專利名稱：使用提供復合掃描的地震振動源的地球物理勘探系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個具有一個地震源的地球物理勘探系統，上述地震源在一個多倍頻程頻段上提供一種復合掃描(composite sweep)。根據本發明提供的復合掃描，是一種正弦或連續波(CW)信號的調頻(FM)掃描，它在相同的時間間隔內，掃過頻段中的不同部分。本發明所提供的系統可以在海洋環境中或在陸地上使用，并能產生足夠功率的聲發射使之進入地層，以便在所希望的深度上詳細描述該地層的各種地球物理特性，通常用于證實石油油田的存在。
通常由在一個頻段上的多個頻率的調頻掃描來提供用于地球物理勘探的各種聲發射，上述頻段從一個低頻開始延伸，并且典型地覆蓋著3到6個倍頻程。這種掃描可以具有10秒量級(例如從5秒到20秒)的持續時間，并且通常隨著勘探平臺在地面上移動，或隨著裝有聲發射系統的船只沿著一條勘探線行進而重復著。在海洋環境的情況下，用一個水中聽音器來接收來自地層的聲反射，或者在陸地勘探的情況下，用土中聽音器來接收。可以使用由這樣的水中聽音器或土中聽音器組成的陣列。信號被記錄下來并且借助于相關處理進行分析，并由此產生描述該地層的地震波圖。由于聲波在地層中的深度穿透力，使得在(聲)發射中各低頻成分變得很重要，而在分辨具有不同信號傳播特性的地層之間的諸界面時，各高頻成分則顯得很重要。
已經提出了使用帶寬中的不同部分的不同源的各種地震振動源。詳見1981年10月13日授予Mifsud的美國專利第4,295,213號以及1989年4月18日授予Ward的美國專利第4,823,326號。還已經提出了在連續的時間增量中連續地發射頻段中的各不同部分。詳見1977年1月18日授予Mayne的美國專利第4,004,267號。還已經提出了，為了從已經連續地被發射的諸離散掃描信號所需的時間中縮短掃描時間，將這些信號作為一個組合信號，在相同時間內進行發射。然而，尚無調整諸信號的振幅、以便提供一個被發射能量的平坦的頻譜，即，產生一個恒定振幅的聲壓或頻譜聲級這樣的先例。而且，每一個頻譜成分都已經被單獨地處理，并且不是作為延伸于整個頻帶的一個復合信號來處理。
當一次掃描已經延伸于一個寬頻帶之上并且產生于一個單獨源之中時，或者當各單獨的源已經被用于各低頻率時，這些源都已經納入了能在大的沖程上產生振動的大型輻射活塞(輻射器)。為了在掃描過程中保持一個恒定的聲學能流密度，已經對該源提出了處理運動的大的物理振幅、以便覆蓋該頻帶的各低頻成分的能力的需求。還需要投入更大的功率以便在各低頻率和高沖程水平上驅動該振動器，在液力驅動的振動源的情況下，需要大型的泵組來處理支持大沖程的液流。
本發明的主要目標就是提供一種改進的地球物理勘探系統，特別是通過改進其中的地震振動源來改進這個系統，使之能夠在多個倍頻程的整個頻帶上，以大致上相同的能譜(一個大致上恒定的頻譜)去發射一種復合的掃描，與此同時，顯著地降低峰值功率(在液力源的情況下還有流量要求)以及與諸源有關的設備尺寸。
本發明提供了一個振動源，它具有一種復合掃描，能在一個給定的掃描頻率范圍以及聲學源聲級要求下使源的尺寸以及輻射器沖程最小化。在一個實施本發明的系統中，通過對較低的和較高的頻率掃描使用不同的振幅，來產生基本上恒定的能譜密度，在相同的時間間隔中，以不同的變化率(頻率的變化率)進行掃描，以便提供復合掃描。
特別是，覆蓋著帶寬低端(大約是第1倍頻程)的掃描的振幅，相對于延伸到第1倍頻程以上掃描的振幅來說，得以降低，其降低的程度正比于較高頻率掃描的掃描速率與較低頻率掃描的掃描速率之比值的平方根。換句話說，由于掃描的周期相等，所以低頻掃描振幅被降低的倍數為較高頻率掃描的帶寬與較低頻率掃描的帶寬之比值的平方根。
人們將會理解，覆蓋著頻帶的較低的和較高的各部分的掃描可以按照相同的方向改變其頻率，即，向上或向下，或者一次掃描可以向上改變其頻率，而另一個則向下改變。在所有的情況下，由地震振動器產生和發射一次復合掃描。
