本發(fā)明涉及一種測量海水中聲波傳播速度的方法，具體涉及一種利用海洋地震勘探數(shù)據(jù)獲取海水中聲波傳播速度的方法，屬于海洋勘探技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海洋地震勘探中，一般采用拖纜進行地震數(shù)據(jù)采集，拖纜在海水面下一定的深度上，沿著拖纜以一定的間隔布設(shè)檢波器接收地震波場，若所有檢波器的深度是相等的，則為水平纜采集；若各檢波器的深度不同，則為斜纜采集，為了避開海浪等對地震波場的影響，檢波器的深度一般不小于5m。

由于流體中只能傳播縱波，不能傳播波橫波，因此地震波在海水中是以聲波形式傳播的。海水中地震波的速度就是海水中聲波的速度。

地震波可以看成是不同方向傳播的平面波。海洋地震勘探中，可以把地震波分為一次波和虛反射，其中一次波是指從電纜下方傳播到接收點的地震波，虛反射指的是地震波傳播到海水水面被反射向下到達接收點的地震波。

海水中聲波速度是一個非常重要的物理量，在海洋勘探中有著重要的用途，其大小受到溫度、鹽度和壓強(水深)的影響，隨著空間位置和時間不斷變化。在海洋油氣勘探中海水中聲波速度是海洋地震資料處理的關(guān)鍵參數(shù)之一。

如何精確求取聲波在海水中的傳播速度是一個重要的研究課題。

早在1827年，法國數(shù)學家sturm和瑞士物理學家colladon在日內(nèi)瓦湖進行過水中聲速測量的試驗，并得到了極為正確的淡水聲速。在上世紀初，水中聲速值的精確測量為水聲的實際應(yīng)用奠定了扎實的基礎(chǔ)：人們在燈塔上安裝好潛水鐘和霧號，根據(jù)在船上測量鐘聲在水中傳播和霧號聲在空氣中傳播的時間間隔測量航船與燈塔間的距離。從量綱上考慮，將聲在海水中傳播的時間轉(zhuǎn)換為距離時都必須是精確的聲速值。不同時間在同一海域，回聲測深儀性能會由于“午后效應(yīng)”的影響而發(fā)生變化，所謂“午后效應(yīng)”，即回聲測距設(shè)備，每到下午性能就下降的現(xiàn)象。由于太陽輻射，深表層水溫于下午升高，形成負梯度型聲速分布，使聲波向下折射，因此上午能夠探測到的目標，午卻因聲波折射而處于聲波陰影區(qū)之中，信號顯著減弱，甚至完全消失。回聲測深儀因此成為精確測量海水聲速的重要推動原因，而這種需要對于聲納應(yīng)用中獲得精確的目標距離數(shù)據(jù)顯得尤為突出。

現(xiàn)有技術(shù)中，海水中的聲速測量方法一般采取兩種方式：一種是直接測量法，另一種是間接測量法。其中，直接測量法一般使用的設(shè)備為“聲速儀”，即通常利用收發(fā)換能器在固定距離內(nèi)測量聲速，同時以壓力傳感器及溫度補償裝置測量水深。根據(jù)獲取聲速的方法不同，通常情況下又分為環(huán)鳴法、駐波干涉法、脈沖疊加法以及相位法等。

間接測量法則是通過水文儀器，如溫鹽深儀等來測量海水的溫度、鹽度和深度，再利用這些環(huán)境測量與聲速的經(jīng)驗公式，進而通過計算達到聲速剖面。

以上所描述的目前國內(nèi)的海水中聲速的測量方法在很大程度上都依賴于對海洋環(huán)境要素的變化規(guī)律的掌握。但是，大自然的變化萬千，隨著時間的不同以及各種細微的變化，各項參數(shù)都各有不同。

對于海洋地震勘探來說，如何尋求一種能夠測量地震數(shù)據(jù)采集時海水中聲波速度方法非常重要，可以更加精確地提供地震資料處理所需要的還是聲速信息，提高地震資料處理的精度和效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是一種測量海水中聲波速度的方法，其基于海洋水平纜或斜纜采集的地震數(shù)據(jù)直接計算獲取，具有測量效率高、結(jié)果真實、準確，省時省力、成本低等特點。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是，一種測量海水中聲波速度的方法，其特征在于，利用海洋地震勘探數(shù)據(jù)直接計算得出，具體步驟如下：

第一步，構(gòu)建海水中一次波和相應(yīng)的海平面虛反射之間關(guān)系的平面波模型；

第二步，提取若干道地震數(shù)據(jù)，對每一道海洋地震數(shù)據(jù)，分別按下式(3)計算出不同方向來的一次波與虛反射的疊加能量e：

上式(3)中：

s(t)為地震數(shù)據(jù)在t時刻的樣點值；

h為地震波接收點距離海平面的垂直高度；

α為平面波與豎直方向的夾角；

τ為虛反射比一次波晚到達接收點時間；

vw為變量，表示聲波速度設(shè)定值；

第三步，將計算出的不同方向來的一次波與虛反射的疊加能量e數(shù)值作為縱坐標、以與其對應(yīng)的聲波速度數(shù)值作為橫坐標，繪制成e隨速度vw的變化曲線，該變化曲線的極大值點所對應(yīng)的聲波速度設(shè)定值即為測量出的海水中聲波速度vw。

