专利名称：同时使用几个地震源对一个地下区域进行地震监视的方法
技术领域：
本发明涉及用于对某一地下区域(例如，一个储库)进行地震监视的方法和装置，包括同时使用几个地震振子。
背景技术：
众所周知，在生产期间，通过一种地震系统来长期监视储库(碳氢化合物储库或用于存储气体的储库等)的状态变化。该地震系统包括地震脉冲源或地下发射地震波的地震振子(seismic vibrator)，以及接收装置。该接收装置包括安放在表面或井中并与将被监视的地下构造耦合的地震拾取器。在预定的时间间隔中执行地震探测，接收由底土层中断反射的波和记录地震图，以便通过比较来确定因储库的变迁而在其中发生的各种变化。
例如，在专利EP-591,037、(US-5,461,594)、FR-2,593,292、(US-4,775,009)、FR-2,728,973、(US-5,724,311)或FR-2,775,349中，描述了各种长期地震监视系统。
专利FR-2,728,973和FR-2,775,349尤其描述了用于对变迁期间对地下区域(例如，碳氢化合物储库或气体储库)进行地震监视的系统。如
图1至3所示，它们包括(例如)一个地震天线2的网络，该网络包括地下钻出的井3并按规则间隔安放的一系列地震拾取器4中的每个地震拾取器。这个网络可以是规则的(如图2所示)，也可以是不规则的。拾取器可以是垂直向的单向地下听音器或多轴地下听音器(三听音器(triphones))和/或水下听音器。地震源5位于每一天线2的附近。压电类型的振子(例如，以申请者联合名义提交的专利申请FR-99/04,001中所描述的那些振子)可以良好地用作信号源并被永久安装在紧贴每一天线2的地方。
由该地震源5或由每个地震源5产生的地震波向下传播(下行波9)。这些入射波首先由每口井3中的接收器4记录。区域断面(地震分界面)上反射的波向上传播。这些上行波10也由各接收器4记录。上行波和下行波就这样被重叠在地震图上。它们通常通过类似于本领域中普通技术人员所熟知的VSP(垂直地震剖面图)的处理方法来进行处理。
地震系统的各信号源可以被顺序启动，只要在每次触发之间具有充分的时间来接收由被勘测区域反射的波即可。也可以采用和同时触发发射相同信号的几个地震源，以便增加所发射的功率。
专利FR-2,589,587(US-4,780,856)中还描述了一种海洋地震勘测方法，该方法包括由一个振子或同时由几个按照随机码编码的振动信号控制的振子来发射地震波。
发明概述本发明的方法使得能够对地下构架进行地震监视。它包括—通过将至少两个同时发射和由正交信号控制的振子与该构架耦合在该构架中发射地震波，以便形成合成振动信号1，—根据地震波的发射，接收由该构架反射的信号；—记录由至少一个地震拾取器接收的信号；以及，—通过处理所记录的信号(包括辨别振子对合成振动信号的各贡献，以及重新构成等同于将通过分开激励振子来获取的那些地震图)来构成地震图。
例如，将其基频分量和其各个谐频分量中不同频率的正弦信号或基于子波、勒让德多项式或随意系列等的信号用作正交信号。
尤其在所发射的正交信号是正弦波的情况下，通过确定作用于振子的导频信号的基频处合成振动信号的振幅和相位，来(例如)执行对振子的辨别。
例如，辨别振子各项贡献包括用一个钟形(bell)加权的(或渐缩的)因子对所记录的信号进行加权，以及确定合成信号的振幅和相位。
为了辨别振子各项贡献，例如，可通过分别对与各种加权信号相关的复合频谱线的傅立叶变换来进行选择。
例如，通过在其分离之后对与各加权信号相关的频谱线进行逆向傅立叶变换，来重新构成对应于各振子的地震图。
根据一种实施模式，在预定的时间内，分别将作用于各振子的正交导频信号移位某些频率间隔，以扫描某一特定的发射频带。
本发明用于对地下构架进行地震监视的系统包括，在该构架(包括至少两个振子)中发送地震振动的装置、用于产生正交信号并将它们分别应用于振子以便在该构架中产生合成振动信号的装置、根据发射的地震波接收由该构架反射的信号的装置、记录由接收装置接收的信号的装置，以及处理所记录的信号以建立地震图的装置，它包括至少一台计算机，以便辨别振子对合成振动信号的各项贡献和重新构成等同于将通过分开激励振子来获取的那些地震图。
