寬頻信號(hào)的激發(fā)、接收條件對(duì)地震資料的影響

·綜述·

寬頻信號(hào)的激發(fā)、接收條件對(duì)地震資料的影響

孫軍和1張玉升1徐占峰2王新慶1

(1.東方地球物理公司國(guó)際勘探事業(yè)部河北涿州072751; 2.中國(guó)石油伊拉克公司北京100120)

摘要：得益于寬頻信號(hào)對(duì)地震資料的改善，隨著“兩寬一高”技術(shù)的推廣應(yīng)用，地震勘探中人們?cè)絹?lái)越多地采取寬頻激發(fā)?？墒敲つ康卦黾蛹ぐl(fā)頻寬，有時(shí)會(huì)事與愿違，并不能帶來(lái)地震資料的改善。實(shí)際上，要想得到有效的寬頻信號(hào)，必須根據(jù)目的層的要求綜合考慮激發(fā)條件、接收條件、大地介質(zhì)條件和處理方法這四個(gè)要素的影響，針對(duì)性地選取合適的激發(fā)、接收參數(shù)并采用適當(dāng)?shù)奶幚硎侄尾拍苡行У財(cái)U(kuò)展地震資料的頻寬，從而提高地震勘探的精度。文章分析了幾個(gè)實(shí)例來(lái)驗(yàn)證寬頻信號(hào)的激發(fā)、接收條件對(duì)地震資料的影響。

關(guān)鍵詞：寬頻信號(hào)；重錘行程；伺服閥；空間采樣率；檢波器響應(yīng)

作者簡(jiǎn)介：第一孫軍和，男，1965年生，高級(jí)工程師，1988年畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，東方地球物理公司科技帶頭人，負(fù)責(zé)海外可控震源應(yīng)用技術(shù)。E-mail:sunjunhe@bgp.com.cn

文章編號(hào)：中圖法分類號(hào)：P631.4

收稿日期：(2014-12-14編輯：姜婷)

Influence from Shooting and Receiving Conditions of Broadband Signals on Seismic Data SUN Junhe1ZHANG Yusheng1XU Zhanfeng2WANG Xinqing1

(1.BGPInternational,Zhuozhou,Hebei072751,China;2.PetrochinaIragLtd.,Beijing100120,China)

Abstract：Due to the seismic data improvement from the broadband signal, the broadband shooting was chosen more frequently in the seismic exploration with the wide application of “Wide Azimuth, High Density, and Broad Band” technology. But blindly increasing the shooting bandwidth sometimes will backfire and cannot improve the seismic data. Actually, the shooting condition, receiving condition, near-surface condition, and processing method affect the effective broadband signal according to the request from the target layers. The seismic data can be improved only by choosing the proper shooting and receiving parameters, using the suitable processing method, and then broadening the seismic data bandwidth. In this paper, we also introduce some examples to demonstrate the influence from shooting and receiving conditions of broadband signals on seismic data.

Key word： broadband signal, reaction mass stroke, servo-valve, spatial sampling, geophone response

0引言

隨著甲方對(duì)地震勘探精度要求的不斷提高，“兩寬一高”技術(shù)成為改善地震資料品質(zhì)的手段而得到推廣應(yīng)用?！皟蓪捯桓摺奔夹g(shù)的精髓在于通過(guò)新的地震采集設(shè)計(jì)獲得寬頻的地震信號(hào)，從而擴(kuò)展地震資料的頻寬，提高地震勘探的精度。但是，僅僅著眼于掃描信號(hào)，盲目地增加激發(fā)頻寬，有時(shí)并不能收到預(yù)想的效果。為此，有必要分析寬頻信號(hào)的獲得受到哪些因素的影響，從而指導(dǎo)地震采集設(shè)計(jì)。只有采取了與寬頻信號(hào)相匹配的地震采集設(shè)計(jì)，才能有效地?cái)U(kuò)展地震資料的頻寬，滿足甲方對(duì)高精度勘探的需求。

