地震檢波器檢測技術及應用探討

齊孟穎

（中石化集團國際石油工程有限公司阿爾及利亞子公司， 北京 100728）

1 問題的提出

石油地震勘探過程中由人工震源所產(chǎn)生的反射波具有吸收衰減性，受環(huán)境噪聲、電噪聲等的影響而信噪比不高，而且由于技術上的限制，只能采用地震檢波器間接地對這種地震波機械振動進行檢測。上世紀三十年代動圈式模擬地震檢波器問世以來，各種類型的檢波器不斷涌現(xiàn)，但傳統(tǒng)的動圈式地震檢波器在當前野外石油地震勘探過程中仍廣泛應用。

在野外石油地震勘探過程中，與噪聲相比，人工震源所激發(fā)的反射波信號主頻低、高頻衰減速率快、信噪比低，激發(fā)震源后噪聲的產(chǎn)生進一步降低了有效信號的范圍，尤其在復雜地表，噪聲更顯強烈[1]。由于當前技術水平的限制，地震勘探野外采集很難直接測量到震源引發(fā)的振動，只能通過檢波器間接進行大地機械振動的測量，而測量的準確程度直接受檢波器性能的影響。20DX動圈式檢波器和MEMS數(shù)字檢波器性能及觀測精確度的對比詳見表1。

表1 檢波器性能比較

為此，以上述20DX動圈式檢波器和MEMS數(shù)字檢波器性能及觀測精確度的對比為基礎展開分析。

2 地震檢波器檢測技術應用中應注意的問題

2.1 跟蹤物理量指標

地震檢波器根據(jù)跟蹤物理量指標可劃分為位移型、速度型和加速度型等類別，其中速度型和加速度型在石油勘探中使用較廣泛。動圈式檢波器是典型的速度型檢波器，在石油勘探中地震檢測及數(shù)據(jù)獲取方面曾經(jīng)有過十分廣泛的應用，所以諸如隨機噪聲、雷克子波、信噪比等變量、假設條件、研究成果等都是基于地震數(shù)據(jù)速度域特征而建立[2]。

MEMS數(shù)字檢波器是典型的加速度檢波器，在該技術引入國內石油勘探領域之初，研究及操作人員都拘泥于直接比較其輸出數(shù)據(jù)和動圈式檢波器數(shù)據(jù)，并未意識到兩種技術跟蹤物理量方面的差異，而片面地認為MEMS數(shù)字檢波器主頻高、信噪比低。究其原因，地震信號具有低頻性，而加速度數(shù)據(jù)信號則常常位于高頻段，兩者跟蹤物理量不同，所以單純提高加速度型檢波器的主頻很難保證勘測結果的準確。

動圈式檢波器的低頻損失經(jīng)反褶積補償，并通過石油勘探頻帶及能量的互換后動圈式檢波器和MEMS數(shù)字檢波器的數(shù)據(jù)采集速度除去跟蹤物理量后便會趨于一致。此外，動圈式檢波器的低頻特征受反褶積補償后便會得到加強，從而便于進行全波形反演、深層成像及速度對比分析。

2.2 地震檢波器頻率及傳輸函數(shù)

2.2.1 自然頻率及其傳輸函數(shù)

在地震檢波器彈簧慣性系統(tǒng)等效質量、剛度等的影響下，其彈簧慣性系統(tǒng)沿著磁鋼軸運動的自由諧振頻率主要受靈敏度、線性度、結構型式、材料性能等的綜合影響。地震檢波器彈簧慣性系統(tǒng)分布參數(shù)實際數(shù)值必須結合工程實際才能客觀準確，地震檢波器傳輸函數(shù)在彈簧慣性系統(tǒng)垂向速度（v）的帶動下，其正弦激勵信號頻率（f）不斷改變，詳見圖1。

地震檢波器傳輸函數(shù)中平靜工作帶寬的下限即為自然頻率，其取值是能否將振動點的機械能轉化為優(yōu)勢突出信噪比帶寬電信號的關鍵。自然頻率以下的傳輸函數(shù)向信噪比特征凸顯的帶寬電信號轉變的靈敏度必將受到抑制，為充分利用石油勘探系統(tǒng)動態(tài)范圍較大的技術優(yōu)勢，應將自然頻率提升至100Hz以上，以達到抑制低頻能量轉換的目的。但是高分辨率并不等同于高頻，而對石油勘探系統(tǒng)動態(tài)范圍大的技術優(yōu)勢的應用雖能抑制面波，但不利于低頻信號的有效性[3]。

圖1 地震檢波器傳輸函數(shù)

