Способ сейсмического зондирования

(51)7 01 1/00 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Изобретение относится к области сейсморазведки, в частности, к предварительной обработке сейсмических сигналов. Достигаемый технический результат - повышение точности измерений и разрешающей способности. Способ для генерации, записи и предварительной обработки высокоточных вибрационных сейсмиче ских сигналов в системе, использующей множество вибрационных источников, включает операции измерения движения каждого вибратора, определения отношения делением вибрационных сейсмических сигналов на измеренное движение вибратора, чтобы устранить неизвестную приложенную силу, оставляя отражательную способность земли, умноженную на производную по времени, деленную на минимальнофазовую функцию, минимально-фазовой полосовой фильтрации результирующего сигнала - отношения и выполнение минимально-фазовой деконволюции,чтобы устранить производную по времени, деленную на минимально-фазовую передаточную функцию. Способ может также включать деконволюцию ансамбля кадров, деконволюцию ансамбля сигналов от приемников, статическую коррекцию, - фильтрацию для шума, нуль-фазовую импульсную деконволюцию и модельную дефазировку. Сигнал,прямо пропорциональный действительному сигналу,посылаемому вибратором в землю, используют в предварительной обработке. Измеряют движение вибратора, чтобы получить сигнал, используемый при обработке, сигналы делят на действительно переданный сигнал в частотной области. 8355 Настоящее изобретение относится к обработке сейсмических сигналов и, в частности, к предварительной обработке сейсмических сигналов, в которой сигналы, сгенерированные многочисленными вибрационными источниками, принимают и подготавливают для обработки, характеризующейся высокой точностью или высоким разрешением. Предшествующий уровень техники Обычно на практике используют вибрационные источники для создания силы, воздействующей на землю, и последующее движение земли, вызванное применением этой силы, измеряют приемниками,расположенными в различных точках. Широкополосный сигнал, обладающий достаточной энергией,получают путем регулирования длительности и частоты силы. Используя движения приемника и характер приложенной силы, с помощью обычной корреляции с оценкой приложенной силы строят сейсмограмму, из которой могут быть определены свойства импедансной функции земли. В целях экономии одновременно используют несколько источников вибраций. Для того, чтобы построить более точную сейсмограмму, следует определить какой источник ответственен за движения,обнаруженные приемниками. Каждый источник имеет собственные характеристики, что помогает выделять источник, генерирующий силу, вызывающую движения приемника, так как поступающие сигналы изменяются в зависимости от источника. Обработка, проводимая для оценки сигналов одного источника на фоне сигналов, сгенерированных другим источником, будет воспроизводить неточную сейсмограмму. Главным недостатком существующих конструкций является то, что для построения сейсмограммы используют оценку действительной приложенной силы. Много работ посвящено проблеме улучшения качества сигналов обратной связи, функционирования петель обратной связи и гидравлических клапанов, однако, гармоники, погрешности приборов, переменные земные связи в системе остаются неизвестными и не могут быть устранены полностью. При сборе сейсмических сигналов с использованием наземных вибраторов большие массы контактируют с землей. По настоящему изобретению могут быть использованы простые вибраторы. Обычно движение реактивной массы измеряют акселерометром, установленным на самой реактивной массе. Движение платформы, которая действительно связана с землей, измеряют акселерометром, помещенным на поперечном элементе свайной конструкции. При обычной обработке сигналы, генерируемые вибраторным источником, коррелируют с эталонной разверткой. Сигнал эталонной развертки представляет идеальный сигнал, который, как было сказано,передается земле и часто совершенно отличается от действительно генерируемого сигнала. Так как эталонный сигнал представляет воображаемый идеальный сигнал, он одинаков для всех вибраторов. 2 В некоторых случаях оценивают сигнал, представляющий приложенную силу. Типичной оценкой приложенной силы, называемой наземной силой,является взвешенная на массу сумма ускорений платформы, используемой в вибрационном источнике, и ускорения реактивной массы, используемой в вибрационной конструкции. Взвешенную на массу, сумму двух сигналов,один из которых поступает от платформы, а другой от реактивной массы, используют в петле обратной связи, чтобы передать исполнительному механизму сообщение о том, насколько близко он находится от эталонной развертки. В этой системе полагают, что сила, приложенная к земле, представляет такую же силу, как и в эталонной развертке. Однако, как установлено выше, действительный сигнал часто сильно отличается от