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CN110579791B - 一种通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法 - Google Patents

一种通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法，属于气枪震源优化和设计领域。本发明研究了气枪空间分布对鬼波及干涉陷波的影响规律，在此基础上提出了沿测线方向气枪分布集中度的评价标准，通过对水平和深度方向的联合优化得到了有效频带带宽和有效入射角度明显优于常规水平震源的设计方案，可以减小空气枪震源子波方向性。

Description

一种通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的 方法
技术领域
本发明属于气枪震源设计及优化领域，具体设计一种通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法。
背景技术
在现代海洋地震勘探中，多容量气枪调谐组合震源已得到了广泛的应用。与单枪相比，组合阵列在气泡比和绝对能量(穿透能力)等方面具有显著的优势。然而，受震源鬼波及阵列空间排布影响，多枪组合模式得到的震源子波具有较强的方向性，即子波沿着入射角度呈现明显的差异性，这给后续处理带来了挑战，极大地降低了成像质量。用于消除震源子波方向性的常用方法是在Tau-p/F-K域中沿不同入射方向进行方向性震源信号反褶积，并已成功应用到3D和单炮数据的独立处理。然而，子波反褶积的性能很大程度上依赖于信噪比，在信噪比较低的频率区间，如在鬼波及干涉陷波附近，效果往往很差。随着高分辨率地震成像技术及高精度速度建模的发展，对于有效频带宽度和有效入射角度提出了更高要求。尤其是对于最近发展的震源位于拖缆上方的采集方法，如CGG公司的TopSeis采集技术(Vinje,V.,Lie,J.E,Danielsen,V.,Dhelie,P.E.,Siliqi,R.,Nilsen,C.,Hicks,E.,andCamerer,A.2017.Shooting over the seismic spread.First Break,35(6),97-104.)，对震源信号在正负方向上的一致性有着明确要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提出了一种通过优化气枪空间分布减少空气枪震源子波方向性的方法。首先我们研究了气枪空间分布对鬼波及干涉陷波的影响规律，在此基础上提出了沿测线方向气枪分布集中度的评价标准。通过对水平和深度方向的联合优化得到了有效频带带宽和有效入射角度明显优于常规水平震源的设计方案。
本发明的技术方案如下：
一种通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法，包括如下步骤：
1)对于已经选定单枪容量的气枪组合震源，以相邻两气枪之间的距离和相邻两枪水平间距均需满足设定范围为约束条件，以分布集中度参数Fcon作为评价标准目标函数，
Figure BDA0002195937270000021
其中，xi为第i个气枪沿测线方向的位置，
Figure BDA0002195937270000022
表示所有气枪沿测线方向的平均位置；n表示气枪的总数；
在同一竖直平面内，通过改变各单枪的水平和深度位置得到分布集中度参数Fcon最大的水平-深度组合的组合震源作为优化震源；
2)对于优化震源中不同深度的气枪，采用首波同步化的激发模式，即通过预先设置激发时间保证所有气枪激发得到的首波脉冲在垂直方向上同相叠加；即可减小空气枪震源子波方向性。
作为本发明的优选方案，所述的相邻两气枪之间的距离需要控制在3-5m，避免气枪波场之间的强烈干涉，同时降低气枪碰撞的风险。
作为本发明的优选方案，所述的相邻两气枪之间水平间距控制在1-3m，保证链条可垂直挂载。
作为本发明的优选方案，在步骤1)中，当待优化的气枪组合震源为已经选定单枪容量和两枪间距的水平震源时，采用固定两枪间距的方法，在同一竖直平面内，改变各单枪的水平和深度位置，并得到分布集中度参数Fcon最大的水平-深度组合的组合震源作为优化震源。
本发明的集中度参数指导震源设计的优化从而减弱气枪震源子波方向性具有合理性。优化以后的气枪组合震源能量分布更加均匀，鬼波陷波以及干涉陷波都得到了有效补偿。优化后震源可以实现在高达250Hz频率时有效入射角度依然可以保证有±30°，这对于宽入射角采集，如海底地震仪以及CGG公司的TopSeis技术具有重要意义。
附图说明
图1为首个非零鬼波陷波及干涉陷波影响因素关系曲线。(a)鬼波陷波随深度的变化规律；(b)干涉陷波随间距的变化规律；(c)干涉陷波随气枪数量的变化规律。
图2为Fcon结果(左)与不同排布模式下有效入射角度结果(右)。当有效入射角度为90°时，意味着干涉陷波尚未影响到150Hz。
图3为不同气枪间距组合震源的方向性分析结果。(a)气枪的不同组合模式；(b)不同模式计算的Fcon值；(c)150Hz频率不同组合模式下频谱曲线。
图4为倾斜两枪组合模式。(a)两枪间距l不变；(b)两枪水平间距Δx不变。
图5为对应于图6中两种震源设计结果的第一阶陷波曲线。(a)气枪间距10m保持不变；(b)气枪水平间距保持10m不变。
图6为常规及优化后震源组合对比。(a)常规水平震源；(b)水平-深度优化组合震源。
图7为图6a中的水平震源组合模式的能量分布结果。
图8为图6b中的水平-深度优化组合震源模式的能量分布结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步的说明。