考察根據本發明的從5Hz延伸到200Hz的一次復合掃描的產生的實例。這個頻段被劃分為兩個同時運行的掃描分量。在本例中，第1掃描分量覆蓋了最低的倍頻程，即5到10Hz，而第2掃描分量則覆蓋了從10Hz到200Hz的帶寬范圍。現在，若這兩個掃描都是線性的并且在典型的10秒持續時間內延伸，則第1掃描分量的掃描速率為5Hz-/10 SEC或每秒1/2Hz，而第2掃描分量的掃描速率為190 Hz/10SEC或每秒19Hz。由于該振動器所發射的能譜密度正比于每單位頻率的聲壓的平方(P2/Hz)，所以不同的掃描速率需要不同的聲壓級，以便得到感興趣的相同的頻譜聲級。對于一個平坦(基本上恒定)的頻譜來說，從5Hz到10Hz的掃描分量應當具有一個被降低了的聲壓級，其相對于從10Hz延伸到200Hz的分量的振幅來說，降低的倍數為第2掃描帶寬與第1掃描帶寬之比值的平方根，或者190/5的平方根(或16dB)。對于一個等效的頻譜聲級來說，在復合掃描的情況下，一次從5到200Hz的單次線性掃描將需要比5到10Hz頻段高出大約16dB的頻譜振幅。
由于在從10Hz到5Hz的倍頻程內，對于恒定的加速度來說，輻射位移的增長為12dB，通過上面的示例性的復合掃描格式所獲得的16dB的降低使得5到10Hz掃描所需的振幅小于在10到200Hz掃描的10Hz一端所需的振幅。相應地，復合掃描使得振動源所需最大沖程顯著地減少，由此，顯著地降低了它的尺寸、重量和輸入功率需求。同時在所需頻譜的低端保持一個恒定的頻譜聲級。各種復合掃描并不局限于兩個分量，也沒有任何一個分量需要在某一頻率范圍(例如一個倍頻程)上延伸。本發明提供了各種掃描的一個復合的集合，它能提供感興趣的能譜水平，同時使得源的尺寸、位移振幅以及電源(例如，對泵和流量的要求)得以最小化。
通過閱讀下列結合諸附圖的說明，將使本發明的上述的和其他目標、特征和優點變得更為明顯。
圖1是說明一個地球物理勘探系統的概略圖，該系統具有一個由復合信號驅動的寬帶聲信號投射器或振動器以及一個接收通道，它處理來自土中和地層所反射的復合信號，以便產生地震波圖，以上所有這些都根據本發明。
圖2是表示在水中環繞振動源的輻射器的復合掃描的頻譜聲級，并且該掃描從輻射器投射出來，以每赫茲微帕為單位，同時通過對復合信號進行相關處理來獲得一個自相關函數的示意圖。
圖3是關于1種復合掃描的3個分量的相對輻射器位移的示意圖，其中低頻段掃描從5Hz延伸到14Hz，并且高頻段掃描從14Hz延伸到200Hz。這份圖示出了由于低頻段掃描分量、高頻段掃描分量以及復合掃描所引起的輻射器相對位移(各種位移都是在相同聲壓級下，相對于一個10Hz音調所需的位移來說的)。這份圖說明了持續16秒的復合掃描中的起初第1秒的部分，并且示出了針對一個給定的正比于輻射器加速度的聲壓級的輻射器相對位移，對于這個復合掃描來說，低頻段聲壓級是((14-5)/(200-14))的平方根，或者約為高頻段聲壓級的22％。由于聲壓級正比于位移的二階導數，所以對相同的聲壓級來說，5Hz時的輻射器位移將是14Hz時位移的784％。復合掃描允許低頻段位移減少為0.22*7.84倍(譯者注似應為“增加為0.22*7.84倍)，或者5Hz時的位移是14Hz時的位移的1.72倍。這兩種掃描隨后被疊加，其相對峰值復合位移約為1。
圖4是以每分鐘加侖為單位表示圖3所示的整個16秒掃描間隔內的流量的示意圖。
圖5是一條曲線，表示一次單獨的16秒線性調頻(LFM)掃描的流量與時間的關系，該掃描延伸于與圖3和圖4所示的諸掃描相同的頻段上，即，從5到200Hz。圖5通過跟圖4進行比較，示出了從5到200Hz的一次16秒鐘的單次掃描的峰值流量與根據本發明的用于地球物理勘探系統的、產生相同頻譜能量的一次復合掃描的峰值流量相比，前者大于后者的150％。以上諸圖說明，為了處理流量以及為提供相同的頻譜能量所需的較大沖程，一個單獨的掃描源在物理上應當是較大的和較重的。
圖6A和B分別說明類似于圖3和4的曲線，表明當高頻段掃描的掃描方向被倒置時的結果。這里的復合掃描是針對一次5到14Hz的掃描以及一次200到14Hz的掃描。這次掃描的峰值流量和位移均好于前面的復合掃描。(對于位移圖來說，高頻段的振幅是如此之低，使得復合的以及低頻段的位移差不多相同并且互相重疊。)參看圖1，圖中示出了一個低頻段掃描發生器10以及一個高頻段掃描發生器20，它們產生高頻段和低頻段掃描，其振幅跟低頻段掃描帶寬與高頻段掃描帶寬之比值的平方根，或高頻段掃描的掃描速率與低頻段掃描的掃描速率之比值的平方根有關。這兩種掃描都是正弦掃描，并且，例如，可以如圖3所示以相同的向上的方向進行掃描，或者如圖6所示，以相反的方向進行掃描。通過來自源12的一個掃描開始信號，這兩種掃描都在相同的時間開始。當掃描開始以后，就繼續一段相同的時間間隔，比方說16秒，如圖3和6所示。可以使用從5到20秒的掃描間隔。
