RU2818018C1 - Vibration seismic survey method - Google Patents

Abstract

FIELD: geophysics.

SUBSTANCE: disclosed is a vibration seismic survey method, which includes exciting continuous seismic vibrations using a reference sweep signal generated by a vibration source, recording of vibrations by seismic receivers and cross-correlation or deconvolution of recorded records using a reference signal. Method is characterized by the fact that the desired pulse shape signal is converted into an equivalent base sweep signal, into the phase spectrum of which delays corresponding to the inverse filter of the subsurface are introduced. It is proposed to use a pre-created pulse signal of one form or another for solving various tasks, for example, compensation of amplitude-phase transmission losses, suppression of multiple waves, stimulation of oil recovery from geological formation and many others. Such a pulse signal cannot be directly emitted into the geological medium by existing pulse sources of excitation, such as an explosion in a well, a falling weight or a pneumatic source, due to their limited controllability. In the method, a given pulse signal is converted into an equivalent vibration signal (sweep), which is emitted into the geological environment and the recorded response is correlated while maintaining phase characteristics of the emitted signal. Thus, full controllability of the seismic source is achieved provided that it is vibratory. Method does not impose restrictions on the characteristics of the converted pulse signal and is universal. Method employs a carrying standard sweep signal with a linear or other sweep. Changes corresponding to spectral characteristics of the converted pulse signal are introduced into this sweep by an iterative algorithm. In order to preserve phase characteristics of the propagating signal, its correlation is carried out with a sweep on the recorder, into which phase delays contained in the initial pulse are not introduced.

EFFECT: high resolution of the method regardless of the shape of the desired signal.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к геофизическим методам исследования геологической среды и предназначено для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, а также для инженерно-геофизических исследований в условиях суши и акваторий.The invention relates to geophysical methods for studying the geological environment and is intended for searching and exploration of mineral deposits, as well as for engineering geophysical research in land and water areas.

Сейсмические колебания, генерируемые виброисточником, опираются на желаемые параметры сигнала, обеспечивающие временную и амплитудную разрешенность сейсмической записи. Такой сигнал, обеспечивающий оптимальные условия возбуждения колебаний, называют желаемым сигналом. К сожалению, при импульсном возбуждении сейсмических колебаний во взрывной и невзрывной сейсморазведке возможности управления формой и спектром сигнала весьма ограничены. Непрерывное возбуждение сигнала в вибросейсморазведке позволяет более обоснованно управлять фазовыми и частотными характеристиками сигнала, добиваясь большего приближения к желаемому сигналу. При этом в качестве прототипа формируемого в вибросейсморазведке свип-сигнала разумно брать импульсный сигнал к которому приходят в результате обработки вибросейсмических записей, применяя корреляционную обработку или деконволюцию, опирающиеся на использование свипа в качестве опорного сигнала.Seismic vibrations generated by a vibration source are based on the desired signal parameters, providing time and amplitude resolution of the seismic record. Such a signal, which provides optimal conditions for excitation of oscillations, is called the desired signal. Unfortunately, with pulsed excitation of seismic vibrations in explosive and non-explosive seismic exploration, the ability to control the shape and spectrum of the signal is very limited. Continuous excitation of the signal in vibroseismic exploration allows for more reasonable control of the phase and frequency characteristics of the signal, achieving greater approximation to the desired signal. At the same time, as a prototype of the sweep signal generated in vibroseismic exploration, it is reasonable to take the pulse signal that is obtained as a result of processing vibroseismic records, using correlation processing or deconvolution, based on the use of the sweep as a reference signal.

Аналогом предлагаемого изобретения является импульсная сейсморазведка, в которой известны критерии выбора желаемой формы импульса (Хаттон Л., Уэрдингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных. Теория и практика/М.: Мир, 1989. - 216 с.).An analogue of the proposed invention is pulse seismic exploration, in which the criteria for selecting the desired pulse shape are known (Hatton L., Werdington M., Meikin J. Processing of seismic data. Theory and practice / M.: Mir, 1989. - 216 pp.).