1影響寬頻信號(hào)的四個(gè)要素

1.1激發(fā)條件

1.1.1低頻端的限制

可控震源的掃描頻率決定了地震信號(hào)的頻寬極限，對(duì)于升頻掃描來(lái)說(shuō)，任何低于掃描起始頻率的地震資料頻率成分和高于掃描終了頻率的地震資料頻率成分都不可能是有效的地震信號(hào)。實(shí)現(xiàn)寬頻技術(shù)的第一步就是要擴(kuò)寬可控震源的掃描頻寬，可是可控震源的掃描頻率在低頻和高頻都受到了來(lái)自震源結(jié)構(gòu)本身的限制。低頻起始頻率主要受到了震源提升系統(tǒng)、重錘行程和泵流量的限制。低頻掃描要求重錘完成較大的位移，但是震源的重錘行程限制就制約了低頻信號(hào)的產(chǎn)生。重錘行程對(duì)低頻起始頻率的限制見(jiàn)公式(1)。

(1)

式(1)中，F(xiàn)min是起始最低頻率，F(xiàn)peak是峰值出力，Mm是重錘質(zhì)量，Strokeusable是有效重錘行程。

對(duì)于INOVA AHV-IV 364震源來(lái)說(shuō)，峰值出力為275 kN，重錘質(zhì)量為3 683 kg，有效重錘行程為9.83 cm，因此根據(jù)公式(1)可計(jì)算出該型號(hào)震源的起始最低頻率為6.3 Hz。該公式并沒(méi)有考慮實(shí)際施工時(shí)的驅(qū)動(dòng)幅度和斜坡，當(dāng)使用70%驅(qū)動(dòng)幅度時(shí)，公式內(nèi)的峰值出力需要乘以70%，因此得到起始最低頻率為5.2 Hz。當(dāng)掃描處于斜坡內(nèi)時(shí)，由于振幅較小，因此低頻起始頻率可以往更低擴(kuò)展，但是要考慮到通常使用的斜坡并不是線性的，不能僅僅通過(guò)斜坡終止時(shí)的頻率是否滿足限制來(lái)判斷。

對(duì)于升頻掃描，在低頻起始階段液壓泵快速達(dá)到全沖程，如果低頻停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則液壓泵不能夠持續(xù)增加流量導(dǎo)致系統(tǒng)壓力下降，會(huì)導(dǎo)致壓重下降、畸變升高，進(jìn)一步損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于正弦掃描信號(hào)，液壓泵流量造成的出力限制遵循公式(2)。

(2)

式(2)中，F(xiàn)peak是峰值出力，Mm是重錘質(zhì)量，Pump_rating是泵流量速率，Ap是活塞面積，f是頻率。

對(duì)于INOVA AHV-IV 364震源來(lái)說(shuō)，重錘質(zhì)量為3 683 kg，P7液壓泵速率為0.010 1 m3/s，活塞面積為0.013 29 m2,1 Hz時(shí)其峰值出力限制為27 626 N。根據(jù)公式(1)和(2)可以計(jì)算出在不同頻率下，重錘行程和泵流量對(duì)震源出力的限制曲線，如圖1所示。因此，在低頻起始頻率處，震源出力設(shè)置必須低于這些限制曲線。

圖1　INOVA AHV-IV 364震源低頻出力的限制

1.1.2高頻端的限制

震源結(jié)構(gòu)對(duì)高頻終了頻率的限制主要體現(xiàn)在Moog先導(dǎo)閥的響應(yīng)、系統(tǒng)壓強(qiáng)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的剛度上。三級(jí)電液伺服閥作為將力矩馬達(dá)輸入電流轉(zhuǎn)換成高低壓液壓油流量導(dǎo)致重錘上下運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生掃描信號(hào)的核心部件，其由先導(dǎo)閥和主級(jí)閥組成。驅(qū)動(dòng)主級(jí)閥全開(kāi)所需要的流量和頻率成正比，Moog先導(dǎo)閥只能在100 Hz以下提供足夠的流量驅(qū)動(dòng)主級(jí)閥全開(kāi)。圖2比較了Moog閥和回旋閥使用10 Hz~250 Hz、8 s掃描信號(hào)的基值力曲線?？梢钥闯?，當(dāng)掃描進(jìn)行到3.5 s頻率達(dá)到100 Hz時(shí)Moog閥響應(yīng)曲線與回旋閥響應(yīng)曲線相比，有了明顯的下降。

