可控震源谐波影响因素分析及对策.docx

采 集 技 术 文 章 编 号 ：（）可控震源谐波影响因素分析及对策 刘斌 张 志 林赵 国 勇何 京 国陶 夏 妍（ 中国石化地球物理公司胜利分公司 ，山 东 东 营 ； 西南石油大学资源与环境学院 ，四 川 成 都 ）刘 斌 ，张 志 林 ，赵 国 勇 ，何 京 国 ，陶 夏 妍 可控震源谐波影响因素分析及对策 石油地球物理勘探 ，（）：摘 要 在应用可控震源进行地震资料采集时会产生谐波干扰 ，谐波畸变包括振幅畸变和相位畸变 ，这 些 畸 变 会 降 低相关信号的质量 。 本文从可控震源 机 械 本 身 、地表耦合以及震源参数三个方面对谐波干扰产生的原因以 及分布特征进行了分析 。 以可控震源振动与大地耦合响应 、谐波能量与施工参数关系理论分析为基础 ，对 不 同 地表耦合程度和不同激发参数产生谐波的大小及对资料的 影响程度进行了科学分析和定量计算 。 在 地 表 耦 合 上 ，首次提出了基于 “半 刚 度 ”地表耦合谐波压制技术 ，指 出 增加一次空振扫描可改善可控震源与疏松地表耦合 效 果 。 在 震 源 参 数 上 ，分析了震源台数 、扫 描 长 度 、振 动 次 数 、扫描宽度等参数对谐波出现时间和振幅能量的影 响 ，建 议 采 用 “少 台 、少 次 、低 驱 动 、长 扫 描 ”激 发 方 式 。关 键 词 可 控 震 源谐 波 地 表 耦 合 震 源 参 数 半 刚 度中 图 分 类 号 ：文 献 标 识 码 ：导 致出现一组与扫描信号类似 的 谐 波信 号 。该 谐 波以 扫描信号频率范围的倍数出 现 ，分 别 叫 二 次 谐 波 ，三 次 谐 波 ， 次 谐 波。谐波畸变包括相位畸变和 振 幅 畸变 。谐 振 的 产 生 主要与下述三个方面因素有 关 ：第 一 是 机 械 原 因 ， 由 于可控震源的机械装置与震 动 装 置的 非线 性振动 而 产 生 谐 振 ；第 二 是 与 地 表 耦 合 程 度 密 切 相 关 ，当 可 控 震源的震板与大地的耦合较 差 时 ，容 易 产 生 谐 振 ； 第 三 是 可 控震源的施工参数不 合 理 容 易 产 生 谐 振 干 扰 。引 言在 可 控 震 源 采 集 中 ，由 于 机 械 驱 动 装 置 的 非 线性 特 性 以 及 振 动 装 置 与 大 地 的 耦 合 关 系 ，在 可 控 震 源 采 集 中 存 在 谐 波 畸 变 是 不 可 避 免 的 ，而 谐 波 畸 变 产 生 的 原 因 多 种 多 样。若想最大限度地减小 可 控 震 源 信 号 畸 变 ，就必须清 楚谐波产生的原因 ，进 而 有 针 对 性 地 采 取 措 施 以 减 小 震 源 谐 波。自 年 以 来 ，中国石 化 集团公司在中国西部 的 众 多 地 震 采 集 项 目 都 应 用 了 可 控 震 源 ，这 些 地 区 谐 波 干 扰 普 遍 比 较 严 重 。为 了 减小谐波对地震资料 的 影 响 ，出 现 了 许多压制可控震源 谐 波 的方 法 。 本 文 结 合 近 几 年 可 控 震 源 的 应 用 实 例 ，对 不 同 地 表 、不 同 可 控 震 源 施 工 参 数 与 谐 波 的 关系进行了深入研 究 ，以 期 通 过 选 择 合适的施工参数 和技术措施减小 谐 波 对 可 控 震 源 资 料 的 影 响 。谐 波 分 布 特 征在 中 国 西 部 工 区 的 单 炮 记 录 上 ，谐 波 一 般 出 现 在 震源炮点的正下方 ，呈 现 视 主 频 较 高 、频 带 较 宽 的 特 征 ，视 主 频 通 常 为 左 右 ，频 率 为 。 