優(yōu)選為，上述的測量海水中聲波速度的方法，其特征在于，

上式(2)中：

l為虛反射等相位面比一次波多傳播的距離，滿足下式(1)：

l＝2hcosα(1)。

進一步優(yōu)選，上述的測量海水中聲波速度的方法，其特征在于，第二步由計算機執(zhí)行，計算流程如下：

(1)、提取一道地震數(shù)據(jù)；

(2)、從地震數(shù)據(jù)道頭中提取地震波接收點的深度h；

(3)、設(shè)定表示平面波方向的角度α范圍、初始速度vs、速度增量δv和終止速度ve；

(4)、用公式(3)計算出不同速度下的疊加能量e，并保存e和vw數(shù)值，用于繪制e隨速度vw的變化曲線；

(5)、設(shè)定速度增加量vw＝vw+δv；

(6)、判斷vw是否大于ve，若是，則根據(jù)步驟(4)保存的e與vw數(shù)值，以疊加能量e數(shù)值作為縱坐標、以與其對應(yīng)的聲波速度數(shù)值vw作為橫坐標，繪制e隨速度vw的變化曲線；

若否，則返回步驟(4)；

(7)、當e隨速度vw的變化曲線繪制完成后，找出變化曲線的極大值點，該極大值點所對應(yīng)的速度vw，即為海水中聲波速度vw。進一步優(yōu)選，上述地震數(shù)據(jù)是基于海洋水平纜或斜纜采集得到的。

上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，通過構(gòu)建海水中一次波和相應(yīng)的海面虛反射之間的平面波模型；建立一次波與虛反射的時差關(guān)系(該時差關(guān)系與電纜深度、海水中聲波速度相關(guān))；構(gòu)建一次波與虛反射的疊加能量與海水中聲波速度的計算關(guān)系式；并基于“使疊加能量最強的速度就是真正的海水聲波速度”的規(guī)則設(shè)計了一種通過速度掃描來確定海水中聲波速度的方法。

上述技術(shù)方案通過直接利用海洋地震勘探的數(shù)據(jù)，不需要任何額外的觀測，即可獲得真實準確的海水中聲波速度，并且，所獲得的海水中聲波速度就是地震數(shù)據(jù)采集時的速度。該速度更適合于地震數(shù)據(jù)的處理中使用，同時也能用于一般的海水速度測量目的。

即，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有測量效率高，省時、省力、省費用等有益效果。

附圖說明

圖1為一次波和相應(yīng)的海面虛反射之間關(guān)系的平面波模型；

圖2為本發(fā)明的能量曲線計算流程圖；

圖3為海洋中聲波速度模型；

圖4為圖3所速度模型的一道合成地震記錄，接收點水深20m；

圖5為疊加能量隨速度變化的曲線，速度范圍為1200m/s到2100m/s，每隔20m/s計算一個能量，極值點在1500m/s；

圖6為一道實際的海洋地震數(shù)據(jù)，接收點深度為20m；

圖7為圖6所示數(shù)據(jù)的疊加能量隨速度變化的曲線，其中，速度范圍為1200m/s到資料2100m/s，每隔20m/s計算一個能量，極值點在1480m/s。

附圖標記說明：

1、接收點，2、鏡像點，3、一道地震記錄，4、接收電纜，5、海平面，6、虛反射等相位面多傳播的距離，7、虛反射，8、一次波，9、時差，10、平面波的等相位面，11、虛反射從海平面到鏡像點的射線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進行詳細說明。

圖1為海水中一次波和相應(yīng)的海面虛反射之間關(guān)系的平面波模型。

如圖1所示，圖中5為海平面，4為接收電纜，1為接收電纜上的任意一個接收點，該接收點距海平面的距離為h(h不小于5m)；

接收點1相對于海平面的鏡像點2，位于海平面之上，距海平面的垂直距離也為h；

8為兩組來自不同方向的一次平面波，簡稱一次波，其中一組以α角入射到海平面的一次波等相位面10；

一次波在海平面被反射，形成虛反射7。

虛反射7從海平面向下傳播到達接收點1的射線的長度與虛反射從海平面向上到鏡像點的射線11的長度是相等的一次波先到達接收點，然后對應(yīng)的虛反射到達接收點。

虛反射到達接收點的時間等同于一次波以海水聲波速度繼續(xù)傳播到達鏡像點2的時間。

圖1中，數(shù)字6表示的是虛反射等相位面多傳播的距離；一道地震3上面有四個地震子波波形，代表兩組一次波及其對應(yīng)的虛反射，數(shù)字9表示一次波與其對應(yīng)的虛反射到達接收點的旅行時之差τ。