圖2　Moog閥和回旋閥基值力曲線對(duì)比

系統(tǒng)壓強(qiáng)對(duì)激發(fā)高頻信號(hào)的影響體現(xiàn)在壓強(qiáng)不能提供足夠的流量、高頻壓力的瞬變、儲(chǔ)能器的壓強(qiáng)和位置。液壓油的通道、軟管、慣性都會(huì)影響流量供應(yīng)并導(dǎo)致高壓波動(dòng)。當(dāng)流體壓強(qiáng)低于蒸汽壓強(qiáng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生氣泡并導(dǎo)致“氣蝕”現(xiàn)象，“氣蝕”會(huì)腐蝕金屬并損壞伺服閥，這也是系統(tǒng)回壓保持200psi的原因。高壓和低壓儲(chǔ)能器就是為了緩解高壓波動(dòng)并保證系統(tǒng)回壓而提供額外的壓強(qiáng)補(bǔ)充，儲(chǔ)能器的壓強(qiáng)大小和位置影響其性能表現(xiàn)。圖3顯示了改善儲(chǔ)能器的壓強(qiáng)和位置后，高壓和低壓壓力波動(dòng)的對(duì)比，上部曲線顯示的是系統(tǒng)高壓，下部曲線顯示的是系統(tǒng)低壓，其中波動(dòng)較大的曲線為舊的362型號(hào)震源，波動(dòng)較小的曲線為改善設(shè)計(jì)后的364型號(hào)震源。Nomad90震源使用了新的振動(dòng)器設(shè)計(jì)，增加了2個(gè)1加侖的內(nèi)部?jī)?chǔ)能器。圖4對(duì)比了增加內(nèi)部?jī)?chǔ)能器后的壓強(qiáng)波動(dòng)，左圖顯示的是系統(tǒng)高壓，右圖顯示的是系統(tǒng)低壓，掃描參數(shù)使用了3 Hz~30 Hz、8 s、40%出力，最上面的曲線是不使用外部和內(nèi)部?jī)?chǔ)能器的壓強(qiáng)波動(dòng)，第二行曲線是使用外部?jī)?chǔ)能器的壓強(qiáng)波動(dòng)，第三行曲線是使用內(nèi)部?jī)?chǔ)能器的壓強(qiáng)波動(dòng)，最下面的曲線是使用內(nèi)部和外部?jī)?chǔ)能器的壓強(qiáng)波動(dòng)。

圖3　系統(tǒng)高壓和低壓的壓強(qiáng)波動(dòng)

圖4　增加內(nèi)部?jī)?chǔ)能器后壓強(qiáng)波動(dòng)對(duì)比

為了得到有效的寬頻信號(hào)，在激發(fā)條件上除了要分析掃描頻率之外，增加掃描信號(hào)的能量、保證地震資料的信噪比也是我們需要考慮的問(wèn)題。如果寬頻信號(hào)的能量和信噪比得不到保證，就無(wú)法改善地震資料的品質(zhì)，提高勘探精度。增加出力、震源臺(tái)數(shù)、掃描長(zhǎng)度、掃描次數(shù)都是增加信號(hào)能量、提高信噪比的手段，信噪比和這些因素的關(guān)系如式(3)所示。

(3)

式(3)中，Nvib是震源臺(tái)數(shù)，F(xiàn)fnd是基值力振幅，BW是掃描頻寬，SL是掃描長(zhǎng)度，Nswp是掃描次數(shù)。由式(3)可知，增加震源臺(tái)數(shù)和出力對(duì)信噪比的改善相比于其他因素更高[1]。

