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1、频谱整形技术的计算机模拟研究袁子龙(安达大庆石油学院)幺景臣(盘锦辽河石油勘探局研究院)袁子龙 幺景臣: 频谱整形技术的计算机模拟研究, 石油仪器, 1997, 11 (5) , 34 36, 61。摘要 地层的高频吸收衰减效应是导致地震勘探分辨率不高的主要原因, 在高分辨率野外地震数据采集系统中, 频谱整形滤波器 (SSF ) 是所设置的重要部件。 文章讨论了地层吸收衰减与地震波的传播距离、频率、时间和介质波速的关系; 用计算机模拟的方法研究地层吸收衰减使分辨率降低的程度和 SSF 对高频信号的补偿效果, 指出 了 SSF 对分辨率的补偿量只占由于地层吸收衰减而导致分辨率降低量的 42. 5
2、 % 左右。主 题 词 地震勘探 地层吸收 高分辨率 频谱 整形滤波作者介绍 袁子龙 副教授, 1961 年生, 1994 年毕业于大庆石油学院应用地球物理专业获硕士学位。 现在大庆石 油学院勘探系物探教研室, 从事仪器理论研究与电路设计、高分辨率地震勘探研究、储层预测研究及教学工作。 邮编: 151400度 V V 有直接关系。品质因数 Q是岩石对弹性波的前言吸收特性一种表达方式, 它是耗散能 % 与储能 E的 比率, 表达式为地层的高频吸收衰减效应是导致地震勘探分辨率不高的主要原因, 高分辨率地震勘探要求其数据 采集系统具有较大的瞬时动态范围和系统 动 态 范围。 为此, 在高分辨率地震勘
3、探的数据采集中, 设置了 24 位 A D 转换器和频谱整形滤波器 (SSF )。设 置 24 位 A D 转换器只对扩大仪器的瞬时动态范围 有好处, 可使有效的瞬时动态范围扩大到 114 dB。设置 SSF 不仅可以扩大仪器的瞬时动态范围, 更重 要的是可以弥补地层对高频的吸收衰减效应和扩大仪器的系统动态范围, 提高高频信号的信噪比, 有效 提高了地震勘探的分辨率。 %(V V ) 2. 2(2)Q =142%其中 E 是处于最大应力和应变状态下的弹性能; %是 谐 波 每 振 动 一 个 周 期 的 能 量 损 耗。其 中 V V 以km s 为单位。将 Q = 代入式 (2) , 可以推
4、导出 的表达式为 (3)=14 (V V )2. 2将式 (3) 代入式 (1) 得到式 (4)r-A = A o r ( t) r e2. 2(4)14 (V V )因为 r =V V r t, = V V f , 所以式 (4) 可变换为 0. 224 f t-A = A o r ( t) r e2. 2(5)(V V )地层吸收衰减效应1由 式 ( 5) 可以看出: 反射界面埋藏越深, 地层对波的吸收越严重; 在反射波的各频率分量中, 频率越 高, 地层对其吸收越严重; 地震波的传播速度越低, 地层对波的吸收越严重。 针对某一特定地区和某一确定层位, 时间深度 t 和速度 V V 均是常
5、数, 这时式(5) 只反映了波的频率越高, 地层对其吸收越严重。 某一地区的 V o = 1 880 m s, = 0. 000 26m , 取时间深度 t= 2. 0 s, 则平均速度为2在均匀吸收介质中传播的平面波振幅方程为A = A o r ( t) r e2r(1)其中, A o 为初始振幅; ( t) 为波动函数; 为吸收系数, r 为平面波传播的距离。 当把地层看作均匀介质时, 其介质的速度为地层 的平均速度 V V , 介质对地震波的吸收与地层速V o tV V = 2 e1 = 2 424 m s2 -t所以式 (5) 可变换为20. 063 9 fA = A o ( t) e
