах исполнения дополнительный сегмент развертки включен в опорную последовательность корреляции, а не в последовательность развертки вибратора.

На фиг. 2C последовательность 34 развертки вибратора включает N-количество сегментов развертки вверх, имеющих начальные фазовые углы, которые постепенно вращаются (в любом направлении) на постоянное приращение примерно 360/N градусов.

Опорная последовательность 32 корреляции включает в себя N + 1 сегментов развертки, последние N из которых соответствуют N сегментам в последовательности 34 развертки вибратора.

Дополнительный сегмент 36 развертки расположен вначале опорной последовательности 32 корреляции, и он по существу идентичен сегменту N в опорной последовательности 32 корреляции.

На фиг. 2D последовательность 40 развертки вибратора включает в себя N-сегменты развертки вниз, имеющие начальные фазовые углы, которые постепенно вращаются таким же образом, как и в описанных других вариантах исполнения.

Опорная последовательность 38 корреляции включает в себя N + 1 сегментов, N - первые из которых соответствуют - сегментам в последовательности 40 развертки вибратора. Дополнительный сегмент 42 развертки расположен в конце опорной последовательности 38 корреляции и по существу идентичен сегменту 1 в опорной последовательности 38 корреляции.

Теперь назначение дополнительного сегмента развертки будет объяснено в контексте с последовательностью каскадированных разверток, содержащей N-сегментов развертки вверх (т.е. примеры исполнения, показанные на фиг. 2A и 2C).

Для постепенно отрицательных задержек по времени корреляции все более высокая частота каждого опорного сегмента корреляции соотносится со все более увеличивающейся гармоникой высшего порядка, создаваемой сегментом аналоговой развертки вибратора (т.е. сегмент развертки вибратора, который имеет такое же положение в последовательности развертки вибратора, как и опорный сегмент корреляции в опорной последовательности корреляции). Это просто хорошо известные гармонические помехи при отрицательных задержках по времени, присутствующие во всех данных развертки вверх вибратора.

Поскольку присутствуют все N углы вращения, то помехи при отрицательных задержках по времени, в результате N-гармоник второго порядка будут подавляться. Однако для положительных по времени задержек корреляции гармоники соотносятся не между сегментами аналоговой развертки, а между смежными сегментами развертки.

Конец высокой частоты каждого опорного сегмента соотносится с гармоникой высшего порядка, создаваемой сначала смежным сегментом вибратора. Когда опорная последовательность корреляции перемещается вперед по времени, ее более низкая частота начинает затем приводиться в соответствие с гармоникой более низшего порядка смежных сегментов вибратора.

Таким образом каскадирование или соединение вместе сегментов развертки также создает положительные по времени гармонические помехи, которые должны подавляться. (Эти положительные по времени гармонические помехи являются в действительности отрицательными по времени гармоническими помехами смежного сегмента развертки).

Подавление этих положительных по времени помех является критическим, поскольку они являются помехой с последними, следовательно данные отражения становятся более слабыми. Таким образом необходим дополнительный сегмент развертки для обеспечения соответствующего равновесия, чтобы иметь все N углы вращения, представленные между смежными сегментами развертки для положительных задержек по времени. Это будет подавлять помехи с положительными задержками по времени, создающиеся в результате вторых N - гармоник.

Дополнительный сегмент развертки может быть расположен в конце последовательности развертки вибратора (фиг. 2A) или в начале опорной последовательности корреляции (фиг. 2C). Однако для разверток вниз это действительно будет противоположным.

Дополнительный сегмент развертки обеспечивает соответствующее равновесие для отрицательных задержек по времени корреляции. Таким образом, для разверток вниз дополнительный сегмент развертки расположен в начале последовательности развертки вибратора (фиг. 2B) или в конце опорной последовательности корреляции (фиг. 2D).

В способе каскадирования или соединения разверток применяют непрерывную длинную запись с длинной опорной последовательностью корреляции, которая имеет повторяющиеся сегменты. После корреляции это приводит к повторению записей с задержками по времени, равными длине сегмента развертки. Они известны как основные помехи или ложные спектральные линии, причем ложные спектральные линии из последующих сегментов записи могут интерферировать с требуемым сегментом записи.

Настоящее изобретение можно применять для соединения вместе любого типа сегментов развертки (линейные или нелинейные сегменты развертки, а также направления разверток вверх или вниз), однако основные помехи можно уменьшить до значительной степени с применением одной последовательности развертки вибратора за счет использования сегментов развертки, которые имеют низкий уровень энергии боковых лепестков после корреляции, и за счет соответствующего выбора зоны мишени, чтобы требуемые данные соответствовали длине сегмента развертки.

