专利名称：用于确定可控海上震源的驱动信号的方法和装置的制作方法
技术领域：
本文所揭示的主题的实施例大体上涉及用于生成可控海上震源的驱动信号的方法和系统，更明确地说，涉及用于生成可控海上震源(vibroseis marine source)的驱动信号的机制和技术。
背景技术：
反射地震学是一种用以确定地球次表层的一部分的性质的地球物理勘探方法，这些性质是石油和天然气工业中特别有用的信息。海上反射地震学基于受控震源的使用，所述受控震源将能量波发送到地下。通过测量反射回到多个接收器所花的时间，可以估计造成此类反射的特征的深度和/或组成。这些特征可能与地下烃沉积物相关联。为了进行海上应用，震源基本上是冲击性的(例如，压缩空气能突然膨胀)。一种最常用的震源是气枪。气枪在短时间内产生大量的声能。此种震源由船拖行在水面或在某深度。来自气枪的声波在所有方向上传播。所发出的声波的典型频率范围是在6Hz与300Hz之间。然而，冲击性震源的频率组成不完全可控，并且取决于特定勘测的需要来选择不同的震源。另外，冲击性震源的使用可能会造成某些安全和环境问题。因此，可使用的另一类震源是振动性震源(vibratory source)。振动性震源，包含液压动力震源以及使用压电或磁致伸缩材料的震源，已用在海上操作中。然而，此类震源并未大规模地使用，因为它们的威力有限，并且由于生成地震波需要大量活动零件而是不可靠的。现在论述此类震源的几个实例。海上振动器生成频率变动(即，扫频)的长音。将这个信号应用于活动零件，例如活塞，从而生成对应的地震波。由对应于多个海上振动器的多个活塞的移动产生的瞬时压力可能低于气枪阵列所产生的瞬时压力，但是由于信号的持续时间延长，由海上振动器传输的总声能可能类似于气枪阵列的能量。然而，此类震源需要扫频以便获得所需能量。现在论述对此种扫频的设计。在发明名称为“用于优化来自地震振动器阵列的能量输出的方法(Method foroptimizing energy output from a seismic vibrator array)，，的第20100118647A1 号美国专利申请公开案中，揭示了通过机电致动器激活并且在扫频期间在两个不同深度处发出地震能量的两个弯张振动器(低频和高频)，其中所述美国专利申请公开案以全文引用的方式并入本文中。振动器通过扫描频率信号来驱动，每个信号具有不同的选定频率响应。例如最长序列(MLS)或Gold序列(Gold Sequence, GS)等信号也用以驱动振动器。然而,这个文献中的驱动信号并未将地震振动器或振动器操作时所处的介质的各种物理限制条件考虑进去。在发明名称为“复合带宽海上可控震源阵列(Composite bandwidth marinevibroseis array)”的第6，942，059B2号美国专利中描述了非线性扫频,其中所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。这个文献揭示了一种用于使用振动器震源(vibratorsource)进行地震海上勘测的方法，这些震源中的每个震源是放在不同深度处的。通过在多个不同的带宽上划分地震带宽，振动器震源展现出了与气枪阵列(单个深度)相当的地震能量水平。每个带宽由振动器阵列使用非线性扫描来生成，以便使输出能量最大化。然而，这个文献在确定扫频时并未考虑海上可控震源阵列的各种物理限制条件。在发明名称为“用于增强可控震源采集中低频组成的系统和方法(Systems andmethods for enhancing low-frequency content in vibroseis acquisition)，，的第7，327，633号美国专利中，也揭示了一种用于地震陆上振动器的扫描设计方法，其中所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。所述专利揭示了一种用于通过将地震陆上振动器的单个物理性质(即，地震振动器装置的冲程极限)考虑进去来优化扫描信号强度的方法。获得非线性扫描，以便建立扫描频谱密度以实现在低频范围中的目标频谱。然而，并未考虑地震陆上振动器的其他物理性质，这些性质限制了陆上振动器的操作。另外，这个专利是针对陆上振动器的，它与海上振动器不同。在发明名称为“用于确定扫频以进行地震分析的系统和方法(System and methodfor determining a frequency sweep for seismic analysis)，，的第 12/576，804 号美国专利申请案中，揭示了一种更高端的扫描设计方法，其中所述美国专利申请案以全文引用的方式并入本文中。这种方法不仅考虑了板冲程极限，而且还考虑了陆上振动器的其他限制条件，例如，泵流量极限以及伺服阀流量极限。然而，这种方法是针对陆上振动器的，陆上振动器具有与海上振动器不同的特性，而且所述方法也并未将水环境的特定特征考虑进去。因此，需要提供一种用于设计驱动信号的方法，其将海上振动器的限制条件考虑进去并且任选地将水环境造成的限制条件考虑进去。

