提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法

2023-10-22 07:05:22 2

專利名稱：提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法
技術領域：
本發明涉及地震勘探領域，尤其是涉及一種提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法。

背景技術：
中國南方海相碳酸鹽巖沉積盆地的分布幅員遼闊，從目前普光氣田的發現來看，該地區地下油氣等資源極為豐富，但是由於地表大面積堅硬灰巖的出露，給地震檢波器與灰巖地表的完好耦合帶來了很大困難。目前常規的檢波器與灰巖耦合方法是利用粘土等耦合介質將帶有鐵質尖尾錐的檢波器埋置在灰巖表面，利用這種檢波器耦合方式採集的地震數據能量和頻率都較低，降低了灰巖出露區地震採集資料的品質，嚴重製約了南方海相碳酸鹽巖盆地進一步的油氣勘探。


發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法。
提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法包括如下步驟 1)檢波器圓盤尾錐的設計 利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰巖耦合在一起，這種情況下檢波器-灰巖耦合系統響應主要受到尾錐與石膏所構成的諧振系統的影響，尾錐與石膏諧振系統的固有頻率f跟檢波器尾錐的密度ρg、底半徑Rg和高度h、系統剛度係數k2有關，其關係式為， 剛度係數k為主要與尾錐、石膏之間的接觸剛度有關，是組合彈性模量E、檢波器尾錐底面粗糙度D、尾錐半徑Rg、尾錐高度h、尾錐密度ρg的函數，可表示為， k2＝φ(E，D，Rg，h，ρg)(2) 檢波器尾錐材料為鐵質，因此其密度ρg等於7800Kg/m3，底面粗糙度等於10-11，檢波器底面半徑給定為2cm，鐵質圓盤尾錐與石膏的組合彈性模量等於2×109，如果固有頻率f≥500Hz，那麼檢波器-灰巖耦合效應對地震信號的影響就大大降低了，利用公式(1)、公式(2)計算出尾錐高度h≤1cm，考慮到工具機等加工設備的加工能力，檢波器圓盤尾錐的高度取為1cm； 2)檢波器圓盤尾錐的製作 選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然後截取一個1cm厚的圓盤，利用工具機設備加工出檢波器圓盤尾錐； 3)檢波器的耦合 首先把常規檢波器鐵質尖尾錐取下來，然後把檢波器圓盤尾錐的中心螺絲緊緊的擰到檢波器外殼上；野外施工時，將石膏粉用水進行稀釋，並進行攪拌至糊狀，川東北碳酸鹽巖地區地震勘探技術難點與對策石膏上，並稍微壓一下，讓兩者緊密地接觸在一起。等石膏凝固後，即可進行地震數據的採集接收。
本發明利用石膏和檢波器圓盤尾錐進行灰巖出露區地震檢波器的耦合，採用新的耦合方法比常規耦合方法使得灰巖出露區所接收的地震數據無論是在能量還是在優勢頻帶寬度上都得到了較大幅度提高的預期效果，提高了灰巖出露區地震有效反射信號的檢測能力，為解決我國南方海相碳酸鹽巖地區的檢波器耦合難題提供了一個有效的實施方案。



圖1是檢波器-灰巖耦合系統理論模型示意圖； 圖2是不同檢波器尾錐高度與耦合系統諧振頻率的關係圖； 圖3是在新耦合方法與常規耦合方法接收的淺層單道對比記錄； 圖4是新耦合方法與常規耦合方法接收的深層單道對比記錄； 圖5是新耦合方式方法採集的地震淺層信號的頻譜； 圖6是常規耦合方法採集的地震淺層信號的頻譜； 圖7是新耦合方法採集的地震深層信號的頻譜； 圖8是常規耦合方法採集的地震深層信號的頻譜； 圖9是新耦合方法與常規耦合方法接收的淺層地震信號的能量對比圖； 圖10是新耦合方法與常規耦合方法接收的深層地震信號的能量對比圖。

