用在海洋同步可控震源采集中提升低频分量的系统和方法

摘要

一种设计用于实施地震勘探的技术。该技术使用多个振动器阵列，用以使用每个振动器阵列中的低频和高频振动器来实施地震勘探。所述多个振动器阵列经由低频振动器连续扫描低频信号。在扫描低频信号的同时，高频振动器以振动器阵列之间的交替模式发射高频信号，以增强地震勘探。

权利要求

1.一种地震勘探的方法，包括：

拖曳一对海洋振动器阵列，以实施地震勘探；

为每个海洋振动器阵列提供用于发射15Hz或更小的低频信号的至少一个低频海洋振动器以及用于发射大于15Hz的高频信号的至少一个高频海洋振动器；

使用每个海洋振动器阵列的所述至少一个低频海洋振动器，以在给定持续时间的扫描期间同时并且同相发射所述低频信号；以及利用每个海洋振动器阵列的所述至少一个高频海洋振动器，以根据在所述海洋振动器阵列之间交替的抛起回落模式发射所述高频信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述利用包括在所述低频信号的交替的顺序扫描期间，从所述海洋振动器阵列的第一海洋振动器阵列发射所述高频信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述利用包括在所述低频信号的交替的顺序扫描期间，从所述海洋振动器阵列的第二海洋振动器阵列发射所述高频信号，同时不从所述第一海洋振动器阵列发射所述高频信号。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述拖曳包括在每秒2与3米之间拖曳所述一对海洋振动器阵列。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括在根据所述抛起回落模式顺序出现的每个抛起扫描与回落扫描之间提供10秒的持续时间。

6.如权利要求4所述的方法，进一步包括提供20米到30米的纵测线射出间隔。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述拖曳包括拖曳附加的海洋振动器阵列。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括针对所述一对海洋振动器阵列使用频率相关的射出间隔。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述拖曳包括使用多个拖曳船。

10.一种地震勘探系统，包括：

多个海洋振动器阵列，每个海洋振动器阵列具有用于发射15Hz或更小的低频信号的至少一个低频海洋振动器以及用于发射大于15Hz的高频信号的至少一个高频海洋振动器；以及耦接到所述多个海洋振动器阵列的电子器件，用于控制所述低频信号和高频信号的发射，包括相对于所述多个海洋振动器阵列在给定持续时间的扫描期间所述低频信号的同时并且同相的发射，并且进一步包括根据在所述多个海洋振动器阵列的海洋振动器阵列之间交替的抛起回落模式的所述高频信号的发射。

11.如权利要求10所述的地震勘探系统，进一步包括耦接到所述多个海洋振动器阵列的单个拖曳船。

12.如权利要求10所述的地震勘探系统，进一步包括耦接到所述多个海洋振动器阵列的多个拖曳船。

13.如权利要求10所述的地震勘探系统，其中，所述多个海洋振动器阵列包括两个海洋振动器阵列。

14.如权利要求10所述的地震勘探系统，进一步包括多个拖缆，所述多个拖缆包含地震检波器。

15.一种地震勘探的方法，包括：

提供多个振动器阵列，用以使用每个振动器阵列中的低频和高频振动来实施地震勘探；

以所述多个振动器阵列中的低频振动器连续扫描低频信号；以及利用所述多个振动器阵列中的高频振动器，以所述多个振动器阵列的振动器阵列之间的交替模式发射高频信号。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述提供包括提供两个振动器阵列。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述提供包括提供多个海洋振动器阵列；并且进一步包括拖曳所述多个海洋振动器阵列。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述连续扫描包括发射15Hz或更小的低频信号。

19.如权利要求15所述的方法，其中，所述利用包括发射大于15Hz的高频信号。

20.如权利要求15所述的方法，其中，所述利用包括以抛起回落模式发射所述高频信号，以避免所述高频信号的重叠。

21.一种地震勘探的方法，包括：

提供多个振动器阵列，用以使用每个振动器阵列中的低频和高频振动来实施地震勘探；

以所述多个振动器阵列中的低频振动器连续扫描低频信号；以及利用所述高频振动器，以从所述多个振动器阵列同时发射具有同相发射的15Hz或更小的低频和以频率、振动器及发射点相关的相位偏移发射的大于15Hz的高频的信号。