谐 波干扰混杂于原始记录中 ，往 往 成 片 分 布 ；出 现 在 记 录 上 的 时 间 及 强弱毫无规律可言 ，同 一 震 源 炮 点 不 同时间以及相邻震源炮点激 发 ，谐 波 出 现 的 位 置 、 能 量 均 有 所 差 别。谐波的产生原因及其特征 地表耦合对谐波的影响及压制方法 谐 波 产 生 原 因由 于 振 动 器 产 生 的 振 动 信 号 的 谐 波 畸 变 、失 真 ，地表耦合理论分析 可控震源与地表组成的耦 合 系 统及 大地 受力如 山东省东营市东营区中国石化地球物理公司胜利分公司地震勘探研究所 ，。：。本 文 于 年 月 日 收 到 ，最 终 修 改 稿 于 年 月 日 收 到 。石 油 地 球 物 理 勘 探 年图 所 示 。谐 波 干 扰 的 产 生 与 特 殊 的 地 表 条 件 有 关 ，当 可 控 震 源 振 动 时 向 大 地 施 加 的 外 力 为由 上 式 分 析 可 知 ，密 度在地震响应中起着至关 重 要 的 作 用 。当 地表密度过大或过小时 ，可 控 震 源 极 易 与 大 地 形 成 共 振 耦 合 系 统 ，即大地的固有频率 与 可控震源振动频率一致 ，从 而 产 生 谐 波 。因 此 ，当 地 表太硬或太软时 ，震 源 底 板 和 地 面 耦 合 不 好 ，都 会 导 致 可 控 震 源 信号中谐波畸变变大 。 地 表 过 硬 ，振 幅 畸 变 较 大 ；地 表 过 软 ，由 于 松 软 地 层 在 压 缩 阶 段 和 膨 胀阶段刚度会发生很大变化 ，导 致 相 位 畸 变 严 重 ， 特 别是峰值相位的突变 ，增 加 了 相 关 子 波 的 旁 瓣 ，谐 波 干 扰 更 加 复 杂。 （ ）（）其 中 ： 为 振 幅 ； 为 频 率 ； 为 相 位 ；为 时 间 。地表耦合对谐波影 响相同地表不同区 域 对谐 波影响 为了研究同一地表不同区 域 地 表耦 合程 度与谐 波 的 关 系 ，对 中 国 西 部 工 区 硬 地 表 山 前 砾 石 区和软地表雅丹地貌区进行 谐 波 干扰 影响 分析 。从硬地表的山前砾石区同 一 单 炮不 同区 域谐波 干 扰 分 析 （图 ）可 以 看 出 ，谐 波 干 扰 相 对 较 强 ，振 幅 畸 变 严 重 （图 ），随 着 时 间 的 增 加 ，谐 波 干 扰 能 量 呈 逐渐减弱的趋势 （图 ）。 连 续 抽 取 炮 进 行 谐 波 干 扰 定 量 分 析 （图 ），可 以 看 出 ，由震源底板与地 表 耦合产生的谐波畸变 （图 ）能 量 变 化 大 ，一 致 性 较 差（图 ），频 带 较 窄 （图 ），主 频 为 ，有 效频 宽 为 ；由 震 源 自 身 产 生 的 谐 波 畸 变图 可控震源与地表组成的耦合系统及大地受力示意图 可 控 震 源 振 动 与 大 地 耦 合 响 应 关 系 为（） 槡 （ ）式 中 （） （）（图）能 量 相 对 稳 定 ，一 致 性 较 好 （图），频 带 较宽（图 ），主 频 为 ，有 效 频 宽 为 。从软地表雅丹地貌区同一 单 炮 不同 部位 谐波干 扰 分 析（图 ）也 可 以 看 出 ，谐 波 干 扰 相 对 较 强 ，相 位 畸 变 较 大 ，干 扰 类 型 复 杂 。