可控震源应用技术

可控震源应用技术
1、国内外技术现状及发展趋势 (1)
可控震源的现状及发展趋势 (1)
电控箱体的特点及发展趋势： (2)
2、扫描信号 (3)
可控震源使用的信号 (4)
如何生成一个有限带宽的震源信号 (4)
扫描信号的形式及技术应用 (5)
3、应用技术 (6)
线性扫描 (6)
非线性扫描 (9)
组合扫描 (12)
4、谐波畸变特性分析及压制技术 (16)
谐波干扰的压制 (20)
5、多源激发 (22)
交替激发 (22)
滑动扫描 (23)
6、质量控制（QC） (27)
原始采集数据质量的一些要求（SHELL COMPANY） (27)
关于可控震源，参加施工的可控震源应满足如下技术要求： (27)
有关评价指标的说明及应用方法 (28)
统计分析 (30)
进入21世纪，地震勘探领域发生了许多变化，地震勘探技术取得了很大的进步，尤其是通过一系列突破性的技术进步，提高了地球物理数据的质量，使得地震勘探水平快速增长，而地震勘探技术已成为油田勘探和开发的必不可少的重要手段。

随着中国石油工业的发展，地球物理勘探已由东部转移到了西部，而我国西部地表条件十分复杂，地震资料信噪比低、施工效率低、地震资料采集成本高。

对此，在戈壁、小沙漠、河床、部分山沟等采用可控震源，该举措既能提高地震资料质量，又能提高生产效率降低生产成本。

因此，可控震源在地震勘探中得到了广泛的应用，但是到目前为止，对可控震源的性能以及震源参数的科学设计等方面，未进行深入细致的研究，还没有充分发挥可控震源的潜力，而现有的可控震源施工方法仅仅是靠经验来确定，缺乏理论依据。

众所周知，地震波在大地的传播当中，由于大地的滤波作用，其地震能量随深度和频率呈指数衰减关系，使地震分辨率随地震波的传播路径大大降低，从而也就降低了地震资料的精确成象。

尤其对于确定小幅度构造、岩性油气藏以及断褶带地区影响极大。

在地震采集和处理活动中，人们一直设法保护地震资料的有效频带，力争地震资料的谱白化，以提高地震资料的分辨率。

在可控振源的扫描信号的选取当中，人们曾使用不同的扫描形式，以补偿大地的频率吸收作用，并收到了较好的效果。

与炸药震源相比可控振源有其自己的独特优点，既激发信号是已知的，信号的频率和能量是可以控制的。

信号的扫描形式主要包括线形扫描、非线性扫描，伪随机扫描，以及变相位技术。

人们可通过对实际资料的定量分析，正确的选择扫描形式和扫描参数。

从而达到最佳采集。

本项目的目的：就是从研究大地滤波的特性出发，根据可控振源信号的可控制性，通过对资料的定量分析，采用不同的扫描形式，决定最佳的扫描参数，寻找可控震源参数设计的理论依据，由定性分析上升到定量研究。

1、国内外技术现状及发展趋势
可控震源的现状及发展趋势
可控震源施工在国内外已得到了较为广泛的应用，在我国东部地区发现了二连油田，在复杂的西部地区也得到了较好的应用。

目前国内使用的可控震源300多台，主要包括：小吨位震源（出力在140kN左右），如美国莫兹公司进口的M12/602型、M12/602A型；中等量级震源（出力在200kN 左右），如M18/612型、M18/615型及Y2700型；使用较多的还是国产可控震源KZ-13型、KZ-20型和KZ-28型，震源出力分别为130kN、197kN、275kN。

可控震源的发展趋势：在纵波勘探领域，未来安全、环保等要求，更需要可控震源；大吨位可控震源将成为未来震源发展的主流；中等量级的可控震源将依然有一定的市场；常规可控震源将逐步淘汰；可控震源将在开发地震中发挥更积极的作用。

在多波勘探领域：储层研究、裂隙研究的需要、多波可控震源将成为下世纪震源发展的重点；多波可控震源将逐步取代常规可控震源的市场；三分量数字式陆上检波器的工业化革命，必将激活
未来多波、多分量勘探的市场；多波可控震源将在开发地震中发挥革命性的作用。

