專利名稱：：用于受控源電磁測量的對數頻譜發射器波形的制作方法
技術領域：
：0002本發明一般涉及地球物理勘探領域，特別是涉及對地下結構進行的受控源電磁(“CSEM”)測量。具體地，本發明是用于產生CSEM場的改進源波形。
背景技術：
：0003受控源電磁地球物理測量使用人造源產生電磁場激勵地球，并在地球表面、海底、大氣中或鉆孔內配置接收器儀器來測量產生的電場和磁場，即地球對源激勵的響應。圖1說明了離岸CSEM測量的基本組成。船在海底區域13上拖著潛入水中的CSEM發射器11。然后對接收器12測量到的電場和磁場進行分析，以確定地下或海底的地球結構的電阻率。該技術一直應用在濱岸礦物勘探、海洋結構研究和離岸石油和礦產資源勘探中。參見A.D.Chave，S.ConstableandR.N.Edwards，inElectromagneticMethodsinAppliedGeophysics(ed.M.N.Nambighian)，Vol.2，931-966，SocietyofExplorationGeophysicists；L.MacGregor，M.Sinha，andS.Constable，Geophy.J.Int.146，217-236(2001)；以及S.Ellingsrud，T.Eidesmo，S.Johansen，M.C.Sinha，L.M.MacGregor，andS.Constable，TheLeadingEdge，972-982(2002)；T.Eidesmo，S.Ellingsrud，L.M.MacGregor，S.Constable，M.C.Sinha，S.Johansen，F.N.Kong，andH.Westerdahl，FirstBreak20.3，144-152(2002)。0004發射器通過將選擇的低頻率周期波形的電流注入地球或海水/海底中而產生電磁(EM)場。對于內陸和空中CSEM測量，通常在頻率范圍為0.1Hz到50kHz內進行。由于海底具有低電阻率，離岸CSEM測量通常在低頻率范圍(0.01Hz到100Hz)內進行，以探測到足夠的深度。發射波形的形狀決定了其頻譜。換言之，發射器波形控制頻率內容，組成頻率的分布和相對幅度。這是根據傅立葉分析得到的，其中任一函數能夠被表示成不同頻率的一系列正弦或余弦函數。函數與正弦波越不相似，則項數越多，因此在傅立葉擴展中需要更多的頻率來得到該函數良好近似。較低頻率比較高頻率更能穿透到地球表面下下更深的地方。在目前的測量中，由于操作源飛機或船只的費用很高，所以飛機搭載發射器在地球表面上飛行或船只拖動發射器都僅僅沿每一測量線進行一次。由于地球各個深度都包含電結構，所以很希望使用一致的高功率的多個源頻率，從而使得僅進行一次源拖動就能探測到一定的深度范圍。因此，為了高效獲得數據并盡可能滿足測量目標，希望發射器波形具有一定的特征。其頻譜應該具有多個頻率，分散在足夠大的頻率范圍(帶寬)以探測感興趣的深度范圍。以每個這樣的頻率發射的能量盡可能或根據實際應相等。0005可使用多種波形。最簡單的一個為正弦波，但其只包含一個頻率。方波為一種簡單且目前使用廣泛的波形，尤其是示于圖2A的對稱波形，其正負極性具有相同的時間持續值。這種簡單的波形從技術角度上易于產生，且能夠提供有用的頻率范圍，所以已經用于CSEM工作中；參見L.M.MacGregor，ElectromagneticinvestigationoftheReykjanesRidgenear58°North，Ph.D.Dissertation，Cambridge，84-86(1997)。對稱的方波在其頻率中只有奇次諧波，且隨著頻率的增加，諧波幅度迅速減小，如圖2B所示。由于受到固定發送器功率的限制，很難收集高次諧波的高信噪比數據，除非將極多周期的數據相加。圖2A的橫坐標值進行了標準化或歸一化，以使波形的周期統一，縱坐標值也進行了歸一化，以具有統一的幅度。圖2B所示頻譜的頻率值通過除以基本頻率，也進行了歸一化，即為波形的重復周期的倒數。對于本文所有示出波形和頻譜的附圖都進行了同樣類型的歸一化。0006由Constalbe和Cox設計的特殊波形，其一次和三次諧波具有相同且相對較大的幅度(以此頻率發射功率)。圖3A和圖3B分別示出了這種“Cox”波形及其頻譜。令人遺憾的是，這兩種諧波所覆蓋的頻帶很窄[3∶1比率]，且隨著頻率增加，高次諧波的幅度減小很快。0007偽隨機二進制序列(“PRBS”)波形已為人們所知，其能提供跨越更寬頻帶的更有用的頻率。如，參考P.M.Duncanetal.