利用椭圆偏振剪切波勘探地震的方法

专利名称:利用椭圆偏振剪切波勘探地震的方法
本发明一般地说涉及地震的勘探，但在不作为限制性的情况下，更具体地说涉及利用携带着较各压缩波及剪切波包含更多信息的椭圆偏振剪切波的改进的勘探方法。
本发明人发觉在地震勘探实践中没有先有技术利用了椭圆偏振剪切波。多年来已将多种方法用于压缩波勘探法和偏振波勘探法中，明显地还没有一有规则的椭圆(在特定情况下为圆形)偏振剪切波存在的概念，该剪切波在通过地球介质时赋予粒子在三维正交空间中运动。因此，现设想椭圆偏振剪切被的粒子运动可用一个或多个三维正交的检测器检测以进行任意的垂直地震剖面(VSP)法探测，折射或反射测量，三维地震测量和相关的地震回波探测实践。
最接近的先有技术教导已公开的有在1983年于内华达、拉斯韦加斯召开的勘探地球物理学家协会(SocietyofExplorationGeophysicists)1983年会上发表的由斯图尔德.克兰普宾(StuartCrampin)所著的S12.7论文题目为“剪切波的偏振三分向记录法的主张(ShearWavePolarizationsAPleaforThree-componentRecording)”。虽然这篇论文认识到可从剪切波数据获得大量的知识及通过三维探测揭露更多的数据，但作者并未发觉这些剪切波椭圆偏振特性及它们所遵循的特定传播性质。
本发明涉及应用振动在大地介质内产生的椭圆偏振剪切波以供其后的三维正交粒子运动的地震探测的方法。设想将椭圆偏振剪切波应用于任意的垂直地震剖面法(VSP)、地震测井及包括三分向测量的地震测量。此外，预见到可将椭圆偏振剪切波源应用于海洋测量，由于大多数情况下波源可在水底接合。
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于给定的振动回波探测程序使大量的有用信息能被探测的地震源。
本发明的另一个目的在于提供在大地介质中产生精密的椭圆偏振剪切波的方法和装置。
本发明的还有一个目的在于提供产生和探测新的及在此之前未被应用的大地粒子运动关系的方法。
最后，本发明的一个目的在于应用椭圆偏振剪切波的方法，其中振动源可以不同的方式在大地表面、在水底或钻孔中以相同的有效性耦合到地球介质。
本发明的其它目的和优点可通过对下述详细说明以及联系解释本发明的附图一起阅读后，将会使人一目了然。
图1A为水平和垂直地偏振剪切波关系的图解说明;
图1B为椭圆偏振剪切波关系的图解说明;
图2A为一带有钻孔及在其上耦合以剪切波振动器装置的大地表面的一部分的理想化截面图;
图2B为一带有轨道振动器及检测器示出反射和折射射线路径的大地断面的理想化图;
图3为说明椭圆偏振剪切波的传播图的一椭圆偏振剪切波振动器及大地断面的透视图;
图4为用于图2方案中的椭圆偏振剪切波振动器的一种形式的截面图;
图5为说明按照类似于图2设计的一特定试验中探测压缩和剪切运动的地震波记录图;
图6为另一种形式的椭圆偏振剪切波发生器的示意图;而图7为还有一种形式的椭圆偏振剪切波发生器的示意图。
按照声波理论，偏振方向通常是被定义为粒子在声能传播的介质中振动的方向。对于压缩波而言，粒子的振动方向是与射线路径或沿Z轴的传播方向是共轴线的。对于水平剪切波和垂直剪切波而言，粒子的振动路径与其传播方向成直角。因此，如图1A中所示，压缩波粒子振动将与传播方向轴线即Z轴10成一直线，而垂直剪切波的粒子的运动将发生在平面12内，水平剪切波粒子的位移将发生在平面14内。分别包含垂直剪切振动和水平剪切振动的平面12和14叫做偏振平面。因此，纯粹的水平剪切波和垂直剪切波称之为平面偏振波。
更特殊的剪切波偏振化的类型称之为椭圆偏振，而这波形实质地在图1B中描出。因此Z轴16可设想成由图纸向外伸出，而在一垂直于传播方向Z的平面内一粒子位移矢量18在每个振动周期中描绘出一椭圆20。
