几种主流地震勘探仪器性能分析探讨

甘志强

（东方地球物理公司装备服务处仪器服务中心 河北 涿州）

0 引言

当前，在石油天然气勘探的各种物探方法中，地震勘探已经成为一种最有效的方法被业界所接受。地震勘探仪器是地震勘探的关键设备，用于完成对野外地震数据的采集和记录。从20世纪30年代诞生第一代模拟光点记录仪开始，随着电子技术、计算机技术、数据传输技术、存储技术、传感技术以及地震勘探等技术的不断发展，地震勘探仪器大致经过了模拟磁带记录地震仪器，多道集中式数字地震仪器和遥测地震仪器几个发展阶段[1，2]，至今已发展到全数字遥测地震仪器。其中使用较多的地震数据采集系统有Scorpion、428XL和AriesII等。本文在深入探讨当代地震数据采集系统关键技术的基础上，从技术性能、物理特性以及软件系统特点三个方面对上述几种典型代表仪器进行对比分析，旨在更加合理高效地应用它们。

1 当代有线数据采集系统采用的新技术

图1 －模数转换器工作原理示意图

1.2 数据传输和控制技术

数据传输和控制技术是地震数据采集的关键技术之一[2]，地震数据采集系统的数据传输和控制方式直接决定着地震勘探施工的效率和地震仪器的扩展潜力。随着电子通信技术的不断发展，局域网通信技术越来越广泛地被应用到地震勘探领域中。

局域网（LocalAreaNetwork，LAN）是一种将特定区域内的各种设备互连在一起的数据通信系统。目前常见的局域网类型有：以太网（Ethernet）、令牌网（Token Ring）、FDDI网以及异步传输模式网（ATM）等几类，其中以太网是最为常用的局域网组网方式，也是目前地震仪器中广泛使用的方式之一。以太网采用基带（Base Band）信号调变方式，信号编码采用曼彻斯特（Manchester）编码方式，其基本特征是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的通信媒体存取方法。常见的以太网是传输速率为10Mbps的标准以太网，更新的IEEE802.3系列标准则支持快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000Mbps）和目前只能使用光纤作为传输介质的10G以太网。

目前局域网使用的拓扑结构有：总线型拓扑结构、星型拓扑结构和环行拓扑结构。当前的地震数据采集系统大都采用了两种结构——总线型拓扑结构和星型拓扑结构，即在野外地震数据采集传输系统使用总线型拓扑结构，这是因为总线拓扑结构布线不仅具有站点（端口用户）失效、增删不影响全网工作的特点，还具有费用低廉、要求简单、扩充容易的优点；在中央控制记录系统（仪器车）中使用星型拓扑结构，以便于集中控制、易于维护，从而满足地震数据的并行处理。TCP/IP（传输控制协议/因特网互联协议）是支持寻址、路由和流量控制等功能的协议组，而TCP/IP底层物理网络多数使用以太网，因此，以太网+TCP/IP成为使用最为广泛的一种技术，在地震勘探仪器中也广泛应用。

2 仪器性能分析

2.1 采集能力

随着地震勘探技术的不断发展，带道能力和数据传输速率逐渐成为衡量仪器好坏的重要指标。此外，由于不同探区的地质条件不一定相同，为了满足各种采集要求，地震勘探仪器还应支持不同的采集因素。在野外地震数据采集过程中，若采集因素选取恰当，则地震仪器的工作状态就能够与有效地震信号的振幅、频率特征相匹配，从而获得保真效果好的地震数据，因此，采集因素也是确定仪器优劣的重要参数。几种主流仪器采集参数见表1。

表1 几种主流仪器支持采集参数[5～8]

2.2 技术性能

当前，地震勘探数据采集的有效地震波信号动态范围在120dB左右，频率带宽在5Hz～500Hz或高频部分稍高（视分辨率而定），这就要求地震勘探仪器必须具有低畸变、低噪声、高动态、高频率响应的技术指标，并且这些技术指标不随时间、地点、环境和条件的变化而变化[2～4]。

为准确合理地衡量地震仪器的工作性能，地球物理勘探专家们提出以下几种技术指标：动态范围、谐波失真、道间串音、共模抑制比、等效输入噪声和差模输入阻抗等。各项技术指标见表2。

（1）动态范围。动态范围指的是在系统畸变允许范围内，可检测的最大信号与最小信号（信号均方根值与噪声相等）的比值，通常用分贝（dB）形式表示。

（2）谐波失真。谐波失真指的是电信号系统响应外部激励时而产生寄生频率信号的比重。它反映系统对输入信号的保真能力，并决定系统的瞬时动态范围，一般要求地震波谐波失真小于0.005%。