气枪震源的远场子波可以看作是假想震源子波及假想鬼波震源子波在远场位置的线性叠加。假设震源由n个气枪组成，其远场子波可以表示为：
Figure BDA0002195937270000031
其中，ni表示第i个气枪的假想震源子波。ri和ri′分别代表假想震源及假想鬼波震源与远场位置之间的距离，R为海面反射系数，通常为-1。tdelay为气枪的延迟激发时间，在多深度同步激发模式中通常采用。tfar是子波由气枪传播到远场所需时间，Δti(α)为假想鬼波震源子波相对于假想震源子波的时间滞后，通常可表示为Δti(α)＝2hicos(α)/c，其中c为声波在水中速度，α为入射角度。
对公式1做傅里叶变换，可得到远场子波的频谱表达式：
Figure BDA0002195937270000032
其中，Ni(w)表示第i个气枪假想震源子波的傅里叶变换结果。
通过推导，我们得到了对于一个常规的由多个单枪组成的水平震源，其频率域首个非零鬼波陷波和第一个干涉陷波的表达式如下：
Figure BDA0002195937270000041
其中，n表示气枪个数，x表示两枪之间的距离。公式3的前半部分表示海面反射界面引入的鬼波陷波，后半部分表示枪阵空间排布造成的干涉陷波。
从公式3可以看出，鬼波陷波受气枪深度控制，通常而言，首个非零陷波位置决定了震源子波的有效频带宽度，且深度越大，陷波频率越小，如图1a所示。气枪的数量及间距则决定了干涉陷波的频率位置。与鬼波陷波不同，干涉陷波主要影响大入射角度范围，随着频率的升高，陷波出现的角度逐渐减小，如图1b、1c所示。气枪数量越少，间距越小，则有效入射角度越大。
干涉陷波则主要由枪阵的空间排布控制，如气枪数量和气枪间距等。为了定量描述气枪的空间排布与震源子波有效入射角度之间的关系，我们提出了采用沿测线方向气枪分布集中度参数Fcon作为评价标准用于指导气枪阵列的优化设计：
Figure BDA0002195937270000042
其中xi为第i个气枪沿测线方向的位置，
Figure BDA0002195937270000043
表示所有气枪沿测线方向的平均位置。
图2展示了不同排布模式下，Fcon与有效入射角度(以150Hz为例)之间的关系，与图1所得到的结论类似，气枪数量越少以及气枪间距越小都可以得到更宽的有效入射角度。同时，通过对比图2左右两图，可以发现有效入射角度与集中度参数Fcon具有强烈的正相关性，这也证明了利用集中度参数指导震源设计的优化从而减弱气枪震源子波方向性的合理性。
对于常规的水平震源，我们可以通过调整气枪之间的间距来提高集中度参数，进而拓宽震源信号的有效入射角度。图3a展示了保持气枪阵列长度不变的前提下，改变枪阵中单枪位置的可能组合，集中度参数的计算结果如何3b所示，图中的三个颜色点分别对应Fcon最大、最小和平均值(气枪位置没有改变)的震源组合。图3c则直观地展示了150Hz对应于不同组合的频谱响应，可以看出改变气枪的相对位置可以相应改变子波频率的有效频带宽度，且随着Fcon呈现正相关性，即最大Fcon对应着最宽有效入射角度，反之亦然。这也再次证明了以Fcon作为震源组合方向性评价标准的合理性。
常规震源受限于气枪波场干涉以及潜在的碰撞危险，气枪之间的距离不能距离太近，这也就限制了进一步改善气枪方向性的空间，另一方面，我们也发现水平方向的组合的优化并不能够改变鬼波陷波的位置。鬼波陷波的消除，多采用多深度同步激发模式利用陷波随深度变化的多样性来实现。为此，我们提出了利用水平-深度的组合优化来实现鬼波陷波和干涉陷波同步补偿从而减小气枪震源方向性的思路。图4展示了两种可以调整气枪深度的组合模式，即保持气枪间距不变和保持气枪水平间距不变。
对于不同深度的气枪，我们采用了首波同步化的激发模式(Siliqi R.,Payen T.,Sablon R.,and Desrues K.2013.Synchronized multi-level source,a robustbroadband marine solution.83rd Annual International Meeting,SEG,ExpandedAbstracts,56-60.)，即通过预先设置激发时间保证所有气枪激发得到的首波脉冲在垂直方向上(α＝0°)同相叠加。此时相干陷波可表示为：
Figure BDA0002195937270000051
其中β为图4中所示的倾斜角度。
图5展示了倾斜震源两种不同组合模式的干涉陷波曲线。从图中可以看出当固定两枪间距时(图5a)，改变气枪深度可以将子波有效角度向正负两个方向同时拓宽。在当气枪垂直放置时(Δh＝10)，此时气枪集中度最高，相应地震源子波方向性也最小，在150Hz处，有效入射角度接近±60°，远远优于常规水平震源的±30°。而当固定两枪的水平间距时(图5b)，改变气枪深度并不会明显提高Fcon，相应地，此时子波有效入射角度向气枪倾斜方向拓宽，但另一方面在负方向有效角度则逐渐变小导致整体的有效角度变化很小，尤其是对于高频区间，如200Hz以上部分。
如前所述，在实际施工过程中，相邻两气枪之间的距离往往需要控制在3-5m以避免气枪波场之间的强烈干涉，同时降低气枪碰撞的风险。为此，我们在设计过程中，保证相邻气枪间距在3-5m之间，同时保证相邻两枪水平间距在1-3m之间(保证链条可垂直挂载)的前提下，以气枪集中度Fcon为目标函数，以10cm为水平间距步长对多深度震源进行优化，得到了最终如图6b所示的最优化组合结果。想比较与图6a所示的常规水平震源，优化后的组合Fcon明显提高，由0.038提高到0.172。
图7和图8对比了图6中两种震源组合形式的能量分布结果。可以明显看出优化以后的深度组合震源能量分布更加均匀，鬼波陷波以及干涉陷波都得到了有效补偿。优化后震源可以实现在高达250Hz频率时有效入射角度依然可以保证有±30°，这对于宽入射角采集，如海底地震仪以及CGG公司的TopSeis技术具有重要意义。