椭圆偏振中的粒子位移可设想成由两个与传播方向垂直的分量。考虑两个频率相同的平面偏振剪切波，其粒子的位移如下式所示
(1)其中，k等于传播常数，D1和D2均表示位移振幅，而
x与
y分别为沿x和y方向的单位矢量。该两个波均沿Z方向上传播，但彼此垂直偏振并具有一相位差φ。在Z轴的任意一点上的总位移(假定为零衰减)由下式表示
(2)在φ等于+π/2的情况下，将上式展开而给出
(3)在D1/D2＜1的情况下，合成位移矢量描绘出如图1B所示的其长轴和短轴分别与y轴和x轴重合的椭圆。如果D1/D2＞1，则椭圆的长轴和短轴反过来分别与x轴和y轴重合。而射线束或如图1B中所示的Z轴望过去，矢量18以角频率W按顺时针方向转动，这样它可称为右椭圆偏振波。当φ设定为等于-π/2的情况下其合成矢量路径仍然将描绘出与图1B所示的椭圆相同，只是位移矢量将按反时针方向扫掠过去，并可称之为左椭圆偏振波。
另一种特殊情况为当D1＝D2时，这使图1B中的椭圆变为圆。再者，依赖于φ值为正或负，而可为右或左圆偏振波。通常，D1不必与D2相等，而角φ可取不同于正或负π/2的值，在这样情况下，椭圆的长轴和短轴将不会与对应的x轴和y轴重合。
弹性剪切波与电磁辐射在许多方面是相似的，使之有关波动性质的相似性在解释中可被应用。当偏振波入射到物质上或与物质相互作用时，入射辐射的不同偏振状态往往以不相同的方式与物质发生作用。在这种非对称的相互作用的情况下，入射波的偏振状态由于相互作用而被改型或发生变化。通过测量由一物质造成的一已知偏振状态的改型，人们可从中认识关于该物质的许多情况。
由于相似性质，在光学领域中已知研制出来的多种测量技术也可针对利用弹性剪切波的测量中。这种技术之一叫做椭率测量术是研究光从一表面反射之后偏振状态变化的一种技术。通过测量椭率参数诸如相对相位变化，相对振幅衰减及有关的参数，人们可确定物质的特定常数，并实现选择性测量。虽然在现阶段还不能预见椭圆偏振地震波在勘探活动中的所有应用，但目前相信对这种能量的使用，将在所有的测井、垂直地震剖面法探测及表面地震测量等方面将得到应用。
图2A说明本发明的方法的实际试验在开始进行时的装置类型。在大地断面24中形成的一钻孔22安装以包含12部三维正交拾震器26、28到30、32。这些拾震器为对振动的各个x、y和z轴有独立的传感元件的标准的三分量正交探测器。传感元件26至32放置在沿钻孔22向下各相隔100英尺的地方，用多股导体型连接电缆34将每个拾震器26至32连接到位于地面38上的信号处理站36。
如将于下文中叙述的一轨道型地震振动器40，通过将基板42埋入大地以将之牢固地与大地接合，使得其侧壁44无定向地水平地与大地介质压缩性地接触。轨道型振动器40在一预定频率及时间间隔下由地震振动器控制48操作。虽然此处叙述在选择的频率振动器控制，但轨道振动器40可在任何扫描频率或连续频率的脉冲控制下操作之。
图2B说明使用在一地震测量中沿一选择的测量线上的椭圆剪切波振动器40b。探测器25-1到25-n例如为选择的多分量或正交探测器，它们是一字排列在沿着从剪切波振动器40b的能量向下传播而紧接着反射(路径23)和/或折射(路径27)的测量线上，并对振动粒子的运动探测进行在沿探测器25-1和25-n的地震线上。因此，椭圆地震源和多分量探测方案可使用于各种包括多线的三维测量。
图3说明与传播的椭圆偏振剪切波能相关的轨道振动器40。因此，振动器40是由一偏心载重50在响应一马达控制器54下被驱动马达52驱动而转动操作的。马达控制器54接收从发生器56的输入控制信号及从误差检测器58即一加速器的反馈信号。轨道振动器40牢固地接合于大地表面38并起着沿诸如射线路径60进入大地表面38传播能量的作用。由于粒子的运动以粒子在垂直于射线路径60的平面内连续地移动而传播，粒子运动的代表矢量62(图1B中的矢量18)绕着射线路径60而旋转。位移矢量62向下前进时扫掠出螺旋线，而位移矢量62可按发生器方案的椭圆函数在短轴和长轴间变化。因此，频率控制发生器56确定椭圆偏振剪切波的传播的周期率，其椭圆对圆的构型的比值将依赖于作用在短轴或长轴结构的位移力而定。