В упомянутой, совместно рассматриваемой заявке описан специальный тип развертки, известный как развертка специальной формы, которая в отличие от линейных разверток образует простые волны малой амплитуды с минимальным уровнем энергии боковых лепестков после корреляции. Развертки специальной формы предназначены для получения спектра удельной энергии, который является оптимальным для гашения помех боковых лепестков; таким образом развертки специальной формы являются идеальными для соединения или каскадирования в последовательность.

Теперь исполнение настоящего изобретения будет описано на примере последовательностей развертки, показанных на фиг. 3, которые представляют дополнительный сегмент 44 развертки в последовательности 48 разверток вибратора (например, вариант исполнения, показанный на фиг. 2A).

Эту конкретную конфигурацию можно применять для замены группы из четырех обычных разверток вверх продолжительностью 6 секунд одной последовательностью каскадированных разверток вибратора; таким образом уменьшается общее время ожидания и соответствующее время реверсирования от четырех периодом ожидания до одного. Предпочтительно применяют сегменты развертки специальной формы благодаря их простоте после корреляции; однако должно быть понятно, что можно применять любой тип развертки.

Опорная последовательность корреляции 46 состоит из каскадирования четырех, по существу идентичных сегментов 6-секундной развертки специальной формы, причем каждый поворачивается на 90^o (360/4) для образования последовательности развертки длиной в 24 секунды.

Последовательность развертки вибратора 48 является по существу идентичной опорной последовательности корреляции 46 за исключением, что она содержит дополнительный сегмент развертки 44, который расположен в конце последовательности и который является по существу идентичным с первым сегментом, таким образом это делает последовательность 30 развертки вибратора длиной в 30 сек.

Дополнительный сегмент 44 развертки соответствует вибрации во время всего периода ожидания и обеспечивает соответствующее равновесие, необходимое для подавления гармонических помех как с отрицательными, так и положительными задержками по времени с применением одной последовательности развертки вибратора.

Важно отметить то, что дополнительный сегмент развертки 44 может быть усечен в конце требуемого периода ожидания, причем это не будет влиять на значение корреляции при нулевой задержке по времени. Например, если требуются 4 секунды времени ожидания, то последовательность 48 развертки вибратора может быть усечена на 28 секундах - минимальная длина записи, которая требуется до корреляции.

Как было отмечено, необязательно (только предпочтительно), чтобы, за исключением дополнительного сегмента, последовательность 48 развертки вибратора была по существу идентичной с опорной последовательностью корреляции 46. Все, что требуется - это то, чтобы последовательность 48 развертки вибратора соответствовала (как было указано) опорной последовательности корреляции 46.

Фиг. 4A-4D показывают результат корреляции двух последовательностей развертки, показанных на фиг. 3. Фиг. 4A показывает результаты взаимной корреляции для корреляции задержек по времени от -24 сек. до +30 сек. Фиг. 4B, 4C и 4D представляют перспективный вид пиков корреляции, возникающих при задержках по времени - 6 секунд соответственно.

Импульс нулевой фазы при нулевой задержке по времени (см. фиг. 4C) формируется, когда две развертки расположены в одном направлении точно по времени, как показано на фиг. 3. Когда опорная последовательность корреляции 46 перемещается назад или вперед по времени, то через каждые 6 секунд будет появляться новый пик корреляции (см., например, фиг. 4B и 4D), если опорная последовательность корреляции и последовательность развертки вибратора снова расположены в одном направлении. (Они определены как границы группы данных корреляции, результатом которых является появление ложных спектральных линий основной гармоники).

Однако существует прогрессирующее фазовое соотношение ±90^o между пиками корреляции из-за циклического сдвига фаз между сегментами (т.е. +90^o при задержке по времени 6 секунд, 0^o при нулевой задержке, -90^o при задержке по времени - 6 секунд и т.п.).

Также амплитуда пиков корреляции уменьшается с увеличением положительных или отрицательных задержек по времени, поскольку коррелируются меньше сегментов развертки.

Корреляция при нулевой задержке по времени (см. фиг. 4C) является по существу в четыре раза эффективнее амплитуды корреляции одной развертки; таким образом корреляция последовательности каскадированных разверток обеспечивает стековую функцию, обычно совершаемую на многократных единичных развертках в каждой точке источника.