电控箱体的特点及发展趋势：
从1992年开始引进法国Sercel公司的VE-416和美国Pelton公司的ADV震源电控箱体，能针对不同的地表地质条件，选择有利的激发方式和激发参数，同时对复杂地表地区，具有快速的自适应功能，能实时地对信号进行振幅和相位控制，从而改善可控震源激发信号品质。

随着可控震源的发展，其性能有了很大的提高，可控震源的箱体设计更具科学性和实用性，先进可控震源箱体的QC质量控制系统可以实时监控可控震源的工作情况。

在国内可控震源施工过程中，大都采用线性扫描和非线性扫描，激发频带在10-80hz之间，扫描长度在12-20s之间，震动台数为3-5台，震动台次为6-8次，很少采用变频扫描。

在国外的可控震源施工中，变频扫描已得到了广泛应用，效果较为明显。

由于我国的表层地震地质条件很复杂，变频扫描应用较少。

随着可控震源技术的发展，设计“谱白化”的扫描方式是可控震源发展的总趋势，同时应充分利用先进的可控震源电子箱体监控。

早期的电控箱体为先进Ⅰ的三型电子箱体，只允许使用线性信号；
先进Ⅰ的五型箱体允许使用线性信号，当配置了选件后，也允许使用非线性信号、变频扫描信号；
先进Ⅱ型电控箱体允许使用线性信号，dB/oct型的非线性信号、脉冲信号，当配置相应的选件和辅助计算机后，还可以使用DB/HZ 型、时间幂型、t2型等非线性信号、伪随机码（频率随机和振幅随机）信号及各种组合信号，允许变相位和变频技术；
VE416电控箱体允许使用线性信号，组合线性信号、dB/oct、log、t2型等非线性信号、脉冲信号（有边叶和无边叶两种）、伪随机码信号（两种滤波门，两种固定扫描长度），允许变相位和变频技术。

VE432、VIB PRO系统是新一代电控系统的代表，展示了未来可控震源的发展方向。

新一代可控震源电控系统可以实现几乎所有的、先进的可控震源应用技术，如：伪随机码扫描；多组激发源交替或滑动扫描；编码扫描；分段扫描；滑动扫描等。

对VE432电控箱体而言，DPG可以同时产生四种不同的扫描信号。

最终输出的参考信号或扫描信号从预先设定的32个基本扫描信号库中调出，并结合扫描升、降频方式、初始相位生成完整的扫描信号。

基本扫描信号由频率范围、频率函数关系、周期、斜坡和振幅函数构成。

一台DPG可以同时控制四组震源生产，控制总数可达28台震源。

通过一个自动标定的过程，VE432系统的可控震源数字模型可以适应配有标准伺服阀的任何类型的可控震源，不需要人工进行适配调节。

全数字、自适应伺服控制系统通过最优控制技术达到减小控制相位误差、降低输出信号畸变、控制可控震源最大基值力输出的效果。

最优控制技术允许用户采用：更快的扫描速率；无间隔时间的扫描段组合，如分段扫描或多源激发技术；无公害的伪随机码扫描。

电控箱体对最大扫描长度的要求：
不同电控箱体在扫描长度的设计上有一定的区别：先进Ⅰ型系列最大的扫描长度为32s；先进Ⅱ型系列为64s，但采用不同的存储方式扫描长度最大可达128s；VE416电控箱体的最大扫描长度为64s，VE432电控箱体的最大扫描长度为128s
扫描频率的极限设置
扫描信号的低频设置主要取决于可控震源重锤最大行程，也要考虑可控震源运载车作用于平板上的力。