6、(6)则地层的吸收衰减因子可表示为D = e20. 063 9 f(7)地层吸收衰减效应对地震分辨率影响的计算机模拟分析建立具有一个反射面的简单地质模型如图 1 所示。图 1 均匀吸收地质模型选择 f o = 30 H z 零相位雷克子波为地震子波, 若不 考虑地层吸收衰减效应, 则分辨率不会降低, 反射波图 3地层吸收衰减与频谱整形技术的计算机模拟流程( t)和振幅谱 F (f )的时间域波形 f如图 2 所示。图 4 有地层吸收衰减情况下的地震响应y 1 ( t) 和振幅谱 Y 1 (f ) 如图 4 所示。由图 2 和图 4 的 振幅谱对比可以看出, 反射波的主频率由 30 H z 降低
7、为 f 1 = 18 H z, 所以可分辨的地层最小厚度为图 2 无地层吸收衰减情况下的地震响应可分辨的地层最小厚度为V V = 20. 20 mV VZ o =4 =Z 1 = 33. 67 m4 f o4 f 1分辨率 R 与可分辨地层的最小厚度 Z 成反比,比例系数为 P , 则上述种情况下的分辨率为考虑到地层吸收衰减效应, 用计算机对此进行正演模拟, 其流程如图 3 所示。所获得的地震反射波R o = P Z o R 1 = P Z 1由于地层吸收衰减效应使分辨率降低的百分数为表 1 地层吸收和 IO SY STEM SSF补偿 (V V = 2 424 m s, t= 2. 0 s)
8、R 1 1 1R o 100 %= Zo (-) 100 % = 40 %Z oZ 1IO SY STEM 数控地震仪 SSF对分辨率的改善在起始频率到终了频率之间, 频谱整形滤波器图 6 地层吸收与 SSF 补偿对比经过地层传输以后, 地震信号的高频成分损失严重, 使分辨率降低, 频谱整形滤波器对高频信息给 一定的补偿, 使分辨率有一定提高, 其计算机正演模 拟过程也体现在图 3 中。 频谱整形以后地震反射波y 2 ( t) 和 Y 2 (f ) 如图 5 所示。图 5IO SY STEM SSF 频谱整形后的地震响应其反射波的主频率由 18 H z 提高到 f 2 = 23 H z,分辨的
9、地层最小厚度为可的增益随频率的升高而增大, 频率提升速率为每倍频程 6 dB 3 , 频谱整形系数的振幅谱和相位谱为式(8) 4V V Z 2 = 26. 35 m4f 22 2 () 21 + CR H + R EK (f ) =2C 2R 21 +频谱整形滤波器对高频信息补偿以后, 相对无地层吸收衰减情况, 分辨率降低的百分数为H(8)a rctg CR E 5 (f ) =1 + 2C 2R H (R E + R H )R 211R o 100 %= Zo (-) 100 %= 23 %Z oZ 2频谱整形滤波器对分辨率补偿的百分数为 17 % 。也就是说在损失 40 % 的分辨率中,
10、IO SYST EM 中 的 SSF 只能补偿 17 % , 还有 23 % 未被补偿。其原 因是该 SSF 电路阶次低 (相当一阶电路) , 则高频提(下转第 61 页)当选择 R H = 1 254 8、R H = 11 136 8、C = 0. 812 5 F时, 频谱整形系数的振幅谱和相位谱4210 + 39. 91 fK (f ) =104 + 0. 41 f 2(9)56. 85 r f5 (f ) = a rctg103 + 0. 40 r f 2频率 (H z)4550556065707580地层吸收 (dB )25. 027. 830. 533. 336. 138. 941.