具體實施例方式 提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法包括如下步驟 1)檢波器圓盤尾錐的設計 利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰巖耦合在一起，這種情況下檢波器-灰巖耦合系統響應主要受到尾錐與石膏所構成的諧振系統的影響，尾錐與石膏諧振系統的固有頻率f跟檢波器尾錐的密度ρg、底半徑Rg和高度h、系統剛度係數k2有關，其關係式為， 剛度係數k為主要與尾錐、石膏之間的接觸剛度有關，是組合彈性模量E、檢波器尾錐底面粗糙度D、尾錐半徑Rg、尾錐高度h、尾錐密度ρg的函數，可表示為， k2＝φ(E，D，Rg，h，ρg)(2) 檢波器尾錐材料為鐵質，因此其密度ρg等於7800Kg/m3，底面粗糙度等於10-11，檢波器底面半徑給定為2cm，鐵質圓盤尾錐與石膏的組合彈性模量等於2×109，如果固有頻率f≥500Hz，利用公式(1)、公式(2)計算出尾錐高度h≤1cm，考慮到工具機等加工設備的加工能力，檢波器圓盤尾錐的高度取為1cm； 2)檢波器圓盤尾錐的製作 選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然後截取一個1cm厚的圓盤，利用工具機設備加工出檢波器圓盤尾錐； 3)檢波器的耦合 首先把常規檢波器鐵質尖尾錐取下來，然後把檢波器圓盤尾錐的中心螺絲緊緊的擰到檢波器外殼上；野外施工時，將石膏粉用水進行稀釋，並進行攪拌至糊狀，然後將灰巖出露區灰巖地表的雜物清理乾淨，以便石膏與灰巖地表能夠很好的粘連在一起，將稀釋後的石膏均勻的放在灰巖上，最後將帶有圓盤尾錐的檢波器牢牢地垂直放在石膏上，並稍微壓一下，讓兩者緊密地接觸在一起。等石膏凝固後，即可進行地震數據的採集接收。
詳細工作過程如下 檢波器圓盤尾錐的設計與製作 灰巖出露區地表巖石非常堅硬，很難將檢波器尾錐直接插置在灰巖地表進行檢波器耦合，因此通常是用粘土或土壤等耦合介質把檢波器埋置在灰巖地表。從振動力學角度來看，如果利用粘土和土壤等將檢波器埋置在灰巖地表，那麼檢波器-灰巖耦合系統是一個三自由度耦合系統，將受到兩個耦合諧振頻率的影響。如果利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰巖粘連在一起，由於石膏較薄而且較輕，因此這種耦合模式下的系統響應主要受到尾錐-石膏單一耦合諧振頻率的影響，從振動系統諧振對檢波器耦合效應的影響來看，這種耦合方式是比較有利的，檢波器-石膏-灰巖耦合系統的理論模型如圖1所示。
那麼，尾錐-石膏所構成的振動系統的等效質量為， m＝ρgπRg2h+m殼(3) 其中，ρg為檢波器尾錐的密度；Rg為尾錐的底半徑；h為尾錐的高度；m殼為檢波器外殼的質量，SN-10型速度檢波器外殼質量約為0.01Kg，因此計算時m殼取0.01。
尾錐-石膏所構成的振動系統的等效剛度係數k主要由尾錐與石膏的接觸剛度所決定，兩個粗糙表面之間的法向接觸剛度公式為， 其中，E為兩個接觸介質的組合彈性模量，al為兩者的最大接觸點的面積，ac為兩者的臨界接觸面積，D為粗糙表面的分形維數，而且， 其中，E1、E2、σ1、σ2分別代表兩接觸介質的彈性模量和泊松比。
臨界接觸面積的計算公式為，
其中，G為粗糙表面的分形粗糙度參數，k為較軟材料硬度和屈服強度的比值，

