井间弹性波层析成像系统和方法与流程

本发明涉及井间地震层析成像技术领域，具体地指一种井间弹性波层析成像系统和方法。

背景技术：

井间地震层析成像技术是一种直接在井中激发、井中接收的勘探方法，该方法摆脱了地面地震勘探方法的近地表层影响，并且离探测地下地质体近、能量传播距离短，从而可以获得高分辨率和高信噪比的地震信号，能够探测地下地质体的精细结构和岩性变化，从而有效准确的确定异常地质体的空间位置。目前，井间地震层析成像技术在地球构造研究、油气矿藏等领域得到迅速发展，各种理论方法日臻成熟，同时该技术也不断向工程领域渗透，广泛应用在工程地质勘察和土木工程质量检测等方面，对各种工程检测的异常体如岩溶、陷落柱、裂隙、裂缝、断裂破碎带、软弱夹层、地下空洞和不明埋设物等具有很好的效果。

目前，井间地震层析成像由于受井孔尺寸和交通等各种因素的制约，导致该方法探测的穿透距离有限。除此以外，井中激发震源主要以人工震源为主，该震源不仅价格昂贵且对自然环境造成了一定程度上面的破坏，尤其在密集建筑群且有环保要求的城市，人工震源爆破往往难以开展。显然该方法由于依赖于人工震源，因而在应用领域存在一定的局限性。本发明提出利用天然背景噪声作为场源，摆脱了昂贵的人工震源，在节省开支的同时对保护了生态环境，同时能减少野外工作，大大提高了工作效率。本发明相较于传统井间地震层析成像方法，观测系统设置于地表，不受井间距离的限制，能在一定程度上提高探测穿透距离。背景噪声也叫地脉动(microwave)，是指在没有任何地震事件发生的情况下，地震仪器记录的平稳随机信号。研究表明，它的激发源主要由海洋波浪、大气扰动、人类活动等随机震源组成，激发后的振动信号经过地下非均匀介质多次散射和折射后最终被地震仪器所记录。传统的地震学研究一直将背景噪声视为干扰信息，想方设法对其进行压制或去除。由于背景噪声本质上也是一种在地球内部传播的波，所以其必然也携带地球内部介质的某些信息。目前，利用背景噪声进行地下介质层析成像技术在探测地壳及上地幔的速度结构领域已经普遍应用，但是将方法引入工程地震层析成像领域并未涉及。

技术实现要素：

本发明的目的就是要提供一种井间弹性波层析成像系统和方法，本发明提出利用天然背景噪声作为场源，摆脱了昂贵的人工震源，在节省开支的同时对保护了生态环境，同时能减少野外工作，大大提高了工作效率。本发明观测系统布置于地表，不受井间距离的限制，能在一定程度上提高探测穿透距离。

本发明所设计的一种井间弹性波层析成像系统，它包括地震仪主机、电脑、多个检波器，所述第一井口和第二井口之间的地面上沿两井口的连线方向布置有多个检波器，所有检波器的地震波信号输出端均连接地震仪主机的地震波信号输入端，所述地震仪主机的地震波信号输出端连接电脑的信号输入端，电脑对地震波信号进行井间弹性波层析成像得到井间地下介质速度结构。

一种基于上述系统的井间弹性波层析成像方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：电脑对地震仪主机采集到的原始波形记录进行如下预处理；

首先，剔除原始波形记录中异常波形，异常波形为波形中存在超过5％的采样时间缺失所对应的波形；

再对剔除异常数据后的波形记录进行带通滤波处理，保留频率范围在1～50hz的背景噪声信号；

然后对带通滤波处理后的背景噪声信号进行时间域归一化处理，得到不受突发噪音影响的新的时间序列，该新的时间序列为真实背景噪声数据；

步骤2：得到任意两个检波器采集的真实背景噪声数据的噪声互相关函数；

其中，ux(t)和uy(t)分别表示任意两个检波器采集到的原始波形记录经预处理之后得到的真实背景噪声信号，τ表示任意两个检波器采集到的原始波形记录经预处理之后得到的真实背景噪声信号之间的时间间隔，tc表示做互相关计算的时间长度，t表示时刻；

n个检波器采集得到n个背景噪声信号，将这n个背景噪声信号中的每2个信号进行噪声互相关函数计算，得到n(n-1)/2个互相关函数；

步骤3：由步骤2所得的噪声互相关函数提取经验格林函数，对于任意两个检波器，其噪声互相关函数cxy(t)，经验格林函数和真实格林函数gxy(t)之间的关系表示为：

gxy(t)表示脉冲震源作用于第一个检波器时，第二个检波器接收的真实格林函数；与之对应，gyx(-t)表示脉冲震源作用于第二个检波器时第一个检波器接收的真实格林函数，表示脉冲震源作用于第一个检波器时，第二个检波器接收的经验格林函数，表示脉冲震源作用于第二个检波器时第一个检波器接收的经验格林函数；