為了配合寬頻激發(fā)，還需要提高炮點(diǎn)的空間采樣密度，尤其是縮小炮線距來(lái)減小由于炮檢距、方位角分布不均勻而引起的振幅變化(采集腳印)和偏移噪聲。

1.2接收條件

“兩寬一高”技術(shù)通常都使用較小的道距和線距來(lái)提高空間采樣率。高空間采樣密度帶來(lái)的好處在于成像半徑內(nèi)對(duì)波場(chǎng)的足夠空間采樣，有利于保護(hù)高頻信息、防止空間假頻;近炮檢距增加采樣點(diǎn)由于旅行時(shí)較短有助于獲得低振幅的弱信號(hào)，例如：受到大地吸收、衰減影響更為嚴(yán)重的高頻信號(hào)，升頻掃描處于起始斜坡內(nèi)振幅受到約束的低頻信號(hào)；有利于提高速度分析精度；有利于陡傾角疊前偏移成像。隨著寬頻信號(hào)低頻起始頻率的降低，頻率越低其波長(zhǎng)有效反射波。采用低頻勘探時(shí)，通常最大炮檢距往往達(dá)到10 km甚至更長(zhǎng)。眾所周知，采用合適的震源組合和檢波器組合能夠壓制面波等規(guī)則干擾提高地震資料的信噪比，但是組合帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)就是低通濾波作用，尤其是組合數(shù)量較多、組合基距較長(zhǎng)時(shí)，對(duì)高頻信號(hào)的損害就更加嚴(yán)重。因此，當(dāng)采取高頻截止頻率更高的掃描信號(hào)時(shí)，震源往往采取單臺(tái)激發(fā)或者少臺(tái)數(shù)短間距的組合，檢波器往往采取堆放或者縮短組合基距甚至采取不組合的單點(diǎn)接收?？偠灾?，組合是把“雙刃劍”，需要統(tǒng)籌考慮信噪比和分辨率的平衡，尤其是對(duì)于高頻成分更加豐富的掃描信號(hào)?！皟蓪捯桓摺奔夹g(shù)除了要求高空間采樣密度之外，還需要使用寬方位的觀測(cè)系統(tǒng)。寬方位的好處在于使速度譜深層能量團(tuán)更加收斂，提高成像效果，同時(shí)還有利于各向異性研究。在檢波器方面，使用常規(guī)自然頻率10 Hz的檢波器接收低頻信號(hào)需要克服3個(gè)挑戰(zhàn)，震源結(jié)構(gòu)的限制造成激發(fā)能量大于12 dB/octave的損失、震源能量從地面力傳播到遠(yuǎn)波場(chǎng)的6 dB/octave的損失、10 Hz檢波器對(duì)低于10 Hz信號(hào)的12 dB/octave的損失[2]，由此可知，采集到的低頻信號(hào)共產(chǎn)生了30 dB/octave的衰減。

1.3大地介質(zhì)條件

可控震源的掃描信號(hào)并不等于真實(shí)的下傳信號(hào)，其不但受到震源結(jié)構(gòu)的限制還與大地對(duì)掃描信號(hào)的響應(yīng)有關(guān)。圖5對(duì)比了使用加權(quán)和算法計(jì)算的力信號(hào)與平板下測(cè)力計(jì)觀測(cè)的力信號(hào)，說(shuō)明了震源結(jié)構(gòu)對(duì)掃描信號(hào)的限制。大地的彈性系數(shù)和粘度系數(shù)影響掃描信號(hào)的下傳，其對(duì)震源-大地系統(tǒng)共振頻率的影響見(jiàn)方程(4)。

圖5　加權(quán)和地面力與測(cè)力計(jì)觀測(cè)的力信號(hào)對(duì)比

(4)