為較軟材料的屈服強度和組合彈性模量的比值。
作用在粗糙表面上的法向力P與最大接觸點的面積關係為， 當D≠1.5時，
當D＝1.5時，
本文在計算法向力時，主要考慮了重力的影響。根據(4)-(8)的一系列公式，可求出剛度係數k。
根據振動系統理論，可知尾錐-石膏所構成振動系統的固有振動頻率為， 這樣根據公式(1)-(9)，可計算出檢波器圓盤尾錐高度h與固有頻率f關係圖如圖2所示。當考慮f≥500Hz時的情況，這時檢波器-灰巖耦合效應對地震信號的影響就大大降低了，可以確定檢波器圓盤尾錐的高度h≤1cm。
因此，基於以上理論分析，並考慮到加工檢波器圓盤尾錐的工具機等設備的加工能力，製作了1cm厚度的鐵質圓盤狀尾錐以替代常規鐵質尖尾椎，尾錐的底面直徑為4cm，高度為1cm。常規鐵質尖尾錐高度一般在7cm，因此，從理論上來說新製作的圓盤尾錐接收能力要優於常規尾錐。
選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然後截取一個1cm厚的圓盤，利用工具機設備加工出檢波器圓盤尾錐。
野外實施方法 野外施工時，首先將石膏粉用水進行稀釋，並進行攪拌至糊狀。然後，將灰巖出露區灰巖地表的雜物(浮土等)清理乾淨，以便石膏與灰巖地表能夠很好的粘連在一起，將稀釋後的石膏均勻的放在灰巖上。最後，將帶有圓盤尾錐的檢波器牢牢地垂直放在石膏上，並稍微壓一下，讓兩者緊緊地接觸在一起。等石膏凝固後，即可進行地震數據的採集接收。同時，在附近利用常規的耦合方法將同類型的檢波器埋置在灰巖地表，以便進行同等條件下的接收對比，檢驗新耦合方法的接收效果。
結果分析 在圖3中，左邊的信號新耦合方法採集的，右邊的信號是常規耦合方法採集的。在圖4中，左邊的信號新耦合方法採集的，右邊的信號是常規耦合方法採集的。由圖3、圖4可以看出，無論淺層還是深層反射資料，新耦合模式所接收的信號解析度都較高，而且，波形比較自然，基本上沒有畸變，表明所接收信號的信噪比也是比較高的。
由圖5、圖6對比可以看出，以-15dB所對應的頻帶來分析，新耦合方法要比常規耦合方法接收的淺層信號頻帶寬度高出10Hz左右；由圖7、圖8對比可以看出，新耦合方法採集的深層信號優勢頻帶比常規耦合方法高出5Hz左右。表明新耦合方法所接收地震反射信號的頻帶寬，解析度高。
在圖9中，左邊對應新耦合方法採集的，右邊對應常規耦合方法採集的。在圖10中，左邊對應新耦合方法採集的，右邊對應常規耦合方法採集的。由圖9、圖10可以看出，無論是淺層還是深層反射信號，新耦合方法所接收信號的能量都比常規耦合方式的高，表明新耦合模式檢測地震反射信號的能力較強。
綜上來看，新的耦合方法比常規耦合方式提高了檢波器-灰巖的耦合效果，所接收的地震信號無論在能量上還是在頻率上都有明顯的優勢，提高了灰巖出露區地震信號的檢測能力。
權利要求
1.一種提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法，其特徵在於包括如下步驟
1)檢波器圓盤尾錐的設計
利用石膏將檢波器圓盤尾錐與灰巖耦合在一起，這種情況下檢波器-灰巖耦合系統響應主要受到尾錐與石膏所構成的諧振系統的影響，尾錐與石膏諧振系統的固有頻率f跟檢波器尾錐的密度ρg、底半徑Rg和高度h、系統剛度係數k有關，其關係式為，
剛度係數k為主要與尾錐、石膏之間的接觸剛度有關，是組合彈性模量E、檢波器尾錐底面粗糙度D、尾錐半徑Rg、尾錐高度h、尾錐密度ρg的函數，可表示為，
k2＝φ(E，D，Rg，h，ρg) (2)
檢波器尾錐材料為鐵質，因此其密度ρg等於7800Kg/m3，底面粗糙度等於10-11，檢波器底面半徑給定為2cm，鐵質圓盤尾錐與石膏的組合彈性模量等於2×109，如果固有頻率f≥500Hz，那麼檢波器-灰巖耦合效應對地震信號的影響就大大降低了，利用公式(1)、公式(2)計算出尾錐高度h≤1cm，考慮到工具機等加工設備的加工能力，檢波器圓盤尾錐的高度取為1cm；
2)檢波器圓盤尾錐的製作
選擇直徑為4cm的圓柱狀鐵質材料，首先在鐵柱表面中心加工出與檢波器尾錐插孔尺寸吻合的中心螺絲，螺絲的高度為1.2cm，直徑為0.5cm；然後截取一個1cm厚的圓盤，利用工具機設備加工出檢波器圓盤尾錐；
3)檢波器的耦合
首先把常規檢波器鐵質尖尾錐取下來，然後把檢波器圓盤尾錐的中心螺絲緊緊的擰到檢波器外殼上；野外施工時，將石膏粉用水進行稀釋，並進行攪拌至糊狀，然後將灰巖出露區灰巖地表的雜物清理乾淨，以便石膏與灰巖地表能夠很好的粘連在一起，將稀釋後的石膏均勻的放在灰巖上，最後將帶有圓盤尾錐的檢波器牢牢地垂直放在石膏上，並稍微壓一下，讓兩者緊密地接觸在一起。等石膏凝固後，即可進行地震數據的採集接收。
全文摘要
本發明公開了一種提高灰巖出露區地震信號檢測能力的檢波器耦合方法。它是考慮到檢波器尾錐的密度、底面積、表面粗糙度等物性參數，利用檢波器耦合振動系統理論通過調整尾錐的幾何參數來進行檢波器耦合系統諧振頻率的計算。然後，通過對比分析理論計算結果，設計出檢波器尾錐的最佳接收參數。之後，根據計算設計的最佳接收參數進行檢波器尾錐的製作。最後，利用特製的檢波器尾錐和石膏進行檢波器與灰巖地表的耦合，進行地震數據的接收。本發明使得所接收的地震信號無論在能量上還是在優勢頻帶上都要優於常規耦合方式，提高了灰巖出露區地震數據的接收品質，解決了我國南方海相碳酸鹽巖地區地震採集中檢波器耦合效果不好的難題。
文檔編號G01V1/18GK101672924SQ20091015369
公開日2010年3月17日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者石戰結, 鋼 田, 沈洪壘, 尹喜玲 申請人:浙江大學