图4说明较简单形式的轨道振动器40。振动器40有一基板42，其形状为扁平的圆柱体，具有与大地相接合的底板70，侧壁44及顶板72。底板70最普通是用楔子或者其它与大地接合的结构以保证与大地介质牢固的剪切连接。一马达机外壳74连接在基板42的中心上，以支持诸如液压马达，该马达在伺服阀18及相结合的液压控制结构(未示)的控制下工作。液压马达76经过一轴80通过诸如PARAFLEX′″离合器82提供转动驱动力到一驱动轴84，该驱动轴84是可转动地安装于一上轴承86和一下轴承88之间。一偏心载重转子90(虑线)坚固在驱动轴84上，而且转动以提供通过基板结构42传输到接触介质内的轨道运动。
为了验证椭圆偏振剪切波的存在和性质，利用图2的测试方案，而从该测试中所获得的数据样品显示在图5中。因此，轨道振动器是在一选择频率下工作的，而在最上部的7个正交检测器26至32，意即，从大地表面100至700英尺的间隔上拣拾的数据被记录及处理。图5说明一种压缩波或实质上Z轴波在跨过700英尺的深度上被探测及记录如记录线100所示。同样方式，我们称之为南北方向的剪切波的第一类型被拣拾和记录如记录线102所示，及我们称之为东西方向的对立地偏振剪切波被记录如记录线组104所示。
在图5中，由于压缩波和剪切波信号都出现在各个相隔100英尺的水平位的探测器中，及由于该区域中的岩心显示在700英尺间隔内存在着软的和硬的地层，可推断压缩波和剪切波都能通过软的和硬的地层而传播。可看到存在于通过振动源扫掠的整个路径上不论是压缩波或者是剪切波均为净信号，而速度测定可通过相位或通过相关性而进行，其结果是极为一致。因此跨过700英尺深的速度计算揭示出精确及可靠的值。
将在探测器26-32中下至700英尺获得的轨道源数据与用其它振动方法获得的数据进行比较，而每次比较的结果均令人满意，有助于证明强的椭圆偏振剪切波的存在。在各个100至700英尺标记上对从各个轨道源、大地表面落锤法及振动器源获得剪切波计算剪切波速度。在各个情况中，从各种深度测定的剪切波速度是非常接近的，偏差是在10%之内。对设置在邻近位置的轨道源、落锤法、振动器源及海洋振动源的P波速也在各个深度直至700英尺的探测器记录其数据。此处，将各个深度段中压缩波的速度比较，发现结果是吻合而偏差是微小。
因此，从表面轨道源40的野外试验结果显示如下1.该表面轨道源产生剪切波;
2.该源产生压缩波;
3.剪切波和压缩波速度的比较，在相同试验地区上不论用落锤法、剪切和P波振动器及海洋振动器所获的数据比较结果均令人满意;
4.记录下的波形并不因反射而显著地畸变;
5.速度测量可应用扫掠频率和相位;及6.通常出现在现有振动器中的二次谐频压缩波，在轨道源振动器中不存在。
再参照图5，通过检验压缩波扫描线100，可注意到，该扫描线是清晰并简洁的、不包含二次谐频压缩波。此外，组102和组104记录线的比较，可将剪切东西方向与剪切南北方向的记录线加以比较以显示在振动器的作用下大地介质中的波动实际上是在轨道上运动的。通过将出现在(1)100英尺水平位处的剪切波拾震器仪的记录线组102和在(2)100英尺水平位处获得的信号的记录线组104进行比较，我们可以看到，在检查对应的100英尺水平位的记录线间的相位时，在整个扫描期间它们一直保持90°的相位差。在其它各对应的200英尺处、300英尺处及其它下面的水平位处这种记录线组102与104之间的90°的相位差值也都一样出现。由于相位差值是恒定地存在并可在各个水平位处正确地加以推导，因而大地介质的波动事实上在振动粒子位移的影响下是绕轨道运动的，且产生真实的椭圆偏振波。