如圖1所示，虛反射等相位面多傳播的距離6(虛反射等相位面比一次波多傳播的距離)為：

l＝2hcosα(1)

式(1)中，h為接收點在海面一下的深度，α為平面波與豎直方向的夾角。

根據(jù)如圖1所示的海水中一次波和相應(yīng)的海面虛反射之間關(guān)系的平面波模型，建立一次波與虛反射的時差關(guān)系為：

式中vw為海水中聲波的速度，τ為虛反射比一次晚到達接收點時間。

由于虛反射是一次波在海平面上的反射，海平面的反射系數(shù)為“-1”。因此，虛反射與對應(yīng)的一次波相比，形狀相同、極性相反。一次波與對應(yīng)的虛反射相減，數(shù)值變?yōu)橐淮尾ǖ膬杀?負負得正)，從能量的角度來看，相減后信號的能量(樣點數(shù)值的平方和)則是一次波能量的四倍。

地震數(shù)據(jù)是由一次波與相應(yīng)的虛反射組成的，根據(jù)一次波與虛反射的關(guān)系提出相減信號的能量計算公式。

考慮到虛反射與一次波存在時差τ，根據(jù)上式(1)和上式(2)把不同方向α來的一次波減去虛反射后平方求和，提出下式所示的相減信號疊加能量公式：

上式(3)中，s(t)為地震數(shù)據(jù)在t時刻的樣點值。

在速度正確時，公式(3)中的平方項是一次波減去虛反射(負負得正)樣點后數(shù)值、成為一次波樣點數(shù)值兩倍后的平方，虛反射加強了一次波能量，理想條件下是四倍。

在速度與海水速度不一致時計算的時間延遲τ與實際情況不符合，公式(3)中的平方項不再是一次波減去對應(yīng)的虛反射，而是一次波減去一個隨機的樣點數(shù)值后的平方，能量得不到顯著加強。

因此，根據(jù)公式(3)計算疊加能量e，在速度取值為海水中聲波速度時e達到極大值，在速度偏大或偏小時e為較小的數(shù)值；

對一道海洋地震數(shù)據(jù)，用公式(3)計算不同速度下的疊加能量e，得到e隨速度vw的變化曲線，極值點對應(yīng)的速度就是海水中聲波速度。

圖2為本發(fā)明的能量曲線計算流程圖。如圖2所示，能量曲線計算流程如下：

(1)、提取一道如圖4所示的20m深接收點合成地震記錄，如圖3所示，其速度模型的合成地震道包含一次波和虛反射；

(2)、從地震數(shù)據(jù)道頭中提取地震波接收點的深度h；

(3)、設(shè)定表示平面波方向的角度α范圍、初始速度vs、速度增量δv和終止速度ve；

(4)、用公式(3)計算出不同速度下的疊加能量e，并保存e和vw數(shù)值，用于繪制e隨速度vw的變化曲線；

(5)、設(shè)定速度增加量vw＝vw+δv；

(6)、判斷vw是否大于ve，若是，則根據(jù)步驟(4)保存的e與vw數(shù)值保留步驟(4)計算出的疊加能量e數(shù)值，并，以該疊加能量e數(shù)值作為縱坐標、以與其對應(yīng)的聲波速度數(shù)值vw作為橫坐標，繪制e隨速度vw的變化曲線；

若否，則返回步驟(4)；

(7)、當e隨速度vw的變化曲線繪制完成后，找出變化曲線的極大值點，該極大值點所對應(yīng)的速度vw，即為海水中聲波速度vw。圖3為海洋中聲波速度模型。

如圖3所示，在1000米深的海水中，聲波傳播速度約為1500m/s，海水以下的地層中，聲波的傳播速度約2500m/s。

如圖5所示，確定極大值點對應(yīng)的速度為1500m/s，與圖3所示模型中海水中聲波速度(1500m/s)一致。

該數(shù)值與圖3中海水中聲波速度完全吻合。

證明，本發(fā)明的測量海水中聲波速度的方法，所獲得的聲波速度的結(jié)果是正確的、可靠的。

下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步的說明。

實施例1：

(1)取某海洋地震勘探數(shù)據(jù)一道，如圖6所示；

(2)設(shè)定角度α范圍為0°-90°、初始速度vw＝1200m/s、速度增量δv＝20m/s和終止速度vend＝2100m/s；

(3)用公式(3)計算e；

(4)繪制出能量e隨速度vw變化曲線，如圖6所示，確定能量e隨速度vw變化曲線中極大值點對應(yīng)的速度為1480m/s。

該數(shù)值與中海油服天津分公司用聲納在該海域測量后提供的該海區(qū)的聲波速度1490m/s，數(shù)值非常接近。

表明：本發(fā)明的測量海水中聲波速度的方法，完全可以替代儀器的現(xiàn)場測量方法。從而，更加方便快捷，既省時省力，有可大幅提高測量效率、節(jié)省現(xiàn)場測量費用。