其 中 ，谐 波 能 量 相 对 谐 波 较 强 ，相 对 谐 波 较 弱 ；从 连 续 炮 谐 波 干 扰 定 量 分 析 （图 ）可 以 看 出 ：由 震 源 底 板 与 地 表 耦 合（） 槡 （ ）（）其 中 ： 为 振 幅 ； 为 常 数 ；为 密 度 ； 为 速 度 ； 为杨 氏 模 量 ； 为 相 位 。图 山前砾石区同一单炮不同区域谐波干扰分析 （）砾石区单炮记录 ；（）能 量 分 析 （ 为有效波时窗及能量 ； 、 、 分 别 为 浅 、中 、深层谐波时窗及能量 ）第 卷第 期刘 斌 等 ：可控震源谐波影响因素分析及对策 图 山前砾石区不同部位谐波干扰能量分析 （）砾石区典型单炮记录 ；（）由地表耦合引起连续 炮 能 量 ；（）由地表耦合引起连续 炮 频 谱 ；（）砾石区典型单炮记录 ；（）由震源自身引起连续 炮 能 量 ；（）由震源自身引起连续 炮 频 谱图 雅丹地貌区同一单炮不同区域谐波干扰分析 （）雅丹地貌区单炮记录 ；（）能 量 分 析 （ 为有效波时窗及能量 ； 、 、 分 别 为 浅 、中 、深层谐波时窗及能量 ）产 生 的 谐 波 畸 变 频 带 相 对 较 窄 ，能 量 变 化 大 ，一 致 性较 差 ，谐 波 畸 变 分 为 压 实 之 前 （图、图、图）和 压 实 之 后 （图、图、图）两 组 谐 波 ，压 实 之 后 相对 压 实 之 前 谐 波 能 量 变 强 ，主 频 基 本 一 致 ，频 带 稍 有拓 宽 ；由震 源自身产生的 谐波畸变频带较宽 ，主 频 为，有 效 频 宽 为 ，能 量 相 对 稳 定 ，一 致 性 较 好（图 、图 、图 ）。丹 地 貌 区 两种不同硬度地表中 的 典 型 单 炮 原 始 记录 ，从图中可以看出 ：硬 地 表 山 前 砾 石 区 谐 波 出 现 时间 早 、能 量 强 ，在 处 就 能清楚地见到谐 波 干 扰 ；软 地 表 雅 丹 地 貌 区 谐 波 干 扰 较 弱 ，仅在深层能隐约见 到 谐 波 干 扰 ，但相位畸变严重 。 从相邻地表山前砾 石 区 和 雅 丹 地 貌 区 统 计 对 比 分 析 （图 ）也 可 以 看 出 ：硬 地 表 整 体 谐波干扰能量强 ，但 相 位 畸 变 较 小 ，由 地表耦合引起的相位 畸 变 总 体 在 以 内 （图 和 图 ）；软地表振幅畸变 相 对 较 弱 ，但 相 位 畸 变 较 大 ，由地表耦 合 引 起的 相位畸变部分能 达 到 左 右 ，个 别 甚 至 能 达 到 （图 和 图 ）（蓝 色 标 注峰 值 相 位 ，红 色 标 注 平 均 相 位 ）。不 同 地 表 对 谐 波 的 影 响在 二 维 工 区 ，采 用 可控震源激发的地 表 主 要 包 括 硬 盐 碱 壳 区 、山 前 砾 石 区 、戈 壁 砾 石 区 、雅 丹 地 貌 区 、半 沙 漠 区 等 ，地表硬度变化较大 ，造 成地 震 资 料 品 质 差 异 较 大 。图 是在山前砾石区和雅 石 油 地 球 物 理 勘 探 年图 雅丹地貌区不同部位谐波干扰能量分析 （）雅丹地貌区典型单炮记录 ；（）压实前由地表耦合引起连续 炮 能 量 ；（）压实前由地表耦合引起连 续 炮 频 谱 ；（）雅 丹地 貌区典型单炮记录 ；（）压实后由地表耦合引起连续 炮 能 量 ；（）压实后由地表耦合引起连续 炮 频 谱 ；（）雅 丹 地 貌 区典 型 单 炮 记 录 ；（）由震源自身引起连续 炮 能 量 ；（）由震源自身引起连续 炮 频 谱图 不同地表典型单炮原始记录 （）山 前 砾 石 区 ；（）雅 丹 地 貌 区第 卷 第 期刘 斌 等 ：可控震源谐波影响因素分析及对策 图 不同地表单炮记录谐波干扰能量分析 （）山前砾石区谐波相位畸变分析 ；（）雅丹地貌区谐波相位畸变分析 ；（）山前砾石区和雅丹地貌区谐波能量定量分析 为 了 量 化 分 析谐波随地 表硬度的变化趋势 ，从而 确 定 不 同 地 表 中 震 源 耦 合 效 果 。