Claims (4)

1.一种通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)对于已经选定单枪容量的气枪组合震源，以相邻两气枪之间的距离和相邻两气枪水平间距均需满足设定范围为约束条件，以分布集中度参数Fcon作为评价标准目标函数；
Figure FDA0002518615410000011
其中，xi为第i个气枪沿水平测线方向的位置，
Figure FDA0002518615410000012
表示所有气枪沿水平测线方向的平均位置；n表示气枪的总数；
在同一竖直平面内，通过改变各单枪的水平和深度位置得到分布集中度参数Fcon最大的水平-深度组合的组合震源作为优化震源；
2)对于优化震源中不同深度的气枪，采用首波同步化的激发模式，即通过预先设置激发时间保证所有气枪激发得到的首波脉冲在垂直方向上同相叠加；即可减小空气枪震源子波方向性。
2.根据权利要求1所述的通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法，其特征在于，所述的相邻两气枪之间的距离需要控制在3-5m。
3.根据权利要求1所述的通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法，其特征在于，所述的相邻两气枪之间水平间距控制在1-3m。
4.根据权利要求1所述的通过优化气枪空间分布减小空气枪震源子波方向性的方法，其特征在于，在步骤1)中，当待优化的气枪组合震源为已经选定单枪容量和两枪间距的水平震源时，采用固定相邻两枪间距的方法，在同一竖直平面内，改变各单枪的水平和深度位置，并得到分布集中度参数Fcon最大的水平-深度组合的组合震源作为优化震源。
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