11、 644. 4SSF 补偿 (dB )9. 210. 010. 711. 311. 812. 312. 813. 2频率 (H z)510152025303540地层吸收 (dB )2. 85. 68. 311. 113. 916. 719. 422. 2SSF 补偿 (dB )0. 41. 42. 74. 15. 36. 57. 58. 4AB S TRAC TSChen , Z. Ch. : D evelop in g New Gen era t ion Geophy s ica l In strum en ts Su ita ble f or the Requ irem en ts of
12、Petro leum Exp lora t ion an d Product ion of Ch ina , P I, 1997, 11 (5) , 3 10.N ow aday s th e se ism ic p ro sp ect ing tech n ique s a re exp and ing in to th e exp lo ita t ion reg ion fo r th e w ho le w o r ld, th e re a re m anych a lleng ing tech n ica l p rob lem s faced w ith fo r se ism
13、ic tech no logy go ing in to exp lo ita t ion reg ion of ou r coun t ry . T h e m a in p rob lem s in C h ina, m o st o il2ga s accum u la t ing re se rvo ir a re sand re se rvo ir w ith con t inen ta l depo sit ion, th e th ick ne ss of sing le laye r is ve ry th in to be abou t seve ra l m e te r
14、s o r le ss. A cco rd ing to th e cap ab ility of p re sen t se ism ic re so lu t ion, on ly abou t 15 m e te r s th ick sand laye r s can be d ist ingu ish ed w ith 3 000m e te r s bu r ied deep. If w e p u sh th e se ism ic tech no logy to go deep ly in to exp lo ita t ion reg ion to do re se rvo
15、ir de scr ip t ion, ch a racte r iza t ion and su rve illance, th e se ism lc re so lu t ion h a s to be im p roved f ir st. T h e requ irem en t s of h igh 2re so lu t ion se ism ic tech no logy of C h ina a re m o re u rgen t th an any o th e r coun t ry. T h e p ract ica l need s of p e t ro luem
16、 exp lo ra t ion and p roduct ion of ou r coun t ry m u st be con side red in deve lop ing new gene ra t ion in st rum en t s. W e shou ld exe r t ou r se lve s in im pov ing th e dynam ic range of in stan taneou s reco rd ing, enh ancing h igh 2f requency info rm a t ion and be t te r signa l to no
17、 ise ra t io to m ee t h igh 2re so lu t ion exp lo ra t ion of ou r coun t ry f ina lly.Subject W ords: se ism ic exp lo ra t ion, h igh re so lu t ion, in stan taneou s reco rd ing, dynam ic range, h igh f requency signa l2no ise ra t io , in te lligen t acqu isit ion sta t ionZen g, Q. Y. , L iu,
18、 Y. , Q i, Y. W. an d Zha o, Sh. G. : A Suma ry of Telem etery Se ism om eter s D evelopm en tL evel, P I, 1997, 11 (5) , 11 15.In o rde r to m ee t th e need s of h igh 2re so lu t ion se ism ic exp lo ra t ion, a ll k ind s of te lem e t ry se ism ic in st rum en t s a re deve lop edrap id ly and
19、v igo rou sly, acco rd ing ly w ide ly u sed in 3D se ism ic exp lo ra t ion. T h is a r t icle b r ief ly in t roduce s th e sup r io r ity of te lem e t ry se ism ic in st rum en t and th e nece ssity and cu r ren t leve l of it s deve lopm en t. B y m ak ing a com p a r ision w ith th e sp ecif i
20、ca t ion am ong som e typ e s of th e sy stem. T h e au tho r offe r s sugge st ion s on th e in st rum en t a lloca t ion fo r p ro sp e st ing crew.Subject W ords: te lem e te r ing se ism om e te r, da ta t ran sm ission, h igh re so lu t ion, deve lopm en t leve l, sugge st ionHuan g, F. T. : Je
21、n era l D evelopm en t S itua t ion in Petro leum Geo logy Exper im en ta l Techn iques, P I, 1997, 11(5) , 16 26.T h is p ap e r ou t line s th e p e t ro leum geo logy exp e r im en ta l tech n ique s of C h ina in recen t yea r s f rom 6 a sp ect s, such a s o rgan icgeoch em ist ry, p e t rop h
22、y sica l p rop e r ty, rock m ine ra l, rock g ra in , o il2ga s2w a te r and ino rgan ic ch em ist ry and eva lua te s a ll k ind s of th e exp e r im en ta l tech n ique s, th e ana ly t ica l m e thod s and th e app lica t ion s of th e exp e r im en ta l app a ra tu se s deve lop ed in a ll o il