图6为说明一椭圆偏振剪切波振动器110的示意图，该振动器利用了一线性振动器元件的组合，这些元件是以可调节的角度互相连接着，以向地球赋予在长轴和短轴的关系上可调的椭圆剪切波。因此，具有多个无定向稳定的大地连接元件114的基板112是由中央传动齿轮组件116可转动地固定于具有大地连接部件120的基板118上。振动器112可在振动器SA控制器122控制下作纵向振动，而振动器118也同样可用振动器SB控制器124控制。各个振动器控制器122和124接收从适宜的扫描发生器126来的扫描输入，然而，在振动器控制频率变化的情况下，可用一种分频之类来实现。依赖于相互作用力的大小，在中央传动齿轮组件116提供以某种振动隔离器是极为理想的。
操作中，振动器112与振动器118的相对定位可调节在选定的角度上，而作用于各个振动器112和118的往复驱动力也可变化。以这些变化方式，偏心的偏振剪切波可按照位移矢量及相位关系而加以调节。此外，相位关系仍可通过控制来自振动器122和124所加的控制信号的相位关系而加以改变。
图7的振动器的安排说明相同的振动器基板112和118，虽然彼此分开操作但在它们与大地连接的位置上极为接近地定位。在此，振动器再次运转以便分别在基板112与118施加一线性往复力，而从剪切波振动的粒子位移合并成偏心的偏振剪切波通过大地介质而向下传播。相位差及偏振剪切波的椭圆手型可通过调节从振动器控制122和124的控制信号的相对相位而进行控制，而偏振剪切波的长轴和短轴的关系可通过控制位移矢量或施用于各基板上的振动力的大小加以改变。
极其可能由于使用椭圆偏振剪切波而开创利用在迄今之前未加以利用的地震能量关系而探测地震的新方法。因此，从光学椭圆测量技术中抽取可能的相似性则可能测量诸如相对相位变化及相对振幅衰减等椭圆偏振参数，以便测定地表下物质的物理常数或测定厚度和/或确定性的鉴别地表下岩层。通过使用椭圆剪切波数据上述可能性是存在的，可以预见本发明的方法将在钻孔测井，垂直地震部面法探测，表面地震测量及其它相关的探测技术获得应用。
前述公开的新的探测方法发现了迄今之前地球物理学家未曾获得的数据，可以设想对这些数据的使用将可提供更多的用于勘探中的互相关联的参数。此外，按本发明的方法制造的源和它的应用是可能提供一压缩和交叉偏振剪切波的特殊组合以便配合使用以获得更大量的情报。
可在对前述说明书中并示于图中的元件的组合和安排做出各种改变，显然，对公开的实施例也可在不偏离本发明限定于下述权利要求
的精神和范围下可做出各种改变。
权利要求
1.在大地介质中产生椭圆偏振剪切波的方法，其特征在于，此方法包括-将一大地连接部件连接到大地介质，该连接部件相对大地介质是无定向反抗水平方向运动上的；及-在一选择的时间内向所述大地连接元件施加一转动的力；从而在大地介质中产生是所述转动力的转动率的函数的椭圆偏振剪切波。
2.按照权利要求
1所述的方法，其特征在于，其中所述转动的力是常值而所述偏振剪切波是圆形的。
3.按照权利要求
1所述的方法，其特征在于，其中所述施加一转动力的方法的步骤包括在一预先选择的转动率下转动至少一个与大地连接部件转动性连接的偏心载重。
4.按照权利要求
3所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括改变所述至少一个偏心载重的转动方向从而改变所述椭圆偏振剪切波的转动手性。
5.按照权利要求
3所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括改变所述至少一个偏心载重的合成力从而改变所述椭圆偏振剪切波的位移矢量。
6.按照权利要求
4所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括改变所述至少另一个偏心载重的合成力，从而改变所述椭圆偏振剪切波的位移矢量。
