用CheckSweep對低頻掃描信號做質控 QC

 

Checksweep 在 Windows 系統下的一個單一窗口模板運行，可用于設計一個掃描（圖 5 所示，起始與終止斜坡的持續時間、初始相位、與時間相對應的振幅值、頻率和時間的對應關系），也可以輸入一個類似于 VE464 所使用的自定義掃描，在不同域對幾組掃描進行比較：頻率和時間，振幅和時間（掃描和驅動），振幅和頻率（譜）以及相關子波和時間。可控震源的特征參數從文本文件輸入，設置地面參數（截止頻率、地面潮濕因素，地面潮濕因素由ACp 與 ACm 的對比圖給定）后，計算出沖程、閥、泵所對應的最小頻率，在不同震源或不同驅動水平之間對它們進行比較，只有在震源和驅動確定后，才可以做不同掃描之間的對比（同時顯示三種不同顏色）：把重錘的位移 (cm)和可用的沖程做對比；把主閥位移（mm）與 0.9 倍的可用沖程做對比；瞬時閥流（gpm）與最大泵流和最大閥流做對比；供給壓力與返回壓力間的壓差與震源供給壓力極限做對比。

 

CheckSweep 的圖形用戶界面，它是在 Windows系統下運行的 Sercel QC 軟件。左側生成或輸入一個掃描，這和 VE464 下的方式一致，被選定的掃描顯示出來。圖形界面右側上，不同的域里最多可比較三種掃描，右側中，選擇使用不同驅動及地面特征的不同震源。根據這些參數，震源所對應的極限曲線就可以顯示出來。在不同域里比較不同掃描所對應的特征，灰色箭頭顯示的線性掃描（2~85Hz, 8.5s 黑色）不符合可用沖程及閥流的限制，而非線性掃描（2~85Hz，12s）則在極限范圍之內。

 

在理想情況下，選用的掃描應該盡量位于震源的極限范圍內，以便使非線性斜坡持續的時間不要過長，隨之每臺震源都要在野外對掃描進行測試，因為每臺震源都有著各自不同的技術指標（這與維護，老化等各種原因都有關系）。如果超過機械和液壓系統的負荷，VE464 就會給出具體的警告信息（F：靜載壓重 , P：供應壓力；M：質量極限位置，V：閥極限位置；E：最大時的指令），這體現了電控箱體的重要性，特別是在低頻段控制地面力方面更為重要，因為當發送的掃描在接近于震源的極限時畸變會很嚴重。VE464 

 

低頻地面力控制

 

與其它電控箱體類似，VE464 由兩部分無線電通訊組成。一部分是與數據采集系統（428XL 或其它）相連接的數字信號發生器（DPG），這部分用于設計各種類型的數字掃描信號（線性，對數，復合，脈沖…），也可以輸入一個由外部工具（Excel, MATLAB）設計好的自定義掃描信號，這通常是針對非線性掃描的情況?？紤]到低頻段，不得不提到隨機掃描，它是由 VE464 自動設計的掃描信號，里面是隨機分布的不同的頻率信息。低頻信息貫穿于整個掃描長度范圍，避免達到震源的極限限度以及降低對居民聚集區的破壞。

 

每臺震源都配備 VE464 數字伺服驅動器（DSD），用于對先導信號和地面出力實時做比較。由于掃描長度的增加和噪音的增大，只在地面出力的過零點處對相位進行控制和校正的傳統反饋控制環路就變得不夠高效，基于數字震源模型（D. Boucard & G. Ollivrin, 2010）的全數字控制系統，VE464 的伺服控制的設計可以執行一條追擊指令，以 0.25毫米間隔驅動地面出力使其盡可能與先導信號保持一致。由于震源模型中包含了非線性度，這些指令也將非線性度用于運算以提供一個可以減少諧波畸變的非線性輸入，這對低于3-4Hz 的信號尤為關鍵，在這段頻率范圍內，雖然非線性度及與其相關的畸變都增大了，但是由于非線性斜坡提高了掃描速率，使得在較遠負時間段內的相關能夠消除這種畸變，因此，為低頻駐留掃描所提供的這種方法解決了畸變的問題（T. Bianchi, personal communication）：頻率越低，畸變越嚴重，但是負時間段也越長，通過相關可以把它消除。