发明内容
根据一个示范性实施例，存在一种用于确定振声震源元件(vibro-acousticsource element)的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含估计振声震源元件的至少一个物理限制条件的步骤；对通过水面确定的重影函数进行模型化的步骤；设置将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度的步骤；以及基于至少一个物理限制条件、重影函数以及目标能谱密度在控制器中确定驱动信号的步骤。根据又一个示范性实施例，存在一种经配置以确定振声震源元件的驱动信号的控制器，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述控制器包含处理器，所述处理器经配置以估计振声震源元件的至少一个物理限制条件；接收通过水面确定的重影函数；接收将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件、重影函数以及目标能谱密度来计算驱动信号。根据又一个示范性实施例，存在一种地震勘测系统，所述地震勘测系统包含至少一个振声震源元件，其经配置以通过用电磁致动器移动活塞来生成声波；驱动机构，其连接到电磁致动器并且经配置以驱动电磁致动器以生成声波；以及控制器，其经配置以生成用于在水中生成声波的所述驱动机构的驱动信号。所述控制器经配置以估计振声震源元件的至少一个物理限制条件；接收通过水面确定的重影函数；接收将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件、重影函数以及目标能谱密度来计算驱动信号。根据再一个示范性实施例，存在一种包含计算机可执行指令的计算机可读媒体，其中所述指令在被执行时实施上述方法。根据又一个示范性实施例，存在一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含估计振声震源元件的至少一个物理限制条件的步骤；设置将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度的步骤；以及基于至少一个物理限制条件以及目标能谱密度在控制器中确定驱动信号的步骤。根据另一个示范性实施例，存在一种地震勘测系统，所述地震勘测系统包含至少一个振声震源元件，其经配置以通过用致动器移动活塞来生成声波；驱动机构，其连接到致动器并且经配置以驱动致动器以生成声波；以及控制器，其经配置以生成用于在水中生成声波的所述驱动机构的驱动信号。所述控制器经配置以估计振声震源元件的至少一个物理限制条件；接收将在驱动信号期间由振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件以及目标能谱密度来计算驱动信号。


附图并入说明书中并构成了说明书的一部分，这些附示了一个或多个实施例，并且与说明书一起对这些实施例进行说明。在附图中图1是振声震源元件的示意图；图2是用于振声震源元件的驱动机构的示意图；图3是根据示范性实施例的振声震源元件的机电模型；图4是绘示了根据示范性实施例的振声震源元件的随各种参数而变的最大加速度的图；图5是图示了根据示范性实施例的振声震源元件的随频率而变的最大远场声压级的图；图6是根据示范性实施例的振声震源元件的图示；图7是根据示范性实施例的目标输出能量密度谱；图8a和Sb图示了针对两个不同深度的垂直重影函数；图9a和9b图示了针对两个不同仰角的重影函数；图10是根据示范性实施例的用于确定振声震源元件的驱动信号的方法的图示；图11是根据示范性实施例的驱动信号的图示；图12是根据示范性实施例的由振声震源元件生成的自由远场声压的图示；图13是根据示范性实施例的由振声震源元件生成的远场声压以及对应的重影的图示；图14是根据示范性实施例的用于生成振声震源元件的驱动信号的一种方法的流程图；图15是根据示范性实施例的用于生成振声震源元件的驱动信号的另一种方法的流程图；以及图16是根据示范性实施例的控制器的示意图。
