本发明涉及地震勘探基础应用领域，更具体地，涉及一种基于振动理论的地震子波特征分析方法及系统。
背景技术：
在地震勘探领域，地震勘探的难点地区，主要包括山前带灰岩、下扬子、黄土塬、红层、火成岩覆盖区等，这些地区同时都是地震勘探需要攻关的地区，都存在一个共同的难点，就是地震波的激发；影响了地震勘探的资料品质，制约了这些地区油气勘探的进程。
长期以来，围绕这些困难地区的激发问题，做了大量的试验工作，重复性的试验较多，一直没有得到较好的解决，地震波的激发成了地震勘探的一个瓶颈问题。目前业内大部分研究成果都是基于1942年sharpe提出的，有的学者甚至直接引用，没有新的观点。
发明人发现，究其原因，其中一个重要的因素，就是缺少合适的激发理论指导。因此，有必要开发一种基于振动理论的地震子波特征分析方法及系统。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现要素：
本发明提出了一种基于振动理论的地震子波特征分析方法及系统，其能够通过基于地震激发作用力函数和岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数，实现定量分析不同激发因素对地震子波的影响，进而依据分析结果来指导地震激发参数的选择。
根据本发明的一方面，提出了一种地震子波特征分析方法。所述方法可以包括：基于模拟地震激发作用力，建立地震激发作用力函数；基于具有弹簧阻尼的单自由度振动系统，建立岩石振动力学模型；以及基于所述地震激发作用力函数和所述岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数。
根据本发明的另一方面，提出了一种地震子波特征分析系统，所述系统可以包括用于基于模拟地震激发作用力，建立地震激发作用力函数的单元；用于基于具有弹簧阻尼的单自由度振动系统，建立岩石振动力学模型的单元；以及用于基于所述地震激发作用力函数和所述岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数的单元。
本发明提供了定量分析作用力和介质参数对地震子波的影响，进而依据分析结果指导野外激发参数的选择，提高复杂介质激发效果。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明的地震子波特征分析方法的步骤的流程图。
图2a、图2b及图2c分别示出了根据本发明的一个实施方式的不同脉冲作用力示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施方式的连续作用力示意图。
图4a示出了根据本发明的一个实施方式的岩石纵横波速度参数交汇示意图。
图4b示出了根据本发明的一个实施方式的岩石三轴围压下的应力-应变关系示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的含有阻尼参数的力学模型示意图。
图6示出了根据本发明的一个应用示例的指数衰减的作用力的示意图。
图7示出了根据本发明的一个应用示例的不同作用力形式下的质点位移的示意图。
图8a和图8b分别示出了根据本发明的一个应用示例的不同激发介质的地震子波和地震子波频谱示意图。
图9a、图9b及图9c分别示出了根据本发明的一个应用示例的不同岩样的透射单道波形图。
图10a、图10b、图10c及图10d分别示出了根据本发明的一个应用示例的不同炸药在不同岩性中地震激发的振幅谱图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施方式1
图1示出了根据本发明的地震子波特征分析方法的步骤的流程图。
在该实施方式中，根据本发明的地震子波特征分析方法可以包括：步骤101，基于模拟地震激发作用力，建立地震激发作用力函数；步骤102，基于具有弹簧阻尼的单自由度振动系统，建立岩石振动力学模型；以及步骤103，基于所述地震激发作用力函数和所述岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数。
该实施方式基于地震激发作用力函数和岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数，实现定量分析不同激发因素对地震子波的影响，进而依据分析结果来指导地震激发参数的选择。
下面详细说明根据本发明的地震子波特征分析方法的具体步骤。
建立地震激发作用力函数
在一个示例中，基于模拟地震激发作用力，建立地震激发作用力函数。模拟地震激发作用力是指用实验室中的激发作用力模拟野外地震激发作用力。