 

南非實例分析

 

最近在南非（M. Denis et al., 2013）一個高密度 3D金礦采集工區（1.92 百萬道 /km2）的實例（2012）證明了Nomad-65 使用低頻駐留掃描（EmphaSeis）發送超低頻信號的能力。這個工區在 1996 年曾利用標準線性掃描信號10~90Hz，做常規采集（32,000 道 /km2），現在比較一下新舊采集所對應的偏移剖面，可見從淺層到深層（深至 4km），新采集的數據成像質量有非常大的提高，這種提高一是因為炮點網格很密（50m×50m） ，二是因為 Nomad-65 發送的寬頻（3~160Hz）掃描信號對地震子波起到了很好的壓縮作用。對新采集的最終疊前時間偏移數據做一個 10Hz 以下的低切濾波，低頻信息的貢獻就會凸顯出來：不但能夠很好的識別反射序列，同時在沒有反射界面的地方也不存在地震子波旁瓣的信息，這充分證明了低頻信息在提高垂向分辨率方面的作用（白色箭頭，圖 6)?？偟膩碚f，這張寬頻剖面提供了精細的地層結構細節。

 

常規 3D 采集（10~90Hz, 32,000 道 /km2）的剖面與高密度 UltraSeis 3D（1.92 百萬道 /km2）和寬頻震源（使用3~160Hz EmphaSeis 掃描信號的 3 臺Nomad-65）采集的剖面對比，3D 采集工區是一個南非金礦（M. Denis et al., 2013; courtesy Anglo Gold Ashanti and Vaughan Chamberlain）。剖面從左到右展示了高密度寬頻采集在成像及提高垂向分辨率方面的作用，中間的剖面是右邊剖面做10Hz 低切濾波的結果，用于突出低頻信息的作用：子波旁瓣的消除使地層結構更清晰（白色箭頭所示）。低頻信息不僅有助于提高分辨率，同時由于它對地層的吸收及衍射都不敏感，所以穿透能力更強。以前在做地震反演時，不同地層的低頻分量（LF）以及聲波屬性的求取往往單純依賴于測井數據，現在因采集方式改變而增加的低頻信息則為反演獲取這兩種信息提供了更為可靠的依據。全波形反演的結果也證實了利用這些低頻信息求取地下速度模型的（G. Beaten et al., 2013）可靠性。同時因為低頻信息對巖石孔隙中流體的變化很敏感，所以也可用于 4D 地震監控項目。

 

由于以前的震源無法發送及控制低頻信號，以至于很長一段時間以來，發送的掃描信號都盡量避開這些低頻。同時因為地滾波是一種低頻信號，如果地滾波存在空間假頻，后續地滾波的去除會變得非常困難，所以人們不愿意采集具有強能量地滾波的數據，同時處理軟件基本沒有處理低頻信號的功能，這就造成以往采集的數據低頻信息很弱，如今這種觀念已經得到改變，許多油公司已經要求采集處理必須包含低頻信號，比如在中東 (S. Mahrooqi et al., 2012)，但是即便如此，由于各種原因，如使用 10Hz 模擬檢波器，記錄超低頻率 ( 低于 1~2 Hz) 仍舊是個挑戰，因為這種檢波器對低于自然頻率的信號有一個 -12dB/octave 的衰減。如何突破這種局限呢？建議使用像 Nomad-65 這樣的重型震源來激發，用基于 MEMS 技術的加速度檢波器（如 DSU）或低頻模擬檢波器（如 SG-5）來接收地震數據。

 

致謝

    作者向幫助準備本文的同事Denis Mougenot先生表示感謝，同時也對為本文提供實例研究材料的Anglo Gold Ashanti，特別是Vaughan Chamberlain 和 Michel Denis深表謝意。