式(4)中，ωn是系統(tǒng)共振頻率，Ks是大地彈性系數(shù)，Kv是大地粘度系數(shù)，Mp是平板質(zhì)量，Mg是與平板共振的捕獲泥土質(zhì)量。通過(guò)對(duì)大地彈性系數(shù)和粘度系數(shù)的統(tǒng)計(jì)，采用不同頻率的恒頻掃描可以計(jì)算出不同頻率的捕獲泥土質(zhì)量，圖6顯示了在平板下使用加速度計(jì)觀測(cè)下傳加速度信號(hào)并乘以捕獲泥土質(zhì)量來(lái)計(jì)算下傳力信號(hào)，與加權(quán)和地面力進(jìn)行了歸一化對(duì)比。

圖6　觀測(cè)下傳加速度信號(hào)計(jì)算下傳力信號(hào)

低降速帶對(duì)掃描信號(hào)的下傳也有影響，當(dāng)所處工區(qū)低降速帶厚度較大時(shí)，高頻信號(hào)的下傳和返回均會(huì)受到疏松介質(zhì)的影響，實(shí)際上低降速帶相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器。當(dāng)?shù)徒邓賻У暮穸群退俣茸兓^大，表層結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，會(huì)給靜校正增加困難，單炮記錄道間時(shí)差會(huì)增大，影響疊加剖面的分辨率。因此，選擇掃描信號(hào)時(shí)，如果工區(qū)低降速帶厚度較大、表層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，則過(guò)多地?cái)U(kuò)展高頻信號(hào)往往收不到預(yù)想的效果，掃描信號(hào)向低頻擴(kuò)展反而能增強(qiáng)信號(hào)的穿透力提高信噪比；與之對(duì)應(yīng)，如果工區(qū)低降速帶厚度較小、表層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，則通過(guò)將掃描信號(hào)往高頻擴(kuò)展可以提高分辨率，達(dá)到預(yù)想的效果。

1.4處理方法

地震采集的激發(fā)和接收參數(shù)選擇了寬頻信號(hào)，那么在后期的數(shù)據(jù)處理中必須采取有別于常規(guī)處理手段的針對(duì)寬頻信號(hào)的處理方法?？煽卣鹪吹牡卣鹩涗浭怯上嚓P(guān)子波組成的，相關(guān)子波的形態(tài)就影響了地震資料的品質(zhì)。寬頻信號(hào)的好處就在于可以增加掃描信號(hào)的相對(duì)頻寬、絕對(duì)頻寬和中心頻率從而改善相關(guān)子波的清晰度和分辨率，壓縮相關(guān)子波的寬度和邊葉，改善地震資料的品質(zhì)，提高精度。由于采取寬頻激發(fā)的地震資料中含有寶貴的高頻弱反射信號(hào)，因此在數(shù)據(jù)處理中要使用適合的振幅補(bǔ)償模塊，如反Q濾波來(lái)恢復(fù)高頻信號(hào)能量。對(duì)于寬頻信號(hào)處理，帶通濾波器的使用需要謹(jǐn)慎，不要將野外采集設(shè)計(jì)中好不容易得到的有效低頻和高頻信號(hào)給截去，損害資料的分辨率。對(duì)于低頻勘探獲得的極低頻率信號(hào)資料，使用常規(guī)的處理手段往往并不能凸顯低頻資料的作用，因此需要使用新的處理方法，如全波形反演。全波形反演通常指利用非線性尋優(yōu)方法反演給定時(shí)窗內(nèi)的波形記錄以獲取影響地震波傳播的相關(guān)物性參數(shù)(如彈性參數(shù)、粘彈性參數(shù)、各向異性參數(shù)、密度等)以及震源參數(shù)的方法[3]。全波形反演的方法有最小二乘準(zhǔn)則的線性化迭代反演方法和完全非線性反演方法，如模擬退火、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及衍生改進(jìn)算法等等。

2實(shí)例分析

上文討論了影響寬頻信號(hào)的四個(gè)要素，因此我們?cè)谶M(jìn)行寬頻信號(hào)的地震采集設(shè)計(jì)和處理時(shí)必須要考慮這些影響，使得采集設(shè)計(jì)、處理方法與寬頻信號(hào)相匹配，提高地震勘探的精度。

