可控震源采集技术-第一部分.ppt

可控震源地震采集技术刘俊杰SERCEL（Beijing）Technological Service Ltd.提纲1.2.3.4.5.6.7.前言可控震源信号分析基础可控震源工作原理 可控震源施工方法 可控震源现场质量控制 可控震源谐波分析 可控震源高效采集技术发展1.前言地震勘探震源类型331.前言天然地震人工锤击炸药可控震源地震勘探中的几种激励源441.前言钻井班在作业爆炸班在作业551.前言井中爆炸的物理过程66前 言空间采样不足充分采样:采样不足:弱假频:强假频:数据假频99(据张宇，CGGVeritas,2005)前 言观测系统不合理偏移距/方位角方位角玫瑰图覆盖次数图小偏移距（0-500）分布大偏移距（3000-3400）1分0 布10偏移距分布前 言不同面元大小的最大无假频频率速度:3000 m/s200175150125100755025面元大小6.25 m12.5 m25 m30 m0051015202530354045倾角()缩小面元，提高地质体采样，改善成像精度1111Hz目标地层前 言高密度空间均匀采样，提高成像精度较密的偏移距采样有利于压制散射噪音，获得更好的成像效果。这意味着：进一步缩小炮线距和接收线距，将有利于提高 叠前成像精度。1212偏移距25-1475，偏移距间隔200米偏移距25-2975，偏移距间隔400米前 言高密度空间采样，更好压制噪音加密检波点采样可进行:-有效的FK滤波(地面)-波动方程聚焦(深度域)2.5DFK滤波后的叠加2D3DEye-D1313前 言十字排列观测系统叠前压制噪音叠前十字排列道集上用三维拉冬、三维FK、三维FX等方法更好地压制噪音a)单炮数据b)二维滤波c)三维滤波1414前 言1.缩小检波线距2.加密激发点距和线距3.提高覆盖次数常规观测系统高密度观测系统1515观测系统：类型：32线128道10炮 排列方式：3175-25-50-25-3175 面元：25x25 覆盖次数：400（40 x10)接收道数：4096 接收线距：50米 激发线距：80米道距：50米激发点距：80米束间滚动：800米道密度：640,000道/KM2观测系统：类型：8线120道12炮 排列方式：2975-25-50-25-2975 面元：25x50 覆盖次数：40（10 x4)接收道数：960 接收线距：300米 激发线距：300米道距：50米激发点距：100米束间滚动：1200米道密度：32,000道/KM2前 言加密空间采样，改善叠前成像精度高密度观测系统偏面元内移距分布均匀，覆盖次数高常规观测系统高密度观测系统1616前 言高密度观测系统近偏移距（0-500）分布均匀常规观测系统高密度观测系统1717前 言加密空间采样，改善叠前成像精度高密度观测系统远偏移距（3000-3400）分布均匀常规观测系统高密度观测系统1818常规三维前 言高密度空间采样，信噪比和分辨率得到提高，小断层陡倾角成像准确1919 加密空间采样，改善叠前成像精度 高密度三维前 言-加密激发点和检波点空间采样，提高对地质体目标的采样密度减小面元，提高覆盖次数,提高对地质目标的均匀采样，改善信噪比 优化炮检距分布，提高纵横向的成像精度 采用十字排列、对称采样，满足叠前噪音压制条件，改善成像效果宽方位角炮线距对称采样2020检波线距检波点距炮点距前 言可控震源方法是高密度宽方位地震勘探的必然选择2121NOMAD65国外高密度地震的发展Kuwait Minagish 工区采集参数炮点:-2 x 80,000lbs Mertz单次扫描,625 VP/Km8 m 横线,200 m 纵线7,600 单点单道接收,4 m 纵距,200 m 横距8 线,1250 RP/Km-检波点:200 m8 m8 m8 lines x 950=7,600 channels200 m950 channels=3,800 m22221,400 m国外高密度地震的发展1996年采集的老三维资料2004年采集Q-land资料目的层(1.5s twt)最大频率提升44 到70HZ2323道密度：(16 M/Km)道密度：(0.304M/Km)可控震源是高密度地震勘探发展的必然选择！