В упомянутом примере уровень сигнала корреляции при нулевой задержке по времени соответствует уровню вертикального набора из четырех коррелированных единичных разверток.

Сегменты развертки специальной формы обеспечивают очень ясные границы фрейма корреляции. При размещении требуемой зоны мишени в пределах длины сегмента развертки (±6 секунд в упомянутом примере) необходимые данные точно восстанавливаются. Практически, истинные волны малой амплитуды при корреляции развертки вибратора будут иметь некоторую энергию боковых лепестков и остаточную гармоническую энергию.

Таким образом для того чтобы боковые лепестки из последующего фрейма корреляции не интерферировали значительно с требуемой зоной мишени, мишень (которая представляет собой требуемую длину записи коррелированных выходных данных) обычно ограничена, чтобы она находилась в пределах длины сегмента развертки примерно минус 1 - 2 секунд (например, ±4 - 5 секунд для длины сегмента 6 секунд).

В общем, буфер с интервалом в 1 секунду более подходит для разверток, имеющих низкие уровни боковых лепестков, например, для разверток специальной формы, а буфер с интервалом примерно в 2 секунд более подходит для разверток, имеющих более высокие уровни боковых лепестков, например, для линейных разверток.

Следовательно, длина сегмента развертки должна быть больше равна требуемой длине записи коррелированных выходных данных (обычно время ожидания) плюс примерно 1 - 2 секунды.

Для гашения больших пиков корреляции, которые отмечают границы фрейма, можно применять пары последовательностей развертки вибратора для каждой точки источника. Однако необязательно, чтобы обе последовательности "вибрировали" точно в одном месте заполнения, поскольку полное подавление гармонических помех является независимым в каждой последовательности развертки, и мишень так же ограничена, как было описано.

При вращении второй последовательности развертки вибратора (и соответствующей опорной последовательности ее корреляции) в противоположном направлении тому, которое показано на фиг. 3 (т.е. 0^o, 270^o, 180^o, 90^o), вертикальная пачка коррелированных записей из этих последовательностей будет подавлять границы фрейма, возникающие при ±6 секундах.

В большинстве случаев зона мишени не может простираться через эту зону, поскольку величина практического подавления ограничена примерно до 24 - 30 децибел. Таким образом остаточный пик может вымаскировывать любые отражения, происходящие примерно в это время. Однако этот способ можно применять для продвижения полезной зоны мишени ближе к границе фрейма корреляции.

Следует пояснить один дополнительный момент в отношении зоны мишени. Как было указано, в способе каскадирования разверток применяют непрерывную длинную запись данных с длинной опорной последовательностью корреляции, которая имеет повторяющиеся сегменты.

Если имеются сильные глубокие отражатели с временем движения в двух направлениях, которое более продолжительное, чем отдельный сегмент развертки, то они будут коррелироваться со следующим сегментом, даже если он имеет различный начальный фазовый угол. Эти события будут появляться на коррелированных выходных данных в течение небольших отрезков времени и будут ухудшать требуемые данные.

Например, если длина сегмента развертки равна 6 секундам, длина требуемых коррелированных данных - 4 секунд, а сильный отражатель действует в течение 8 секунд, то на коррелированных выходных данных появится результат в течение 2 секунд, соответствующий 8-секундному результату.

Таким образом, определение зоны мишени должно включать в себя все события значительной амплитуды независимо от того, представляют ли они интерес или нет.

Обычное математическое выражение способа каскадированной развертки для разверток вверх, где дополнительный сегмент развертки включен в последовательности развертки вибратора (т.е. вариант, показанный на фиг. 2A), является следующим

Сложение в уравнении 2 действительно выполняет соединение сегментов развертки в последовательность развертки, а индекс "i" обозначает количество сегментов развертки.

Для последовательностей развертки вниз, где в последовательность развертки вибратора включен дополнительный сегмент развертки (т.е. вариант исполнения на фиг. 2B), временной порядок и начальный фазовый угол дополнительного сегмента развертки изменяются, однако принцип идентичен.

Уравнения 2 и 3 относятся к примеру исполнения изобретения, в котором последовательность развертки вибратора по существу идентична с опорной последовательностью корреляции за исключением дополнительного сегмента развертки.

В примере исполнения изобретения, где последовательность развертки вибратора соответствует опорной последовательности корреляции, уравнение 3 должно иметь следующий вид

Включение дополнительного сегмента развертки в последовательность развертки вибратора (т.е. примеры исполнения, показанные на фиг. 2A и 2B), очевидно, препятствует перемещению вибратора вверх во время дополнительного времени, приводя к некоторым потерям в эффективности работы.