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述提供包括提供两个振动器阵列。

23.如权利要求21所述的方法，其中，所述提供包括提供多个海洋振动器阵列；并且进一步包括拖曳所述多个海洋振动器阵列。

24.如权利要求21所述的方法，其中，所述利用还包括通过使用频率相关的相位偏移来分离同时发射的高频，以处理数据。

说明书

用在海洋同步可控震源采集中提升低频分量的系统和方法

背景技术

[0001] 在各种的环境中，实施地震勘探(seismic survey)以更好地了解地下地质构造。例如在海洋环境中，地震勘探用于加深对位于水体以下的地质构造的了解。在地震勘探应用中，有时使用空气枪作为震源。空气枪是脉冲源，其使用受控量的高压气体突然排入水中。在其它应用中，海洋地震振动器用作连续的震源，其产生基本低于空气枪的峰值输出压力，因此预计该振动器对海洋哺乳动物和其它环境考虑因素有更小的影响。为了产生与空气枪所产生的可比较的能量，海洋振动器通常发射信号(扫描)持续长时间段；或者几个海洋振动器同时启动。

[0002] 在使用地震振动器的海洋拖曳应用中，最大扫描长度等于发射点间隔除以船速。然而，对于船速的减小存在操作和经济限制。在使用相同的船拖曳拖缆和海洋振动器(最常见的采集情形)的海洋采集中，操作限制是由于对使拖缆保持漂浮的最小船速的需要。经济限制是由于船速减小会增加采集时间并且因此增加采集成本的事实。

发明内容

[0003] 大体上，本公开提供了用于实施地震勘探的系统和方法。根据实施例，一种技术使用多个振动器阵列，用以使用每个振动器阵列中的低频和高频振动器实施地震勘探。所述多个振动器阵列经由低频振动器连续扫描低频信号。在扫描低频信号的同时，高频振动器以振动器阵列之间的交替方式发射高频信号，以增强地震勘探。

附图说明

[0004] 本公开的特定实施例在后文会结合附图被说明，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且：

[0005] 图1是根据本公开实施例的，在海洋测量区域中拖曳多个海洋振动器阵列的拖曳船的示意图；

[0006] 图2是根据本公开实施例的，拖曳船拖曳具有高频和低频振动器的震源阵列的示意说明；

[0007] 图3是根据本公开实施例的，来自多个地震振动器阵列的低频信号的扫描以及高频信号的交替输出的示意说明；

[0008] 图4是根据本公开实施例的，来自多个地震振动器阵列的低频信号的扫描以及高频信号的交替输出的另一个示意说明；

[0009] 图5是根据本公开实施例的，多个地震振动器阵列的数据处理的流程图；

[0010] 图6是根据本公开实施例的，来自多个地震振动器阵列的低频信号的扫描以及高频信号的交替输出的另一个示意说明；

[0011] 图7是根据本公开实施例的，多个地震振动器阵列的数据处理的流程图；

[0012] 图8是根据本公开实施例的，当振动器阵列中的单元同时发射高频和低频时所发射的信号的时频表示的图形说明；

[0013] 图9是根据本公开实施例的，当仅发射低频时振动器阵列签名的时频表示的图形说明；

[0014] 图10是根据本公开实施例的，扫描相位的图形说明；以及

[0015] 图11是根据本公开实施例的，多个拖曳船用于拖曳多个地震振动器阵列的另一个示例的示意图。

具体实施方式

[0016] 在以下说明中，阐述了大量细节以对在此的各个实施例提供了解。然而，本领域普通技术人员应理解，在无需这些细节的情况下也可以实施本发明，并且所描述的实施例的多个变型或修改是可能的。

[0017] 本公开总体涉及海洋可控震源采集以及提升低频分量。实施例可以提高使用地震振动器进行的地震勘探的质量。另外，该方法可以实现在海洋测量期间增加以低频发射的能量而无需故意降低船速，并且因此无需增加获取数据所需的时间。根据在此描述的实施例，通过连续扫描低频，在同一个区域中发射更多能量而无需增加源阵列的数量。