要想突破震源結(jié)構(gòu)對(duì)掃描信號(hào)的限制，只有從震源設(shè)計(jì)上著手，大質(zhì)量的重錘、更長(zhǎng)的重錘行程、能量更大的液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)、改善伺服閥設(shè)計(jì)、優(yōu)化地面力評(píng)估算法、增加系統(tǒng)壓強(qiáng)、提高驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的剛性、更短的液壓油通道和優(yōu)化儲(chǔ)能器設(shè)計(jì)都能夠擴(kuò)展震源在低頻和高頻的極限，但這些是震源廠家需要考慮的問(wèn)題，對(duì)于地球物理工作者只能從信號(hào)設(shè)計(jì)方面著手，在不超過(guò)震源結(jié)構(gòu)限制的條件下盡可能的擴(kuò)展信號(hào)頻帶[4]。

2.1低頻擴(kuò)展的實(shí)例

例如使用最大位移掃描來(lái)向低頻擴(kuò)展，圖7(左)對(duì)比了最大位移掃描(左側(cè)曲線)和線性掃描(右側(cè)曲線)的頻率響應(yīng)，可以看出最大位移掃描的低頻能量得到了提升；圖7(右)對(duì)比了使用線性掃描的剖面(上圖)和使用最大位移掃描的剖面(下圖)，可以看出最大位移掃描對(duì)深層成像效果的改善。

圖7　最大位移掃描與線性掃描對(duì)比

在低頻端延長(zhǎng)掃描時(shí)間、減小掃描速率可以實(shí)現(xiàn)掃描信號(hào)向低頻擴(kuò)展，可是一定要注意不能超過(guò)震源結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)重錘偏置量和閥偏置量的調(diào)整要求與使用常規(guī)掃描信號(hào)相比要更加嚴(yán)格，對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)壓力和高低壓儲(chǔ)能器的壓力檢查也更加嚴(yán)格。圖8所示為一個(gè)低頻駐留的1.5 Hz~96 Hz、12 s掃描信號(hào)。圖9所示為使用5 Hz~96 Hz(左圖)和1.5 Hz~96 Hz(右圖)掃描信號(hào)的剖面對(duì)比?？梢钥闯觯褂?.5 Hz~96 Hz掃描信號(hào)剖面的同相軸連續(xù)性和分辨率較高，尤其是深層。要注意到使用低頻駐留的掃描信號(hào)，其低頻段和線性段的對(duì)接處不可避免會(huì)產(chǎn)生更多的畸變。

圖8　低頻駐留的掃描信號(hào)

圖9　5 Hz~96 Hz與1.5 Hz~96 Hz掃描信號(hào)剖面對(duì)比

同步偽隨機(jī)掃描技術(shù)也是增加低頻駐留的一種有效手段。偽隨機(jī)掃描同時(shí)產(chǎn)生所有的頻率，每個(gè)單獨(dú)頻率的能量很低，但是總的累積使得震源的能量達(dá)到平均數(shù)，該方法降低了對(duì)震源的峰值需求，從而減小了重錘位移和泵流量，為擴(kuò)展低頻提供了一個(gè)可行的選項(xiàng)[5]。但由于偽隨機(jī)信號(hào)的能量密度小于正弦信號(hào)，因此使用偽隨機(jī)信號(hào)時(shí)通常需要增加掃描長(zhǎng)度來(lái)累積足夠的能量。

2.2高頻擴(kuò)展的實(shí)例

下面的實(shí)例分析對(duì)比了使用8 Hz~72 Hz和6 Hz~96 Hz的地震資料，由于該工區(qū)低降速帶厚度較小、厚度和速度變化較小，因此對(duì)于將掃描頻率向高頻擴(kuò)展壓縮相關(guān)子波、提高資料的分辨率能收到比較好的效果。圖10所示為8 Hz~72 Hz(左圖)和6 Hz~96 Hz(右圖)的單炮對(duì)比，應(yīng)用了一個(gè)40 Hz~80Hz的帶通濾波器；圖11所示為8 Hz~72 Hz(上圖)和6 Hz~96 Hz(下圖)的剖面對(duì)比。由對(duì)比分析可以看出，在該工區(qū)擴(kuò)展高頻信號(hào)后，無(wú)論是單炮記錄還是剖面的分辨率都有明顯改善。

