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专利名称：基于耦合振动器的大地模型的地震数据滤波的制作方法
基于耦合振动器的大地模型的地震数据滤波相关申请的引用本申请是2010年10月14日提交的美国专利申请N0.61/393，106的非临时申请，该专利申请在此整体引为参考，并要求其优先权。
背景技术：
油气勘探行业采用地球物理学工具和技术以识别具有潜在碳氢化合物沉积物的地下结构。通常称为地震勘探，这些技术和工具通过记录呈从地质构造反射或折射的振动形式的能量，产生地下结构的图像。在地震勘探中，例如，由震源产生并传递到大地中的地震波在地下的岩石上反射。不同岩石之间的边界常常反射地震波，与这些地震波相关的信息被收集并处理从而产生地下的表现或者图像。当由震源产生的地震波到达分隔声学密度不同的岩石的层面时，一部分波反射回表面，导致地表升高或下降，这取决于记录的是地震波的膨胀期还是压缩期。波的剩余部分被折射或衍射。称为地震测线的二维图像实质上是地球的与地震检波器的线路平行取向的截面视图。也可以作为地震测线的相交网格(称为3D地震体)收集所述信息。任何数量的勘探系统都可以收集期望的信息以便处理。炸药爆炸、振动车、气枪等能够产生地震波。可以成行地布置诸如速度地震检波器、加速计和/或水听器之类的传感器，或者在水听器的情况下，可以拖曳传感器，以测量波离开震源，在岩石边界反射，并回到所使用的传感器所花费的时间。图1中的示例地震系统 10能够产生地球物理信息，以对地下结构成像。系统10具有与已知为震测排列的地震采集阵列12通信的中央控制器/记录器90。阵列12具有隔开的传感器站20，每个传感器站20可具有一个或多个传感器22。传感器22测量地球物理信息，并且可包括用于获得已知为3D地震的3维能量的3组件传感器。传感器22可包括加速计、速度地震检波器、麦克风等，并且阵列12可被部署在陆地或者海床位置。震源30将声能传递到大地中，传感器22接收在地下结构中的边界处反射和折射后的能量。阵列12随后利用无线技术或其它通信技术，与中央控制器或记录器90交流传感器数据。为了传递声能，震源30可以是振动器，比如图2中所示的振动器，不过可以使用其它类型的源。振动器30利用底板70和反应物料50，向大地传送作用力。对陆上地震来说，振动器30 —般安装在运输车(未示出)上，运输车利用杆32/34将振动器30降低到大地。随着振动器30被降低，车辆的重量使底板70保持与地面接合，从而震源信号能够被传送到地球中。反应物料50被直接定位于底板70上方，支柱52从底板70伸出，并穿过反应物料50，从而稳定反应物料50。在内部，反应物料50具有在其中形成的汽缸56，垂直延伸的活塞60延伸通过此汽缸56，且活塞60上的头部将汽缸56分成多个腔室。活塞60的两端连接到横梁54U-L，横梁54U-L连接到支柱52。带有隔离器40的支脚36将底板70和杆34隔开，受拉构件42互连在支脚36和底板70之间。当使振动器30升高和降低到大地时，受拉构件42保持底板。最后，在支脚36的底部和底板70之间，还安装减震器44，以在它们之间隔离振动。操作中，控制器80接收来自测量底板70的加速度的第一传感器85的信号，并接收来自测量反应物料50的加速度的第二传感器87的信号。根据来自这些传感器85/87的反�。�和操作振动器30的期望扫描信号，控制器80生成控制伺服阀组件82的导频信号。受驱动信号驱动，伺服阀组件82在液压流体供应源84和活塞60之间交替地输送液压流体。反应物料50在活塞60上往复振动。振动的反应物料50产生的作用力又通过支柱52和活塞60传递到底板70，使得底板70以期望的振幅和频率振动，或者扫掠，从而产生进入大地的震源信号。当移动的反应物料50作用于底板70，从而将震源信号传递到地球中时，信号穿过大地，在间断面和地层处反射，随后朝着地表传播。在地表，图1的具有与大地耦合的地震检波接收器或者其它传感器22的阵列12检测反射的信号，图1的记录器90记录从地震检波接收器22接收的地震数据92。在某个时刻，数据处理系统98接收来自地震记录器90的地震数据92 (地震数据92还可包括来自地震振动器30的记录数据，如果诸如导频信号、加速度数据和加权和地面力是分开保存的话)。数据处理系统98可利用相关处理器使振动器30提供的计算的地面力和地震检波接收器22接收的地震数据92相关联。最后，关联的信息可被用于产生地球的地下结构的图像或表现。当操作这种现有的振动器30时，操作人员遇到如何精确地确定振动器30施加给大地的地面力，和精确地使振动器的操作与产生的震源信号相关联的问题。