23、 f ie ld s inC h ina and in t roduced f rom o th e r coun t r ie s. T h e p ap e r po in t s ou t th a t th e p e t ro leum geo logy exp e r im en ta l tech n ique s a re deve lop ing tow a rd s th e d irect ion of th e m icro, fa st2sp eed, m icroa rea, quan t ita t ive and m o lecu la r st ructu r
24、e ana ly sis, fu lly ref lect ing th a t th e p e t ro leum geo logy exp e r im en ta l tech ique s h ave m oved tow a rd s a new p h a se.Subject W ords: p e t ro leum geo logy exp e r im en t, ana ly t ica l tech n ique, jene ra l deve lopm en t situa t ion , com p reh en sive eva lua t ionGuan ,
25、W. L. , W an , Z. M. an d Chen , Y. Ch. : 3D Phy s ica l-M odel in g Exper im en ta l Equ ipm en ts an dExper im en ta l Techn iques, P I, 1997, 11 (5) , 27 30.A se t of exp e r im en ta l equ ipm en t s of low 2p re ssu re sca le m ode l and th e co r re spond ing labo ra to ry exp e r im en ta l t
26、ech n ique s h avebeen deve lop ed succe ssfu lly by E xp lo ra t ion and D eve lopm en t R e sea rch In st itu te of L iaoh e O ilf ie ld. T h e exp e r im en ta l equ ipm en t s and tech n ique s h ave been w ide ly u sed in scien t if ic re sea rch and p roduct ion. T h e p ap e r in t roduce s t
27、h e exp e r im en ta l equ ipm en t s, expound s th e th ree2dem en t iona l p h y sica l m ode ling exp e r im en ta l tech n ique and It s deve lopm en t t rend in fu tu re.Subject W ords: o il re se rvo ir num e r ica l sim u la t ion, th ree2dem en t iona l m ode l, exp e r im en ta l equ ipm en
28、 t, low 2p re ssu re sca le m ode l, deve lop ing t rendHa o, Z. X. , Zhuan g,M. Zh. an d Sun , Z. Ch: W el l-Test an d Test in g Techn o logy Fa c il it ies in Ch ina , P I, 1997, 11(5) , 31 33, 53.T h e fo rm a t ion eva lua t ion te ste r is a advanced w e ll2te st equ ipm en t, w h ich began to
29、be im po r ted and deve lop ed in th e 1970sin C h ina. A ll k ind s of fo rm a t ion te ste r s im po r ted f rom aboa rd and deve lop ed by it se lf a re in t reduced sy stem a t ica lly, a s w e ll it s st ructu re fea tu re s, funct ion s and u se a re in t roduced in cla ssif ica t ion.Subject
30、W ords: exp lo ra t ion and w e ll2te st, te st ing tech no logy equ ipm en t, st ructu ra l fea tu reY uan , Z. L. an d Ya o, J. Ch. : Com puter Ana logue Study on Spectrum Sha p in g Techn o logy, P I, 1997, 11 ( 5) , 34 36, 61.T h e effect of ea r th s ab so rp t ion w ane to th e h igh f requenc
31、y signa l is th e ch ief rea son fo r cau sing th e re so lu t ion of th e se ism icp ro sp ect ing no t be ing h igh. In th e f ie ld se ism ic da ta sy stem of h igh re so lu t ion, th e sp ect rum sh ap ing f ilte r (SSF ) is a im po r tan t p a r t w h ich w e se t. In th is p ap e r, th e re la
32、 t ion s be tw een th e ea r th s ab so rp t ion w ane and th e comm un ica t ion d istance of se ism ic w ave, f requence, t im e and m ed ium ve locity a re d iscu ssed. T h e leve l of re so lu t ion reducing due to ea r th s ab so rp t ion w ane andth e SSF com p en sa t ion effect to th e h igh
33、 f requency signa l a re stud ied by u sing th e com p u te r ana logue tech n ique. It is po in ted ou t th a t th e SSF re so lu t ion com p en sa t ion is on ly abou t 42. 5% in th e re so lu t ion reducing cau sed by ea r th s ab so rp t ion w ane.Subject W ords: se ism ic exp lo ra t ion, ea r
34、th s ab so rp t ion, h igh re so lu t ion, f requency sp ect rum , sh ap e f ilte r ingSha o, R. X. : The Se ism ogra ph In terf eren ce S igna l s an d Restra in t M ethods, P I, 1997, 11 (5) , 37 40.A t p re sen t, th e se ism og rap h w ith 242b it A D conve r te r h a s low no ise, low d isto r