圖10　8 Hz~72 Hz和6 Hz~96 Hz單炮對(duì)比 (40 Hz~80 Hz帶通濾波)

圖11　8 Hz~72 Hz和6 Hz~96 Hz剖面對(duì)比

采取“兩寬一高”技術(shù)，在高密度布設(shè)炮檢點(diǎn)的情況下，出于對(duì)經(jīng)濟(jì)因素的考慮和避免組合混波效應(yīng)，通常采用的震源臺(tái)數(shù)、掃描次數(shù)和掃描長(zhǎng)度都不會(huì)太大，即單炮點(diǎn)能量較小。如果勘探的目的層較淺、低降速帶較薄、近地表介質(zhì)致密，那么采取這種設(shè)計(jì)往往能取得令人滿意的效果。可是在勘探的目的層較深、低降速帶較厚或近地表介質(zhì)疏松的情況下，我們必須要保證激發(fā)信號(hào)有足夠的穿透能力，即增加單炮點(diǎn)能量，出于經(jīng)濟(jì)因素的限制，往往需要犧牲一定的炮點(diǎn)密度或者覆蓋次數(shù)來(lái)?yè)Q取足夠的激發(fā)能量，即增加震源臺(tái)數(shù)、掃描次數(shù)和掃描長(zhǎng)度，這相當(dāng)于拿分辨率來(lái)?yè)Q信噪比。如果一個(gè)高頻范圍的原始信噪比低于1/10，則一般在室內(nèi)處理過(guò)程中是無(wú)能為力的，通過(guò)室內(nèi)處理的壓噪手段想擴(kuò)展有效頻帶的能力也是有限的，單純通過(guò)反褶積(RNA)來(lái)提升高頻成分只能造成地震剖面面貌變亂，或者說(shuō)制造了“假分辨率”。如果一味地追求高密度和分辨率，而不考慮地震資料的信噪比，那么地震資料往往會(huì)難以達(dá)到預(yù)想的效果，不能滿足地質(zhì)任務(wù)的需求。正確的做法應(yīng)該是針對(duì)勘探任務(wù)的要求，綜合考慮目的層深度、低降速帶厚度和近地表介質(zhì)，尋找信噪比和分辨率的平衡，保證地震資料的品質(zhì)和精度滿足要求。

2.3掃描信號(hào)的實(shí)例

大地對(duì)掃描信號(hào)的響應(yīng)制約了我們不能通過(guò)持續(xù)增加出力和掃描長(zhǎng)度來(lái)提高信號(hào)能量。出力設(shè)置過(guò)大超過(guò)了震源結(jié)構(gòu)的限制會(huì)對(duì)震源造成損害并無(wú)法產(chǎn)生期望的掃描信號(hào)，還會(huì)導(dǎo)致震源畸變升高和脫耦現(xiàn)象。圖12所示為1.5 Hz~96 Hz掃描信號(hào)分別使用70%(上圖)、75%(中圖)、80%(下圖)出力的單炮同一時(shí)窗頻譜對(duì)比，可以看出，隨著出力升高，單炮頻譜中反映的低頻和高頻能量并沒(méi)有增加反而有了衰退。有研究表明，隨著掃描長(zhǎng)度增加，平板-大地系統(tǒng)的共振頻率隨之減小。圖13顯示了不同掃描長(zhǎng)度的頻率響應(yīng)，其中重錘加速度是輸入，平板加速度是輸出，上圖是振幅曲線，下圖是相位曲線[6]。由圖13可以看出，掃描長(zhǎng)度3 s的共振頻率要高于6 s、9 s、12 s，共振頻率相應(yīng)的相位差是-90°。低于共振頻率時(shí)，理論上震源的地面力決定于反作用重錘的力；高于共振頻率時(shí)，平板加速度顯著增加，此時(shí)震源的地面力決定于反作用重錘和平板的加速度。因?yàn)槠桨搴头醋饔弥劐N的加速度是異相關(guān)系，平板的力企圖抵消反作用重錘的力。這導(dǎo)致了震源液壓系統(tǒng)產(chǎn)生更多的力來(lái)補(bǔ)償平板所抵消的力。最終，會(huì)達(dá)到液壓系統(tǒng)的極限，震源輸出力會(huì)下降。現(xiàn)代地震震源的液壓供壓機(jī)械上設(shè)置為3 000 psi，震源電控系統(tǒng)的壓差控制極限是液壓供壓的95%(2 850 psi)。圖14顯示了不同掃描長(zhǎng)度的重錘腔壓強(qiáng)曲線，可以看出，掃描長(zhǎng)度較短時(shí)，壓強(qiáng)達(dá)到供壓極限的時(shí)間向后推遲，這有利于產(chǎn)生力信號(hào)。