сигнала эталонной развертки. Силу, приложенную к земле, можно рассматривать во временной или в частотной областях. Импульсный отклик земли можно также рассматривать во временной или в частотной областях. Производная приложенной к земле силы по времени свертывается с импульсным откликом земли во временной области, в то время как производная силы по времени умножается на импульсный отклик земли в частотной области. В этой наиболее фундаментальной форме сигнал, представляющий производную приложенной к земле силы, свернутый с импульсным откликом земли, регистрируется геофонами или приемниками, расположенными на поверхности земли. Этот сигнал регистрируют после его отражения поверхностью раздела, лежащей между двумя подповерхностными слоями, имеющими различные импедансы. Зарегистрированный сигнал коррелируют с сигналом эталонной развертки, поданным в исполнительный механизм. Эта корреляция работает хорошо, пока сила, приложенная к земле, является такой же, как сигнал эталонной развертки. Так как это условие выполняется редко, точную оценку импульсного отклика земли получают также редко. Корреляция в частотной области требует, чтобы сигналы были перемножены на обратную по времени величину от сигнала, с которым должна была произведена корреляция. Поскольку эталонный сигнал представляет только оценку действительной приложенной к земле силы, корреляция с эталонным сигналом приводит к результату, когда в сигналах остаются еще неизвестные составляющие. В случае корреляции зарегистрированного сигнала с эталонным сигналом, пока амплитудные и фазовые ошибки эталонного сигнала остаются небольшими, ущерб результату от неопределенности уменьшается, однако некоторая погрешность результата все же остается. Краткое описание изобретения Настоящее изобретение дает способ записи и обработки сигналов вибрационного источника с высоким разрешением, который включает измерение движения или движений вибраторов, связанных с действительной силой, приложенной вибратором, 8355 через передаточную функцию минимально-фазовой причинной линейной системы. Сигнал, представляющий эти движения, используют в операции обращения, применяемой для обработки поступающих сигналов. Эта система связывает действительный выход вибратора с измеренными движением или движениями вибратора. Вибраторы возбуждают в соответствии с заранее определенным эталоном. Определяют отношение делением вибрационных сейсмических сигналов на измеренные движение или движения вибраторов для того, чтобы устранить неизвестную приложенную силу. В результате этого деления остается отражательная способность земли,умноженная на производную по времени и деленную на минимально-фазовую функцию. Для того, чтобы устранить производную по времени, деленную на минимально-фазовую передаточную функцию, выполняют минимально-фазовую деконволюцию. Способ может также включать деконволюцию ансамбля кадров, деконволюцию ансамбля приемников,статическую коррекцию, - фильтрацию шума,деконволюцию приемника, нуль-фазовую импульсную деконволюцию и модельную расфазировку,как дальнейшую обработку принятых сигналов. Краткое описание рисунков Фиг. 1 представляет типичную процедуру получения сейсмических сигналов, которая может быть использована в настоящем изобретении. Фиг. 2 представляет блок-схему технологической цепочки, иллюстрирующую способ предварительной обработки сигналов, сгенерированных многочисленными вибрационными источниками. Фиг. 3 представляет блок-схему технологической цепочки, иллюстрирующую второй способ предварительной обработки сигналов, сгенерированных многочисленными вибрационными источниками. Описание предпочтительного варианта воплощения В настоящем изобретении при предварительной обработке используют сигнал, непосредственно связанный с действительным сигналом, посылаемым вибратором в землю. При реализации настоящего изобретения могут быть использованы простые вибраторы. Эти наземные вибраторы обычно имеют большую массу, контактирующую с землей. В настоящем изобретении движение реактивной массы измеряют парой акселерометров, помещенных на самой реактивной массе. Движение платформы, которая действительно связана с землей, измеряют второй парой акселерометров, помещенных на поперечном элементе свайной конструкции. В настоящем изобретении используются пары акселерометров так, что может быть выполнено сравнение выходов и может быть установлено, подходит ли сгенерированный сигнал для дальнейшей обработки. Измеряют движение или движения вибратора, чтобы получить сигнал, который используют при обработке сигналов. Таким образом, сигналы не коррелируют с теоретическим сигналом, а их делят на минимально-фазовую копию действительно переданного сигнала в частотной области, что устраняет действительно переданный сигнал из рассмотрения. Для определения отражательной способности земли сигналы, в сущности, делят на силу вибратора, приложенную к земле, умноженную на минимальнофазовую передаточную функцию, устраняя