理想地，操作人员希望知道当传递地震能量时，底板70对大地施加的实际地面力。如图2中所示，本地传感器85 (例如，加速计或地震检波器)一般定位在振动器50的上部横梁54U上，上部横梁54U位于反应物料50上方。操作中，图2 中所示的控制器80利用位于上部横梁54U上的本地传感器85，并利用位于反应物料50上的传感器87，测量传递到大地中的信号。当图1的数据处理系统98接收构成地震传播的地震数据92时，它还接收来自在震源30上的这些传感器85/87的加速度信号。系统98的相关处理器随后利用各种算法，将波信号数据与失真和其它乱真信号区分开。这种方法的问题在于原始震源信号失真会改变，从而使相关变得困难。当在振动器30处的计算的地面力信号与现场测量的远场信号互相关时，建模系统10时使用的不切实际的假设会破坏结果。特别地，振动器30在地表上工作，由于沙子、岩石、植被等的存在，地表会因位置而显著变化。从而，当在给定位置处贴着地面部署底板70时，常常不能平坦地支撑底板70。另外，底板70将弯曲，从而在操作期间直接影响控制系统。结果，取决于振动器30被部署在何处，产生的辐射能量可能因位置而异。于是，振动器的源特征不是从每个位置都相同(或者几乎相同)，并且不是表征地可重复的，而这是在进行地震分析时所希望的。从而，更精确地了解源30传递到大地中的源信号可以在数据处理阶段使相关变得更容易。本公开的主题目的在于克服，或者至少减小上述问题中的一个或多个的影响。

发明内容
耦合振动器的大地滤波器改善在地震操作期间记录的地震数据。该滤波器以大地模型为基�。�所述大地模型考虑振动器系统、底板和捕获的大地之间的耦合系统，和耦合的大地系统。利用来自底板和反应物料的加速度数据，大地模型可用于得到大地模型的特定变量以帮助表征该系统。通过在大地滤波器中利用得到的变量，可校正记录的地震数据，以除去由典型假设产生的追踪数据中的误差。在地震数据处理方法中，例如，获得地震能量源的反应物料和底板的加速度数据，以及对所述源的地震能量作出响应的一个或多个地震传感器的地震数据。通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量，利用大地模型和得到的变量，对表示所述源的操作的源信号进行滤波。所述源信号可以是导频信号或者加权地面力的和。滤波后的源信号可以用于所述一个或多个地震传感器的地震数据的处理，从而可使地震数据与滤波后的源信号相关。

在地震数据处理设备中，例如，存储器保存大地模型、表示地震能量源的操作的源信号、源的反应物料和底板的加速度数据，和对源的地震能量作出响应的一个或多个地震传感器的地震数据。一个或多个处理单元在操作上与存储器耦合。所述一个或多个处理单元分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，并且根据分析的频率响应导出大地模型的变量。所述一个或多个处理单元利用大地模型和导出的变量对源进行滤波，并且使滤波后的源信号可用于地震数据的处理，从而可使地震数据与滤波后的源信号相关。上述概要并不意图概述本公开的每个可能的实施例或者每个方面。


图1图解说明按照现有技术的产生地球物理信息的地震系统。图2示意地图解说明现有技术的振动器。图3图解说明按照本公开的产生地球物理信息的地震系统。图4示意地图解说明按照本公开的耦合振动器的大地模型。图5示意地图解说明按照本公开的耦合振动器的大地滤波器。图6A用图表示反应物料加速度和底板加速度的理论频率响应，其中反应物料加速度是输入，底板加速度是输出。图6B利用记录在标准振动器上的数据，用图表示反应物料加速度和底板加速度的频率响应，其中反应物料加速度是输入，底板加速度是输出。图7表示得出本公开的耦合振动器的大地滤波器的处理。图8表示利用本公开的耦合振动器的大地滤波器的处理。图9图示在不同深度处并具有滤波的加权和地面力的井下地震检波器的功率谱。图10图示由分别与1000英尺(304.Sm)地震检波器数据，和与耦合振动器的大地模型数据互相关的导频扫描产生的子波。图1lA图示利用标准振动器建模的导频扫描的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的导频扫描与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。图1lB图示利用改进的振动器建模的导频扫描的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的导频扫描与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。