根据第一种实施模式，该系统包括安放在彼此相隔一段距离的地方并与构架耦合的至少两个本地单元，每个单元包括至少一个地震拾取器、地震振子、用于捕获和处理所接收的信号的本地设备，以及与各单元相连的中央控制与同步单元(包括用来将正交振动导频信号作用于振子的发生器)。
根据另一种实施模式，该系统包括安放在彼此相隔一段距离的地方并与构架耦合的至少两个本地单元，每个单元包括至少一个地震拾取器、一个地震振子，以及通过一种材料(例如，电缆)或非实质链接(无线电)连接到各本地单元的一个中央控制与同步单元，它包括用来形成各种正交振动导频信号的信号发生器，以及用于捕获由各天线接收的信号和重新构成对应于各振子的贡献的地震图的装置。
例如，接收装置包括至少一个天线，该天线包括在构架钻出的井中所安放的几个地震拾取器，并被连接到记录装置。
附图简述通过阅读后文中非限制性例子的描述并参照附图，读者将了解本发明的方法和系统的其他各种特征与优点。图中图1用描绘了用于监视地下构架的系统，它包括几个信号发射与捕获单元；图2示出了在表面处监视装置分布的一个例子；图3示出了包括安放形成天线的地震拾取器的信号发射与捕获单元；图4示出了图1中监视系统的一种变异形式，其中，地震信号捕获装置被集中在一个中心站；图5示出了用于实现该方法的算法的各个不同阶段；以及，图6示出了两个发射点X1、X2与一个公共接收点之间波的路径。
详细描述本发明的方法使用一系列地震拾取器和由所选不同频率的信号同时激励的多个振子，在某一地下区域中进行的地震监视操作，从而可辨别从所接收和所记录的信号建立的地震图上的每个信号源所作的贡献。这通常是通过控制各种信号源来实现的，可利用本技术领域中的技术人员众所周知的称作“正交函数”的《正交》信号来表现函数，也可利用众所周知的数字计算技术，例如用逆傅立叶转换，来分离地震图上从各振子捕获的贡献，后文中将通过以下符号进行说明·卷积*·相关★·发射长度ts(秒)·收听时间te(秒)·取样间隔ti(秒)·初始频率fb(赫兹)·最终频率ff(赫兹)·基频fI＝1/te(赫兹)·线宽fd(赫兹)A-正交函数在一段时期ts内，我们考虑由位于点X1和X2(图6)处的两个信号源S1和S2发射的频率分别是f1和f2的两个单位正弦信号P1和P2，其值与1/f1和1/f2相比要大得多。
P1＝sin2πf1tP2＝sin2πf2t在一个接收点R，从单独发射的信号源S1接收的信号所记录的地震图是T1＝A1sin(2πf1t-Φ1)，其中的Φ1是相位迟延。
同样，在同一点R，从单独发射的S2观察到的地震图是T2＝A2.sin(2πf2t-Φ2)，其中的Φ2也是一个相位迟延。
如果S1和S2同时进行发射，则发送的地震波的线性关系是，在R处接收的波的地震图是T1和T2的和。
此外，如果f1≠f2，则P2★P1＝0(A)T★P1＝T1★P1(B)，和
T★P2＝T2★P2(C)。
公式(A)表示信号P1和P2的正交性；公式(B)和(C)表示将合成信号T分成其两个部分的可能性。该特性在理论上适用于发射任何数量的不同频率的正弦波，或更加精确的说，是发送任何数量的正交信号的信号源，但是，在实践中，由于以下现象，信息源的数量必须受到限制。这些现象是a)不能被忽略的机械信号源的失真。当它发射频率f1时，信号源S1也发射频率为2f1、3f1...nf1的信号。结果，如果fi和fj是信号源阵列的两个信号源Si和Sj各自的频率，则我们必须有fi≠fj，以及fi≠2fj、fi≠3fj…fi≠nfj；b)发射长度(ts)必须被缩减的性质，这是利用通过截取的傅立叶变换的线(脉冲)卷积在频率域中表达的。如果后者是突发的(乘以一矩形波长度ts)，则它是一个很宽的衍射函数。如果它是渐变的(例如，乘以钟形(bell)曲线、高斯曲线或Hanning函数)，则它是另一个钟形函数，其宽与截取的长度成反比；以及，c)信号源的缺陷，这会影响它们的稳定性和所发射的频率的精确性。实践中，可以考虑这种缺陷只对增加线宽有影响。