具体实施例方式以下对示范性实施例的描述是参看附图进行的。不同图式中的相同附图标记识别相同或相似的元件。以下详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求书界定。为简单起见，关于一种方法来论述以下实施例，这种方法用于在依从每个振声震源元件的各种限制条件以及例如由海上地震采集引入的环境限制条件等其他限制条件的情况下生成或设计振声震源元件和/或海上震源阵列的驱动信号以实现所要目标输出频谱。然而，接下来要论述的实施例不限于海上震源，而是可应用于生成具有受控频率范围的地震波的其他结构。说明书中提到“一个实施例”或“一实施例”是表示结合一实施例描述的特定特征、结构或特性包含在所揭示的主题的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在本说明书各处出现未必是指同一个实施例。另外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。根据一示范性实施例，存在一种用于确定振声震源元件或海上震源阵列的驱动信号的方法，其将所述震源的各种限制条件都考虑进去了。例如，如果振声震源元件具有通过包含有放大器的驱动机构驱动的电磁致动器，那么所述方法识别致动器和放大器二者的可能限制振声震源元件提供预期输出的能力的物理性质，例如震源元件冲程极限(例如，致动器冲程极限)、震源元件速度极限、放大器电流极限，以及放大器电压极限。这种新颖方法还将对海面反射器所引入的额外环境限制条件的识别(被称为“重影函数”)考虑进去。所述方法确定可以在频率和振幅两方面进行调制的驱动信号。所述驱动信号经配置以实现具有最大能量输出的目标输出频谱同时还依从了多个限制条件。可以考虑各种目标输出频谱。然而，为了简单起见，以下实施例论述了平面目标输出频谱。注意到，下文论述的方法考虑了通过驱动机构驱动的振声震源元件。然而，所述方法可应用于其他振动性震源。在论述上述方法之前,现在先参看图1来论述示范性振声震源元件。根据一示范性实施例，图1的振声震源元件10是震源阵列的一部分。振声震源元件10包含外壳20，夕卜壳20与活塞30和32 —起围起电磁致动器系统40并且将其与周围环境50隔开，周围环境50可能是水。外壳20具有第一开口 22和第二开口 24，这两个开口经配置以由活塞30和32封闭。电磁致动器系统40经配置以在相反方向上同时驱动活塞30和32以便生成地震波。在一个应用中，活塞30和32是刚性的。电磁致动器系统40可包含两个或两个以上个别电磁致动器42和44。不管在振声震源元件10中使用了多少个别电磁致动器，这些致动器都可以成对地提供，并且这些对经配置以在相反方向上同时作用于对应的活塞以便防止振声震源元件10的“摇摆”运动。然而，所述方法也适用于只具有一个致动器和一个活塞的振声震源元件。电磁致动器的大小和配置取决于振声震源元件的声输出。图1绘示了两个致动器42和44由壁46隔开，壁46不必在致动器系统40中部。另外，在一个实施例中，这两个致动器42和44形成为单个单元，并且这两个致动器之间没有界面。在又一个应用中，致动器系统40通过附件48而附接到外壳20。附件48可以是柱型结构。在一个应用中，附件48可以是将外壳20分成第一腔室20a和第二腔室20b的壁。如果附件48是壁，那么致动器42和44可以附接到壁48，或者可以按照致动器42和44不接触壁48的方式通过其他方式来附接到外壳20。为了向活塞30和32提供相对于外壳20移动以便生成地震波的能力，在活塞与外壳之间设置了密封机构60。密封机构60可经配置以随活塞来回滑动。密封机构60可以由弹性体材料制成，或者可以是金属柔性结构。在另一个应用中，密封机构60可以是气封或液封。气封(空气轴承密封)经配置以在外壳与活塞之间的界面处注入气体，以防止环境水进入外壳中。液封可以在外壳与活塞之间的界面处使用(例如)铁磁流体，以防止环境水进入外壳中。所属领域的技术人员将认识到，可以使用其他密封。图1所示的实施例也可包含压力调节机构70(例如，如果使用空气，那么是气动调节机构)。压力调节机构70可用以使周围环境50的外部压力与外壳20所围起的介质的压力平衡，从而减少致动器系统40的工作负荷。注意到，如果周围环境在点72处(在活塞30前面)的压力大体上等于外壳20所围起的介质73在点74处的压力，那么致动器系统40的工作负荷可全部用以激活活塞生成声波，而不是有一部分工作负荷要用来克服点72处的环境压力。外壳20所围起的介质73可以是空气或者其他气体或气体的混合物。压力调节机构70可以流体连接到在拖着振声震源元件10的船上的压力源(未图示)。压力调节机构70也可经配置以在活塞30和32上提供额外的力，例如，以较低的频率，从而增加振声震源元件的声输出并且还扩展了振声震源元件的频谱。图1所示的实施例可以每个活塞使用单个轴杆80和82，将致动运动从致动器系统40传输到活塞30和32。