Это можно исключить, если разместить дополнительный сегмент развертки в опорной последовательности корреляции (примеры исполнения, показанные на фиг. 2C и 2D), тем самым позволяя вибраторам перемещаться во время периода ожидания.

Например, фиг. 5 показывает исполнение изобретения, в котором последовательность 50 развертки вибратора состоит из соединения в каскады четырех идентичных сегментов 6-секундных разверток, причем каждый вращается на 90^o для образования последовательности развертки продолжительностью в 24 секунды.

Опорная последовательность корреляции 52 по существу идентичная с последовательностью развертки вибратора за исключением, что она содержит дополнительный сегмент 54 развертки, расположенный вначале последовательности. Этот дополнительный сегмент по существу идентичен последнему сегменту, таким образом общая длина опорной последовательности корреляции составляет 30 секунд, причем первые 6 секунд приходятся на минусовое время.

Следует отметить, что дополнительный сегмент 54 развертки может быть усечен до длины, равной требуемому времени ожидания (следует назад от нулевого времени), однако от этого достигается мало выгоды, особенно, если это не влияет на время, необходимое для осуществления операции корреляции. Дополнительный сегмент 54 развертки не влияет на значение корреляции при нулевой задержке по времени.

Результатом корреляции двух последовательностей, показанных на фиг. 5, являются выходные данные, по существу идентичные с теми, которые показаны на фиг. 4A-4D (допустим, что сегмент развертки, применяемый в примере исполнения, показанном на фиг. 5, по существу такой же, как и сегмент развертки, применяемый в примере исполнения на фиг. 3).

Таким образом, благодаря включению дополнительного сегмента развертки в опорную последовательность корреляции вибратор свободно перемещается во время периода ожидания, в результате достигается наиболее эффективная работа. Однако важно отметить то, что оператор корреляции является нестандартным (т. е. часть ее происходит в минусовом времени) и должен вводиться точно по времени.

Обычное математическое выражение для способа каскадированной развертки для разверток вверх, где дополнительный сегмент развертки включен в опорную последовательность корреляции (т. е. пример исполнения, показанный на фиг. 2C), имеет следующий вид

Опорная последовательность RS± корреляции обычно имеет длину от -L до NL секунд, и она соответствует установке нижнего предела показателя при суммировании до 0. Если это требуется, то дополнительный сегмент развертки может быть усечен, начиная назад от времени 0 до протяженности периода ожидания.

Например, если длина сегмента развертки равна 6 секундам, а требуемый период ожидания составляет 4 секунды, то дополнительный сегмент развертки может быть усечен при - 4 секундах.

Для последовательностей развертки вниз, где дополнительный сегмент развертки включен в опорную последовательность корреляции (т.е. пример исполнения на фиг. 2D), то временной порядок и начальный фазовый угол дополнительного сегмента развертки изменяются, но принцип остается идентичным.

Уравнения 4 и 5 относятся к примеру исполнения изобретения, в котором опорная последовательность корреляции, по существу, такая же, как и последовательность развертки вибратора, за исключением дополнительного сегмента развертки.

Специалисты в данной области техники могут легко пересмотреть уравнение 5 (так же, как было описано в отношении уравнения 3), чтобы охватить пример исполнения изобретения, в котором опорная последовательность корреляции соответствует последовательности развертки вибратора.

Как было описано, для улучшенного гашения помех, можно применять пары последовательностей развертки вибратора. В таком случае они будут иметь предпочтительно следующую конфигурацию (относится ко всем примерам исполнения изобретения).

Набор последовательностей # 1:
Опорная последовательность корреляции = RS±
Последовательность развертки вибратора = VS±
Набор последовательностей # 2:
Опорная последовательность корреляции = RS
Последовательность развертки вибратора = VS
Изменение в знаке верхнего индекса ± для второго набора последовательностей указывает, что если начальные фазовые углы сегментов развертки в первом наборе последовательностей вращаются в направлении против часовой стрелки, тогда начальные фазовые углы сегментов развертки во втором наборе последовательностей вращаются в направлении по часовой стрелке и наоборот.

Кроме того, хотя произвольный начальный фазовый угол Ф_А является одинаковым для обоих наборов последовательностей, однако это является не обязательным, а просто предпочтительным.

