一种可控震源速度子波响应的预测方法与流程

1.本发明涉及一种可控震源速度子波响应的预测方法，属于可控震源设计技术领域。


背景技术：

2.可控震源是一种绿色环保、安全高效、可控性强的地震勘探装备，已逐步成为地震勘探主要激发源之一。在可控震源工作前，首先要通过提升缸将可控震源车身顶起，使可控震源的重量全部作用在振动器平板上，从而保证振动器平板与地面紧密耦合。在工作过程中，可控震源振动器液压系统产生的高压液压油交替进入重锤的上下腔室，推动重锤上下运动，同时由液压油产生的液压力通过活塞杆、上板以及立柱结构传递给平板，最后通过平板与大地的接触传递给大地，从而激发地震波。因此振动器平板与大地之间接触面的近地表物性会直接影响可控震源振动器输出信号的精度及振动器的能量传递，对勘探精度具有重要的作用。可控震源在使用过程中尽管采用相同的激发扫描参数，也会经常出现相邻地段记录间质量变化大，有时记录品质很差、资料的信噪比很低、分辨率不高等问题，这些问题并非是由于可控震源工作不正常引起的，而是由于近地表条件的变化、近地表介质的粘弹性系数不同及耦合条件的改变造成可控震源激发的地震波严重畸变或能量太弱所引起的。
3.为了实现能量的最佳传输，改善下传信号的质量，提升可控震源的勘探能力，研究人员针对振动器-大地接触系统进行了大量研究。2006年ley等人通过现场测试的方法对大地的刚度和粘度进行了研究，试验表明疏松砂岩的粘度比露头石灰石要大，刚度也表现出相似的规律，只是差别要小一些。他们的研究是基于sallas模型，由于捕获大地的质量无法确认，以平板的质量代替平板和捕获大地的质量。2008年wei在eage的会议上发表了一篇关于估计大地刚度，阻尼和捕获体质量的文章，认为平板与大地之间的相互作用根据地表岩性的不同而不同，平板对较软的地表捕获能力更强。2016年黄志强等人通过有限元的方法，对振动器与大地之间的相互作用开展了研究，结果表明振动器平板的能量传递率主要集中在12.9％左右，相对较低，震源所产生的一部分能量消耗在平板变形中。2018年李刚根据建立的振动器-大地耦合振动模型，开展了针对模态特性、相位、下传能量以及振动出力的定量分析和灵敏度分析，研究表明在中频和高频，平板质量和大地弹性模量对振动出力的贡献交替占据主导地位，在60hz-120hz频段，大地弹性模量对振动出力的贡献最大。2019年黄志强等人基于分型理论建立了三维粗糙大地表面形貌，构建了振动器平板-大地接触模型，研究了表面形貌及材料参数对振动器平板与大地之间的接触力-变形曲线的影响规律，计算了不同振动器平板-大地接触模型的振动响应和能量传递，研究表明大地表面形貌与材料参数均会导致振动器平板与大地之间的非线性接触，影响振动器平板-大地接触系统的振动响应与能量传递。
4.以往对可控震源的研究中，关注最多的是振动系统平板结构的优化，以提高可控震源平板的性能，减小可控震源输出信号畸变，提高勘探精度。虽然提出了近地表物性参数
的计算方法，对大地表面形貌及材料参数对振动器平板与大地之间的接触力-变形曲线的影响规律进行了研究，但缺少不同近地表弹性系数和阻尼系数条件下可控震源特征信号的幅频和相频特性的定量模拟，无法直接指导可控震源扫描信号的设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可控震源速度子波响应的预测方法，以实现对不同近地表物性条件下可控震源激发地震速度子波的预测。
6.本发明为解决上述技术问题而提供一种可控震源速度子波响应的预测方法，该预测方法包括以下步骤：
7.1)获取可控震源施工过程中的参考信号、力信号、重锤加速度信号和平板加速度信号；
8.2)对获取的重锤加速度信号和平板加速度信号分别进行时频转换，并根据时频转换结果确定出平板加速度与重锤加速度的振幅比随频率变化曲线以及平板加速度与重锤加速度的相位差随频率变化曲线；
9.3)根据振幅比的函数和相位差函数，利用可控震源的重锤质量和平板质量以及得到振幅比随频率变化曲线和相位差随频率变化曲线计算近地表介质属性参数；
10.4)基于平板和耦合介质之间的动力学平衡关系建立平板和耦合介质之间的速度传递函数，得到平板速度振幅谱与近地表介质属性参数之间的关系，并根据步骤3)的近地表介质属性参数计算该近地表对应的速度子波频谱响应。