В импульсной сейсморазведке наибольшее применение получили нуль-фазовые и минимально-фазовые импульсы.In pulse seismic exploration, zero-phase and minimum-phase pulses are most widely used.

Интерпретация по «нуль-фазовым разрезам» имеет следующие преимущества: нуль-фазовый импульс, имея более узкий главный максимум, чем минимально-фазовый с тем же амплитудным спектром, позволяет достичь более высокой амплитудной разрешенности; временная привязка отражающей границы соответствует пику или впадине, а не менее помехоустойчивому переходу через нуль; полярность нуль-фазового импульса легко определяется, так как его энергия концентрируется в области центрального пика.The interpretation based on “zero-phase cuts” has the following advantages: a zero-phase pulse, having a narrower main maximum than a minimum-phase pulse with the same amplitude spectrum, allows one to achieve a higher amplitude resolution; the timing of the reflective boundary corresponds to a peak or valley, and not to a less noise-resistant zero crossing; The polarity of the zero-phase pulse is easily determined, since its energy is concentrated in the region of the central peak.

«Минимально-фазовые разрезы» обладают следующими особенностями: в простой горизонтально-слоистой среде, имеющей минимально-фазовую импульсную характеристику, возбуждаемый минимально-фазовый импульс потребует лишь небольших фазовых изменений; при построении оператора формирующего фильтра с помощью минимально-фазовой предсказывающей деконволюции исходный импульс предполагается также минимально-фазовым.“Minimum-phase cuts” have the following features: in a simple horizontally layered medium having a minimum-phase impulse response, the excited minimum-phase pulse will require only small phase changes; When constructing a shaping filter operator using minimum-phase predictive deconvolution, the original pulse is also assumed to be minimum-phase.

В условиях тонкослоистой среды на этапе обработки данных стремятся приблизить желаемый сигнал к нуль-фазовому, причем желательно с широким частотным диапазоном и пологими склонами спектра.In conditions of a thin-layered medium, at the data processing stage, they strive to bring the desired signal closer to zero-phase, preferably with a wide frequency range and gentle slopes of the spectrum.

Существенным недостатком импульсной сейсморазведки является неопределенность формы результирующего импульса, причем давно осознана важность этого фактора для интерпретации.A significant disadvantage of pulse seismic exploration is the uncertainty of the shape of the resulting pulse, and the importance of this factor for interpretation has long been recognized.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ вибрационной сейсморазведки, включающий возбуждение непрерывных сейсмических колебаний при помощи опорного свип-сигнала, генерируемого виброисточником, регистрацию колебаний сейсмоприемниками и взаимную корреляцию или деконволюцию зарегистрированных записей с использованием опорного сигнала. В этом способе опорный сигнал преобразуют в минимально-фазовый сигнал, который используют в качестве свип-сигнала, при помощи которого возбуждают колебания, а после их регистрации полученные записи пропускают через винеровский фильтр (Коротков И.П., Жуков А.П., Шехтман Г.А. Способ вибрационной сейсморазведки// Патент РФ №2650718, опубл. 17.04.2018, Бюл. №11).The closest technical solution to the proposed invention (prototype) is a method of vibration seismic exploration, including the excitation of continuous seismic oscillations using a reference sweep signal generated by a vibration source, registration of oscillations by seismic receivers and cross-correlation or deconvolution of recorded records using a reference signal. In this method, the reference signal is converted into a minimum phase signal, which is used as a sweep signal, with the help of which oscillations are excited, and after recording them, the resulting records are passed through a Wiener filter (I.P. Korotkov, A.P. Zhukov, Shekhtman G.A. Method of vibration seismic exploration // RF Patent No. 2650718, published 04/17/2018, Bull.