首先对工区不同 地 表 表 层 组 成 成 分和硬 度大小进 行分类量化统计 。 硬 盐 碱 壳 区 主 要 由 结 晶 盐 与 沙 土 凝 结 而 成 ，地 表 非 常 坚 硬 锋 利 ；山 前 砾 石 区 砾 石 含 量 高 ，地 表 硬 度 较 大 ；戈壁砾 石区主要由砾 石和细沙交杂在一起 ，并 含少 量 黄 土 ，北 部 砾石区砾石颗粒较大 ，相 对 较 坚 硬 ，南 部砾石区砾石颗粒较小 ，相 对 较 松 软 ；雅 丹 地 貌 区 由 于 受 风 沙 沉 积 的 影 响 ，以 黄 土 为 主 ，夹 有 少 量 细 沙 ，硬 度 较 小 ；半沙漠区由沙土 堆 积 而成 ，地 表 疏 松 。以 坚 硬 砾 石 硬 度 为 作 为 标 准 ，工区具体地表类 型 、组成成分及硬度统计 见 表 。表 典 型 地 表 类 型 、成分和硬度参数表 地 表 类 型组 成 成 分相 对 硬 度硬 度 描 述硬 盐 碱 壳 区山 前 砾 石 区北部戈壁砾石区 中部戈壁砾石区 雅 丹 地 貌 区半 沙 漠 区结 晶 盐 为 ，沙 土 为 ，其 他 为 砾 石 为 ，细 沙 为 ，黄 土 为 ，其 他 为 砾石为 ，细 沙 为 ，黄 土 为 ，其 他 为 砾石为 ，细 沙 为 ，黄 土 为 ，其 他 为 黄 土 为 ，细 沙 为 ，其 他 为 黄 土 为 ，细 沙 为 ，其 他 为 大较 大 一 般一 般较 小 较 小图 为 对 不 同 硬 度 地 表 谐 波干扰能量量化分 析 ，从 图 中 可 以 看 出 ：该 区 地 表 随 着 硬 度 的 增 加 ，谐 波 能 量 呈 现 逐 步 增 加 的 趋 势 ，在 地 表 硬 度 为 时 谐 波 能 量 的 增 幅 平 缓 ；在 地 表 硬 度 为 时 谐 波 能 量 的 增 幅 剧 烈 ，但 在 硬 度 之后增幅相对有所 减 小 。大 量 数 据 统 计 分 析 表 明 ：地 表 过 软 ，峰 值 相 位 突 变 ，相 位 畸 变 严 重 ；地 表 过 硬 ，振 幅 畸 变 严 重 ，谐 波 能 量 较 强 。综 合 考 虑 ，在“半 刚 度”地 表 ，即 地 表 硬 度 在左 右 激 发 ，振 动 信 号 畸 变 较 小 ，相 位 误 差 不 大 ，震 源 底 板 与 地 表 耦 合 效 果 较 好 ，相关信号质量较高 。图 谐波能量随硬度变化趋势图 针对地表耦合谐波 干 扰压 制技术分析 考 虑 地 表 耦 合 对 可 控 震 源 谐 波 能 量 的 影 响 ，在石 油 地 球 物 理 勘 探 年实 际 工 作 中 宜 采 取 以 下 措 施 ：（）优 选 点 位 ：在满足采 集和处理的要求下 ，现 场 详 细 踏 勘 ，灵 活 变 观 ，优选 震 源耦合条件较好的路 线 和 点 位 ；（）增 加 一 次 空 振 ：在地 表 过软区采用增加一次 空 振 的 扫 描 方 式 ，即第一 次扫描不予记录 ，待 地 表 压实 后 进 行 常 规 扫 描 ；（）选 择“半 刚 度”区 域 激 发 ：应有针对性地优选 或 改 善 地 表 ，使 地 表 硬 度 接 近 ，最 大 限 度 减 小 谐振 ，提 高 震 源 底 板 与 地 表 耦 合 效 果 ；（）优 选 相 