如果解决不了运载车辆的固有频率问题，低频极限只能在5.6Hz左右。

可控震源高频信
号约束条件主要来源于伺服伐，现阶段伺服伐（电液）的频响折点大约在250HZ左右，而比较适于使用的高频段实际上在125HZ左右。

可控震源的驱动幅度
驱动幅度受可控震源力矩马达饱和非线性的影响、最大静载荷压重的约束、震动输出力畸变失真的限制。

可控震源扫描信号子波的一般特点
●相关信号与用炸药震源得到的反射脉冲形态基本一样。

●对于震源而言，最好的下传信号就是自相关信号。

●反射脉冲等于扫描信号的自相关函数与大地响应的褶（卷）积。

●可控震源的反射基本上是对称的自相关函数，但是受到了大地的小相位滤波特征和震源非线性
因素的影响。

●扫描信号频率的选择要中和成本与在大地滤波特征下所追求的最大频带宽度等因素。

●自相关函数在零点的振幅值也代表了扫描信号的能量。

●扫描信号的谱越宽，自相关子波越窄。

●频带越窄，边叶水平越高。

●扫描的自相关函数的边叶可以通过在扫描信号两边加斜坡（镶边函数）的方法得到改善。

新一代电控箱体的特点
新一代的电控箱体具备完整的实时的质量控制技术，在VE432电控箱体中，DSD集成了一组用于传感器自动测试的检测功能，通过检测物理测量的相干性，保证震源的激发质量，使震源生成相应的扫描信号，而没有发生激发极性错误的风险。

DSD生成的QC数据体可以实时或事后分析下述参数：相位、畸变、基值输出力。

另外，数字控制还可以辩识近地表物性结构参数，如：弹性、阻尼，该参数表征了大地的吸收作用，可以用于对地震信号的特殊处理要求。

●柱状QC分析结果显示
所有的QC信息都可以采用自动设定的检测（监视）门槛，通过彩色柱状图进行显示，可以将每台震源当前的质量监测数据和最近50次平均统计数据逐一显示在在屏幕上。

●完整的图形显示功能
对于QC数据体的信息来讲，VE432还具有以曲线的方式实时地显示每台震源的相位、畸变以及输出力与时间或频率的函数关系的功能。

●QC统计分析
如果需要，还可以对每天或一段时间内的QC数据进行统计分析，通过分析，可以检定可控震源出现的性能差异或用于建立震源维护/检修档案。

2、扫描信号
从研究大地滤波的特性出发，根据可控振源信号的可控制性，通过对资料的定量分析，采用不同的扫描形式，决定最佳的扫描参数，寻找可控震源参数设计的理论依据，由定性分析上升到定量研究。

对于可控振源的电控系统，尤其解剖VE432箱体的性能和QC质量控制的功能；通过分析和
试验确定实时监控的参数，实现对可控震源动态过程的全面质量控制。

可控震源使用的信号
地震勘探中的激发源能量既可以用振幅高度集中的信号（如：脉冲信号，在此通常指炸药），也可以用低振幅、长信号（如：可控震源）产生。

其实，可控震源重要是依赖长时间的振动激发，得到相对弱的地震信号。

可控震源另外一个重要特征就是激发源是有限带宽的信号。

另外，可控震源激发技术只产生需要频带内的信号，而脉冲震源，如：炸药，生产的一部分频率在数据采集过程中是不予记录的。

炸药爆炸的过程可以用脉冲来表示，即：一个振幅高度集中的信号在非常短的瞬间生成（图1-a），它的频谱中包含了所有的频率成分（图1-b）。

对于有限带宽信号而言，它只表示在有限带宽内（图1-c）。

在所展示的一个平坦的振幅谱（在图1-d）中只有10~60Hz的频率成分。

在可控震源中使用的信号大多形如图1-d。

如何生成一个有限带宽的震源信号
如前所示，大多数信号具有有限带宽的特征，通过傅立叶变换可以得到如图1-c所示的时域上的信号。

但是一般如图1-c所示的振幅，在时域上的信号不能应用于可控震源，可控震源在激发时要求采用均衡振幅、长时间的信号。

为了能够使如图1-c所示的信号用于震源的激发，必须将该信
号转化为均衡振幅、长时间的有限带宽信号。

采用频率延迟算子，就可以将短脉冲信号转化为长扫描信号。

实际上，在应用过程中，采用将短延迟用于低频、将中等水平的延迟用于中间频率、将长延迟用于高频的处理方法，就会得到一个均匀振幅、视频率从低频逐渐扫到高频结束。

这个信号看起来有些类似于正弦波，在可控震源中就称之为扫描信号。

扫描信号的形式及技术应用
根据不同的用途，扫描信号可分为正弦扫描信号，脉冲信号和伪随机信号。

VE432 DSD可以生成一个1秒长度的脉冲信号，脉冲的峰值中心在0.5秒处。

脉冲波形具有旁瓣以及波峰下跳的特征。

通常，只有下述二种情况下使用脉冲信号：
●检查系统的极性；
●浅层地震勘探；
伪随机信号与简谐振动不同：
●伪随机扫描信号生成的频率在激发频带内是随机变化的；
●在同样的激发幅度、扫描长度下，伪随机信号产生的能量要远小于传统扫描信号。