炸药激发55%的地震队 多达 16 炮手 多达 1200 炮/天 经常白天作业 难控因素多(耦合,频率成分等)可控震源40%的地震队 多达 18组震源 多达17.000 炮/天 可以日夜作业震源控制手段和扫描质量监控措施多（保证采集质量）适合平坦地区追加炮成本低适合困难地区追加炮成本高 较多的HSE问题和要求 对建筑物损坏大只需对炮手培训较少的HSE问题和要求对建筑物损坏小 需专业技术人员x40m20m24242525可控震源信号分析基础信号及其频谱什么叫信号？随时间变化的物理量称为信号。即，信号是以时间为自变量的函数。t0地震记录是时间的函数，所以它是信号.一般的表示为X(t)。2626信号的频谱在某个时间区间内的地震记录通常是如下图所是的一个比较复杂的信号。t0t0+T为了说明频谱的意义，先从最简单的信号说起。在物理学中，最简单的波是描述简谐振动的简谐波，它可用正弦函数表示：Asin(2ft+)。A：振幅，f:频率，：初始相位（简称相位）在某个区间内最简单的简谐波是Asin（2f0（t-t0)+）。其中，f0=1/Tt0+Tt0=0t+T0t00该简谐波的周期正好是时间区间长度T。稍复杂一点的是频率为fn=nf0的正弦波：Asin(2nf0（t-t0)+)，这时正弦波的周期是T/nf0：基频，Asin(2nf0（t-t0)+)：n次谐波。一次谐波称为基波。27272多个简谐信号相加可得到一个复杂信号：X(t)=x1(t)+x2(t)一个复杂信号可分解为多个简谐信号的叠加：nx(t)A0 An sin(2nf 0tn)各简谐信号的振幅构成信号的振幅谱A(f)，各简谐信号的初始相位构成信号的相位谱(f)，振幅谱和相位谱合称频谱。频谱可用复数表示：)ei(f)X(f)A(f频谱表示成复数后可做数学运算28829用付氏变换公式：x(t)e i 2ft dt正变换X(f)e i 2ft dfx(t)X(f反变换X(f)是复数,称为x(t)的复频谱,它可表示为：X(f)=u(f)+iv(f)由此可得：u 2(f)v 2(f)A(f)X(f)振幅谱:v(f)(f)arctg相位谱:u(f)29频谱的计算褶积的定义对于两个复值函数其卷积定义为和，f(x)h(x)hx d g(x)ff(x)*h(x)式中*表示褶积运算。原函数折叠位移相乘再加，得到被积函数褶积运算3030褶积运算定理1、交换律f x*h(x)hx*f x2、分配律vx wx*h(x)vx*hx wx*hx3、结合律vx*wx*h(x)vx*wx*hx3131相关运算两个函数的互相关定义为：f g x d f(x)rfg (x)g(x)与卷积的差别在于相关运算中后一个函数取复共轭，且不需要折叠，不满足交换律。互相关运算是两个函数间相似性的度量。函数本身的自相关定义为f f xd f(x)f(x)(x)rff 自相关有一个重要性质：它的模在原点处最大，即x 0rffrff3232这个性质常常用来作为图象（信号）识别的判据可控震源信号分析基础褶积模型的定义Y(t)X(t)H(t)33332.可控震源信号分析基础 理想脉冲及其频谱3434实际炸药激发的有限带宽脉冲及其频谱2.