[0018] 为了增加海洋可控震源中发射的能量，特别是在海洋振动器往往是不足的较低频率下增加海洋可控震源中发射的能量，几个海洋振动器可以布置为从不同位置同时扫描。例如，在仿真有时在海洋空气枪采集中使用的抛起回落设置的设置中可以布置两个振动器阵列。例如，如果船速为2.5米/秒，并且构成抛起回落设置的每个源的纵测线(inline)射出间隔为25米，抛起扫描开始与回落扫描开始的时间间隔是10秒。然而，这通常大于传统的3-D采集的收听时间，因此在抛起和回落记录之间没有故意干扰出现，除了大地对回落源产生的谐波的响应。

[0019] 然而，为了产生每单位面积更多的能量，对于振动器阵列，例如，抛起回落振动器阵列，连续扫描是有用的。应注意，如果两个或更多的振动器阵列同时扫描，信号必须分开，而这是具有挑战性的处理任务。以下描述的独有的系统和方法提供了一种获得连续的、同时扫描的益处，同时减少信号处理的方案。

[0020] 本系统和方法基于多种考虑，其可以用于提供使用振动器阵列的增强的地震勘探。例如，由于海洋拖曳采集本身所固有的连续运动导致了两个或更多震源(即震源阵列)同时准备好并在其间具有预先定义距离，该方法在海洋地震勘探中非常有用。

[0021] 海洋振动器能够容易地发射低频地震带宽，例如，等于或低于15Hz，在此情况下环境和电子噪声通常强烈。因此，在这些低频下花费更长的时间和/或在同一个区域发射更多的扫描以产生更多的声能，以便在被声波接收器接收时存在足够的信噪比。该系统也可以被设计为射出间隔是频率相关的，因此以例如抛起回落设置定位的两个振动器可以被视为低频下的点源。通常，不需要分开由源产生的信号，这些源的间隔距离远小于它们发射的波长，因为它们有效地作为点源。

[0022] 另一个用于提供增强的地震勘探能力的考虑是，同时并且同相扫描是提高具有远小于信号水平波长的间隔距离的源的信噪比的有效方式。相位差产生失谐，并因此导致信噪比降低。各种实施例通过提供具有低频和高频振动器的振动器阵列得益于这些特性。应注意，在大地内部行进时，高频比低频更快衰减。因此，高频所需的收听时间低于低频的。进一步地，在海洋环境中操作的振动器单元产生的签名(包括谐波)是非常可重复的。

[0023] 尽管这些考虑可以用于构建各种系统，一般的方法基于来自两个或更多振动器阵列的低频的同相发射增强海洋同时可控震源采集中的低频分量。尽管该方法可以应用于陆地可控震源采集，图1中示出一般的海洋采集系统。海洋采集尤其适合于该方法，因为连续的运动以及源间的恒定且可预测的距离是海洋拖曳采集的正常特性，因此提高了在此描述的方法的有效性。

[0024] 再次参考图1，示出海洋采集系统20的实施例。在此实施例中，拖曳船22被示出为拖曳多个海洋源阵列24，例如，海洋振动器子阵列。海洋采集系统20还可以包括一个或多个拖缆26，其被拖曳船22拖曳。该一个或多个拖缆26包括多个地震检波器28，其设计为检测由海洋振动器阵列24上的震源产生的反射地震信号。作为示例，海洋振动器阵列24上的震源可以包括高频和低频源，如合适的海洋振动器30。

[0025] 如图2进一步示出的，每个海洋振动器阵列24上的海洋振动器30包括例如高频振动器的高频源32，以及例如低频振动器的低频源34。高频振动器32和低频振动器34可以由电子器件36控制。在很多应用中，电子器件36包含在位于拖曳船22的基于处理器的系统中。

[0026] 整个海洋采集系统20的设置可以在地震勘探应用中改变。例如，多个海洋振动器阵列24可以包括两个阵列24，如图2所示，或者更多数量的阵列24。另外，地震检波器28可以被置于拖缆26中或者固定的位置，例如，井眼内或沿海底。另外，不同的船可用于拖曳拖缆26和海洋振动器阵列24。在一些应用中，两个或更多的船22可以用于拖曳海洋振动器阵列
24和/或拖缆26的补充组。