Основной недостаток известного способа - ограниченность в нем формы желаемого сигнала преобразованием лишь в минимально-фазовый сигнал, который, как отмечено выше, далеко не всегда является сигналом оптимальным для разных геологических сред.The main disadvantage of the known method is that it limits the shape of the desired signal to transformation only into a minimum-phase signal, which, as noted above, is not always an optimal signal for different geological environments.

Цель предлагаемого способа - расширение его функциональных возможностей путем использования сигнала любой формы в качестве желаемого.The purpose of the proposed method is to expand its functionality by using a signal of any shape as the desired one.

Поставленная цель достигается тем, что в способе вибрационной сейсморазведки, включающем возбуждение непрерывных сейсмических колебаний при помощи опорного свип-сигнала, генерируемого виброисточником, регистрацию колебаний сейсмоприемниками и взаимную корреляцию или деконволюцию зарегистрированных записей с использованием опорного сигнала, желаемый сигнал импульсной формы преобразуют в эквивалентный ему базовый свип-сигнал, в фазовый спектр которого вводят задержки, соответствующие обратному фильтру геологической среды.This goal is achieved by the fact that in the method of vibration seismic exploration, including the excitation of continuous seismic oscillations using a reference sweep signal generated by a vibration source, registration of oscillations by seismic receivers and cross-correlation or deconvolution of the recorded records using the reference signal, the desired pulse-shaped signal is converted into an equivalent base signal a sweep signal, in the phase spectrum of which delays are introduced corresponding to the inverse filter of the geological medium.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ характеризуется следующими существенными отличиями:Compared to the prototype, the proposed method is characterized by the following significant differences:

• в формируемый свип-сигнал могут вноситься не только минимально-фазовые, но и любые другие временные задержки, соответствующие фазовому спектру преобразуемого импульса;• not only minimum phase delays, but also any other time delays corresponding to the phase spectrum of the converted pulse can be introduced into the generated sweep signal;

• свип-сигнал формируют путем преобразования не только фазового, но и амплитудного спектра, в соответствии с амплитудно-фазовыми характеристиками желаемого импульса;• a sweep signal is formed by transforming not only the phase, but also the amplitude spectrum, in accordance with the amplitude-phase characteristics of the desired pulse;

• новый свип формируют не путем тривиального модифицирования фазы уже существующего свипа, а путем его расчета по специальному алгоритму, преобразующему любой желаемый импульс в эквивалентный ему свип, используя развертку стандартного линейного свипа как начальное приближение.• a new sweep is formed not by trivially modifying the phase of an existing sweep, but by calculating it using a special algorithm that converts any desired impulse into an equivalent sweep, using the sweep of a standard linear sweep as an initial approximation.

Таким образом, существенная новизна предлагаемого способа обусловлена тем, что, в отличие от всех аналогов и прототипа, в нем управляющий свип-сигнал формируют на основе импульсной характеристики желаемого вида, т.е. способ является универсальным. Тем самым, предлагаемый способ позволяет формировать и излучать в геологическую среду непрерывные заданные сигналы, которые не могут излучаться импульсными источниками возбуждения сейсмических колебаний из-за их ограниченной управляемости.Thus, the significant novelty of the proposed method is due to the fact that, unlike all analogues and the prototype, in it the control sweep signal is generated based on the impulse response of the desired type, i.e. the method is universal. Thus, the proposed method makes it possible to generate and emit continuous specified signals into the geological environment, which cannot be emitted by pulsed sources of excitation of seismic vibrations due to their limited controllability.

Экспериментальные результаты, подтверждающие осуществимость и преимущество предлагаемого изобретения, иллюстрируются фигурой, на которой показано сравнение сейсмических изображений газовой залежи, полученных с применением различных сигналов: импульс взрывного источника (слева), виброисточник с нелинейным свипом на основе коррекции только амплитудного спектра (посредине) и, в соответствии с предлагаемым способом, на основе предварительно рассчитанного сигнала обратного фильтра (справа).Experimental results confirming the feasibility and advantage of the proposed invention are illustrated by the figure, which shows a comparison of seismic images of a gas reservoir obtained using various signals: an explosive source pulse (left), a vibration source with a nonlinear sweep based on amplitude spectrum correction only (middle), and, according to the proposed method, based on the pre-calculated inverse filter signal (right).