11.本发明基于可控震源施工过程中获取的加速度信号确定近地表介质属性参数，从可控震源与近地表介质构成高阶响应系统出发，通过计算出的近地表物性参数，实现不同近地表物性条件下可控震源激发地震速度子波响应的预测，为进行不同近地表物性条件下扫描信号的设计和优化提供了数据支撑，有助于建立扫描信号与工区地表的最佳适应关系，改善地震资料品质。
12.进一步地，该方法还包括根据步骤1)至4)得到出不同近地表耦合介质下的速度子波频谱响应，并以此建立不同近地表耦合介质速度子波分布图。
13.本发明利用得到的不同近地表耦合介质下的速度子波频谱响应，建立不同近地表耦合介质速度子波分布图，进而确定不同近地表物性条件下速度子波的频谱特征。
14.进一步地，所述的近地表介质属性参数包括近地表耦合介质的平均刚度系数、平均粘性系数和近地表耦合介质质量。
15.进一步地，不同近地表耦合介质速度子波分布图是通过以平均刚度系数为横坐标、平均粘度系数为纵坐标，将不同近地表速度子波的频谱响应放入对应的物性位置得到的。
16.通过该过程，本发明能够快速建立不同近地表耦合介质速度子波分布图。
17.进一步，所述步骤4)中得到的平板速度振幅谱与近地表介质属性参数之间的关系为：
[0018][0019]
其中kg和dg分别是近地表耦合介质的平均刚度系数和平均粘性系数，mg是近地表
耦合介质质量，ω为平板加速度的角频率。
[0020]
进一步地，所述的步骤3)中的振幅比的函数和相位差函数均是通过拟合得到的，振幅比的函数和相位差函数分别为：
[0021][0022][0023]
kg和dg分别是近地表耦合介质的平均刚度系数和平均粘性系数，mg是近地表耦合介质质量，ω为平板加速度的角频率，mb为重锤质量，mr为平板质量，a(ω)为振幅比，为相位差。
[0024]
进一步地，所述步骤2)中振幅比随频率变化曲线的获取过程为：
[0025]
将平板加速度与重锤加速度信息通过傅里叶变换转换到频域；
[0026]
在频域内计算平板振幅与重锤振幅的比值，并从中选取目标频率段的振幅比值数据；
[0027]
对选取的目标频率段的振幅比值数据进行平滑处理，并转换成对数分贝值。
[0028]
进一步地，所述步骤2)中相位差随频率变化曲线的获取过程为：
[0029]
将平板加速度与重锤加速度信息通过傅里叶变换转换到频域，并计算对应的相频响应；
[0030]
在频域内计算平板相位与重锤相位的差值，并从中选取目标频率段的相位差数据；
[0031]
对选取的目标频率段的相位差数据进行平滑处理，并转换成对数分贝值。
附图说明
[0032]
图1是可控震源振动器结构示意图；
[0033]
图2是可控震源振动器-大地耦合振动模型示意图；
[0034]
图3是本发明实施例中获取的可控震源数据示意图；
[0035]
图4-a是本发明实施例中得到的平板幅频响应图；
[0036]
图4-b是本发明实施例中得到的重锤幅频响应图；
[0037]
图5是本发明实施例中得到的平板加速度与重锤加速度的振幅比随频率变化曲线；
[0038]
图6是本发明实施例中得到的平板加速度与重锤加速度的振幅比对数谱；
[0039]
图7-a是本发明实施例中得到的平板相频响应图；
[0040]
图7-b是本发明实施例中得到的重锤相频响应图；
[0041]
图8是本发明实施例中得到的平板加速度与重锤加速度的相位差随频率变化曲线图；
[0042]
图9是本发明实施例中得到的平板加速度与重锤加速度的相位差对数谱图；
[0043]
图10-a是本发明实施例中得到的沙滩地表振幅比拟合结果图；
[0044]
图10-b是本发明实施例中得到的沙滩地表相位差拟合结果图；
[0045]
图11是本发明实施例中得到的沙滩地表可控震源输出速度子波的频谱图；
[0046]
图12是本发明实施例中得到的不同近地表耦合介质速度子波分布图；
[0047]
图13是本发明可控震源速度子波响应的预测方法的流程图；
[0048]
其中1为平板，2为液压油腔室、3为重锤，4为上板，5为活塞杆，6为立柱，7为液压管道，8为空气弹簧，9为大地。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