然而，每个活塞可以使用一个以上的轴杆，这取决于振声震源元件的要求。为了使轴杆80能相对于外壳20平稳地移动(例如，以防止轴杆的摆动运动)，可以提供导引系统90。在一个应用中，致动器系统40会发热。这种热可能会影响轴杆的运动和/或致动器系统40的运行。为此，可以在振声震源元件处提供冷却系统94。如稍后所论述的，冷却系统94可经配置以将热从致动器系统40传递到周围环境50。希望活塞30和32生成具有预定频谱的输出。为了控制这个输出，可以相对于外壳20在内部、外部，或同时在内部和外部提供局部控制系统200。局部控制系统200可经配置以实时地起作用以校正振声震源元件10的输出。因此，局部控制系统200可以包含一个或多个处理器，这些处理器连接到对振声震源元件10的状态进行监视的传感器并且向致动器系统40和/或压力调节机构70提供命令。上文论述的震源阵列可以全部由图1所示的振声震源元件组成。然而，所述震源阵列可以由不同的可控震源元件或者图1所示的可控震源元件和本领域中已知的可控震源元件的组合组成。取决于振声震源元件，所述方法确定不同的驱动信号，因为所述驱动信号是取决于所考虑的振声震源元件的特定构造和特性。驱动信号可以是本领域中已知的扫频，即，包含多个频率的信号，其中这些频率是按照某种时间次序一次产生一个。然而，驱动信号不限于扫频，而是可以包含不连续信号、包含同时发出的多个频率的信号等等。为了更好地理解关联的驱动机构施于振声震源元件的限制条件，图2图示了驱动机构的一般布置。此种驱动机构250电连接到振声震源元件10并且经配置以施加驱动信号以便驱动振声震源元件10的机电致动器。驱动机构250的示范性结构可以包含用于生成驱动信号的处理器252。例如，在一个应用中，处理器252的第一组件经配置以生成基带载波信号。基带载波信号可以具有所属领域的技术人员已知的特性。处理器252的第二组件可以充当伪随机数信号发生器，并且可经配置以生成在第三组件中与第一组件的信号混频的信号。所述经混频信号可以通过第四组件放大，然后再提供给振声震源元件10。注意至|J，驱动机构250可以是振声震源元件10的一部分或者可以设置在振声震源元件外部。而且，注意到，所属领域的技术人员将认识到，可以使用驱动机构250的其他配置。针对驱动机构250的这个结构以及关于图1所论述的振声震源元件10的结构，在图3中绘示了驱动机构和振声震源元件的一些特性的图示。此外，注意到，可以使用其他振声震源元件或其他驱动机构。图3图示了用于振声震源元件10的电组件和机械组件以及也用于充当电放大器的驱动机构250的组件的电组件的集总元件模型。更具体地说，图3所示的模型300具有电部分302和机械部分304，电部分302对应于振声震源元件的电磁致动器和驱动机构，并且机械部分304对应于振声震源元件的活塞。电部分302包含由I0表示的电流源310、由Re表示的线圈电阻312，以及由Le表示的线圈电感314，其中线圈是上文关于图1所论述的电磁致动器的一部分。由U表示的感应电动势电压316出现在线圈中，并且这个电压负责用于致动电磁致动器的活塞。机械部分304包含由Mt表示的活塞质量和声抗320、由Ct表示的总机械刚度322，以及由Rmt表示的机械阻尼和声辐射324。通过电部分302与机械部分304之间的耦合330，由电部分产生的洛伦兹力332被传输到机械部分，其中洛伦兹力与电流源310的电流成比例。凭借振声震源元件的这个模型，现在有可能确定各种物理限制条件对地震输出的影响。用于估计振声震源元件的地震输出的良好的量是活塞的加速度。活塞的加速度(并且还有与所述加速度有关的远场声压，如稍后将进行论述)对于图3中所考虑的图示来说受至少四个因素的限制。这些因素是活塞的最大位移Xmax、活塞的最大速度Vmax、图2所示的驱动机构可能生成的最大电流1_，以及同一个装置的最大电压Umax。例如，对于这四个因素中的每个因素，活塞的最大加速度由以下方程式确定
权利要求
1.一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波，所述方法包括 估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件； 对通过水面确定的重影函数进行模型化； 设置将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于所述至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度在控制器中确定所述驱动信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述振声震源元件具有经配置以致动活塞的电磁致动器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个物理限制条件包含以下一项或多项的组合所述活塞的最大位移、所述活塞的最大速度、驱动所述电磁致动器的驱动机构的最大电流以及所述驱动机构的最大电压。