步骤4：将步骤3所得的经验格林函数进行频散曲线提取；

步骤5：将步骤4所得的频散曲线进行瑞利面波速度层析成像，得到不同周期的瑞利面波相速度分布；对不同周期的瑞利面波相速度分布利用最小二乘方法获得区域内每个周期面波的相速度图像；

步骤6：各个井下检波器组得到的横波测井曲线，根据横波测井曲线中横波速度与深度的关系建立地下深度与横波速度模型，对地下深度与横波速度模型进行正演计算合成一组理论频散曲线，理论频散曲线与步骤5中相速度图像的频散曲线求最小二乘意义下的残差最小解迭代更新模型，对该更新模型反演出地下s波速度结构，即不同深度的地下介质s波的速度结构，实现井间弹性波层析成像。

本发明的有益效果：

本发明利用天然背景噪声作为场源，摆脱了人工震源，节省了人工震源费用，对自然环境没有破坏，减少了野外人工劳动力并提高了工作效率。这种新的井间弹性波层析成像方法相比于常规井间层析成像方法，其观测系统布置于地表，不受井间距离的限制，本发明观测系统布置于地表，不受井间距离的限制，能在一定程度上提高探测穿透距离。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的流程示意图。

其中，1—地震仪主机、2—检波器、3—第一井口、4—第二井口、5—电脑、6—井下检波器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示的井间弹性波层析成像系统，如图1所示，它包括地震仪主机1、电脑5、多个检波器2，所述第一井口3和第二井口4之间的地面上沿两井口的连线方向布置有多个检波器2，所有检波器2的地震波信号输出端均连接地震仪主机1的地震波信号输入端，所述地震仪主机1的地震波信号输出端连接电脑5的信号输入端，电脑5对地震波信号进行井间弹性波层析成像得到井间地下介质速度结构。

所述相邻两个检波器2之间的距离为1～5米(检波器的间距选取与分辨率有关，野外工程上面的井深大约在100米左右，根据野外经验选取1～5m的间距是有效的，可以探测分辨率为1-5m的地下地质结构)。

所述第一井口3或第二井口4内设有井下检波器6，井下检波器6通过绳子由井底至井口提升，用于得到横波测井曲线。横波测井曲线作为提取频散曲线的约束条件，可以提高提取的频散曲线质量，此外还可以为初始模型的建立提供理论依据。横波测井曲线的获取方式为：在工作区域布置野外井中数据采集装置，用铁锤水平敲击木板右端，地表产生的横波经地层传播，由井中气囊式三分量检波器接收，然后经信号电缆传送到地面速度记录仪，测得井中一个点的速度值之后，再将井边滑轮上的钢丝绳向上提拉，测下一个点的速度值，依次向上拉，得到沿井壁的一条横波速度曲线。

常规的井间地震层析成像方法用到的震源是人工震源，包括脉冲性震源和可控性震源，这类震源在井中激发，可能产生次级裂缝或断裂，对井下地质环境可能造成一定的破坏。本发明是以天然背景噪声作为场源，不需要人工激发地震波，对环境无破坏，解决了城市地震波大深度勘探中震源扰民、阻碍交通和耗能污染等问题。天然背景噪声是一种地脉动，采集该信号的检波器可以用传统低频地震检波器，也可以用高精度低频拾震仪。

常规井间地震野外数据采集是在一口井内放置震源，激发地震波，在另一口井中用检波器接收。本发明数据采集是在两口井之间的地面上分别放置检波器，都接收低频随机背景噪声。如图1所示的井间弹性波层析成像方法的野外数据采集，它主要包括：

在工作区域布置野外地面数据采集装置：在第一井口3附近的地面上放置一台地震仪主机，将第一井口3与第二井口4的连线作为测线，在这条测线上布置若干检波器，检波器等间距排列，地震仪主机通过一条主电缆线分别与各检波器相连，检波器接收到的连续波形信号经电缆传送到地面地震仪主机。