силу вибратора из сигналов. Эта процедура оставляет отражательную способность земли, умноженную на производную по времени, деленную на минимальнофазовую передаточную функцию. Это отношение производной по времени, деленной на минимальнофазовую передаточную функцию, устраняют минимально-фазовой деконволюцией. Фиг. 1 представляет схему системы, иллюстрирующую процесс сбора данных в настоящем изобретении. Вибраторы 18, 20, 22 и 24 каждый с двумя парами акселерометров 26, 28, 30 и 32, измеряющими действительный сигнал, генерируемый в земле,располагаются на тележках 34, 36, 38 и 40, соответственно. Сигналы затем передают по радиолинии 42 в основную память вибратора 44, где их проверяют,чтобы определить надежность и сохранить для сравнения позже с другими данными. Сигналы, генерируемые в земле вибраторами 18, 20, 22 и 24, отражаются от поверхности раздела между подповерхностными слоями с импедансами 1 и 2 в различных точках 1, 2 и т. д. вдоль поверхности раздела. Эти отраженные сигналы регистрируются геофонами 1, 2, 3 и 4, соответственно. Сигналы, сгенерированные вибраторами 18,20, 22 и 24 на тележках 34, 36, 38 и 40, передают к записывающему устройству 46 для переноса на магнитную ленту 48 для объединения с необработанными сейсмическими данными, принятыми от геофонов 1, 2, 3 и 4. Параметры принятых сигналов и необработанные сейсмические сигналы, сохраненные на магнитной ленте 48, могут быть переданы в компьютеры, расположенные в других местах. Эти измеренные сигналы представляют минимально-фазовые аналоги действительных сигналов,генерируемых в земле способом вибрационного источника. В предыдущих решениях обработка в основном проводилась с сигналом эталонной развертки, который, как предполагалось, генерировался в земную поверхность. В настоящем изобретении измеряют и принимают сигнал непосредственно у вибраторного источника, имеющий минимальный сдвиг по фазе относительно действительной силой,приложенной к земле. Поэтому в процессе вместо теоретического сигнала используют аналог действительного сигнала, математически связанный с ним. При использовании способа настоящего изобретения,создан Высокоточный Вибраторный Сейсмический Комплекс , записывающий движения и обрабатывающий записанные сейсмические данные таким образом, что нет необходимости 3 8355 знать неизвестную действительную приложенную силу. Подобным образом действительная сила может быть устранена делением. При обычной обработке эталонный сигнал х передают в исполнительный механизм, который превращает сигнал в истинный выход вибратора в землю. Этот сигнал или истинный выход вибратора распространяется через землю и при этом он перемножается на импульсный отклик земли в частотной области или свертывается с импульсным откликом во временной области. В результате свертки производную действительного сигнала по времени, свернутую с импульсным откликом земли, затем коррелируют с сигналом эталонной развертки. Этот процесс является корректным, если только сигнал эталонной развертки равен истинному выходу вибратора. Настоящее изобретение предлагает подход, отличный от известных методов обработки. Вопервых, способ настоящего изобретения признает,что движения, измеренные на вибраторе, являются только похожими, но не равными действительной силе на выходе, или сигналу, передаваемому в землю. Они оказываются связанными через минимально-фазовую передаточную функцию в частотной области. Как минимально-фазовая передаточная функция, так и действительная сила на выходе неизвестны. Во-вторых, настоящее изобретение имеет отличие в том, что предлагает выполнение операции обращения вместо корреляционного процесса в обычной обработке. На основании того, что движения, измеренные на вибраторе, связаны с действительной силой на выходе или сигналом, переданным в землю, через минимально-фазовую передаточную функцию в частотной области, приходим к следующей формуле, в которой сила на выходе перемножается на минимально фазовую передаточную функциюМ А 1 М В 111 М А 2 М В 222 или МТ,где М - измеренное движение на матрице вибрато 1 ров- матрица истинных выходов вибраторов в частотной области Т - передаточная функция минимально-фазовой,причинной, линейной системы, связывающаяс измеренным движением вибратора, и- знак произведения матриц в частотной области. Индексы элементов матрицы означают вибратор и развертку, например, А 1 означает вибратор А,развертка 1, В 1 означает вибратор В, развертка 1 и т. д. В этом уравнении как минимально-фазовая передаточная функция Т, так и действительная сила на выходе , являются неизвестными. Сейсмические сигналы, зарегистрированные как геофонами, так и гидрофонами, представлены в частотной области с помощью свертки производной действительной силыпо времени с отражательной способностью земли Е, как определено в следующей формуле 111111,где- матрица измеренных сейсмических данных р - производная по времени Е - матрица отражательной способности земли. Используя обратную фильтрацию минимальнофазовым полосовым фильтром, может быть вычислено отношение /. Это отношение устраняет неизвестную силуна выходе, что следует из уравнения 111 111.