[0027] 在实施地震勘探时，扫描的时频表示是一个因子，然而通过各种方法可以以与海洋振动器30的机械和液压约束兼容的方式确定扫描幅度。例如，美国专利7327633B2公开的方法提供了一种方案，其可以被用于单个震源，而英国专利GB2451630中公开一个适用于多个震源的方法。在英国专利GB2451630中公开的方法还教导了一种设计具有振动器单元的复合扫描的方式，振动器单元具有在重叠的频率下未遭受缺口的振幅谱。另外，本方法可以利用多种方式以增强可以从海洋振动器获得的发射能量，海洋振动器所处的深度是可变的并取决于发射瞬时频率。一种这样的方法在美国专利7257049B1中公开。另外，由于震源运动产生的多普勒效应可以被补偿或以其他方式解决。例如，已经描述了一些方法，其说明了多普勒效应在以低扫描速率扫描时更大。例如，Dragoset,W.H.，1988年，Marine Vibrators and the Doppler Effect，Geophysics，1388-1398；以及Schultz等，1989，Simple Theory for Correction of Marine Vibrator Phase Dispersion，SEG年会，660-663。

[0028] 本系统和方法可以具有几个实施例并且可以应用于各种环境和应用。根据一个实施例，应用参数包括船，其以每秒2到3米的速度移动，如2.5米/秒，其以抛起回落设置拖曳两个振动器阵列，类似于使用空气枪阵列的抛起回落设置。在此特定示例中，特定的振动器发射低频信号，其输出限制为15Hz或以下，最小感兴趣的频率为5Hz。每个振动器阵列24包括两种震源，亦即由电子器件36控制的低频振动器34和高频振动器32。在一些应用中，低频振动器34和高频振动器32由两个独立控制电子器件控制。

[0029] 参考图3，利用期望的持续时间的扫描，两个海洋振动器阵列24的低频振动器34同时并且同相地发射低频信号38，例如5-15Hz信号。作为示例，扫描长度可以为8-12秒，如10秒，或另外的合适的长度。两个海洋振动器阵列24中的高频振动器32发射高频信号40，如高于15Hz，其具有类似的扫描长度，如10秒。高频海洋振动器32根据交替的模式发射高频信号，如抛起回落模式或其它合适的模式，其在海洋振动器阵列对的振动器阵列24之间交替。

[0030] 例如，一个振动器阵列24的高频振动器32，例如抛起阵列，发射具有期望持续时间的扫描的高频，同时其它振动器阵列24的高频单元，如回落阵列，是静默的。在t＝10秒，两个振动器阵列24的低频振动器34发射相同的低频扫描，其在先前的扫描持续时间中发射，如图3所示。然而，现在“抛起”和“回落”阵列24的高频振动器32的作用互换，第二振动器阵列24的高频振动器32，如回落阵列，发射高频扫描，同时抛起阵列的高频振动器静默。因此，高频扫描在振动器阵列24间以交替的模式出现，如在图3中的进一步示出的。如果拖曳船22以大约2.5米/秒的速度移动，拖曳船22在10秒的扫描持续时间期间行驶大约25米。然而，其它的船速和频率扫描持续时间可以用于其它应用，并且具体值仅作为解释说明目的提供。

[0031] 为了在速度分析和叠加过程中确定性地衰减谐波噪声(尤其是由低频扫描产生的)，初始相位可以逐个发射地改变，同时保持低频扫描总是同相发射。连续发射42在图3中示意性地示出，并且可以有20到30米的射出间隔，如25米，或另外的合适的长度。在此示例中，逐个发射的初始相位的变化为2π/Nh，其中Nh为名义共中心点(CMP)倍数。

[0032] 图3提供了根据本方法的海洋可控震源采集的一个示例的示意图。对于此示例，发射信号的时频表示在图8中以图形形式示出。图8中的图形表示在每个振动器阵列24中的高频振动器32和低频振动器34同时发射高频和低频时的发射信号。为避免低频扫描和高频扫描之间重叠频率下的缺口，在时频规划中相同位置L1和H1处使用相同的扫描速率。在只有低频被发射时给出的振动器阵列24的签名的时频表示在图9中以图形形式示出。