圖12　不同出力的頻譜對(duì)比

圖13　不同掃描長(zhǎng)度的頻率響應(yīng)

對(duì)于斜坡段低振幅的低頻信號(hào)、受大地吸收衰減嚴(yán)重的高頻信號(hào)、大炮檢距處旅行時(shí)較長(zhǎng)的弱反射信號(hào)等等這些寶貴的有效信息，使用常規(guī)的處理手段不能有效的保護(hù)和補(bǔ)償。針對(duì)寬頻信號(hào)的特點(diǎn)采取針對(duì)性的處理手段才能凸顯出寬頻信號(hào)對(duì)地震資料品質(zhì)的提高。如對(duì)于微弱的高頻信號(hào)可以采取反Q濾波的方式來(lái)補(bǔ)償高頻信號(hào)能量，從而提高地震資料的分辨率。極低頻率的低頻信號(hào)采取全波形反演的方式可以顯著改善速度分析、速度場(chǎng)建模和偏移剖面的精度。

圖14　不同掃描長(zhǎng)度的重錘腔壓強(qiáng)曲線

3結(jié)論

向低頻和高頻處延伸的寬頻信號(hào)由于其可以改善相關(guān)子波的形態(tài)、擴(kuò)展地震資料的頻譜、提高剖面分辨率，成為了高精度勘探的有效手段。可是并不是盲目增加信號(hào)頻寬、任意選取掃描信號(hào)就可以取得高精度勘探的目的，寬頻信號(hào)受到激發(fā)條件、接收條件、大地介質(zhì)條件和處理方法這四個(gè)要素的影響，只有針對(duì)工區(qū)地形地質(zhì)條件和目的層要求，綜合分析這四個(gè)要素的影響才能制定最優(yōu)的掃描信號(hào)，達(dá)到預(yù)想的結(jié)果。選擇與寬頻信號(hào)相匹配的地震采集設(shè)計(jì)和處理方法才能最大限度地發(fā)揮寬頻信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，改善地震資料的品質(zhì)，提高勘探精度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Buttin and Caradec. Development of a Super Heavy Vibrator. EAGE Vibroseis Workshop, Prague 2008.

[2] Peter Maxwell and Malcolm Lansley.What receivers will we use for low frequencies. SEG San Antonio 2011 Annual Meeting, 72-76.

[3] Rene-Edouard Plessix, Guido Baeten, Jan Willem de Maag, et al.Application of acoustic full waveform inversion to a low-frequency large-offset land data set. SEG Denver 2010 Annual Meeting.

[4] Claudio Bagaini. Low-frequency vibroseis data with maximum displacement sweeps. The Leading Edge, May 2008, 582-591.

[5] Peter Maxwell, John Gibson, Alexandre Egreteau,et al.Extending low frequency bandwidth using pseudorandom sweeps. SEG Denver 2010 Annual Meeting, 101-105.

[6] Zhouhong Wei, Thomas F. Phillips and Peter I. Pecholcs.Analysis of vibrator performance using long and short sweeps. The Leading Edge, October 2011, 1182-1189.