В этом месте неизвестную силуисключают из уравнения. Также нужен масштабирующий коэффициент для сохранения полной энергии после процесса обратной фильтрации. Сейсмограмму теперь представляют как /М и это является искомым решением Е, отражательной способностью земли,свернутой с минимально-фазовой функцией /Т. 8355 Свойством минимально-фазовых функций является то, что их производная и обратная величина также являются минимально-фазовыми. Далее сейсмограмма может быть обработана минимальнофазовой деконволюцией, чтобы получить Е, импульсный отклик земли в частотной области. По существу, /М сейсмограмма является ограниченной по полосе импульсной сейсмограммой. Она причинно- и минимально-фазово связана с откликом земли./М минимально-фазовая деконволюция - Е Этот способ всегда корректен, так как действительное и неизвестное движение вибратора устранено. Зарегистрированные сейсмические сигналы представляют в частотной области произведение производной действительной силы по времени на отражательную способность земли. Используя обратную фильтрацию минимально-фазовым полосовым фильтром, может быть вычислено отношение измеренного сейсмического движения к измеренному движению вибратора. Это отношение устраняет неизвестную действительную силу на выходе. Требуется масштабирующий коэффициент для сохранения общей энергии в процессе обратной фильтрации. Результирующую сейсмограмму представляют отношением измеренного сейсмического движения к измеренному движению вибратора, и это является искомым решением, отражательной способностью земли, свернутой с минимально-фазовой функцией. Свойством минимально-фазовых функций является то, что их производная и обратная величина также являются минимально-фазовыми. Поэтому сейсмограмма может затем быть обработана минимально-фазовой деконволюцией, чтобы получить импульсный отклик земли в частотной области. По существу, отношение измеренного сейсмического движения к измеренному движению сейсмограммы вибратора представляет ограниченную по полосе импульсную сейсмограмму. Она причинно- и минимально-фазово связана с откликом земли. Этот способ всегда корректен, т. к. действительное и неизвестное движение вибратора устранено. Основу настоящего изобретения составляют прием сигналов, деление сигналов в частотной области на измеренные сигналы от сейсмического источника, генерирующего сигнал, и выполнение минимально-фазовой деконволюции результатов деления. Обращаясь теперь к фиг. 2, видим, что технологическая цепочка предпочтительного варианта способа настоящего изобретения проиллюстрирована в виде блок-схемы. Этот способ может быть выполнен на любом цифровом компьютере или рабочем блоке,постоянно используемом в установке. Первоначально принимают сигналы, хранимые на магнитной ленте 48 в блоке 50. Принятые сигналы могут быть сейсмическими сигналами любого типа, сгенерированными вибросейсмической техникой. В блоке 52 выполняется процесс обращения поступающих сигналов с измеренными сигналами. Это представляет существенное различие между настоящим изобретением и известными методами обработки. При обычной обработке принятые сигналы свертывают с сигналами, которые, как полагают,сгенерированы в земную поверхность. В настоящем изобретении выполняется процесс обращения с измеренными сигналами, устраняющий некоторые допущения, которые были описаны выше. В блоке 54 обращенные данные проходят через минимально-фазовый полосовой фильтр. В блоке 56 выполняют минимально-фазовую деконволюцию данных, подвергшихся процессу обращения и прошедших через минимаьно-фазовый полосовой фильтр. Это устраняет эффект члена /, который был добавлен. Итак, обрабатывая сейсмограмму минимально-фазовой деконволюцией, получаем импульсный отклик земли в частотной области. На фиг. 3 представлена блок-схема технологической цепочки второго предпочтительного варианта способа настоящего изобретения. Этот способ может быть также реализован на любом цифровом компьютере или устройстве, постоянно функционирующем в установке. Сначала в блок 60 поступают сигналы, сохраненные на магнитной ленте 48. Принятые сигналы могут быть сейсмическими сигналами любого типа,сгенерированными вибросейсмическим методом. В блоке 62 выполняется процесс обращения поступающих сигналов с измеренными сигналами. Это представляет существенное отличие между настоящим изобретением и обычными методами обработки. В обычной обработке поступающие сигналы сворачивают с сигналами, которые, как полагают, генерируются в земную поверхность. В настоящем изобретении выполняют процесс обращения с измеренными сигналами, устраняющий некоторые ранее описанные допущения. В блоке 64 может быть сгенерирована модельная трасса. Эта модельная трасса в основном является импульсной трассой для записи фазы и амплитуды