位 控 制 增 益 ：结 合 地 质 任 务 ，在 坚 硬 地 表 区 ，相 位 控 制 增 益 设 置 要 低 一 些 ，在 疏 松 地 表区 ，相 位 控 制 增 益 设 置 要 高 一 些 ；（）改 善 地 表 ：采用 推土机推 路做好清障工作 ，平 整 地 表 ，微 调 震 源 方 位 ，甚 至 每台震源配备专用设 备 ，改 善 地 表 平 坦 度 和 软 硬 度 ，提高耦合效果和单炮 品 质 一 致 性 ；（）研 制 新 型 平 板 ：研制 针 对戈壁砾石等坚硬地 表 的 新 型 震 源 平 板 ，比 如 底 板 带 有 锯 齿 、细 刺 、甚 至带 有 局 部 碎 石 、平整 功能的震源平板 ，以 改 善 耦 合 效 果 。可控震源施工参数对谐波的影响 在 可 控 震 源 施 工 中 ，不 同 的 地 质 条 件 需 要 设 置不 同 的 激 发 参 数 ，选取合适的激发参数既可以最大 限 度 地 减 小 谐 波 干 扰 ，又 可以有针对性地提高地震 资 料 信 噪 比 和 分 辨 率。 谐波对资料的影响主 要 包 括 两 个 方 面 ：谐 波 出 现 时 间 和 谐 波 的 能 量 ，谐 波 出 现 时 间 越 早 ，对 资 料 影 响 范 围 越 大 ；谐 波 能 量 越 强 ，对资料影响程度越严 重 。通 过 对 震 动 台 数 、振 动 次 数 、扫 描 长 度 、驱 动 幅 度 以 及 扫 描 宽 度 等 关 键 施 工 参 数 对 资 料 影 响 进行定性和定量分析 ，量 化 研 究 不 同 因 素 造 成 谐 振 以及目标层变化规律 ，实 现 激 发 能 量 最 大 化 ，谐 振 能 量 最 小 化 。影响可控震源谐波 出 现时 间的施工参数 （）扫 描 长 度 。 图 为扫描长度与谐波出现时 间 的 关 系 图 。从 图 中 可 见 ，扫描长度对谐波出现时 间 影 响 较 大 ，扫 描 时 间 越 长 ，谐 波 下 移 ，出 现 时 间 越 晚 ，对资料影响范围越小 。（）扫 描 起 始 频 率 。图 为 扫 描 起 始 频 率 与 谐 波 出现时间的关系图 。从 图 中 可 见 ，起 始 频 率 越 低 ，图 扫描长度与谐波出现时间的关系图 （）；（）；（）图 扫描起始频率与谐波出现时间的关系图 （）；（）；（）第 卷 第 期刘 斌 等 ：可控震源谐波影响因素分析及对策 谐 波 出 现 时 间 越 早 ，对 资 料 影 响 范 围 越 大 。 但 是 增加 低 频 成 分 ，有 利 于 提 高 资 料 品 质 ，尤 其 是 深 层 资 料 ，因 此 ，在设计 起 始频率时 应 结合地质任务和目标 层 特 点 综 合 考 虑 。（）频 带 宽 度 。图 为 扫 描 频 带 宽 度 与 谐 波 出现 时 间 的 关 系 图 。从 图 中 可 见 ，扫 描 频 带 越 宽 ，谐 波 出 现 时 间 越 早 ，对 资 料 影 响 范 围 越 大 。 但 是 增 加 扫 描 频 带 的 宽 度 ，有 利 于 提 高 资 料 的 分 辨 率 。图 扫描频带宽度与谐波出现时间的关系图 （）；（）；（）影响 可控震源谐波 能量的施工参数 可 控 震 源 谐 波 能 量 与 施 工 参 数 的 关 系 可 以 表幅 度等因素的增加而增加 。