可控震源信号分析基础有限带宽的脉冲信号和扫描信号具有相同的频谱35脉冲与扫描352.可控震源信号分析基础幅值频率(F)6010扫描频率越高,等效的脉冲宽度越窄扫描信号的合成,从而分辨率越高36362.可控震源信号分析基础 相关运算相关滤波把各个地层的反射扫描压缩成为相应的脉冲信号37372.可控震源信号分析基础3838可控震源就是利用长扫描信号产生带限的脉冲能量的系统2.可控震源信号分析基础相关函数的定义1、互相关函数Rxy xt yt dt为x(t)和y(t)之间的延迟连续信号：离散信号：ab（）a（t）b（t+）（1）在0时，互相关函数ab（）不一定具有最大值。一般情况下，互相关函数ab（）在某个 max值时，才达到最大值.（2）互相关函数ab（）只包含有信号 a（t）与b（t）中所共有的频率成份，这一性质表明相关具有较强的滤波作用。我们可以利用这一性 质选择扫描信号频率，压制噪声干扰。3939（3）一般情况下，ab（）不是的偶函数。2.可控震源信号分析基础相关函数的定义2、自相关函数aa（）a（t）a（t+）（1）在自变量0时，自相关函数有正的最大值。（2）自相关函数aa（）是一个关于中心轴对称的波形。（3）自相关函数aa（）的波形与信号a（t）本身波形无关，而只与信号中所包含的频率成份有关，也就是说频率分量相同而波 形不同（即振幅谱相同，而相位谱不同）的两种信号可以有完全相同的自相关函数。40402.可控震源信号分析基础X(n)=(1,0,2,3,2,0,1)序列：X(n)和Y(n)的相关：Y(n)=(1,4,1)相关结果：Rxy(n)=(3,11,16,11,3)41412.可控震源信号分析基础可控震源的相关x(k)=检波器接收信号，相当于采集长度。y(k)=发送参考扫描信号，相当于扫描长度。R(k)=x(k)和y(k)的相关信号，相当于记录长度等于x(k)-y(k)+1个采样扫描长度听时间X(k)*3 秒y(k)=RnR0每次移动一个采样间隔R1如上图所示，在相关处理过程，检波器信号和参考扫描信号之间的相关结果，每次移动一个采样点计算一次，一直移动到等于记录长度而终止，我们通 常把记录长度比作听时间。4242*=12 秒3 秒2.可控震源信号分析基础检波器记录信号扫描信号相关后记录地震道4343可控震源的互相关2.可控震源信号分析基础可控震源的扫描信号的自相关44442.可控震源信号分析基础褶积模型到达检波器的地震波震源激发的地震波系统输出系统输入信号X(t)E(t)Y(t)时间域Y(t)X(t)E(t)Y()X()E()频率域4545地层 系统2.可控震源信号分析基础相关函数的典型讨论-1对检波器记录信号与可控震源扫描信号相关：Y1(t)Y(t)X(t)X(t)H(t)X(t)X(t)X(t)H(t)X 1(t)H(t)的自相关函数X(t)X(t)X 1(t)。为扫频信号X(t)，称为相关子波可控震源的相关记录信号 Y1(t，)可看作是以相关子波X 1(t)为激发波的原始记录信号。46462.可控震源信号分析基础相关函数的典型讨论-2（1）两个相位相差90的扫描信号进行互相关后，它们的互相关子波为一个关于原点对称波形相位相差 90度 的两个扫描信号的互相关子波47472.可控震源信号分析基础相关函数的典型讨论-3（2）一个 10-40HZ的扫描信号与一个 30HZ 正弦波相关后，得到一个 30HZ的正弦波。在相关波形中仅含有两个信号所共有的 30HZ 频率成份，因此，相关后得到一个 30HZ的正弦波。扫描信号与脉冲信号相关48482.