Суть предлагаемого способа состоит в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

Предполагается, что имеется предварительно рассчитанная импульсная характеристика в виде обычного относительно короткого сигнала желаемой формы, который нужно излучить в геологическую среду для решения тех или иных практических задач. Данный сигнал по специальному алгоритму преобразуют в два эквивалентных ему свипа для возможности излучения первого свипа в геологическую среду виброисточником с последующей корреляцией отклика среды со вторым свипом. Различие между первым и вторым свипами состоит в том, что свип, предназначенный для излучения, является амплитудно-фазовым эквивалентом сигнала вместе с разверткой самого свипа, в то время как в другой свип, предназначенный для взаимной корреляции, не вносят фазовые задержки преобразуемого сигнала. В таком случае, функция взаимной корреляции двух таких свипов будет эквивалентна самому заданному сигналу, а предлагаемый способ явится универсальным способом излучения любого желаемого сигнала с помощью виброисточника. Способ осуществляют следующим образом:It is assumed that there is a pre-calculated impulse response in the form of a conventional relatively short signal of the desired shape, which needs to be emitted into the geological environment to solve certain practical problems. This signal is converted using a special algorithm into two equivalent sweeps to enable the first sweep to be emitted into the geological medium by a vibration source, followed by correlation of the medium’s response with the second sweep. The difference between the first and second sweeps is that the sweep intended for radiation is the amplitude-phase equivalent of the signal along with the sweep itself, while the other sweep, intended for cross-correlation, does not introduce phase delays of the converted signal. In this case, the cross-correlation function of two such sweeps will be equivalent to the given signal itself, and the proposed method will be a universal method of emitting any desired signal using a vibration source. The method is carried out as follows:

• Выбирают импульсный сигнал заданной формы и рассчитывают его амплитудный и фазовый спектры.• Select a pulse signal of a given shape and calculate its amplitude and phase spectra.

• Рассчитывают базовый свип с линейной разверткой и плоским амплитудным спектром.• Calculate a basic sweep with a linear sweep and a flat amplitude spectrum.

• Рассчитывают закон время-частота существующего базового свипа.• Calculate the time-frequency law of the existing base sweep.

• На основе амплитудного спектра импульса задают закон время-частота нового свипа.• Based on the amplitude spectrum of the pulse, the time-frequency law of the new sweep is set.

• Базовый свип разбивают на интервалы, в которые вносят разницу между двумя законами время-частота путем сжатия-растяжения интервалов (частотная модуляция).• The basic sweep is divided into intervals into which the difference between the two time-frequency laws is introduced by compressing and stretching the intervals (frequency modulation).

• Фазовые значения спектра импульса добавляют в соответствующие временные интервалы нового свипа.• The phase values of the pulse spectrum are added to the corresponding time intervals of the new sweep.

• Формируют два свипа - с добавлением фазовых значений импульса и без них.• Two sweeps are formed - with and without the addition of pulse phase values.

• Рассчитывают функцию взаимной корреляции двух свипов, и процесс итерируется до ее максимального совпадения с исходным сигналом.• The cross-correlation function of the two sweeps is calculated and the process is iterated until it matches the original signal as closely as possible.