，Geophysics45，1276-1296(1980)；以及S.L.Helwig，etal.，SEGAnnualMeetingExtendedAbstracts，283-285(1999)。圖4A所示為四級移位寄存器產生的PRBS，圖4B所示為其頻譜。由PRBS提供的頻率在線性頻率刻度上均勻間隔開。0008用于針對一定的地下電磁成像問題設計最優時域發射器波形的通用數值方法已在(Cherkaeva，E.andTripp，A.C.，SEGAnnualMeetingExtendedAbstracts，438-441(1997))中進行了教導。本領域技術人員很容易得到這種優化波形的傅立葉變換頻率。然而，Cherkaeva和Tripp的方法需要目標性質和深度的先驗說明，且在所教導的探測單埋藏層的例子中，所述波形包含單一頻率，其幅度隨時間正弦地變化。0009在與此處描述的發明相關但沒有直接應用的技術中，Hombostel和Thompson(美國專利第6,477,113號)教導了將專門的電磁源波形使用在電磁地震地球物理應用中，其中將源波形的頻譜設計為與廣播源頻譜之外的頻率有最小相關性。
發明內容0010在一個實施例中，本發明是用于電磁測量的周期源波形，該波形的頻譜包括四個或更多個頻率，這些在對數頻率刻度上以基本相等的間隔隔開，且覆蓋大約一個十倍頻程或更多的帶寬，所述頻率中的至少三個具有相應的幅度A，其基本等于或大于頻譜中的任何其它頻率的幅度，所述四個或更多個頻率中的剩余頻率具有至少為0.2A的相應幅度。0011在另一個實施例中，本發明是用于電磁測量的周期源波形，該波形具有周期T，且包括方波脈沖片段和零幅度片段，所述方波脈沖的幅度全都基本相同，所述片段具有的極性、大致的時間持續值以及大致的連接順序如下第一極性的方波脈沖，持續時間為19/256T；第二極性的方波脈沖，持續時間為41/256T；零幅度，持續時間為T/32；第二極性的方波脈沖，持續時間為41/256T；第一極性的方波脈沖，持續時間為39/256T；零幅度，持續時間為19/128T；第一極性的方波脈沖，持續時間為13/256T；零幅度，持續時間為19/128T；和第一極性的方波脈沖，持續時間為19/256T。0012在第三實施例中，本發明是用于電磁測量的周期源波形，該波形具有周期T，并包括方波片段和零幅度片段，所述方波脈沖的幅度全都是基本相同的，所述片段居于的極性、大致的時間持續值以及大致的連接順序如下零幅度，持續時間為3/256T；第一極性的方波脈沖，持續時間為9/128T；第二極性的方波脈沖，持續時間為85/256T；第一極性的方波脈沖，持續時間為5/64T；零幅度，持續時間為5/512T；第一極性的方波脈沖，持續時間為45/512T；第二極性的方波脈沖，持續時間為35/512T；第一極性的方波脈沖，持續時間為15/256T；零幅度，持續時間為7/128T；第一極性的方波脈沖，持續時間為33/512T；第二極性的方波脈沖，持續時間為37/512T；第一極性的方波脈沖，持續時間為5/64T；和零幅度，持續時間為7/512T。0013本發明替換性實施例可通過反轉上面所述的片段順序來產生，而且對于這兩種順序，將第一極性指定為正，將第二極性指定為負，或者將極性反轉。這些對稱性適用于本發明的任一實施例。本發明任一波形的任一時間移動也會產生本發明的一個實施例。0014在另一實施例中，本發明是產生上述任一波形的任一方法。0015通過參考下文的詳細描述以及附圖，可以更好地理解本發明及其優點，附圖中圖1是一個示意圖，說明了使用水平電偶極子源進行離岸受控源電磁測量；圖2A和2B分別是一個對稱方波的曲線圖及其頻譜圖；圖3A和3B分別是Cox和Constabel為CSEM測量設計的波形的曲線圖及其頻譜圖；圖4A和4B分別是使用4級偽隨機二進制序列的二進制編碼波形的曲線圖及其頻譜圖；圖5A和5B分別是本發明一個具體實施例中波形的曲線圖及其頻譜圖；圖6A和6B分別是本發明另一具體實施例中波形的曲線圖及其頻譜圖；圖7A和7B分別是本發明又一具體實施例中波形的曲線圖及其頻譜圖；圖8是使用整流正弦曲線產生的圖5A實施例的波形的曲線圖，即來自發射設備的準直流電壓或電流。0016下面將結合本發明的優選實施例對其進行描述。然而，盡管下文的描述是針對本發明的一個具體實施例或具體使用作出的，但其僅是說明性的，不能被解釋為對本發明范圍的限制。相反，其應覆蓋所有包括在所附權利要求定義的本發明的精神和范圍內的替換、修改或等同實施例。