可控震源信号分析基础相关函数的典型讨论-4（3）一个扫描信号与一个脉冲信号相关，仍为一个扫描信号，但这个扫描信号的性质发生了改变，如果相关前为升频扫描，则相关后的子波变为降频扫描，如果相关前为降频扫描，则相关后的子波变成升频扫描。49492.可控震源信号分析基础相关函数的典型讨论-5（4）一个 10-40HZ的扫描信号与50HZ的正弦波相关，由于这两个信号间没有包含共有频率成份，因此，相关后无信号输 出。无信号输出10-40HZ50HZ50503.可控震源工作原理SERCEL 428XL 可控震源工作原理图51513.可控震源工作原理可控震源参考信号VE464:DPG先导扫描信号发生器和DSD数字伺服控制系统DPG：32个24位数字先导扫描信号+2个不同的模拟先导扫描 信号；1台DGP可以支持32台震源；DSD：每台震源配备一台DSD；相关运算：在428XL服务器上完成；52523.可控震源工作原理编码扫描发生器（DPG）数字扫描发生器主要功能：产生先导参考扫描信号；遥控DSD参数装载；控制震源振动并与仪器数据采集同步；接收DSD振动过程质量状态数据。53533.可控震源工作原理电控箱体（DSD）数字伺服驱动主要功能：产生与参考扫描信号完全一致的本机扫描信号；控制振动器振动，控制地面出力Gf；对震源输出实施实时QC数据分析，产生状态信息：（峰值出力、相位、畸变等）。54543.可控震源工作原理TDMA数字电台：Time-Division-Multi-Access基于时分多址技术Tracs-TDMA1.TDMA把时间分成多 个时隙，避免设备之间的冲突，集成先进的UHF&VHF通讯与差分GPS技术2.数字信号，避免 A/D转换，提高了通讯的可靠性和范围内置或外接 GPS包括差分校正3.采用GPS时钟进行传输计时同步TDMA 1无电台冲突TDMA 25555no compossiblecomCOMpossible comno comCOM3.可控震源工作原理VE464工作时序采集系统采集系统启动采集地震数据采集结束DPG延迟，DPG完成收发DPG发送T0（TO参数和下一炮点坐标）等待GPS时钟，在TB时刻启动采集AB C仪器发出FO（点火命令）后，DPG延迟一段时间（200-400ms)，在这期间发送T0参数，及下一炮点坐标;DSD收到DPG同步码后,根据GPS时钟，产生TB信号及参考扫描，产生56本机56扫描至扫描结束。DSD产生本机扫描GPS time听时间FOTBABC57573.可控震源工作原理SERCEL 428XL 可控震源工作原理图58583.可控震源工作原理20hz70hztime可控震源扫描函数+0.7+0.9+0.3反射系数time-0.5记录(原理)time记录地震道time相关后的结果time59596060 3.可控震源工作原理可控震源参考信号可控震源激发的地震信号正弦扫频信号(f2 f1)tX(t)A sin 2 f(0 t T)12T式中和f1f 2分别为扫描起始频率和终了频率，T：扫描长度。典型的起始频率范围f1：4 20Hz典型的终了频率范围f2：40 100Hz典型的扫描长度范围T：8 20 s3.可控震源工作原理可控震源参考信号1+Cos（t/T1+1）/2，0tT1A(t)1T1tT-Ts1+Cos（1+（T-t）/T1/2，T-T1tTTs:扫描信号在开始和结束时时，信号幅度有一逐渐变化的部分称为过渡带或斜坡,称为斜坡长度;T为扫描信号持续时间,扫描长度61613.可控震源工作原理可控震源参考信号扫描信号的几个物理量Tf1ff02f0（f1f2）2扫描中心频率f2-f1绝对频带宽度Rf2f1相对频带宽度RROCTlog2（f2f1）扫描信号瞬时频率 f（t）f1kt0tT62621 3.