最简单的正交函数是不同频率的正弦曲线。也可以使用其他的正交函数基于勒让德多项式、子波、随机系列等的函数。
B-傅立叶变换的可逆性现在我们不发射振幅为AI、相位为ΦI以及频率为fi的正弦波Ti，如果发射合成信号Pt(包括N个正弦波{fi，Ai，Φi)的和，1≤i≤N)，那么，所有的频率包含于两个极限频率fb与ff之间包括的频带中，在点R处观察到的地震图Tt将在频率fI处进行的傅立叶变换时具有与正弦曲线Ti的振幅和相位相等的振幅Ai和相位Φi。这样，通过连续发射所有频率fb至ff的正弦波，通过逆傅立叶变换，就可以重新构成地震图Tt。
例如，在所有振幅Ai等于1、所有相位Φi＝0的情况下，获取的信号Pt非常接近由[fb-ff]范围(扫描)中包含的一个滑频(sliding frequency)信号的交叉相关产生的信号，通常用于地震振动的方法中。根据离散傅立叶变换理论，本技术领域的普通技术人员都知道，如果想在时间te内收听信号源S1，则正弦波之间的频率增量是Δf＝1/te，所需正弦波的数量Nf＝(ff-fb)te。
因此，如果由各种不同的振子同时发射的正弦波的各个频率都不同，则被安装在该现场中的N个振子可以同时通过振动信号来激励。这些振动信号的频率使每个信号源可由以上Nf个正弦波中的每个正弦波随时连续启动。根据同时发射的各信号，通过选择合适频率下的谱线来实现对由现场中拾取器接收的信号的分离。
图5示出了该方法的各阶段。各频率af0、bf0、cf0、df0等的正弦导频信号11同时被作用于安装在现场中的各地震源5，选择系数a、b、c、d等，从而这些频率彼此不同并与其各自的谐波不同。这些频率是基频f0的整倍数。
通过记录由各天线4的拾取器接收的波而获取的地震图12是将通过按顺序激励信号源5而获取的地震图的线性组合。
然后，通过将所记录的信号乘以钟形加权因子(称作“渐缩因子13”)，对记录的信号进行加权，以便形成渐缩或加权信号14。然后，计算渐缩信号的傅立叶变换的实部15和虚部16。每个部分都包括彼此分离的脉冲。然后，对于每个信号源5而言，只保留形成由该信号源发射的频率的傅立叶转换的复数值的实数17和虚数18。
当信号源发射所有编程的频率时，各数字集17和18构成与该信号源有关的地震图21的实部19和虚部20。该地震图是通过逆傅立叶变换而得到的。
根据该方法的第一个例子，该系统包括多个本地单元LU，每个本地单元包括通过电缆(未示出)连接的天线2和本地捕获与处理装置6(图1、2)；例如，各种振子通过电缆C被连接到中央控制与同步单元8，该单元包括一个信号发生器(未示出)，用来为各振子5生成以上所定义的正交导频信号。
根据另一种实施模式(图4)，各接收天线2通过电缆C连接到中央控制与同步单元8，该单元执行的任务是为各种信号源5生成合成信号，捕获和记录由拾取器4接收的信号，并处理所捕获的信号。
当然，电缆C一般可由任何材料或非实线的链接(无线电链接、光纤等)所替代。
本地捕获与处理装置6和/或中央控制与同步单元8包括已被编程以进行处理用的计算机(例如PC机)，用于隔绝和重新组建对应于本说明书中所限定的各种振子5的贡献的地震图。
权利要求
1.一种用于对地下构架(1)进行地震监视的方法，所述方法包括发射该构架中的地震波、响应于地震波的发射而接收由该构架反射的信号、记录由至少一个地震拾取器(4)接收的信号，以及通过处理所记录的信号来建立地震图，其特征在于，—在其基频分量和其各谐频分量中，通过将至少两个同时发射和受不同频率的正弦波组成的正交信号控制的振子与所述构架耦合起来，来执行所述发射，从而形成一个合成振动信号；—处理还包括辨别振子对所述合成振动信号的贡献，以及重新组成等同于将通过分开激励振子来获取的那些地震图。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，发射基于子波、勒让德多项式或随机系列的正交信号。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过在应用于振子的导频信号的基频处确定合成振动信号的振幅和相位，来辨别振子的贡献。