具體實施例方式0017本發明的實質在于用于CSEM測量的源波形應優選具有這樣的頻譜，在該頻譜中，具有較大相關幅度的期望頻率在對數刻度上基本上均勻地間隔開(即，以大致相等的間隔)，并覆蓋一有用帶寬。眾所周知，對于低頻電磁場而言，根據集膚效應現象，隨著頻率和介質導電性的降低，有效探測深度增加(J.A..Stratton，ElectromagneticTheory，MacGraw-Hill(1941)；B.R.Spies，Geophysics54，872-888(1989))。因為大多數CSEM數據在距源相對較遠的地方收集得到，所以近場幾何效應可以忽略，當深度大于一些源電偶極子長度時，一定頻率的電磁場會隨深度呈指數衰減。本發明使CSEM測量能夠在一次源拖動中利用多個頻率獲得更深的探測深度，并對地下某一深度進行采樣(在淺層深度上的密度要大于更深處的密度)，這與低頻電磁場的擴散特性是一致的。0018本發明的一個實施例是圖5A所示的波形。該波形的開始時間，零幅度與時間軸交點和結束時間為t1＝0.0，t2＝19/256，t3＝15/164，t4＝17/64，t5＝109/256，t6＝37/64，t7＝93/128，t8＝199/256，t9＝237/256，t10＝1.0，這里t1，t2，…，t10是以該波形的可調周期(T)的分數表示的歸一化時間。該波形可以按表1構造成。表10019該波形的頻譜如圖5B所示。表2列出了五個最大幅度的歸一化頻率和幅度。本發明的波形有3個頻率的幅度幾乎精確相同，其在圖5B的對數刻度上有恒定的間隔。最大的五個幅度的頻率幾乎均勻地分布在對數刻度上，并覆蓋超過一個十倍頻程的頻帶。表20020本發明的又一實施例是圖6A所示的波形。該波形的零幅度和時間軸相交在t1＝0.0，t2＝3/256，t3＝21/256，t4＝53/128，t5＝63/128，t6＝257/512，t7＝151/256，t8＝337/512，t9＝367/512，t10＝395/512，t11＝107/128，t12＝465/512，t13＝505/512，t14＝1.0，這里t1，t2，…，t14是以該波形的可調周期(T)的分數表示的歸一化時間。該波形可以根據表3構造成。表30021該波形的頻譜如圖6B所示。表4列出了四個最大幅度的歸一化的頻率和幅度。本發明的波形有4個頻率的幅度幾乎精確相同，其在圖5B的對數刻度上有恒定的間隔。這4個頻率所覆蓋的帶寬大約為一個十倍頻程。表40022本發明的這些對數頻譜波形因此滿足了先前所述的CSEM波形的標準和本發明的附加要求，即在對數刻度上基本均勻地間隔開。使用這種波形，允許通過更好的頻率分布利用一個源通道來探測更廣的深度范圍。0023對圖5A和6A中的波形進行某些對稱性改動還分別產生了圖5B和6B的頻譜，因此同樣是本發明的優選實施例。例如，通過時間軸將任一波形進行反射(reflect)，即將極性反轉，就可產生這種替換性實施例。類似地，通過t＝T/2線將任一波形進行反射。圖5A或6A中波形的這種變形是本發明等同實施例。這兩種波形還具有在時間刻度上平移不變的特性。0024可稍微對圖5A所示的本發明的波形的時間軸的截取做些改動，可能高達±5％或該范圍內，而不會對頻譜產生實質性影響。類似地，在幅度恒定不變的情況下，在高達±10％或該范圍內不會對頻譜產生影響，其是許多用戶認為不可接受的。也對極性反轉的斜率進行類似的考慮。除了圖5A和6A所示的具體實施例之外，在本發明的實施例中，波形優選具有至少三個頻率(在其傅立葉分解中)，它們的幅度基本相同(優選為±20％，更優選地為±10％)，且在對數頻率刻度上以基本相同(相同的優選公差)隔開。頻譜中的其它頻率具有較小的相應幅度。所述至少三個幅度相等的頻率覆蓋大約一個十倍頻程或更多的帶寬，或者，如果不是，所述頻譜具有一個或多個附加頻率，其幅度優選為幅度相等的頻率的幅度的至少20％，更優選地為至少30％，其也以同樣的基本相等(在對數刻度上)的頻率彼此隔開并與前三個頻率隔開，以使所有的4個或更多個這樣的頻率覆蓋大約一個十倍頻程或更多的帶寬。如此處所使用的，“大約一個十倍頻程”優選意味著最高頻率和最低頻率的比率至少為8∶1。對于一個具體應用，本發明的使用者將能夠在上面推薦的公差中確定多大范圍是可接受的。0025本領域技術人員將能設計出滿足前述規范的許多波形(除了圖5A和6A的兩個具體實施例之外)。所有類似波形也包括在本發明的范圍內。