Математическая формулировка алгоритма преобразования желаемого сигнала в свип-сигнал может быть представлена в следующем виде:The mathematical formulation of the algorithm for converting the desired signal into a sweep signal can be presented as follows:

Для расчета значения амплитуды свипа s для времени t в пределах каждого сегмента развертки свипа применяют формулуTo calculate the value of the sweep amplitude s for time t within each sweep sweep segment, use the formula

где a(t) - огибающая несущего линейного свипа, назначение которой - сохранение уровня усилия, заданного в несущем линейном свипе. ϕ₀ и ϕ(t) - начальное и текущее фазовые значения.where a(t) is the envelope of the carrier linear sweep, the purpose of which is to maintain the force level specified in the carrier linear sweep. ϕ ₀ and ϕ(t) - initial and current phase values.

Текущая фаза сегмента свипа определяется как функция:The current phase of the sweep segment is defined as a function:

где t - текущее время, ƒ₁ - начальная частота, ƒ₂ - конечная частота, где Т - длительность сегмента и Δϕ(t) - добавленная фазовая функция, взятая из преобразуемого в свип импульса. Значения частот на соответствующих им временах в пределах сегментов расчитываемого свипа выбирают из закона время-частота нового свипа. Цель добавленной фазы - компенсация фазовых изменений, вызванных распространением сигнала через среду. Так как добавленная фазовая составляющая Δϕ(t) должна компенсироваться при прохождении, то для более точной корреляции уже зарегистрированных сигналов с помощью стандартной корреляции нужно применять свип-сигнал, в котором Δϕ(t)=0. Таким образом, алгоритм рассчитывает два свип-сигнала, с добавлением фазы импульса сегмента Δϕ(t) и без нее. Свип-сигнал, с измененным по желаемому закону время - частота амплитудным спектром и добавленной фазой загружают в контроллер виброустановки (декодер) и излучают в геологическую среду. Свип-сигнал, содержащий изменения только в амплитудном спектре, загружают в контроллер регистратора (энкодер), он служит для взаимной корреляции с таким свипом зарегистрированных виброграмм с целью более точного выделения отраженных сейсмических сигналов.where t is the current time, ƒ ₁ - starting frequency, ƒ ₂ - ending frequency, where T is the duration of the segment and Δϕ(t) is the added phase function taken from the pulse converted into a sweep. The frequency values at their corresponding times within the segments of the calculated sweep are selected from the time-frequency law of the new sweep. The purpose of the added phase is to compensate for phase changes caused by signal propagation through the medium. Since the added phase component Δϕ(t) must be compensated during passage, for a more accurate correlation of already recorded signals using standard correlation, it is necessary to use a sweep signal in which Δϕ(t)=0. Thus, the algorithm calculates two sweep signals, with and without the addition of the segment pulse phase Δϕ(t). A sweep signal, with the amplitude spectrum changed according to the desired time-frequency law and the added phase, is loaded into the vibration installation controller (decoder) and emitted into the geological environment. A sweep signal containing changes only in the amplitude spectrum is loaded into the recorder controller (encoder); it serves for cross-correlation with such a sweep of recorded vibrograms in order to more accurately isolate reflected seismic signals.

В соответствии с предлагаемым способом, желаемый сигнал в виде обратного фильтра геологической среды преобразуют в два свипа. Свип с добавлением фазы обратного фильтра загружают в контроллер вибратора, физически излучают в геологическую среду и регистрируют в виде виброграммы. Поскольку введенные обратные фазовые задержки компренсируются во время прохождения через геологическую среду, зарегистрированная виброграмма коррелируется со свипом без введения фазовых задержек, что обеспечивает более точную корреляцию для получения итоговых коррелограмм.In accordance with the proposed method, the desired signal in the form of an inverse filter of the geological environment is converted into two sweeps. A sweep with the addition of a reverse filter phase is loaded into the vibrator controller, physically emitted into the geological environment and recorded as a vibrogram. Since the introduced reverse phase delays are compensated during passage through the geological medium, the recorded vibrogram is correlated with the sweep without introducing phase delays, which provides a more accurate correlation to obtain the final correlograms.