7.按照权利要求
1所述的方法，其特征在于，其中所述连接和施加转动力的方法进一步包括一重复地在一选择的第一方位角上产生第一个线性力以施加于所述大地连接部件;及一重复地在一选择的第二方位角上产生第二个线性力以施加于所述大地连接部件;而其所产生的合力为所述椭圆偏振剪切波。
8.按照权利要求
7所述的方法，其特征在于，其中所述大地连接部件是两个分开的放置在极为邻近的位置的基板，且无定向抗水平运动的。
9.按照权利要求
7所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括改变第一及第二线性力以改变合成位移矢量力;从而控制所述剪切波的椭圆偏振构型。
10.按照权利要求
7所述的方法，其特征在于，该方法还包括控制所述第一和第二线性力的激发的相对相位以控制合成力的转动方向从而控制所述剪切波的手性。
11.探测地震的方法，其特征包括-将大地介质与一能在所述大地介质中产生椭圆性偏振剪切波的地震源连接;及-利用至少一粒子运动探测器探测所述椭圆偏振剪切波，及接收并记录该数据。
12.按照权利要求
11所述的方法，其特征在于，所述探测点是选择在一钻孔中的一位置上。
13.按照权利要求
11所述的方法，其特征在于，所述探测点是选择在大地表面上距振动源一定距离的地方。
14.按照权利要求
11所述的方法，其特征在于，其中所述探测步骤进一步包括利用放置在钻孔中相互间隔的位置上的多个正交探测器探测所述剪切波。
15.按照权利要求
11所述的方法，其特征在于，其中所述探测步骤进一步包括利用放置在沿大地表面上相间隔的位置上的多个正交探测器探测所述剪切波。
16.按照权利要求
11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括将接收到的各正交的相关形式的数据进行处理以产生各压缩分量信号和各剪切分量信号。
17.按照权利要求
14所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将接收到的各正交的相关形式的数据进行处理以产生各压缩分量信号和各剪切分量信号。
18.按照权利要求
15所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括将接收到的各正交的相关形式的数据进行处理以产生各压缩分量信号和各剪切分量信号。
19.按照权利要求
11所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括选择性倒转地震源的椭圆偏振特性的手性。
20.按照权利要求
9所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括按照具已知时间间隔内的脉冲函数改变所述第一和第二力。
21.按照权利要求
9所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括按照预先选择的起始和终止频率间的扫描频率的函数改变所述第一和第二力。
22.按照权利要求
9所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括按照在一预先选定时间间隔内一选择的连续频率的函数改变所述第一和第二力。
专利摘要
本发明涉及在一地球介质内利用振动产生的椭圆偏振剪切波供其后探测一维或多维正交粒子运动的地震勘探的方法。本发明依赖一种耦合一连续转动的纵向力到一大地介质剪切波源从而传播一椭圆偏振剪切波以供折射、反射或地表下探测，可能范围内的各种合适的勘探形式。
文档编号G01V1/053GK87103768SQ87103768
公开日1988年3月2日 申请日期1987年5月21日
发明者杰克·H·科尔, 约翰·S·格治利 申请人:康诺科有限公司