在一个示例中，所述地震激发作用力函数可以为：p(τ)＝p0e-bτ
式中，τ为作用力作用时间，p0为初始压强，b为衰减因子。
野外震源激发，会释放不同形式的压力作用于介质表面。因此需要通过对地震激发作用力的类型(脉冲、连续)、大小、施加速率、作用时间等来分析力的特点，进而建立地震激发作用力函数。
图2a、图2b及图2c分别示出了根据本发明的一个实施方式的不同脉冲作用力示意图。图3示出了根据本发明的一个实施方式的连续作用力示意图。如图2a、图2b和图3所示，实验室中运用脉冲作用力表征炸药、气枪和电火花震源的地震激发作用力；运用连续作用力来表征可控震源的地震激发作用力。其中，用脉冲作用力的作用时间表征炸药爆速，用脉冲作用力的大小表征炸药爆压。
如图2a、图2b及图2c所示，图2a、图2b及图2c中的不同脉冲作用力的函数表达式为p(τ)＝p0e-bτ
式中，τ为作用力作用时间，p0为初始压强，b为衰减因子。
建立岩石振动力学模型
在一个示例中，基于具有弹簧阻尼的单自由度振动系统，建立岩石振动力学模型。
在一个示例中，所述岩石振动力学模型可以为以下脉冲响应函数：
h(t-τ)＝h(m,ωn,ωd,ξ；t,τ)，
式中，m为变形区域介质的质量，ωn为自然频率，ωd为有阻尼力学模型的振动频率，ξ为阻尼比，τ为作用力作用时间，t为波传播时间。
图4a示出了根据本发明的一个实施方式的岩石纵横波速度参数交汇示意图。图中圆点群上方的直线表示为20mpa下砂岩趋势，圆点群下方的直线表示为无机页岩(灰岩)趋势。
图4b示出了根据本发明的一个实施方式的岩石三轴围压下的应力-应变关系示意图。图中圆点的σ值为10-70mpa范围。
如图4a和图4b所示，在实验室测得典型岩样(砂岩、灰岩、红层)在不同围压条件下的弹性模量e、泊松比σ、密度ρ、速度v、抗压强度p、应力-应变测试关系。为后续研究内容提供理论基础数据。
图5示出了根据本发明的一个实施方式的含有阻尼参数的力学模型示意图。
地震波激发是在弹性体上产生一个振动子波，这样作为激发的介质就具备了具有弹性的振动特性，这种振动特性可归结为一种具有弹簧阻尼的单自由度振动系统。如图5所示，图中p(t)为外部作用力，m为块体质量，k为弹性系数，c为阻尼系数。主要是通过这种模型来反应介质的弹性性质和能量衰减特点，进而通过它来求取介质的脉冲激励响应。
获得地震子波特征函数
在一个示例中，基于所述地震激发作用力函数和所述岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数。
在一个示例中，所述地震子波特征函数可以为：
式中，p(τ)为地震激发作用力函数，h(t-τ)为脉冲响应函数。
基于所述地震激发作用力函数和所述岩石振动力学模型，开展二者之间相互作用关系的研究，完成振动理论下的地震子波特征(介质初始位移函数)分析。进而实现不同激发因素对地震子波特征的定量分析。
通过吐哈梅积分建立上述二者间的定量关系为
式中p(τ)为地震激发作用力函数，h(t-τ)为脉冲响应函数；
其中，h(t-τ)＝h(m,ωn,ωd,ξ；t,τ)
式中，m为变形区域介质的质量，ωn为自然频率(由弹性模量与质量决定)，ωd为有阻尼力学模型的振动频率，ξ为阻尼比(由介质的吸收衰减，品质因数和粘滞阻尼力等来决定)。
综上，脉冲响应函数与介质力学性质参数有关，其与地震激发作用力函数结合，即能够表征地震激发作用力作用于介质上的质点振动响应，即地震子波特征响应。
野外地震激发指导
在一个示例中，本发明的方法还包括：基于所述地震子波特征函数选择地震激发参数。根据本发明提供的分析方法定量分析作用力和介质参数对地震子波的影响，进而依据分析结果，指导野外激发参数的选择，提高复杂介质激发效果。
为便于理解本发明实施方式的方案及其效果，以下给几个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。
应用示例1
图6示出了根据本发明的一个应用示例的指数衰减的作用力的示意图。如图6所示，地震激发作用力函数为单边的指数衰减形式，表达式为p(τ)＝p0e-bτ，其中p0为1000mpa，b为200。
图7示出了根据本发明的一个应用示例的不同作用力形式下的质点位移的示意图。如图7所示，介质力学参数为泊松比0.25，纵波速度1800m/s，密度为1000kg/m3。当b因子不同时，地震激发作用力作用于介质上的释放方式存在差异，进而导致得到的地震子波也存在差异。在特定激发介质中，当地震激发作用力达到特定的匹配关系时，即当b小于6000时，就会得到一个完整的稳定的地震子波。