Внедрение предлагаемого изобретения в практику вибрационной сейсморазведки не требует создания новых технических средств и может быть начато уже в настоящее время. Его использование позволит более обоснованно управлять возбуждаемым сигналом, добиваясь тем самым повышения достоверности изучения продуктивных отложений. Технический результат - повышение качества данных вибрационной сейсморазведки.The implementation of the proposed invention in the practice of vibration seismic exploration does not require the creation of new technical means and can be started already at the present time. Its use will make it possible to more reasonably control the excited signal, thereby increasing the reliability of the study of productive deposits. The technical result is improving the quality of vibration seismic data.

Результаты проведенных опытных работ, представленные на рисунке, убедительно показывают преимущества предлагаемого способа формирования сигнала, как обратного фильтра (фигура, справа), над импульсным источником (фигура, слева) и частично управляемым вибросигналом (фигура, посередине).The results of the experimental work, presented in the figure, convincingly show the advantages of the proposed method of signal generation as an inverse filter (figure, on the right), over a pulse source (figure, on the left) and a partially controlled vibration signal (figure, in the middle).

Предлагаемый способ, детально рассмотренный в приложении к наземной сейсморазведке, без существенного изменения его сущности может вполне применяться при проведении морских и скважинных сейсмических исследований, которые в значительных объемах проводят с использованием виброисточников.The proposed method, discussed in detail in the application to land seismic exploration, without significantly changing its essence, can be fully applied when conducting offshore and borehole seismic surveys, which are carried out in significant volumes using vibration sources.

В методе вертикального сейсмического профилирования (ВСП) предлагаемый способ можно использовать в самых различных современных модификациях метода (Шехтман Г.А. Вертикальное сейсмическое профилирование. - М.: ООО «ЕАГЕ Геомодель», 2017. - 284 с).In the vertical seismic profiling (VSP) method, the proposed method can be used in a variety of modern modifications of the method (Shekhtman G.A. Vertical seismic profiling. - M.: EAGE Geomodel LLC, 2017. - 284 p.).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Короткое И.П., Жуков А.П., Шехтман Г.А. Способ вибрационной сейсморазведки// Патент РФ №2650718, опубл. 17.04.2018, Бюл. №111. Korotkoe I.P., Zhukov A.P., Shekhtman G.A. Method of vibration seismic exploration // RF Patent No. 2650718, publ. 04/17/2018, Bulletin. No. 11

2. Хаттон Л., Уэрдингтон М., Мейкин Дж. Обработка сейсмических данных. Теория и практика/М.: Мир, 1989. - 216 с.2. Hutton L., Wordington M., Meikin J. Seismic data processing. Theory and practice / M.: Mir, 1989. - 216 p.

3. Шехтман Г.А. Вертикальное сейсмическое профилирование. - М.: ООО «ЕАГЕ Геомодель», 2017.-284 с.3. Shekhtman G.A. Vertical seismic profiling. - M.: EAGE Geomodel LLC, 2017.-284 p.

Claims (1)

Способ вибрационной сейсморазведки, включающий возбуждение непрерывных сейсмических колебаний при помощи опорного свип-сигнала, генерируемого виброисточником, регистрацию колебаний сейсмоприемниками и взаимную корреляцию или деконволюцию зарегистрированных записей с использованием опорного сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения его функциональных возможностей путем использования сигнала любой формы, желаемый сигнал импульсной формы преобразуют в эквивалентный ему базовый свип-сигнал, в фазовый спектр которого вводят задержки, соответствующие обратному фильтру геологической среды.A method of vibration seismic exploration, including the excitation of continuous seismic vibrations using a reference sweep signal generated by a vibration source, registration of vibrations by seismic receivers and cross-correlation or deconvolution of recorded records using a reference signal, characterized in that, in order to expand its functionality by using a signal of any shape , the desired pulse signal is converted into an equivalent basic sweep signal, into the phase spectrum of which delays are introduced corresponding to the inverse filter of the geological medium.