图12A图示利用标准振动器建模的加权和地面力的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的加权和地面力与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。图12B图示利用改进的振动器建模的加权和地面力的衍生物与1000英尺井下地震检波器数据的互相关，和滤波的加权和地面力与1000英尺井下地震检波器数据的互相关。图13图示地表地震检波器和根据底板加速计数据计算的速度的振幅谱的比较。图14表示可按照本公开使用的地球物理信息处理系统。
具体实施例方式A.地震系统图3中的示例地震系统10能够产生地球物理信息，以对地球地下结构成像。系统10具有与称为震测排列的地震采集阵列12通信的中央控制器/记录器90。如前所述，阵列12具有隔开的传感器站20，每个传感器站20可具有一个或多个传感器22。传感器22测量地球物理信息，并可以包括用于获得称为3D地震的3维能量的3分量传感器。传感器22可包括加速计、速度地震检波器、麦克风等，并且阵列12可被部署在陆地或海床位置。
如前所述，震源30将声能传递到大地中，传感器22接收在地球地下结构中的边界处反射和折射后的能量。震源30可类似于前面参考图2公开的振动器。为了便于讨论，将参考图2的振动器30的组件，包括如在图3中图解的反应物料50、底板70和控制器80。不过，按照本公开的震源30不一定必须是液压操作的振动器。相反，震源30可以是具有电动机的地震振动器，可以具有内部或外部驱动器，可以产生地震剪切波(S-波)或者地震压缩波(P-波)。通常， 振动器30可以是具有控制器80，并且具有用于将能量传递到大地中的反应物料50和底板70的任何类型的振动器。如前所述，运动的反应物料50作用于振动器30的底板70，以将震源信号传递到大地中。信号穿过大地，在间断面和地层处反射，随后朝着地表传播。在地表，具有与大地耦合的地震检波接收器22的阵列12检测反射的信号，并且阵列12利用无线技术或其它通信技术与中央控制器或记录器90交流地震数据。记录器90记录来自地震检波接收器22的地震数据92。在某个时刻，采用数据处理系统98处理地震数据92(如果诸如导频信号、加速度数据和加权和地面力的信息是分开保存的，地震数据92还可包括来自地震振动器30的记录数据)。为了改善利用数据处理系统98产生的后续成像，按照本公开的耦合振动器的大地滤波器系统94被用于修正或改善原始地震数据92，使得改善的数据96可被提供给数据处理系统98。当该操作完成时，数据处理系统98可以利用它的相关处理器(未示出)使振动器30提供的信息中的计算的地面力和地震数据96相关，并且最后可提供更清晰的地震成像用数据。如前所述，振动器的控制器80测量来自本地传感器的加速度数据。在记录器90接收的地震数据92的一部分包括来自所述本地传感器的关于振动器30的底板70和反应物料50 二者的加速度数据。与振动器30的耦合状况相关的动态运动被记录和嵌入底板加速度数据中。另外，振动器的致动器(例如，液压系统)的运动被记录和嵌入反应物料加速度数据中。这些测量结果是利用记录器90在数据采集期间记录的，并被滤波器系统94用于处理数据。特别地，在利用数据处理系统98处理之前，大地滤波器系统94利用该加速度数据及振动器30和大地之间的耦合的模型来滤波或校正地震数据92。在转到滤波器系统94的具体细节之前，讨论首先集中于用于滤波器系统94的耦合振动器的大地模型。B.耦合振动器的大地模型如前所述，振动器30在地表介质会因位置而显著变化的地表上工作。当通过向底板70施加压制重力，使振动器的底板70与地面耦合时，底板70和耦合的地面连接在一起，从而变成一个系统。由于底板70的刚性低以及地表状况不同，耦合振动器的大地模型会是一个复杂的系统。图4示意地描述按照本公开的耦合振动器的大地模型100。除了振动器系统30以夕卜，大地模型100具有3个子系统，所述3个子系统包括耦合系统110、不同质的弹性耦合的大地系统120，和同质的弹性深层大地130。这些子系统表示从振动器系统(30)到大地(130)的可控震源子波的复杂传输。耦合振动器的大地模型100将底板70的刚性表示成存在于底板70和大地的边界处相互作用的非理想接触刚度的一部分。模型100可充当振动器-大地相互作用的更逼真表示，并且能够描述各种非线性接触行为(比如部分接触和完全接触)。