Примеры. В качестве примера настоящего изобретения формирования сигнал усилия "искусственного" вибратора путем суммирования сигнала 48 развертки вибратора, показанного на фиг. 3, с второй, третьей и четвертой гармониками развертки. Эти гармоники составляют наибольшую часть искажения, присутствующего в выходных данных усилия действительного вибратора.

Полученная последовательность усилия "искусственного" вибратора была взаимно коррелирована с опорной последовательностью корреляции 46, показанной на фиг. 3, и результат представлен на фиг. 6.

Также представлен вид в перспективе (80 мсек) каждого из основных пиков корреляции. Можно увидеть, что полное подавление гармонических помех, как при положительных, так и при отрицательных задержках по времени во всей требуемой зоне мишени обеспечивается за счет этой конфигурации, и требуемые данные точно восстанавливаются (сравните с зоной мишени на фиг. 4A). Гармонические помехи создаются только снаружи зоны, представляющей интерес.

Напротив, фиг. 7 показывает результаты взаимной корреляции описанной последовательности усилия "искусственного" вибратора минус дополнительный сегмент развертки с опорной последовательностью корреляции 46. (Это соответствует идентичной опорной последовательности корреляции и идентичной последовательности развертки вибратора).

Результат этой взаимной корреляции показывает, что зона мишени теперь разрушена недопустимыми уровнями гармонических помех с положительной задержкой по времени. Этот тип конфигурации назван "неуравновешенным".

Фиг. 8A, 8B и 8C показывают коррелированные короткие записи экспериментальных данных поля, полученных с тем же вибратором, в той же точке источника для трех случаев развертки: пакет из четырех 6-секундных обычных разверток вверх, причем каждая вращалась на 90^o (фиг. 8A), одна каскадированная последовательность развертки вибратора, имеющая такую же конфигурацию, как на фиг. 3 (фиг. 8B); и неуравновешенная конфигурация, где опорная последовательность корреляции и последовательность развертки вибратора являются идентичными, т.е. без дополнительного сегмента развертки в любой из них (фиг. 8C).

В каждом случае сегменты развертки и усилие сегмента (24 секунды - развертка) были идентичными. Каждый сегмент или отдельная развертка представляла собой развертку вверх специальной формы в течение 6 секунд, имеющую пиковую частоту 36 герц, причем диапазон частоты составлял от 1 до 99 герц.

К каждому концу сегмента или развертки прилагали конус амплитуды продолжительностью 375 секунд. Как показано на фиг. 8C, помехи составили 3 секунды и ниже. Эти гармонические помехи с положительной задержкой по времени являются результатом неуравновешанной конфигурации. Эти ложные спектральные линии или "духи" возникают из гармоник во время прямых "приходов", и они связаны со смежным сегментом развертки.

Напротив, способ, в соответствии с настоящим изобретением (фиг. 8B), значительно подавляет эти гармонические помехи (~ 30 децибел), причем по внешнему виду и качеству данных это очень похоже на запись взрыва (фиг. 8A).

Итак, способ, в соответствии с настоящим изобретением, уменьшает время ожидания и реверсирования передачи примерно на коэффициент четыре по отношению к известным способам, при этом, по существу, сохраняя такое же качество данных.

Специалисты в данной области техники поймут, что описанный здесь способ каскадирования разверток можно применять с любым типом сейсмического вибратора, включая без ограничения наземные, морские и буровые вибраторы. Также должно быть ясно, что изобретение не ограничено чрезмерно описанным, которое представлено только для целей иллюстрации.

В объеме изобретения, определенном формулой изобретения, возможны различные модификации и изменения.

Реферат

Способ каскадирования или связи разверток сейсмического вибратора для формирования последовательности каскадированных разверток. Согласно этому способу формируют первую последовательность каскадированной развертки, содержащую N сегментов развертки, соединенных концами N сегменты развертки, по существу, идентичны, за исключением что начальный фазовый угол каждого сегмента развертки в последовательности развертки постепенно вращается на постоянное фазовое приращение примерно 350/ N градусов. Формируют вторую последовательность каскадированной развертки, состоящую из N последовательных сегментов развертки, соединенных концами, которая соответствует первой последовательности каскадированной развертки, и дополнительного сегменты развертки, соединенного с N последовательными сегментами развертки, который расположен и фазирован таким образом, чтобы, по существу, подавлять гармонические помехи во время корреляции. Одну из этих последовательностей каскадированной развертки применяют для последовательности развертки вибратора, а другую применяют для опорной последовательности корреляции. Технический результат данного изобретения выражается в повышении разрешающей способности способа. 2 с. и 10 з.п.ф-лы, 19 ил.

Формула