例如，其頻譜具有五個在對數刻度上以嚴格相等的間隔隔開的峰值，并且具有幾乎相等的相應幅度的波形，就是具有下述開始時間、零幅度時間和結束時間(以周期的分數表示)的波形0，0.017578125，0.037109375，0.080078125，0.171875，0.197265625，0.298828125，0.32421875，0.4140625，0.458984375，0.478515625，0.521484375，0.533203125，0.583984375，0.611328125，0.6328125，0.662109375，0.705078125，0.7421875，0.755859375，0.7890625，0.83203125，0.865234375，0.888671875，0.91015625，0.962890625，0.978515625和1，所述間隔(分別)具有下述歸一化幅度，定義為-1，0，-1，1，0，1，0，1，-1，0，-1，0，-1，1，0，1，-1，0，-1，0，-1，1，0，1，-1，0和-1。此波形及其頻譜在圖7A和7B中示出。本領域技術人員能開發自己的產生具有均勻對數頻譜的其它波形的方法。一個方法就是將周期T分割成N個片段。每一片段可能的幅度限制在-1、0或1。然后一個接一個地按照前面所述的標準檢查幅度和間隔的不同組合。或者，也可以開始于具有一定數量的零交叉點的初始波形，然后調整零交叉點的位置，保持幅度固定，并檢查每種情況的頻譜。無論哪種方法，實驗將占據很大部分，但經驗的增加會增加成功的概率。實驗者會發現幅度和幾乎相等幅度頻率的數量之間相存在折衷。優選的波形將取決于諸如測量目標和設備能力等因素。0026本發明的波形被合成，該合成通過對正弦波進行整流或者在給定時間進行切換，從而形成本發明波形的整流后的交流形式，如針對圖5A波形的情況示于圖8中的。或者，該波形可通過切換真正的直流(DC)電動源(如電池)來產生。本領域技術人員將很容易理解產生本發明波形的各種實際方法，所有這些方法都被認為是本發明方法的實施例。因為波形頻譜中的最低頻率(具有很大的關聯幅度)通常為周期波形本身的頻率(即1/T)，所以能通過調整波形的周期來控制可用源帶寬所處的頻率范圍。0027出于圖解說明的目的，上文的描述針對了本發明的具體實施例。然而，本領域技術人員將會意識到，對本文所述實施例進行許多修改和改動是可能的。例如，將本發明改進的波形用于空氣傳播應用，或地球表面的時域數據處理時，對同時穿過幾個感興趣的深度都是很有價值的。如所述權利要求所定義的，所有這樣的修改和改動都處于本發明的范圍內。權利要求1.用于電磁測量的一種周期源波形，其頻譜包括四個或更多個頻率，這些頻率在對數頻率刻度上以基本相等的間隔隔開，并覆蓋大約一個十倍頻程或更多的帶寬，所述頻率中的至少三個具有相應的幅度A，其基本等于或大于所述頻譜中任何其它頻率的幅度，所述四個或更多個頻率中的剩余頻率具有至少0.2A的相應幅度。2.根據權利要求1所述的波形，其具有周期T，并包括方波脈沖片段和零幅度片段，所述方波脈沖的幅度全都基本相同，所述片段具有的極性、大致的時間持續值以及大致的連接順序如下第一極性的方波脈沖，持續時間為19/256T；第二極性的方波脈沖，持續時間為41/256T；零幅度，持續時間為Y/32；所述第二極性的方波脈沖，持續時間為41/256T；所述第一極性的方波脈沖，持續時間為39/256T；零幅度，持續時間為19/128T；所述第一極性的方波脈沖，持續時間為13/256T；零幅度，持續時間為19/128T；和所述第一極性的方波脈沖，持續時間為19/256T。3.根據權利要求2所述的波形，其中所述第一極性為負，所述第二極性為正。4.根據權利要求3所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向前的。5.根據權利要求3所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向后的。6.根據權利要求2所述的波形，其中所述第一極性為正，所述第二極性為負。7.根據權利要求6所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向前的。8.根據權利要求6所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向后的。9.