[0033] 根据本方法获得的数据的处理可以根据几种处理设备上不同的处理方法来执行。在一些应用中，处理系统可以是基于计算机的处理系统，其至少部分地合并到电子器件36中。在其它的应用中，地震数据简单地在远程处理系统上被记录和处理，如传统的地震分析一样。

[0034] 作为示例，连续记录的数据流与低频扫描相关联，低频扫描具有合适的相位以获得在给定位置处大地内部对由抛起源和回落源发射的低频信号的组合和压缩响应。由于低频源，如低频振动器34发射低频，它们可以被视作单个源。及时压缩的响应是与作为低频扫描的自相关产生的Klauder小波卷积的大地内部的脉冲响应。所记录的数据与高频扫描的相关产生了大地内部对高频的压缩响应，该高频或由抛起源产生，或由回落源产生，如，高频振动器32的抛起侧或回落侧。

[0035] 主要参考图4，示出海洋可控震源采集的另一个示例。在此实施例中，100％的可用源被利用。作为示例，三个振动器阵列/子阵列24可以被使用，并且每个阵列24由至少一个振动器44组成。单独的振动器44可以以振动器44的频率相关的机械限制内的振幅发射低频或高频(38，42)。根据一个实施例，中央振动器阵列24连续发射低频，并且外部振动器阵列24以抛起回落模式发射高频42。

[0036] 图5示意性地示出以参考图4描述的方法获得的数据的处理技术的示例。在此示例中，高频扫描对回落记录作出贡献。此连续的不相关数据流根据扫描起始时间被分析，如方框46所示。不相关数据部分开始于扫描起始时间(其对于此示例中的高频和低频源是相同的)并且其持续时间等于扫描长度相同(如10秒，在25米纵测线源间隔及2.5米/秒船速的连续滑动扫描采集的情况下)加上收听时间，收听时间可在5到10秒之间。所分析的不相关数据被复制并输入到两个处理分支：低频和高频处理分支。与低频扫描相关的数据被复制并对抛起和回落记录两者作出贡献，如方框48所示。与高频扫描相关的数据在此示例中仅对回落记录作出贡献，如方框50所示。在此实施例中，由端口和右舷源44发射的信号在下一个发射位置交换。

[0037] 主要参考图6，其示出了类似于图3中的设置。图6的实施例说明了利用低频和高频的连续发射的海洋可控震源采集。在此示例中，高频被具有发射相位项的扫描发射，发射相位项为发射位置和瞬时频率的函数。在后一个实施例中，振动器可以是连续发射低频和高频的组合振动器44。低频，直至瞬时频率fc(其可以按照前述方法确定)被同相发射。瞬时频率fc对应于瞬时时间tc。每个扫描的起始时间假定为零时间。

[0038] 在ith发射位置发射的抛起和回落扫描以下式表示

[0039]

[0040]

[0041] 下标i代表源的纵测线位置，并且是抛起和回落源是公共的。在线性扫描的特例中，瞬时频率是τ的线性函数。回落源发射的扫描中包含的相位项是发射位置与瞬时频率(或等价的瞬时时间)的函数。 被设计为当数据与抛起扫描相关并且分类在不同于发射集聚域的其它频域内时，在高于fc的频率下，由于回落源s2导致的信号表现为非相干。 的可能的选择为：

[0042]

[0043]

[0044] 其中tc为瞬时时间，其与瞬时频率fc对应。fc划分不需要分离的低频以及需要分离的高频之间的频率范围。T为扫描长度。项ki为随机变量，其取决于发射位置。对于ki的选择的示例为均匀分布的随机变量，如0＜ki＜2π/(T-tc)。 的其它的选择也是可以的，只要满足当所记录的信号与抛起扫描相关且被分类在不同于发射聚集域的域(例如普通接收器域)内时，由于回落源导致的记录信号被随机化。 的此选择还产生双重效应，即，当记录的数据与发射相关的回落扫描相关联且被分类在不同于普通发射域的域内时，由于回落源导致的信号被随机化。