在图4中，大地系统120被描述成由大地质量Mg、大地刚度Kg和大地粘度Dg组成的线性二阶系统。振动器系统130也被看作线性的刚性体。在模型100中，底板70只被视为具有质量Mbp，并且其刚度被分散，从而变成接触刚度的一部分。于是，模型100的接触刚度位于振动器底板70和大地之间。这里，接触刚度被定义成连接振动器底板70和大地130的一组“弹簧”(kCl，kc2等)，值取决于在振动器工作期间，物理连接底板70和大地的“弹簧”(!《^，!《^等)数目。于是，接触刚度是可变刚度。已知，当振动器30因振动器底板70的刚性低而高频颤动时，常常发生部分解耦。在不平坦的地面上，这种解耦变得更严重。当振动器30处于压缩模式时，在振动器底板70和大地之间存在更多的接触区。更多的接触区意味着模型100中的更多“弹簧”，和更大的刚度。然而，当振动器30进入释放模式时，会发生部分解耦。这意味底板70失去与地面的一些接触，使得接触刚度降低。在压缩周期的半途，接触刚度降低，直到释放周期的半途为止，并且其值随扫描频率的增大而降低。当振动器30位于不平坦的大地上时，振动器底板70受到许多运动，比如弯曲、挠曲和扭曲，使得接触刚度变得更加不可预测，并且谐波失
真变得更严重。在图4的t旲型100中，f禹合系统110试图描述在底板70和f禹合的大地系统120之间的界面处的耦合状况。耦合系统110可用一组弹簧kCl、kc2,...，1 ^和阻尼器D。建模。在该系统120内，弹簧kCl、kc2，..., kcn连接振动器的底板70和耦合的大地系统120，并用于表示在振动器30的操作期间，在底板70和耦合的大地系统120之间的变化的接触刚度。值得注意地，取决于底板70和耦合的大地之间的接触区，底板的刚度被分离成多个较小的局部刚度系数，这些多个较小的局部刚度系数被分散以便与这些弹簧kCl、kc2,...，kcn结合。阻尼器D。代表地表介质(例如，地上的薄层植物或草)的粘度。对其来说，图4中的耦合的大地系统120被描述成不同质的弹性系统，并且可用质量-弹簧-阻尼模型表示。系统120不同质，因为捕获地面质量Mg、大地刚度Kg和大地粘度Dg的值因位置而异。当在振动期间被装载到振动器的底板70上时，此系统120 (尤其是捕获的大地质量Mg与底板70结合，变成振动源的一部分。在每个振动器颤动点，振动器的底板70触摸该耦合的大地系统120，如前所述，在正在被记录的底板加速度数据中嵌入和检测此系统120的运动。如下更详细所述，通过利用振动器现场测量结果，能够估计该耦合的大地系统120的3个参数仏、1(8和Dg。幸运的是，此系统120可被看作弹性线性系统，因为其非线性的总影响可较�。�且可被忽略，尤其是当与存在于振动器液压系统中的非线性和由底板70的低刚性引起的非线性相比时。图4中的深层大地体130被描述成同质的弹性系统。在深层大地体130中，传播的子波几乎保持不变。特别地，实验测试可表明在深层大地中远场子波保持不变，并且可以将深层大地视为同质并且有弹性。结合在一起的所有系统30、110和120构成耦合振动器的大地模型100。在Zhouhong Wei 的“Modeling and modal a nalysis of seismic vibrator baseplate”，(Geophysical Prospecting, 58,19-31 (2010))中，可以找到大地模型100白勺其它细节，该文献在此整体引为参考。C.耦合振动器的大地滤波器给定到图4的耦合振动器的大地模型100，图5的方框图表示要在耦合振动器的大地模型100中量化，以便产生供这里公开的用途之用的耦合振动器的大地滤波器150的具体细节。本质上，图5的耦合振动器的大地滤波器150包含用公式表述的振动器的底板系统105，耦合系统110，和不同质的弹性耦合的大地系统120。此耦合振动器的大地滤波器150是最小相位的。在大地滤波器150中，振动器的底板系统105可用以下传递函数表示:
权利要求
1.一种地震数据处理方法，包括: 获得地震能量源的反应物料加速度数据； 获得所述源的底板加速度数据； 获得响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据； 通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量； 利用大地模型和导出的变量，对指示所述源的操作的源信号进行滤波；和 使滤波后的源信号可用于所述一个或多个地震传感器的地震数据的处理。
2.按照权利要求1所述的方法，其中获得反应物料加速度数据包括获得与所述源的反应物料相关的加速计的读数。