因此，对于给定的激发幅度，伪随机信号的能量比正弦信号低6dB 。

对于一些类型的可控震源，由于伪随机信号需要的流量与功率都小，所以，对于伪随机信号而言，可以考虑采用较大一些的激发幅度。

• 伪随机扫描信号不会向线性扫描信号那样激发出谐振频率来，因此伪随机信号可以用于敏感
地区，如：城镇等，并且不会对建筑和公共设施造成破坏。

• 对于简谐振动的扫描信号，如：线性信号或对数信号，斜坡函数对频带有一定的影响，但是
对于伪随机信号而言，整个激发频带甚至无须斜坡信号。

正弦扫描信号是资料采集中主要的扫描形式，最终输出的参考信号或扫描信号从预先设定的32个基本扫描信号库中调出，并结合扫描升、降频方式、初始相位生成完整的扫描信号。

基本扫描信号由频率范围、频率函数关系、周期、斜坡和振幅函数构成。

3、应用技术
线性扫描
• 所谓线性扫描就是扫描的频时曲线是线性递增的或线性递减的。

线性递增的叫做升频扫描，
线性递减的叫降频扫描。

线性扫描频谱特征就是振幅谱世平的，即对于每一个频率点能量分配是相等的，所以线性扫描方式不具备频率吸收补偿作用。

•
线性扫描参数主要包括起始扫描
频率F l 、终了扫描频率F u 、扫描长度、何扫描斜坡。

与能量有关的还包括台数、震次和驱动幅度。

A ）起始扫描频率的确定
对于地震资料的分辨能力来讲，低频和高频同等重要。

所以在起始扫描频率的选取当中，要注意四方面的因素。

（1） 对资料分辨能力的地质要求。

（2） 低频干扰（面波）的影响。

通过选取不同的起始扫描频率，能够达到衰减低频干扰的
目的。

但应考虑保留足够的低频成分。

（3） 机械装置的性能指标。

不同的震源装置具有不同的低频指标。

考虑到接收装置及仪器
因素，起始扫描一般应大于6-8Hz 。

（4） 扫描斜坡长度对低频的影响。

B ）终了扫描频率的确定
终了扫描频率与起始扫描频率一起，决定扫描信号的频率宽度，也就决定信号的分辨能力。

应按下述原则选择终了扫描频率：
（1） 考虑对资料分辨能力的地质要求。

d
V F 443.1max m ax F =分辨地层要求的最大频率
d —要分辨的最小地层厚度。

V —相应地层的地层速度
（2） 对试验或以前的资料做频谱分析，了解资料的频谱范围。

（3） 扫描谐波长度对高频频的影响。

（4） 扫描频宽应大于2.5个倍频程。

B ） 扫描斜坡的选择
扫描斜坡的目的是减少扫描信号的吉卜斯现象。

对于线性扫描，扫描起始斜坡长度与终了扫描斜坡长度一般可取为相同，当然也可以取为不同。

扫描斜坡可分为线性斜坡和非线性斜坡两类。

因非线性斜坡是一阶光滑的，效果优于线性斜坡，在生产中，提倡使用非线性斜坡。

非线性斜坡包括余弦斜坡和布莱克曼斜坡（Blackman ）。

⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧≤≤---≤≤-=L t T SL T t SL T t T t W t ))(cos(5.05.010)cos(5.05.0ππ其它 余弦镶边函数
))
14cos(08.0)12cos(5.042.0-+--=T t T t W t ππ Blackman 镶边函数 以前余弦镶边函数用的较多，但从ADV Ⅲ 和VE432电控系统开始，Blackman 镶边函数用的较多。