在一個求和電路14中諸掃描信號被相加。求和電路的輸出是延伸于頻段(fa到fb)從低端到高端的復制信號以及用于一個聲源30的驅動信號兩者。這個源典型地可以是一個具有一個伺服閥32的液力源，其輸出被fa到fb復合掃描所調制，以便從一個泵34通過一個振動器38的驅動腔36去產生各種流量。這是一個液力振動器，它具有一塊輻射板或活塞40，在海上源的情況下，它被保持于水下，在陸地源的情況下，它與地表相接觸。(能量的)發射通過水投射到陸地上或者直接進入陸地，并且被地球勘探系統的處理通道50的一個接收器42所檢出。接收器可以是一個具有適當放大倍數的水中聽音器或土中聽音器陣列。一個相關處理器44對從土中和地層反射回來的接收信號以及復制信號進行相關運算以產生一個輸出，最好將這個輸出記錄下來，以便提供一份關于被勘探的土地和地層的地震波圖。這樣的處理發生在復合信號的整個持續時間內，以便簡單地和直接地得益于復合信號。
必要時，可以通過反饋以及在業界中熟知的其他技術，對(振動)源的非線性進行補償。
從前面的敘述可以明顯地看出，已經提供了一種改進的地球物理勘探系統，它納入了一個用于產生和發射各種聲音地震信號、并且利用延伸于多個倍頻程的各頻率的復合連續波掃描的改進系統，該系統顯著地降低了對峰值功率和流量的要求，同時縮小了與地震源有關的設備尺寸。
權利要求
1.一種用于地球物理勘探的、在一個多倍頻程頻段上產生各種聲學信號的系統，包括用于產生第1和第2信號的裝置，上述第1和第2信號在振幅上按正弦規律變化，并且在相同的時間間隔內在所述頻段的較低的和較高的各部分分別地進行掃描，并且它們的頻譜幅度與它們在其上進行掃描的帶寬部分成正比，還包括用于將所述諸信號組合在一起以提供一組復合掃描信號的裝置，以及響應于所述諸組合信號、用于產生一個對應于所述復合掃描信號、在所述頻段內具有大體上恒定的頻譜聲級的聲學信號的裝置。
2.一個用于地球物理勘探的系統，包括一個聲學源，用于直接地向地層投射按正弦規律變化的各種聲學振動信號，或者當所述地層是處于海洋環境之中時，經過海水投射到所述地層，所述源包括用于產生第1和第2諸信號的裝置，上述第1和第2諸信號在振幅上按正弦規律變化，并且在相同的時間間隔內在所述頻段的較低的和較高的各部分分別地進行掃描，并且它們的頻譜幅度與它們在其上進行掃描的帶寬部分成正比，還包括用于將所述諸信號組合在一起以提供一組復合掃描信號的裝置，以及響應于所述諸組合信號、用于產生一個對應于所述復合掃描信號、在所述頻段內具有大體上恒定的頻譜水平的聲學信號的裝置，用于向所述地層發射所述聲學信號的裝置，經過在所述地層中傳播之后、檢出所述聲學信號的裝置，通過跟所述發射信號進行相關運算、對所述檢出信號進行處理、以提供被探測地層的諸地震波圖的裝置。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述第1和第2信號的頻率在所述時間間隔內線性地變化，并且第1信號的頻譜幅度相對于第2信號的頻譜幅度有所降低，所降低的倍數為在所述(時間)間隔內，所述第2信號頻率的變化率與所述第1信號頻率的變化率之比值的平方根。
4.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述第1部分大約是所述頻段的一個倍頻程，并且第2部分是在所述大約1個倍頻程之上的所述帶寬的其余部分。
5.根據權利要求1或2所述的系統，其中所述第1和第2信號中的一個在頻率上以一種向上的方向進行掃描，而另一個則以一種向下的方向進行掃描。
全文摘要
一種用于地球物理勘探的系統使用一個單獨的(振動)源(30),它在多個倍頻程之上發射各種信號。該(振動)源由一個具有兩種或多種掃描的復合掃描信號來驅動,諸掃描中的一種覆蓋著較低的倍頻程(10),而其他掃描則覆蓋著帶寬的其余部分。在掃描(頻率)以線性規律隨時間而變化的情況下,覆蓋著較低部分的諸信號(的幅度)得以降低,所降低的倍數為覆蓋著高端的諸信號的掃描速率與覆蓋著低端的諸信號的掃描速率之比值的平方根。諸信號被同時發射。由于復合掃描,使得被發射的能譜相同于延伸于整個頻段的一個正弦波掃描,同時在低頻段為保持一個平坦的頻譜所需的峰值功率以及輻射器位移得以降低。設備的尺寸也得以減少。
文檔編號G01V1/00GK1244260SQ97181284
公開日2000年2月9日 申請日期1997年10月27日 優先權日1997年1月7日
發明者約漢·V·布尤庫斯, 大衛·P·霍林格爾 申請人:液壓聲學公司
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