因 此 在 相 关 记 录 上 谐 波的 相 对 强 度 （谐 波 能 量与相关峰值的比 ）随 震 动 台 数 、振 动 次 数 、驱 动幅度的增加而增加 ，随 绝 对 频 宽 的 增 加 而 减 少 ；考 虑到式中谐波随扫描长度增加而 呈 抛 物 线 降 低 ，而 震源激发能量随扫描长度增加近 似 呈线性关系增加 ，综 合 分 析 表 明 ，谐 波 能 量 随 扫 描 长 度增加呈现缓慢增长的趋势 。图 为不同的震源 因 素与 谐波能量的关系 图 。从 实际资料分析也可以看出 ，随 震 源 台 数 、振 动 次 数 以 及 驱 动 幅 度 的 增 加 ，谐 波能量的增幅明显大于有 效 能 量 的 增 速 （图 、图 、图 ）；随 扫 描 长 度 的 增 加 ，谐 波 的 增 速 与 能 量 的 增 速 基 本 相 当 （图 ）。随 扫 描 频 宽 的 增 加 ，谐 波 能 量 的 降 速 大 于 能 量 的 降 速 （图 ）。示 为 （）（） 槡（）其 中 ：为 相 关 记 录 中 次 谐 波 峰 值 振 幅 平 均 值 ；（）为 扫 描 信 号 自 相 关 时 刻 的 振 幅 值 ； 为 谐 波 能 量 ； 为 可 控 震 源 激 发 能 量 ； 为 扫 描 长 度 ； 为 扫 描 频 带 宽 度 。从 式（）中 可 以 看 出 ，谐 振 的大小主要与可控震 源 激 发 能 量、扫 描 长 度 以 及 扫 描 频 宽 有 关 。随 激 发 能 量 的 增 大 ，谐 振 能 量 增 强 ；随扫描时间和扫 描 频 宽 的 增 加 ，谐振能量 呈抛物线形式降低 ，而 震 源 的 激 发 能 量 随 震 动 台 数 、振 动 次 数 、扫描长度和驱动 图 不同的震源因素与谐波能量的关系图 （）驱动幅度对能量 （红 ）与 谐 波 （褐 ）的 影 响 ；（）震源台数对能量 （黄 ）与 谐 波 （绿 ）的 关 系 ；（）振动次数对能量 （黄 ）与 谐 波 （绿 ）的 影 响 ；（）扫描长度对能量 （黄 ）与 谐 波 （绿 ）的 关 系 ；（）扫描频宽对能量 （黄 ）与 谐 波 （绿 ）的 影 响石 油 地 球 物 理 勘 探 年从 谐 波 出 现 时 间 可 以 看 出 ，应 采 用 长 扫 描 、窄 频带 、高起始 频率的施工方 法来减少谐波的影响范围 ； 从 减 小 谐 波 能 量 的 角 度 看 ，应 采 用 少 台 数 、少 次 数 、 低 驱 动 、长 扫 描 、宽 频带等方法来降低谐波干扰强 度 。综 合 考 虑 ，为了最大 限度减少谐振影响 ，应 采 用“少 台 、少 次 、长 扫 描 、低 驱 动 ”等方 法来降低谐波干 扰 ，这 与 当 前 的 可控震源施工的趋势 “少 台 、少 次 、长 扫 描 ”相 符 ，而 频 带 宽 度 、起始频率等参数应综 合 考 虑 实 际 地 质 条 件 、地质任务以及目标层特点进 行 优 选 。，（）：魏 铁 可 控 震 源 噪 声 分 析 石油地球物理勘探 ，（增 刊 ）： ，（）： 等 可控震源信号的 非 线 性 失 真 和相 位畸变及其校正方法 国 外 油 气 勘 探 ，（）： ，（）：曹 务 祥 疏松地表对震源信号的影响与施工方 法 的 改进 石 油 物 探 ，（）： ，（）：田 新 琦 ，周 彤 ，王 志 明 等 滑动扫描可控震源 地 震 数 据谐 波 干 扰 的 消 除 方 法 石 油 物 探 ，（）： ， ， ，（）：丁 华 可 控 震源技术在地震地质条件复 杂 区 的 应 用 河 北 煤 碳 ，（）： ，（）：刘 益 成 可 控震源滑动扫描记录信 号分离原理分析 石油天然气学报 ，（）： ，（）：薛 海 飞 可 控震源地震勘探中的参数 选 择 物 探 与 化 探 ，