地震檢波器傳輸函數(shù)在自然頻率附近呈現(xiàn)出典型的非線性特征，在有效頻段內地震檢波器傳輸函數(shù)應當為水平狀，能起到抑制檢波器輸出信號畸變或震蕩的作用。相反，如果在有效頻段內地震檢波器傳輸函數(shù)出現(xiàn)非線性變化，則意味著地震檢波器受到異常干擾而頻率信號發(fā)生改變。

2.2.2 寄生頻率及其傳輸函數(shù)

寄生諧振是地震檢波器傳輸函數(shù)中自然頻率之上輸出信號的畸變與震蕩，諧振點與寄生頻率fs對應，一旦地震檢波器彈簧片遇到水平轉動橫向作用力和垂直的徑向作用力同時影響，儀器就會在磁鋼軸產(chǎn)生諧振頻率。檢波器寄生諧振往往由地表運動多向性、儀器傾斜插置等引起，一旦外圈彈簧處所作用的水平轉動力和徑向力的強度、持續(xù)時間足夠，則儀器系統(tǒng)寄生頻率和自然震動頻率便會發(fā)生共振，如未給予足夠重視，則在石油勘探地震信息檢測中必將出現(xiàn)去假頻濾波器參數(shù)設置上的偏差。寄生頻率的取值關系著平靜工作帶寬的限度，在常規(guī)的石油地震勘探中，所使用地震檢波器的寄生頻率至少為10Hz。

2.3 地震檢波器靈敏度的確定

為提升地震檢波器對上行至地表的有效波的接收及傳輸能力，應拓展地震信號優(yōu)勢信噪比帶寬，并改善接收條件。地震檢波器的靈敏度指標對于地表質點振動位移的檢測十分關鍵，根據(jù)當前油田勘探實際，當采樣間隔為0.25ms、0.5ms、110ms、210ms、410ms時，地震檢波器428XL記錄系統(tǒng)高截止頻率分別為1600Hz、800Hz、400Hz、200Hz和100Hz，線性相位系統(tǒng)延遲0ms，最小相位系統(tǒng)延遲1ms、2ms、4ms、8ms、16ms，考慮到質點位移、環(huán)境噪聲等因素，檢波器靈敏度應設定在0.6～0.7v(cm/s)。隨著檢波器靈敏度的增加，其輸出電阻必然增大，進而又出現(xiàn)其輸出電阻和輸入阻抗能否匹配的問題。

2.4 對電磁干擾的響應

曾有學者提出，MEMS數(shù)字檢波器由于無任何電感線圈與地震道連接，因而可以免受任何電磁干擾信號的不利影響，但事實卻與之相悖，數(shù)字檢波器不可能完全免于電磁信號干擾，而且干擾幅度竟然超出正常水平2～3倍。進一步分析得知，這種高頻干擾是外界干擾與儀器自身相互作用所產(chǎn)生與電磁干擾相關的噪聲所致，并對MEMS數(shù)字檢波器接收弱地震信號造成不利影響，這種降低模擬電路比重、檢波器數(shù)字化的做法也很難徹底消除電磁對儀器的干擾。數(shù)字化的積極作用主要體現(xiàn)在工程方面[4]，即不斷降低檢波器埋置難度，實現(xiàn)機械埋置，通過無線傳輸防止電纜耦合響應，推動地震檢波器向小型化、自動化、無纜化等方向發(fā)展。

3 結論

地震檢波器在石油地震勘探中主要發(fā)揮著模擬地面振動分量，進而完整準確反映地震波動力學特性的作用。在這種間接測量和反映的過程中必然存在大地震動與儀器自身振動電噪聲不同所引起的耦合效應以及儀器自身振動與地震數(shù)據(jù)差異所引起的機電效應兩方面的誤差，為此，地震檢波器在設計及應用過程中，應盡可能降低兩種效應所引起的誤差，保證所檢測和記錄數(shù)據(jù)的真實性。

◆參考文獻

[1] 蘇朝光，宋亮，孟陽，等. 勝利油田三維開發(fā)地震的實踐及效果[J].石油地球物理勘探，2019，54(3)：565-576.

[2] 魏繼東. 地震數(shù)據(jù)表征：速度與加速度[J].石油地球物理勘探，2019，54(2)：243-253.

[3] 羅福龍. 地震檢波器技術標準化探索[J].石油管材與儀器，2019，(1)：7-13.

[4] 魏新建，李書平，陳德武，等. 復雜區(qū)域地震采集質量評價技術及其應用[J].石油物探2019，58(1)：27-33.