исходных сигналов. Модельная трасса будет использована позже, чтобы устранить фазовые ошибки,внесенные на некоторых этапах обработки по методу настоящего изобретения. В блоке 66 обрабатывается информация, поступившая от блока 62, при этом результаты процесса обращения могут быть подвергнуты покадровой деконволюции. Импульсная деконволюция ВинераЛевинсона более предпочтительна в настоящем изобретении, однако может быть использована деконволюция, которая использует обычный формат сбора кадра для устранения эффектов, вызванных вариациями между индивидуальными кадрами. В блоке 68 по сигналам может быть выполнена статическая коррекция источника. В предпочтительном варианте используется один и тот же набор сигналов для статистической коррекции и для фильтрации, а для выделения статической поправки набор с постоянного места расположения приемника. 5 8355 В блоке 70 может быть выполнена - фильтрация с использованием переменного кадра при постоянном расположении приемника, чтобы устранить влияние вращения Земли. В блоке 72 выполняется деконволюция сигналов от приемника, которая преимущественно является импульсной деконволюцией ансамбля Винера-Левинсона. Она представляет обычную операцию приемника для устранения его шума, однако, приемлема любая деконволюция, которая служит для устранения шума приемника, В блоке 74 сигналы подвергаются ноль-фазовой импульсной деконволюции. Она представляет собой деконволюцию отбеливания спектра, чтобы устранить монохроматическую помеху. В блоке 76 может быть сделана модельная дефазировка с использованием модельной трассы, сгенерированной в блоке 64 для записи исходных фазы и амплитуды. Это делается, чтобы устранить любые фазовые ошибки, внесенные предыдущими операциями обработки. В этом месте способ настоящего изобретения завершил предварительную обработку и после блока 76 может быть выполнена обычная обработка. Итак, описан способ записи и предварительной обработки с высоким разрешением сигналов вибрационного источника, который включает операции деления на измеренный сигнал, деконволюцию сигналов от приемников и ансамбля кадров, статическую коррекцию, - фильтрацию для шума,нуль-фазовую импульсную деконволюцию и модельную дефазировку. Как отмечалось ранее, при предварительной обработке используют действительный сигнал вибратора, связанный с сигналом,посылаемым вибратором в землю. Измеряют движение вибратора, чтобы получить сигнал, используемый в обработке данных, сигналы делят в частотной области на действительно передаваемый сигнал. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ сейсмического зондирования, включающий генерацию сейсмических сигналов множеством разнесенных вибрационных сейсмических источников, прием и регистрацию сигналов множеством разнесенных сейсмических приемников, обработку зарегистрированных сигналов, отличающийся тем, что измеряют движения каждого вибрацион 6 ного источника, которые пропорциональны приложенной силе вибратора, умноженной на передаточную функцию минимально-фазовой, причинной,линейной системы, сопоставляют действительный выход вибратора с измеренными движениями вибрационного источника, разделяют сейсмические сигналы и определяют сигнал-отношение делением вибрационных сейсмических сигналов на измеренные движения каждого вибрационного источника для того, чтобы исключить необходимость определения неизвестной приложенной силы и выделить сигнал, пропорциональный отражательной способности земли, умноженной на производную по времени, деленной на минимально-фазовую функцию, проводят минимально-фазовую полосовую фильтрацию результирующего сигнала-отношения,и выполняют минимально-фазовую деконволюцию сигнала-отношения,прошедшего минимальнофазовую полосовую фильтрацию, для устранения производной по времени, деленной на передаточную функцию минимально-фазовой функции. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют деконволюцию ансамбля кадров для сигналов-отношений, прошедших минимально-фазовую полосовую фильтрацию. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют деконволюцию ансамбля приемников для сигнала-отношения,прошедшего минимальнофазовую полосовую фильтрацию. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют статическую коррекцию сигналаотношения, прошедшего минимально-фазовую полосовую фильтрацию. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют -. фильтрацию от помех сигналаотношения, прошедшего минимально-фазовую полосовую фильтрацию. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выполняют нуль-фазовую импульсную деконволюцию сигнал-отношения,прошедшего минимальнофазовую полосовую фильтрацию. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что генерируют модельную трассу из сейсмических сигналов, излученных множеством вибрационных сейсмических источников, и выполняют модельную дефазировку, с использованием вышеупомянутой модельной трассы для сигналов-отношений прошедших минимально-фазовую полосовую фильтрацию.