一种上述系统的井间弹性波层析成像方法，如图2所示，它包括如下步骤：

步骤1：电脑5对地震仪主机1采集到的原始波形记录进行如下预处理；

首先，剔除原始波形记录中异常波形，异常波形为波形中存在超过5％的采样时间缺失所对应的波形；

再对剔除异常数据后的波形记录进行带通滤波处理，保留频率范围在1～50hz的背景噪声信号；

然后对带通滤波处理后的背景噪声信号进行时间域归一化处理，得到不受突发噪音影响的新的时间序列，该新的时间序列为真实背景噪声数据(该设计能够自动搜索判断地震干扰信号并予以去除这些干扰，提高信噪比)；目前运用较为普遍的归一化方法是参考文献bensengd,ritzwollermh,barminmp,etal.2007.processingseismicambientnoisedatatoobtainreliablebroad-bandsurfacewavedispersionmeasurements.geophysicaljournalinternational.,169:1239-1260推荐的滑动绝对平均方法；

步骤2：得到任意两个检波器2采集的真实背景噪声数据的噪声互相关函数(该设计用于从背景噪声中得到有效的面波信号)；

其中，ux(t)和uy(t)分别表示任意两个检波器2采集到的原始波形记录经预处理之后得到的真实背景噪声信号，τ表示任意两个检波器2采集到的原始波形记录经预处理之后得到的真实背景噪声信号之间的时间间隔，tc表示做互相关计算的时间长度，t表示时刻；

n个检波器2采集得到n个背景噪声信号，将这n个背景噪声信号中的每2个信号进行噪声互相关函数计算，得到n(n-1)/2个互相关函数；

步骤3：由步骤2所得的噪声互相关函数提取经验格林函数，对于任意两个检波器2，其噪声互相关函数cxy(t)，经验格林函数(它受噪声源空间分布、频谱特性的影响与真实的格林函数存在差异)，和真实格林函数gxy(t)之间的关系表示为：

gxy(t)表示脉冲震源作用于第一个检波器(2)时，第二个检波器2接收的真实格林函数(也就是检波器1相当于震源，检波器2相当于接收)；与之对应，gyx(-t)表示脉冲震源作用于第二个检波器2时第一个检波器2接收的真实格林函数，表示脉冲震源作用于第一个检波器2时，第二个检波器2接收的经验格林函数，表示脉冲震源作用于第二个检波器2时第一个检波器(2)接收的经验格林函数；

该步骤用于提取经验格林函数，得到面波地震信号；

步骤4：将步骤3所得的经验格林函数进行频散曲线提取，文献：yaohj,vanderhilstrd,v.dehoopm.2006.surface-wavearraytomographyinsetibetfromambientseismicnoiseandtwo-stationanalysis-ⅰ.phasevelocitymaps.geophysicaljournalinternational,166:732-744；

该步骤用于得到频散曲线；

步骤5：将步骤4所得的频散曲线进行瑞利面波速度层析成像，得到不同周期的瑞利面波相速度分布；对不同周期的瑞利面波相速度分布利用最小二乘方法获得区域内每个周期面波的相速度图像，具体过程见文献yaohj,vanderhilstrd,montagnerjp.2010.heterogeneityandanisotropyofthelithosphereofsetibetfromsurfacewavearraytomography.journalofgeophysicalresearch,115:b12307；

该步骤能得到不同周期的瑞利面波相速度分布；

步骤6：各个井下检波器组得到的横波测井曲线，根据横波测井曲线中横波速度与深度的关系建立地下深度与横波速度模型，对地下深度与横波速度模型进行正演计算合成一组理论频散曲线(表征相速度和周期的曲线关系)，理论频散曲线与步骤5中相速度图像的频散曲线求最小二乘意义下的残差最小解迭代更新模型，对该更新模型反演出地下s波速度结构，即不同深度的地下介质s波的速度结构，具体过程见参考文献：武振波，2016，青藏高原东北缘与西缘地壳结构及其对高原生长机制的制约，中国科学院大学；实现井间弹性波层析成像。

上述技术方案的步骤4中，本发明中，在提取频散曲线的时候，通过井中观测得到一条不同深度下的横波速度值，将这条横波测井曲线作为约束条件，得到一系列可靠的频散曲线。在这个过程中，横波测井曲线是横波与深度的关系，根据周期为深度与速度的比值，将横波与深度的关系转换为周期与速度的关系。将周期对应的速度值作为先验条件，再提取一系列可靠的频散曲线。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。