根據權利要求1所述的波形，其具有周期T，并包括方波脈沖片段和零幅度片段，所述方波脈沖的幅度全都是基本相同的，所述片段居于的極性、大致的時間持續值以及大致的連接順序如下零幅度，持續時間為3/256T；第一極性的方波脈沖，持續時間為19/128T；所述第二極性的方波脈沖，持續時間為85/256T；所述第一極性的方波脈沖，持續時間為5/64T；零幅度，持續時間為5/512T；所述第一極性的方波脈沖，持續時間為45/512T；所述第二極性的方波脈沖，持續時間為35/512T；所述第一極性的方波脈沖，持續時間為15/256T；零幅度，持續時間為7/128T；所述第一極性的方波脈沖，持續時間為33/512T；所述第二極性的方波脈沖，持續時間為37/512T；所述第一極性的方波脈沖，持續時間為5/64T；和零幅度，持續時間為7/512T。10.根據權利要求9所述的波形，其中所述第一極性為負，所述第二極性為正。11.根據權利要求10所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向前的。12.根據權利要求10所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向后的。13.根據權利要求9所述的波形，其中所述第一極性為正，所述第二極性為負。14.根據權利要求13所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向前的。15.根據權利要求13所述的波形，其中所述連接順序在時間上是向后的。16.一種產生用于地下電磁測量的周期源波形的方法，其包括切換基本為恒定電壓的直流電源，并按預先選擇的順序改變所述源的輸出極性，所述順序被設計為提供一個頻譜，該頻譜包括在對數頻率刻度上以基本相同的間隔隔開的三個或更多個頻率，且覆蓋大約一個十倍頻程或更多的帶寬，所述頻率中的至少三個具有相應的幅度A，其基本等于或大于所述頻譜中任何其它頻率的幅度，所述三個或更多個頻率中的剩余頻率具有至少0.2A的相應幅度。17.根據權利要求16所述的方法，其中所述源波形具有周期T，且所述切換和極性改變順序為下列順序，以所述次序進行或與其相反的次序進行a)將所述源打開為第一輸出極性，持續時間為9/128T；b)將所述源反轉至第二輸出極性，持續時間為21/128T；c)將所述源關斷，持續時間為7/256T；d)將所述源打開為所述第二輸出極性，持續時間為43/256T；e)將所述源反轉到所述第一輸出極性，持續時間為37/256T；f)將所述源關斷，持續時間為39/256T；g)將所述源打開為所述第一輸出極性，，持續時間為3/64T；h)將所述源關斷，，持續時間為39/256T；和i)將所述源打開為所述第一輸出極性，持續時間為19/256T。18.根據權利要求17所述的方法，其中所述第一極性為負，所述第二極性為正。19.根據權利要求17所述的方法，其中所述第一極性為正，所述第二極性為負。20.根據權利要求16所述的方法，其中所述源波形具有周期T，且所述切換和極性改變順序為下列順序，以所述次序進行或以與其相反的次序進行a)將所述源關斷，持續時間為3/256T；b)將所述源打開為第一輸出極性，持續時間為9/128T；c)將所述極性反轉到第二輸出極性，持續時間為85/256T；d)將所述源反轉到所述第一輸出極性，持續時間為5/64T；e)將所述源關斷，持續時間為5/512T；f)將所述源打開為所述第一輸出極性，持續時間為45/512T；g)將所述源反轉到所述第二輸出極性，持續時間為35/512T；h)將所述源反轉到所述第一輸出極性，持續時間為15/256T；i)將所述源關斷，持續時間為7/128T；j)將所述源打開為所述第一輸出極性，持續時間為33/512T；k)將所述源反轉到所述第二輸出極性，持續時間為37/512T；l)將所述源反轉到所述第一輸出極性，持續時間為5/64T；和m)將所述源關斷，持續時間為7/512T。21.根據權利要求20所述的方法，其中所述第一極性為負，所述第二極性為正。22.根據權利要求20所述的方法，其中所述第一極性為正，所述第二極性為負。23.根據權利要求16所述的方法，其中所述直流電源為電池或類似的電動源。24.根據權利要求16所述的方法，其中所述直流電源通過交流電壓源進行整流合成一直流輸出。全文摘要用于受控源電磁測量的波形。所述波形具有包括三個或更多個頻率的頻譜，這些頻率在對數頻率刻度上以基本相等的間隔隔開，并跨越大約一個十倍頻程或更多的帶寬，所述頻率中的至少三個具有大致相等的相應幅度。文檔編號G01V3/12GK1957555SQ200580016118公開日2007年5月2日申請日期2005年4月20日優先權日2004年5月20日發明者呂新友,L·J·斯爾恩卡申請人:埃克森美孚上游研究公司