4.如权利要求1至3中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，辨别振子(5)包含用钟形(bell)加权因子(13)对记录的信号进行加权，以及确定合成信号的振幅和相位。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，辨别振子的贡献包括采用傅立叶变换来选择分别与各种加权信号有关的复合频谱线(15-18)。
6.如权利要求1至5中任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过在其分离之后对分别与各加权信号相关联的频谱线(19，20)实施逆傅立叶变换，来重新构筑与各振子对应的地震图。
7.如前述权利要求中的任何一项权利要求所述的方法，其特征在于，分别使各振子的正交导频信号的频率在预定的时间间隔内频移一些频率间隔，以便扫描某一特定的发射频带[fb-ff]。
8.一种用于对地下构架进行地震监视的系统，它包含能够在所述构架中发送地震振动的发射装置、响应于地震波的发射而接收由所述构架反射的信号的装置、记录由信号接收装置接收的信号的记录装置，以及处理所记录的信号以便建立地震图的处理装置；其特征在于，—发射装置包括至少两个振子(5)和装置(8)，装置(8)用于在其基频分量和各谐频分量中生成由不同频率的正弦曲线组成的正交信号，并将它们分别用于振子(5)，以便在所述构架中生成合成振动信号；以及，—处理装置包括至少一台计算机(6)，用于辨别振子对该合成振动信号的贡献，以及重新构成等同于将通过分开激励振子而获取的那些地震图。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，它包括安放在彼此相隔一段距离的地方并与所述构架耦合的多个本地单元(LU)，每个本地单元包括至少一个地震拾取器(4)、一个地震振子(5)、一个用于包含和处理所接收的信号的本地装置(6)，以及连接到各种本地单元的中央控制与同步单元(8)，它包括一个信号发生器，适于将正交振动导频信号作用于振子(5)。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述作用控制与同步单元(8)通过材料或电磁链接与各本地单元相连。
11.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，它包括安放在彼此相隔一段距离的地方并与所述构架耦合的多个本地单元(LU)，每个单元包括至少一个地震拾取器、一个地震振子(5)，以及连接到各种本地单元(LU)的中央控制与同步单元(8)，所述中央控制与同步单元包括一个适合形成各种正交振动导频信号的信号发生器、以及捕获由各天线(2)接收的信号和重新构成对应于各振子(5)的贡献的地震图的装置。
12.如权利要求10或11所述的系统，其特征在于，所述接收装置包括至少一个天线(2)，所述天线包括沿所述构架中钻出的井(3)中安放的几个地震拾取器(4)，并且所述天线与所述记录装置相连。
全文摘要
用于对地下区域(1)进行地震监视的方法和系统,它包括同时使用几个地震振子。例如,该系统包括几个本地单元,每个本地单元包括振子(5)、地震拾取天线(2)、本地捕获与处理单元(6),以及通过正交信号同时控制各振子的中央控制与同步单元(8)。本地单元(6)适合于通过特定的处理来隔绝和重新组建对应于各振子的贡献的地震图。应用:对生产期间的一个碳氢化合物储库进行监视,或者,对用于(例如)存储气体的储库进行监视。
文档编号G01V1/00GK1363046SQ0180020
公开日2002年8月7日 申请日期2001年2月9日 优先权日2000年2月14日
发明者J·默尼耶 申请人:法兰西气体公司