可控震源工作原理可控震源参考信号(f 2 f1)t T)X(t)A sin2f(0t升频扫描：12T(f 2 f1)t T)X(t)A sin2f(0t降频扫描：2T63633.可控震源工作原理扫描信号类型线性扫描:信号频率变化的速率在扫描期间恒定不变。最常用的类型，一般用升频:在振动过程中对系统的约束要求少。激发能量在整个频带内均匀分布。升频线性扫描信号及频谱64643.可控震源工作原理线性扫描信号的自相关子波65线性扫描信号的自相关子波-Klauder子波653.可控震源工作原理线性扫描信号的自相关子波1.清晰度清晰度可以用相关子波最大波峰值与相邻波峰值来表示，清晰度A1/A2清晰度越大，则波形越突出A1A266663.可控震源工作原理2.相对频宽与绝对频宽相对频宽R：自相关子波绝对频宽：自相关子波Fh/FlFh-Fl绝对频宽相对频宽虽然绝对频宽不同，但相对频宽相同的自相关子波的清晰度一样；67673.可控震源工作原理2.相对频宽与绝对频宽相对频宽R：自相关子波绝对频宽：自相关子波Fh/FlFh-Fl绝对频宽相对频宽虽然绝对频宽相同，但相对频宽不同，则自相关子波的清晰度不一样；68683.可控震源工作原理2.相对频宽与绝对频宽69扫描信号频率与宽度固定对相关波形的影响693.可控震源工作原理2.相对频宽与绝对频宽7070扫描信号频率与宽度变化对相关波形的影响3.可控震源工作原理2.相对频宽与绝对频宽7171扫描信号频率与宽度变化对相关波形的影响3.可控震源工作原理3.分辨率相关子波分辨率定义为相关子波的主波峰穿越时移座标的两个交点的时间间隔R。R分辨率反映了扫描信号相关子波的分辨率，它与扫描信号的中心频率f0 有关：R1/2f0对于线性扫描信号的相关子波，只有在 R3-4或者 ROCT1.2-2才有意义。分辨率可以通过增加信号的高频成份来加以改善。72723.可控震源工作原理4.相关子波的宽度相关子波的宽度指相关子波主体部分的长度，也称相关子波延续时间T相关子波宽度（T）2/绝对频宽（）相关子波宽度影响震源相关记录的分辨能力，扫描信号绝对频宽 越宽，则相关子波宽度越窄。73733.可控震源工作原理5.相关子波边叶(旁瓣）相关子波的边叶，即相关子波的旁瓣，由于相关子波的能量并不集中于子波中心部位，在相关子波两侧还有能量曲线波动。边叶中心部分相关子波形态边叶如果这些边叶能量衰减很慢，那么，经相关后的地震记录中浅层反射信号的相关子波边叶将对深层反射信号产生干扰，相关边叶将作为噪声背景存在于可控震源相关记录之中。这种噪声不是由于物理因素（如高压线、风吹草动、车辆或人员走动）产生的振动形成，而是由于相关处理运算本身所产生的，所以称74之为相 关噪声。743.可控震源工作原理压制相关子波边叶的方法？压制子波旁瓣的几种斜坡类型75753.可控震源工作原理压制相关子波边叶的方法？76用锲型扫描信号压制旁瓣763.可控震源工作原理其它扫描信号类型非线性扫描:信号频率变化的速率在扫描期间是变化的。f指数扫描f2线性扫描指数扫描f1tT指数扫描示意77非线性扫描信号及频谱773.可控震源工作原理扫描信号类型非线性扫描:信号频率变化的速率在扫描期间是变化的。对数扫描ff2对数扫描f1线性扫描tT对数扫描示意非线性扫描信号及频谱78783.可控震源工作原理改善相关子波特性1-93HZ线性扫描自相关子波及频谱7979据张宏乐 王梅生，一种改善相关子波特性的扫描信号物探装备2006.83.可控震源工作原理改善相关子波特性1-93HZ非线性扫描（对数分段扫描）自相关子波及频谱8080据张宏乐 王梅生，一种改善相关子波特性的扫描信号物探装备2006.83.