[0045] 图7中示意性地示出以参考图6描述的方法获得的数据的处理技术的示例。在此示例中，不相关的数据流被分析且被复制，如方框52所示，然后与抛起和回落扫描相关联，分别如方框54和56所示。以低频为中心的带通滤波器可以应用于回落扫描相关的输出，如方框58所示。此带通滤波器的输出对抛起和回落记录两者作出贡献。应注意，在低频下与抛起扫描和带通的相关联给出完全相同的结果，并且其在图中没有示出。“回落分支”的低频输出也同样用于抛起记录。以高频为中心的抛起和回落带通滤波器的输出是用于干扰事件的分离的算法的输入。合适算法的示例在专利申请WO2009085474A4“SEPARATING SEISMIC SIGNALS PRODUCED BY INTERFERING SEISMIC SOURCES”中公开。示出的实施例提供了对于高频的更好的纵测线采样。然而，由于高频被同时发射，即使存在取决于发射位置和瞬时频率的相位差，该公开的方法的实施例可以使用分离算法，其在波场分离器60中执行。

[0046] 应注意，此公开的实施例已经使用了海洋振动器，由于拖曳两个或更多源的地震船的固有运动有助于此方法的实际执行。然而，通过使用两个或更多紧密间隔的陆地振动器以大约相同的速度移动，应用于岸上地震采集也是可以的。在陆地振动器的情况下，振动器之间的间隔规定了可以由两个或更多振动器同时并且同相发射的最大频率。

[0047] 在重叠频率产生复合扫描而没有缺口的能力实现了对数据进行不同的且更简单的处理。如上述讨论，一个在重叠频率产生复合扫描而没有缺口的可行的方法在英国专利GB2451630中描述。连续的数据流与在每个位置产生的复合扫描相关联，以在复合扫描中的所有频率下获得抛起或回落记录。对于此处理方法，更大的便利性可以通过不保持扫描相位恒定，而是保持扫描相位频率相关而实现，由此，图9中的时频表示中L1位置的相位与下个扫描中H1位置的相位相同。此方案的图形表示在图10中提供，其示出了扫描j在L1的扫描速率等于扫描j+1在H1的扫描速率。

[0048] 取决于环境和应用参数，地震采集系统20及实施地震勘探的方法可以采取其它实施例的形式。例如，参考图11，示出另一个实施例，其使用了多船操作。在此实施例中，多个拖曳船22被用于拖曳震源阵列24。每个拖曳船22可以配备两个或更多振动器阵列24，它们连续发射非常低的频率，同时高频以抛起回落模式被发射。在此示例中，非常低的频率可以被定义为产生大于拖曳船22之间间距的波长的频率。

[0049] 在一些实施例中，待扫描的整个频率范围被划分为两个频率范围。然而，在其它实施例中，总的频率范围可以划分为其它数量的频率范围，而且，理论上，可以分为无限数量的频率范围。例如，总的频率范围可以被划分为与构成每个振动器阵列24的地震振动器单元30的数量相同的频率范围。根据另一实施例，海洋振动器30只在非常低的频率发射同相扫描，如5-15Hz。在较高频率下，频率、振动器及发射点相关的相位偏移函数可以被应用于所发射的扫描。频率相关的相位偏移在数据被分类在不同于采集域的域(例如公共信道)中，并且与给定的拖曳船22有关的发射频率扫描相关联时，导致干扰事件的随机化。该干扰事件的随机化实现了标准随机噪声衰减技术的应用。

[0050] 使用震源(例如海洋振动器30)的方法的特定方面，也可以用于海洋可控震源采集应用的地震检波器侧。例如，该技术可以使用拖缆26的地震检波器28或者位于其它合适的位置的地震检波器。所接收的波场的采样应该是频率相关的。例如，位于只有短距离间隔，如5米的两个检波器28，以给定频率，如5Hz对基本相同的波场进行采样。由这两个地震检波器28获得的信号的单独数字化是没有用的，并且它们的信号可以简单地相加。把该思想推广到位于相对于感兴趣的频率下的波长较小的区域内的大量传感器/地震检波器28提供了改进的遥测系统，其必须发送的比特率大大降低。

[0051] 尽管只有本发明的一些实施例在上文中被详细描述，本领域普通技术人员将容易理解在不偏离本发明的教导的情况下很多修改是可行的。因此，这些修改旨在包括在如权利要求限定的本发明的范围内。