对于线性扫描，扫描起止频率和扫描长度确定之后，扫描速率是不变的。

而窗函数的抑制效果要持续0.75-0.8斜坡长度才能逐步恢复设定振幅水平的70％-90％。

加了斜坡之后，对扫描的边缘频率有衰减作用。

斜坡越长，衰减越强。

扫描斜坡的选择一般应考虑以下几个因素：
1） 扫描起止频率
2） 低频干扰的频率范围和能量强度。

若低频干扰严重，可根据设定合适的斜坡长
度进行抑制。

3） 扫描长度和扫描频宽，扫描频宽与扫描长度的比值是扫描速率。

扫描速率越小，
斜坡可取的大些，扫描速率越大，斜坡越小。

4） 吉谱斯现象，根据斜坡长度的定量分析，对于6s 的扫描长度，扫描频宽90Hz
的扫描信号，300ms 的斜坡长度在频谱域有波纹现象，500ms 的扫描长度基本
消除了波纹现象。

对于10s 以上的扫描长度，500-800ms 的斜坡长度是一推荐
长度。

对于5s 以下的扫描长度，300-500ms 是可以考虑的选择。

C ）扫描长度的选择
激发信号的扫描长度代表可控震源激发能量的大小。

扫描长度越大，扫描能量越强，扫描长度越小，扫描能量越弱。

T a E 22
1= E —扫描能量
a —所设定的扫描振幅的均方值。

T —扫描长度。

扫描信号的能量与震源台数，扫描次数和扫描长度有关。

一般来讲，扫描台数在施工准备中就以基本确定，扫描次数的增加对保证激发的一次性穿透能力不利，并且在目前和将来，有进一步减少扫描次数的趋势。

所以扫描长度是保证激发能量的主要因素。

扫描长度的选择所遵循的原则是：
1） 目的层深度
2） 震源类型
3） 试验分析：包括定性分析和定量分析，定性分析就是从记录的面貌上分析主要目的层是
否能量足够，以及不同扫描长度记录的能量差异；定量分析就是借助采集试验分析软件，对记录进行科学分析。

以达到扫描长度的最加选择，即保证能量足够，又不做无用功。

4）考虑谐波干扰，尽量使谐波出现在目的层外。

非线性扫描
A ）非线性扫描的设计依据
当波前逐渐远离激发源后，信号的形态发生了改变，一部分能量转化为热量。

大地的吸收和扩散作用使得激发能量随频率和传播距离呈衰减关系。

高频部分逐步衰减殆尽。

ft Q e
A A 10--=π
式中 A —瞬时振幅
A 0—初始振幅
Q —为吸收因子
F —为频率，
T —为时间。

为了补偿大地的吸收，增加高频的能量，震源的震动时间就不能象线性扫描那样按频率平均分配。

而要求能量损失较小的低频具有较短的震动时间，能量损失较大的高频具有较长的震动时间。

这就提出了非线性扫描。

非线性扫描的扫描频率与扫描时间的函数关系再不是线性关系而是非线性关系。

{}11)1)((exp(ln 1)(121+--+=T
f f c c f t f B ）扫描类型的选择
非线性扫描包括许多形式：对数扫描、DB/Herz 扫描、DB/Oct 扫描、密法扫描，用的最多的是DB/Herz 扫描、DB/Oct 扫描，因为这两种扫描形式有着明确的物理意义，而其它的非线性扫描形式完全是一种数学上的表示。

1） DB/OCT
()()n n n L n F F S t F t f 121-+=（3.3）
2） DB/Hz
()()()
⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=-11ln 1121L F F n S t e n F t f （3.4） f （t ）—瞬时频率
F 1—起始扫描频率
F 2—终了扫描频率
S L —扫描长度
T—扫描时刻
N—扫描参量，是待定的一个参量。