35、t ion, h igh sam p le ra te and la rge rin stan taneou s dynam ic range. It h a s rea lized th e reco rd of m icro 2vo lt signa ls, crea ted th e cond it ion fo r th e se ism ic p ro sp ect ing of th e h igh re so lu t ion. A lthough th e geop hone p ick ing up se ism ic signa ls doe s no t reach th
36、 e deve lopm en t leve l of p re sen tse ism og rap h, a lso ach ieve s a cen ta in of th e p rog re ss. N ow th e m e thod s and m ean s re st ra ined th e env irom en ta l in te rfe rence signa l a lm o st h ave no p rog re ss du r ing th e se ism ic acqu isit ion. th u s th e se in te rfe rence s
37、igna ls m e rge th e w eak h igh 2f requeney ref lect ion signa ls in se ism ic p ro sp ect ing. becau se th e se in te rfe rence signa ls h ave w ide f requeney2baud and random , w e seem h av ing no w ay ou t it. In fact, w e can effect ive ly re st ra in th em by ana lyzing th e p a th en te red
38、by th e in te rfe rence singna ls, m ak e th e inf luence of th e in te rfe rence signa ls on effect ive se ism ic signa ls ruduce to a m in ium in o rde r to enh ance th e signa l2no ise ra te of se ism ic da ta. Subject W ords: se ism om e te r, in te rfe rence signa l, comm on inh ib it ion , cab
39、 le, se ism og rap hHe, D. Q. : The New Techn ique of L a ser M icro sam p l in g f or Iso top ic Ana ly s is, P I, 1997, 11 (5) , 41 44, 49.W ith th e m icro 2ana ly sis ga s m a ss sp ect rom e te r suppo r ted, th e new tech n ique of la se r m icro sam p ling fo r iso top ic ana ly sis isu sed t
40、o ana lyze and m ea su re th e iso top e va lue s by u sing h igh 2pow e r facu sed la se r fo r h ea t ing and ab la t ing m ine ra l sam p le. It h a s abou t th e sam e ana ly sis p recision a s conven t iona l m e thod (e. g. ca rbona te m ine ra l: 13C , = 0. 1% ; 18O , = 0. 2% ) , and w ithh i
41、gh sp ace re so lu t ion. B y th is m e thod, w e can ge t iso top e va lue s of a ll k ind s of f ine st ructu re com po sit ion in m ine ra l sam p le, and deve lop th e study of iso top e geo logy and o il2ga s re se rvo ir geo logy.Subject W ords: ana lyze r, geoch em ist ry , la se r m icro sam
42、 p le, iso top e ana ly sis, ca rbona te rockW en g, Y. Sh. : D evelopm en t an d U t il iza t ion of the V ir tua l In strum en t Techn o logy, P I, 1997, 11 (5) , 45 46.T h is p ap e r sim p ly de scr ibe s th e v ir tua l in st rum en t sy stem w h ich is a da ta acqu isit ion and con t ro l sof
43、tw a re p ack age fo rM icro sof t W indow s o r D o s. T h e v ir tua l in st rum en t sy stem deve lop ed on gene ra l IO dev ice s and u se rs DLL pog ramm ed w ithM icro sof t V isua l C language a re in t roduced.Subject W ords: com p u te r, V ir tua l in st rum en t, DLL ,M icro sof t W indow
44、 sW an g, D. L. an d M a , R. L. : D evelopm en t of A utoma t ic Po s iton in g D etector f or Hor izon ta l W el l Pref ora t ion ,P I, 1997, 11 (5) , 47 49.W ith th e deve lopm en t of new tech n ique s of ho r izon ta l w e ll d r illing, a new re sea rch p rob lem h a s a r isen fo r logg ingp
45、e rfo ra t ion, th a t is , how to adop t de rect iona l p refo ra t ion tech no logy to accu ra t ly shoo t dow n to o il re se rvo ir. Com b ined w ith th e need s of p e t ro leum p roduct ion, L ogg ing E ng inee r ing D ep a r tm en t of C h angq ing P e t ro leum E xp lo ra t ion B u reau h a s deve lop ed a se t of ho r izon ta l2w e ll p e rfo ra t ion equ ipm en t s, com po sed of au topo sit ion p e rfo ra t ing gu s, de tecto r and signa ls sen so r. T h e au tom a t ic po siton ing de tecto r is im po r tan t com ponen t of th e de rect iona l2w e ll p refo ra t ion tech no