[0050]
本发明首先获取可控震源施工过程中的重锤加速度信号和平板加速度信号，并以此得到平板加速度与重锤加速度的振幅比随频率变化曲线以及平板加速度与重锤加速度的相位差随频率变化曲线；然后通过曲线拟合计算近地表介质属性参数；最后基于平板和耦合介质之间的动力学平衡关系得到平板速度振幅谱与近地表介质属性参数之间的关系，并根据近地表介质属性参数计算该近地表对应的速度子波频谱响应。该方法的实现流程如图13所示。
[0051]
在对本发明的方法进行描述之前，先对可控震源进行介绍。可控震源是一种低能量密度的激发源，激发能量的积累需要长时间振动来实现。振动器是可控震源的核心，是产生地震信号的源头。如图1所示，可控震源振动器由上板4、立柱6、活塞杆5、平板1、重锤3、液压油腔室2、液压管道7和空气弹簧8等组成。重锤通过2个空气弹簧8与平板1连接在一起，空气弹簧8用于平衡重锤自身的重力。在工作过程中，可控震源振动器液压系统产生的高压液压油交替进入重锤的上下腔室，推动重锤上下运动，同时由液压油产生的液压力通过活塞杆、上板以及立柱结构传递给平板，最后通过平板与大地的接触传递给大地9，从而激发地震波。
[0052]
可控震源振动器-大地耦合振动模型可以由质量-弹簧-阻尼器受迫振动来模拟。可控震源的振动器平板与地面之间构成一个非完全弹性系统，如图2所示，其中mr是重锤质量，mb是平板质量，mg是近地表耦合介质质量，hs和hv分别是液压油的弹性和粘性系数，kg和dg分别是近地表耦合介质的弹性和粘性系数，xr是重锤的位移，xb是平板的位移，fa是液压油的作用力，fg是地面力。
[0053]
以近地表为对象，根据牛顿第三运动定律，对平板和耦合介质建立动力学平衡方程：
[0054]fg
＝m
gag
d
gvg
kgugꢀꢀ
(1)
[0055]
公式中：mg为捕获体的耦合质量；ug为捕获体的振动位移；ag为捕获体的加速度；vg为捕获体的振动速度；dg为近地表的弹性系数；kg为近地表的粘度系数。将捕获体的速度和加速度用位移的微分表示，则
[0056][0057]
将捕获体的速度和位移用加速度的积分形式表示，则
[0058]fg
＝m
gag
dg∫ag kg∫∫agꢀꢀ
(3)
[0059]
应用laplace变换(拉普拉斯算子s＝σ jω)，可得
[0060][0061]
整理可得
[0062][0063]vg
(s)＝∫ag(s)ds
ꢀꢀ
(6)
[0064]
将公式(6)带入公式(5)求解，可以得到速度的传递函数：
[0065][0066]
令拉普拉斯算子的实部为零(即σ＝0)，可将公式(7)的传递函数从拉普拉斯域变换为傅里叶域(等效于傅里叶变换结果)，得到速度传递函数的频谱：
[0067][0068]
针对上述分析，提出了本发明的可控震源速度子波响应的预测方法，该方法的实现过程如下。
[0069]
1.获取可控震源施工过程中的参考信号、力信号、重锤和平板加速度信号。
[0070]
可控震源振动控制器按照用户给定的参考信号控制重锤的上下运动，通过平板与大地的接触传递给大地，从而激发地震波。在重锤和振动平板上，安装有振动信号检测装置(加速度表)，通过加速度表检测重锤与振动平板的振动信号，扫描过程中两个加速度表分别记录重锤和平板的运动信息，并把它们反馈到电控系统，重锤与振动平板振动出力的矢量和称为力信号，电控系统校正力信号的相位与出力大小，从而保证可控震源振动的同步精度和振动精度。以nomad 65neo可控震源为例，重锤质量mr为4082kg，平板质量mb为1560kg，平板面积s为2.634m2。可控震源施工过程中每次振动完成后，收集相应的参考信号、力信号、重锤和平板加速度信号用于后续分析，本实施例得到的信号如图3所示。
[0071]
2.根据获取的重锤加速度信号和平板加速度信号确定出平板加速度与重锤加速度的振幅比随频率变化曲线以及平板加速度与重锤加速度的相位差随频率变化曲线。
[0072]
1)振幅比曲线的确定过程
[0073]