C）非线性扫描参数的确定
1）起止扫描频率与线性扫描选择方法一样。

2）扫描斜坡由于非线性扫描对频率分配的能量不同，扫描速率不是常数，信号的低频能量较弱，高频能量较强，可以说非线性扫描本身已对低频能量进行了抑制。

所以对于非线性扫描，扫描斜坡一般为非对称斜坡。

起始扫描斜坡较短，终了斜坡较长，起始扫描斜坡一般取200-300ms，终了扫描斜坡一般取500-1000ms。

另外对于较大的速率函数扫描斜坡应该取小，对于较小的扫描速率函数，扫描斜坡应该取大。

D）扫描长度的选取
非线性扫描的扫描长度应与线性扫描的确定方法相同。

因为非线性扫描虽然对能量进行了非均匀分配，但总体扫描能量是不变的，与线性扫描相同。

D）非线性参数的确定
1）针对某一目的层，在原始记录上按时窗提取数据，进行频谱分析，了解振幅随频率的变化关系，求出能量每个倍频程或每周能量的衰减分贝数
2）根据求出的能量衰减率，给出非线性扫描的非线性参数。

3）上述两步也可借助软件，对非线性扫描参数进行科学的定量分析。

4）参数试验并进行定性和定量分析，看是否达到了谱白话采集。

振幅谱法确定非线性因子
1、对各个频率的扫描时间应与该频率成分要求的振幅呈正比。

(
)
dt)
(
f
df
ka
f
2、求各个频率成分在扫描信号中的出现时间。

3、求扫描信号的瞬时频率
4、求瞬时相位
⎰=t
dt t f t 0
)(2)(πφ
5、求扫描信号
))(sin()(t t s φ=
组合扫描
在可控震源施工中，为了解决振动能量及噪音压制方面的问题，往往需要几台震源（这些震源按照一定的间隔分开），在同一个激发点，震动数次形成扫描组，然后对各次的记录相关求和，产生单张地震记录。

对于扫描信号的选择，一经确定以后，通常的做法是在一个扫描组当中，只使用一个扫描因子。

这种单因子的扫描方法，虽然能够解决部分采集问题，但由于线性扫描对不同的频率成分扫描能量的平均分配和非线性扫描的低频压制作用，限制了可控震源的应用和有效性。

与单因子扫描不同，组合扫描提倡在一个扫描组中包含若干个扫描因子，各个子扫描之间因子可以不同。

一个子扫描可以仅含一个扫描因子，也可以含有多个扫描因子。

这种扫描方式增加了扫描的灵活性及有效性，使得人们能够根据实际资料的特点，定量的选取合适的扫描信号。

利用组合扫描方法，根据资料的频谱特征，能够实现高频提升的目的，使资料具有更大的分辨能力。

同样组合扫描在压制噪音，抑制谐波畸变方面也有独到之处。

在生产中，常用的压制谐波的变相位技术也是组合扫描的一种。

什么是组合扫描
组合扫描对扫描频率、扫描时间，可根据采集的需要进行分段，设计出一套比较使用的扫描组，从而达到频率提升，消除干扰，提高采集质量的目的。

频率分段时分段频率可以相互重合也可以不重合，时间分段可以带有零段，也可以不带有零段。

一次子扫描可以只包含一个频段，也可以包含几个频段，一次子扫描包含一个频段的扫描方式就是现在所用的模拟变频扫描，也可以称为组合扫描的特例。

组合扫描的数学依据
对于常规的升频线性扫描()t S f f f t f L
121-+=，其扫描信号的数学表示为： ()⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-+=21222sin t S f f ft A t S L π 当1)(412>>-L S f f 时，它的自相关函数为
()τττπτπτφ⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛-+⋅--=L L S f f f f f f f S A )(cos )()(sin 212012122 上述公式中：1f --起始扫描频率，2f --终止扫描频率
L S --扫描长度， )(t S --扫描信号
)(τφ--自相关函数。

在常规的线性扫描中，为了防止吉卜斯现象，通常要求扫描信号的频宽大于2.5个倍频程。

组合扫描根据地震数据的频谱，对扫描信号进行频率分解，形成子扫描组，每组扫描信号都具有不同程度的频宽。

但对各子扫描信号的叠加后，仍能满足扫描信号的总体频宽大于2.5个倍频程的准则。

所以通过优选各子扫描信号，能够改善扫描信号的自相关信号，从而改善记录质量。

与常规扫描相比，组合扫描有其独特得优点优点：组合扫描可以根据实际资料的频谱特征，合理的选取扫描组因子，实现资料的谱白化采集，达到频率提升的目的。

通过改变扫描频宽和初始相。