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述至少一个物理限制条件包含所述活塞的最大位移、所述活塞的最大速度、驱动所述电磁致动器的驱动机构的最大电流以及所述驱动机构的最大电压。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括 将所述振声震源元件的操作域确定为最大位移曲线、最大速度曲线、最大电流曲线以及最大电压曲线的交点。
6.一种经配置以确定振声震源元件的驱动信号的控制器，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波，所述控制器包括 处理器，其被配置为 估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件； 接收通过水面确定的重影函数； 接收将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及 基于所述至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度来计算所述驱动信号。
7.根据权利要求6所述的经配置以确定振声震源元件的驱动信号的控制器，其中所述至少一个物理限制条件包含以下一项或多项的组合所述振声震源元件的活塞的最大位移、所述活塞的最大速度、驱动所述电磁致动器的驱动机构的最大电流以及所述驱动机构的最大电压。
8.一种地震勘测系统，包括 至少一个振声震源元件，其经配置以通过用电磁致动器移动活塞来生成声波； 驱动机构，其连接到所述电磁致动器并且经配置以驱动所述电磁致动器以生成所述声波；以及 控制器，其经配置以生成用于在水中生成声波的所述驱动机构的驱动信号， 其中所述控制器被配置为 估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件； 接收通过水面确定的重影函数； 接收将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于所述至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度来计算所述驱动信号。
9.一种用于确定振声震源元件的驱动信号的方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波，所述方法包括 估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件； 设置将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及 基于所述至少一个物理限制条件以及所述目标能谱密度在控制器中确定所述驱动信号。
10.一种地震勘测系统，包括 至少一个振声震源元件，其经配置以通过用致动器移动活塞来生成声波； 驱动机构，其连接到所述致动器并且经配置以驱动所述致动器以生成所述声波；以及 控制器，其经配置以生成用于在水中生成所述声波的所述驱动机构的驱动信号， 其中所述控制器被配置为 估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件； 接收将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及 基于所述至少一个物理限制条件以及所述目标能谱密度来计算所述驱动信号。
全文摘要
本发明提供一种用于确定可控海上震源的驱动信号的方法和装置。具体而言，提供一种用于确定振声震源元件的驱动信号的控制器和方法，所述振声震源元件经配置以在水中生成声波。所述方法包含估计所述振声震源元件的至少一个物理限制条件；对通过水面确定的重影函数进行模型化；设置将在所述驱动信号期间由所述振声震源元件发出的目标能谱密度；以及基于至少一个物理限制条件、所述重影函数以及所述目标能谱密度在控制器中确定驱动信号。
文档编号G01V1/02GK103064106SQ20121031576
公开日2013年4月24日 申请日期2012年8月30日 优先权日2011年10月19日
发明者L·吕埃, B·泰桑迪耶 申请人:地球物理维里达斯集团公司