通过加速度表检测重锤与振动平板的振动信号，平板加速度和重锤加速度信息是时间域的，基于傅里叶变换得到频率域信息，结果如图4-a和图4-b所示，其中图4-a指的是平板信号的幅频响应曲线，图4-b指的是重锤信号的幅频响应曲线。将平板信号的幅频响应比上重锤信号的幅频响应得到的平板振幅与重锤振幅的比值，并根据需要选取目标频率段的数据，本实施例中的目标频率段选取5-95hz，得到的结果如图5所示。为了方便后续拟合计算，本发明对图5的曲线进行平滑滤波后，再转换成对数谱形式，结果如图6所示。
[0074]
2)相位差曲线的确定过程
[0075]
通过加速度表检测重锤与平板的振动信号(加速度信号)，平板加速度和重锤加速度信息是时间域的，基于傅里叶变换得到频率域信息，平板与重锤相频响应结果如图7-a和图7-b所示，其中图7-a指的是平板信号的相频响应曲线，图7-b指的是重锤信号的相频响应曲线。将平板信号的相频响应比上重锤信号的相频响应得到的平板相频与重锤相频的差
值，并根据需要选取目标频率段的数据，本实施例中的目标频率段选取5-95hz，得到的结果如图8所示。为了方便后续拟合计算，本发明对图8的曲线进行平滑滤波后，再转换成对数谱形式，结果如图9所示。
[0076]
3.根据振幅比的函数和相位差函数，利用可控震源的重锤质量和平板质量以及得到振幅比随频率变化曲线和相位差随频率变化曲线计算近地表介质属性参数。
[0077]
振幅比和相位差函数可分别表示为：
[0078][0079][0080]
根据上述振幅比和相位差函数，在重锤质量mb和平板质量mr一定的情况下，通过拟合振幅比和相位差曲线，可以求解近地表介质属性参数：平均刚度系数kg，平均粘度系数dg和捕获体平均质量mg。
[0081]
本实施例以沙滩地表为例，通过拟合振幅比和相位差曲线，结果如图10-a和图10-b所示，求得沙滩地表平均刚度系数为2.07
×
108n/m，平均粘度系数为2.57
×
106n*s/m，捕获体平均质量为363kg。
[0082]
4.基于平板和耦合介质之间的动力学平衡关系建立平板和耦合介质之间的速度传递函数，得到平板速度振幅谱与近地表介质属性参数之间的关系，并根据步骤3)的近地表介质属性参数计算该近地表对应的速度子波频谱响应。
[0083]
根据推导出的速度频谱方程，如公式(8)所示，根据该速度频谱方程，即可实现可控震源输出速度的正演模拟。方程的输入参数即为力信号fg(jω)和近地表介质属性参数：平均刚度系数kg，平均粘度系数dg和捕获体平均质量mg，代入该频谱方程，实现单一近地表介质情况下可控震源速度子波的频谱响应，对于本实施例中的沙滩地表而言，得到速度子波的频谱如图11所示。
[0084]
5.确定不同近地表耦合介质速度子波分布。
[0085]
通过步骤1-4即可得到任意近地表介质情况下可控震源速度子波的频谱响应，本发明利用上述过程获取各种近地表介质情况下的可控震源速度子波的频谱响应，以平均刚度系数为横坐标，平均粘度系数为纵坐标，将获取的不同近地表速度子波的频谱响应放入对应的物性位置，即可得到不同近地表耦合介质速度子波分布图。
[0086]
对本实施例而言，采用nomad 65 neo可控震源，收集在沙滩、水泥地、硬草地、盐碱壳、硬沙、软草地、砾石、岩石、泥覆岩石、风化岩石、湿泥土不同近地表下可控震源振动的参考信号、力信号、重锤和平板加速度信号，进行可控震源激发地震速度子波的频谱模拟，将不同介质可控震源速度子波响应分别按照平均刚度系数kg和平均粘度系数dg值对应的空间位置绘制在一幅图上，结果如图12所示。
[0087]
利用本发明获取的不同近地表耦合介质速度子波分布情况，可针对不同近地表物性条件下速度子波的频谱特点，设计最佳的扫描信号，提高激发效果，使可控震源激发能量最佳下传，从而提高单炮资料的品质，为后期的地震资料处理解释提供最优品质的可控震源原始单炮资料。
[0088]
本发明从可控震源与近地表介质构成高阶响应系统出发，实现了不同近地表物性条件下可控震源激发地震速度子波的频谱模拟。通过可控震源激发地震速度子波的频谱分析，掌握有效下行波能量的优势频带，进行不同近地表物性条件下扫描信号的设计和优化，建立扫描信号与工区地表的最佳适应关系，从而减小畸变，改善子波品质，实现能量的最佳传输，充分挖潜可控震源设备的激发潜力，对提高可控震源勘探效果具有重要意义。