用CheckSweep对低频扫描信号做质控 QC

 

Checksweep 在 Windows 系统下的一个单一窗口模板运行，可用于设计一个扫描（图 5 所示，起始与终止斜坡的持续时间、初始相位、与时间相对应的振幅值、频率和时间的对应关系），也可以输入一个类似于 VE464 所使用的自定义扫描，在不同域对几组扫描进行比较：频率和时间，振幅和时间（扫描和驱动），振幅和频率（谱）以及相关子波和时间。可控震源的特征参数从文本文件输入，设置地面参数（截止频率、地面潮湿因素，地面潮湿因素由ACp 与 ACm 的对比图给定）后，计算出冲程、阀、泵所对应的最小频率，在不同震源或不同驱动水平之间对它们进行比较，只有在震源和驱动确定后，才可以做不同扫描之间的对比（同时显示三种不同颜色）：把重锤的位移 (cm)和可用的冲程做对比；把主阀位移（mm）与 0.9 倍的可用冲程做对比；瞬时阀流（gpm）与最大泵流和最大阀流做对比；供给压力与返回压力间的压差与震源供给压力极限做对比。

 

CheckSweep 的图形用户界面，它是在 Windows系统下运行的 Sercel QC 软件。左侧生成或输入一个扫描，这和 VE464 下的方式一致，被选定的扫描显示出来。图形界面右侧上，不同的域里最多可比较三种扫描，右侧中，选择使用不同驱动及地面特征的不同震源。根据这些参数，震源所对应的极限曲线就可以显示出来。在不同域里比较不同扫描所对应的特征，灰色箭头显示的线性扫描（2~85Hz, 8.5s 黑色）不符合可用冲程及阀流的限制，而非线性扫描（2~85Hz，12s）则在极限范围之内。

 

在理想情况下，选用的扫描应该尽量位于震源的极限范围内，以便使非线性斜坡持续的时间不要过长，随之每台震源都要在野外对扫描进行测试，因为每台震源都有着各自不同的技术指标（这与维护，老化等各种原因都有关系）。如果超过机械和液压系统的负荷，VE464 就会给出具体的警告信息（F：静载压重 , P：供应压力；M：质量极限位置，V：阀极限位置；E：最大时的指令），这体现了电控箱体的重要性，特别是在低频段控制地面力方面更为重要，因为当发送的扫描在接近于震源的极限时畸变会很严重。VE464 

 

低频地面力控制

 

与其它电控箱体类似，VE464 由两部分无线电通讯组成。一部分是与数据采集系统（428XL 或其它）相连接的数字信号发生器（DPG），这部分用于设计各种类型的数字扫描信号（线性，对数，复合，脉冲…），也可以输入一个由外部工具（Excel, MATLAB）设计好的自定义扫描信号，这通常是针对非线性扫描的情况。考虑到低频段，不得不提到随机扫描，它是由 VE464 自动设计的扫描信号，里面是随机分布的不同的频率信息。低频信息贯穿于整个扫描长度范围，避免达到震源的极限限度以及降低对居民聚集区的破坏。

 

每台震源都配备 VE464 数字伺服驱动器（DSD），用于对先导信号和地面出力实时做比较。由于扫描长度的增加和噪音的增大，只在地面出力的过零点处对相位进行控制和校正的传统反馈控制环路就变得不够高效，基于数字震源模型（D. Boucard & G. Ollivrin, 2010）的全数字控制系统，VE464 的伺服控制的设计可以执行一条追击指令，以 0.25毫米间隔驱动地面出力使其尽可能与先导信号保持一致。由于震源模型中包含了非线性度，这些指令也将非线性度用于运算以提供一个可以减少谐波畸变的非线性输入，这对低于3-4Hz 的信号尤为关键，在这段频率范围内，虽然非线性度及与其相关的畸变都增大了，但是由于非线性斜坡提高了扫描速率，使得在较远负时间段内的相关能够消除这种畸变，因此，为低频驻留扫描所提供的这种方法解决了畸变的问题（T. Bianchi, personal communication）：频率越低，畸变越严重，但是负时间段也越长，通过相关可以把它消除。

 

南非实例分析

 

最近在南非（M. Denis et al., 2013）一个高密度 3D金矿采集工区（1.92 百万道 /km2）的实例（2012）证明了Nomad-65 使用低频驻留扫描（EmphaSeis）发送超低频信号的能力。这个工区在 1996 年曾利用标准线性扫描信号10~90Hz，做常规采集（32,000 道 /km2），现在比较一下新旧采集所对应的偏移剖面，可见从浅层到深层（深至 4km），新采集的数据成像质量有非常大的提高，这种提高一是因为炮点网格很密（50m×50m） ，二是因为 Nomad-65 发送的宽频（3~160Hz）扫描信号对地震子波起到了很好的压缩作用。对新采集的最终叠前时间偏移数据做一个 10Hz 以下的低切滤波，低频信息的贡献就会凸显出来：不但能够很好的识别反射序列，同时在没有反射界面的地方也不存在地震子波旁瓣的信息，这充分证明了低频信息在提高垂向分辨率方面的作用（白色箭头，图 6)。总的来说，这张宽频剖面提供了精细的地层结构细节。

 

常规 3D 采集（10~90Hz, 32,000 道 /km2）的剖面与高密度 UltraSeis 3D（1.92 百万道 /km2）和宽频震源（使用3~160Hz EmphaSeis 扫描信号的 3 台Nomad-65）采集的剖面对比，3D 采集工区是一个南非金矿（M. Denis et al., 2013; courtesy Anglo Gold Ashanti and Vaughan Chamberlain）。剖面从左到右展示了高密度宽频采集在成像及提高垂向分辨率方面的作用，中间的剖面是右边剖面做10Hz 低切滤波的结果，用于突出低频信息的作用：子波旁瓣的消除使地层结构更清晰（白色箭头所示）。低频信息不仅有助于提高分辨率，同时由于它对地层的吸收及衍射都不敏感，所以穿透能力更强。以前在做地震反演时，不同地层的低频分量（LF）以及声波属性的求取往往单纯依赖于测井数据，现在因采集方式改变而增加的低频信息则为反演获取这两种信息提供了更为可靠的依据。全波形反演的结果也证实了利用这些低频信息求取地下速度模型的（G. Beaten et al., 2013）可靠性。同时因为低频信息对岩石孔隙中流体的变化很敏感，所以也可用于 4D 地震监控项目。

 

由于以前的震源无法发送及控制低频信号，以至于很长一段时间以来，发送的扫描信号都尽量避开这些低频。同时因为地滚波是一种低频信号，如果地滚波存在空间假频，后续地滚波的去除会变得非常困难，所以人们不愿意采集具有强能量地滚波的数据，同时处理软件基本没有处理低频信号的功能，这就造成以往采集的数据低频信息很弱，如今这种观念已经得到改变，许多油公司已经要求采集处理必须包含低频信号，比如在中东 (S. Mahrooqi et al., 2012)，但是即便如此，由于各种原因，如使用 10Hz 模拟检波器，记录超低频率 ( 低于 1~2 Hz) 仍旧是个挑战，因为这种检波器对低于自然频率的信号有一个 -12dB/octave 的衰减。如何突破这种局限呢？建议使用像 Nomad-65 这样的重型震源来激发，用基于 MEMS 技术的加速度检波器（如 DSU）或低频模拟检波器（如 SG-5）来接收地震数据。

 

致谢

    作者向帮助准备本文的同事Denis Mougenot先生表示感谢，同时也对为本文提供实例研究材料的Anglo Gold Ashanti，特别是Vaughan Chamberlain 和 Michel Denis深表谢意。