图8a和图8b分别示出了根据本发明的一个应用示例的不同激发介质的地震子波和地震子波频谱示意图。
当地震激发作用力保持一定时，由于介质弹性参数不同，进而导致相应的地震子波也不同。岩石力学中，定义动弹模量为ev＝ρv2p，其中，ρ为密度，v为速度，p为应力-应变测试关系。如图8a和图8b所示，地震激发作用力函数参数b为20000和压强p0为1000mpa。动弹模量取值分别为1440mpa，2250mpa，340mpa，4410mpa。可以看出，随着介质动弹模量增大，激发振动子波的振幅降低，频率提高；即动弹模量大的介质激发地震波的能量降低，频率增高，在弹性模量特大的介质中(如灰岩)，激发地震波相对比较困难。
应用示例2
实验室介质质点位移测试：
实验条件参数如下：
岩样：灰岩，二叠系，厚度73.3mm(等效厚度733m)，vp＝5800m/s，抛光；砂岩，侏罗系，厚度72.3mm(等效厚度723m)，vp＝2100m/s，抛光；
激光探头频率：300khz；
激发和接收条件：空气
岩样接触条件：空气，凡士林，压实；
图9a、图9b及图9c分别示出了根据本发明的一个应用示例的不同岩样的透射单道波形图。其中，图9a示出了灰岩-灰岩的透射单道波形图，图9b示出了灰岩-砂岩的透射单道波形图及图9c示出了砂岩-灰岩的透射单道波形图。
如图9a、图9b及图9c所示，砂岩中存在一个单一透射子波(也即，模拟出的地震子波)，而灰岩中存在明显的强多次子波；砂岩和灰岩中的子波形态存在明显差异，砂岩和灰岩与野外地震激发得到的结果相似。实验室测试结果与理论研究相吻合，因此可以通过理论研究成果来帮助我们认识激发存在的差异及如何去改善。
应用示例3
图10a、图10b、图10c及图10d分别示出了根据本发明的一个应用示例的不同炸药在不同岩性中地震激发的振幅谱图，x轴为频率，y轴为振幅。其中，图10a示出了乳化炸药在砂泥岩中的地震激发的振幅谱图，图10b示出了乳化炸药在灰岩中的地震激发的振幅谱图，图10c示出了黑索金炸药在砂泥岩中的地震激发的振幅谱图及图10d示出了黑索金炸药在灰岩中的地震激发的振幅谱图。
如图10a、图10b、图10c及图10d所示，根据野外实际试验的资料可以得出，不同炸药在同一种介质中激发得到的地震子波存在差异；同一种炸药在不同的介质中激发得到的相应的地震子波也存在差异。同时，在道灰岩中激发的地震子波比砂泥岩中能量弱，主频高，与理论研究相吻合，因此可以通过理论研究成果来帮助我们认识激发存在的差异及如何去改善。
本发明提供了定量分析作用力和介质参数对地震子波的影响，进而依据分析结果指导野外激发参数的选择，提高复杂介质激发效果。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施方式的有益效果，并不意在将本发明的实施方式限制于所给出的任何示例。
实施方式2
根据本发明的实施方式，提供了一种地震子波特征分析系统，所述系统可以包括：用于基于模拟地震激发作用力，建立地震激发作用力函数的单元；用于基于具有弹簧阻尼的单自由度振动系统，建立岩石振动力学模型的单元；以及用于基于所述地震激发作用力函数和所述岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数的单元。
该实施方式基于地震激发作用力函数和岩石振动力学模型，通过吐哈梅积分获得地震子波特征函数，实现定量分析不同激发因素对地震子波的影响，进而依据分析结果来指导地震激发参数的选择。
在一个示例中，所述地震激发作用力函数可以为：p(τ)＝p0e-bτ
式中，τ为作用力作用时间，p0为初始压强，b为衰减因子。
在一个示例中，所述岩石振动力学模型可以为以下脉冲响应函数：
h(t-τ)＝h(m,ωn,ωd,ξ；t,τ)，式中，m为变形区域介质的质量，ωn为自然频率，ωd为有阻尼力学模型的振动频率，ξ为阻尼比，τ为作用力作用时间，t为波传播时间。
在一个示例中，所述地震子波特征函数可以为：
式中，p(τ)为地震激发作用力函数，h(t-τ)为脉冲响应函数。
在一个示例中，所述系统还包括：用于基于所述地震子波特征函数选择地震激发参数的单元。
本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施方式的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施方式的有益效果，并不意在将本发明的实施方式限制于所给出的任何示例。
以上已经描述了本发明的各实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。