3.按照权利要求1所述的方法，其中获得底板加速度数据包括获得与所述源的底板相关的加速计的读数。
4.按照权利要求1所述的方法，其中获得反应物料和底板加速度数据包括从与所述源相关的记录器接收反应物料和底板加速度数据。
5.按照权利要求1所述的方法，其中获得一个或多个地震传感器的地震数据包括从与所述一个或多个地震传感器相关联的记录器接收所述地震数据。
6.按照权利要求1所述的方法，其中导出大地模型的变量包括根据由频率响应指出的共振频率，导出所述大地模型的捕获的大地的质量、粘度和刚度。
7.按照权利要求1所述的方法，其中导出大地模型的变量包括根据所述频率响应中大于共振频率的频率，导出所述底板和大地之间的耦合的粘度和刚度。
8.按照权利要求1所述的方法，其中对源信号进行滤波包括对所述源的加权和地面力进行滤波。
9.按照权利要求8所述的方法，其中所述加权和地面力包括与第二力相加的第一力，所述第一力由所述源的反应物料的质量乘以所述反应物料加速度数据定义，所述第二力由所述源的底板的质量乘以所述底板加速度数据定义。
10.按照权利要求1所述的方法，其中对源信号进行滤波包括对所述源的导频信号进行滤波。
11.按照权利要求1所述的方法，还包括使地震数据与滤波后的源信号相关。
12.按照权利要求1所述的方法，其中导出大地模型的变量包括:利用根据所述源的底板的质量值Mbp、代表地表介质的粘度的阻尼值D。和代表所述大地模型的接触刚度的刚度值K。的第一变换函数对所述大地模型中的所述源的底板系统建模。
13.按照权利要求12所述的方法，其中所述第一变换函数包括:
14.按照权利要求1所述的方法，其中导出所述大地模型的变量包括:利用根据代表地表介质的粘度的阻尼值D。和代表所述大地模型中的源的耦合系统的接触刚度的刚度值K。的第二变换函数对所述大地模型中的源的所述耦合系统建模。
15.按照权利要求14所述的方法，其中所述第二变换函数包括:
16.按照权利要求1所述的方法，其中导出大地模型的变量包括:利用根据捕获的大地的质量值Mg、代表捕获的大地的接触粘度的阻尼值Dg和代表捕获的大地的接触刚度的刚度值Kg的第三变换函数对所述大地模型中的源的耦合的大地系统建模。
17.按照权利要求16所述的方法，其中所述第三变换函数包括:
18.按照权利要求1所述的方法，其中通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量包括:对所述频率响应中低于底板和大地的共振频率的第一区域应用曲线拟合，以导出代表大地模型中的捕获的大地的质量的质量值Mg、代表捕获的大地的接触刚度的刚度值Kg和代表捕获的大地的接触粘度的阻尼值Dg。
19.按照权利要求1所述的方法，其中通过分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应，导出大地模型的变量包括:对所述频率响应中高于所述源的底板和大地的共振频率的第二区域应用曲线拟合，以导出代表地表介质的粘度的阻尼值D。和代表接触刚度的刚度值K。。
20.一种程序存储设备，所述程序存储设备具有保存在其上的使可编程控制设备执行按照权利要求1所述的方法的程序指令。
21.一种地震数据处理设备，包括: 存储器，所述存储器保存大地模型、指示地震能量源的操作的源信号、所述源的反应物料加速度数据、所述源的底板加速度数据，和响应于所述源的地震能量的一个或多个地震传感器的地震数据；和 一个或多个处理单元，所述一个或多个处理单元在操作上与存储器耦合，并被配置成: 分析与相对于彼此作为输入和输出的反应物料加速度数据和底板加速度数据相关的频率响应， 基于分析的频率响应，导出大地模型的变量； 利用所述大地模型和导出的变量，对所述源信号进行滤波；和 使滤波后的源信号可用于所述地震数据的处理。
22.按照权利要求21所述的地震数据处理设备，其中所述一个或多个处理单元可操作为使所述地震数据与滤波后的震源信号相关。
全文摘要
耦合振动器的大地滤波器改善在地震操作中记录的地震数据。该滤波器以考虑到振动器系统、底板和捕获的大地之间的耦合系统，和耦合的大地系统的大地模型为基础。利用来自底板和反应物料的加速度数据，大地模型可被用于导出大地模型的特定变量以帮助表征系统。通过在大地滤波器中利用导出的变量，可以校正记录的地震数据从而除去由典型假设产生的追踪数据中的误差。
文档编号G01V1/37GK103238087SQ201180055874
公开日2013年8月7日 申请日期2011年10月14日 优先权日2010年10月14日
发明者魏周宏, T·菲利普斯 申请人:英洛瓦有限公司