可控震源工作原理扫描信号设计的原则1.由扫描信号形成的地震相关记录具有良好的信噪比。2.扫描信号的相关子波主瓣应具有尖锐的自相关函数，即具有脉冲压 缩特性。3.扫描信号与其它无关信号（如噪声信号）之间的互相关能量很小，且自相关与互相关有明显的区别。即扫描信号的相关子波具有良好的 互可辨性。81813.可控震源工作原理可控震源子波的特点小结：扫描信号的自相关子波与炸药方法激发的反射子波一致；2.3.4.可控震源对大地的激发作用是扫描信号的自相关；反射脉冲是大地响应与扫描信号自相关的褶积；可控震源的反射为受大地相位滤波作用和可控震源因素影响的对称的自 相关函数；扫描频率的选择基于采集成本和合理的最大带宽的考虑，最大带宽受 大地滤波作用影响；扫描信号的自相关函数的主峰值代表了扫描信号的主要能量；扫描信号频谱越宽，则自相关子波越窄；高频成分频谱越宽，则旁瓣越高；扫描信号自相关函数的边瓣可通过对扫描信号施加斜坡加以减少；5.6.7.8.9.82823.可控震源工作原理可控震源相关记录的几个特点1.记录长度=(采集长度-扫描长度+1)(采样率)采集长度=扫描长度+听时间记录长度=采集长度-扫描长度=听时间扫描长度即参考扫描信号的长度扫描时间搬家时间扫描时间搬家时间听时间听时间采集时间采集时间8383对应。2 可控震源相关记录基本上是由一系列零相位反射相关子波构成，但受到信号在大地传输和采集过程中所引入的信号相移和衰减等非线性因素的影响，可 控震源相关子波的形态会有所改变，从而使可控震源相关子波呈现出某些非零相位子波的特性。3 在可控震源相关记录中，相关子波的主波峰值出现的时刻与地震波反射开始时间相对应，它与炸药震源记录中反射波达到时刻，也即脉冲震源反射波初至时间相可控震源相关记录与炸药震源记录反射波到达时间比较84843.可控震源工作原理扫描信号相关的新技术：地面力-1可控震源地面力示意图检波器记录的地震反射信号：U(t)=F(t)*G(t)F(t）是平板施加的地面力，其频率随时间变化；8585G(t)是质点垂向运动分量，表示大地对脉冲的响应；3.可控震源工作原理扫描信号相关的新技术：地面力-2U(t)=F(t)*G(t)时间域U(2f)=F(2f)G(2f)频率域F*(2f)U(2f)=F*(2f)F(2f)G(2f)=|F(2f)|2G(2f)F*为F(t)的共轭函数如果在频率域内保持|F(2f)|2为常数，则可通过地震采集记录与地面力共轭函数的互相关，得到大地的脉冲响应G(2f)。86863.可控震源工作原理扫描信号相关的新技术：先导扫描信号-2实际应用中，F(t)与可控震源的性能和控制系统有关，为了尽可能得使互相关处理与可控震源本身无关，使地震数据与 一个先导扫描信号p(t)互相关，其频率域表达式如下：P*(2f)U(2f)=P*(2f)F(2f)G(2f)P*(2f)是P(2f)的共轭P*(2f)F(2f)：先导扫描信号的共轭与地面力在频率域的积87873.可控震源工作原理扫描信号相关的新技术：先导扫描信号-21.互相关的噪音、主瓣宽度与主峰宽度之比与采集长度、扫描频带和扫描类型有关；2.相关函数的对称性与先导扫描信号与地面力信号的相似性有关；3.主峰的时间位置与先导信号与地面力信号的同步性有关；4.正与负主峰的相对振幅应相等，否则存在相位差；5.若负相关噪音相对较强，则意味着地面力信号存在较强的谐波干扰。8888先导扫描信号P(t)与地面力信号的互相关GF(t)炸药震源与可控震源的对比8989炸药震源可控震源激发波形不可控制激发波形可控制震源能量的利用率低震源能量的利用率低容易对周围环境造成损害对周围环境不造成损害易受干扰可通过相关压制随机干扰9090