（3）串音隔离。道间串音指的是共用电缆或采集电路的模拟地震道信号之间相互感应的程度，一般用“有效信号”与“感应信号”的比值（dB）表示。单个模拟地震道不存在串音，且采集站内地震道间“串音”也很小，多数地震仪器串音隔离能力达90dB以上。

（4）共模抑制比。地震勘探数据采集通常在野外作业，遭受共模干扰的机会相当频繁，所以地震仪器在设计时只考虑响应“差模”地震信号，并阻止共模干扰信号。仪器系统的共模抑制比是指在“共模”信号输入下，折合到输入端的输出电压与输入电压之比，通常用分贝（dB）表示，反映系统中模拟电路的对称性和一致性。

（5）等效输入噪声。由整个数据采集和记录系统引起的噪声，折合到输入端，作为等效输入噪声。在多道应用的情况下，给出“绝对最大”噪声电平作为等效输入噪声指标。

（6）差模输入阻抗。系统正常工作时，两输入端的电压变化量与输入端电流变化量的比值，包括输入电阻和输入电容，但在低频时仅考虑输入电阻，通常用dB表示。一般情况下，为了使地震波信号电压尽可能大地传输到采集通道前置放大器的输入端，要求前放电路要有适当高的差模输入阻抗。一般检波器的输出阻抗在500左右，考虑到阻抗匹配的问题，前放电路的差模输入电阻应为20 k左右（共模输入电阻只有差模输入电阻的25%）。

2.3 物理特性

随着地震勘探形式的不断严峻，勘探地表条件和环境也日趋复杂，为了满足不同探区的要求，地震勘探仪器的地面电子设备不仅要具有良好的技术性能，还应具有很好的物理特性，表3给出了几种主流仪器的物理特性参数。

表2 当代主流地震仪器主要技术指标一览表[5～8]

表3 当代主流地震仪器地面电子设备物理特性指标[5～8]

3 系统软件性能及数据记录格式分析

3.1 排列实时监控

地震勘探通常要求野外采集时能够对排列进行实时监控，特别是对野外排列的干扰和放炮质量的控制。Scorpion系统可以给出单个炮点所需排列的实时噪声或放炮质量的监控结果，且可以根据现场施工需要，随时切换监控炮点，保证采集地震资料的质量。428XL系统能够对全排列或单个炮点排列进行监控。AriesII系统能够以图形和数值的形式给出当前激活排列的实时监控结果，有利于地震资料质量的控制。

3.2 排列管理

Scorpion采用交叉站定位排列，在实际生产时，通过File|Import|Snakes|SkipGaps导入相关文件或者采用Domain|SkipGaps和Domain|Snakes来完成排列空道、绕道以及蛇行排列的布设，满足各种地形的施工需要。AriesII可通过jump按钮完成空道、绕道以及蛇行排列的设置。428XL采用交叉站、FDU或者电源站完成排列定位，并可通过采用Detour完成绕道和蛇行排列的定义，mute实现空道的设置，在实际生产时，每日要检查Spread窗口相关设置。

3.3 辅助数据支持

Scorpion、AriesII以及428XL系统都具有很强的辅助数据支持能力，最明显的表现就是能够输出电子班报和SPS文件，为生产质量控制和加快地震数据处理速度和自动化处理程度提供了必需的辅助数据。

4 资料质量监控和支持记录格式

4.1 资料质量监控

资料的质量监控方式有两种：绘图仪回放记录和仪器自有的质量监控软件。

Scorpion仪器可以按采集道方式回放，按时序方式显示地震资料，从而实现通过绘图仪方式的资料监控，目前该仪器系统支持V12绘图仪，回放处理方式有Defloat、NormIndiv、NormAll、AGC、TAR，其中TAR方式能够反映资料的真实品质。428XL系统可以按采集道或按测线回放地震资料，回放处理方式有AGC、GeographicAGC、TimeExponent、Normalization以及None等。AriesII同样也支持V12和V24绘图仪，回放处理方式有AGC、Exponential、Mean、Fix Gain和Linear Scaling。

资料的质量监控软件是另外一种重要的QC工具。Seis-QC是Scorpion自带的集成式地震资料质量监控软件，通过该软件可以对每一炮记录进行显示分析。用户可以根据需要选取任意一段炮点接收道进行频率或能量等参数的分析，并可以查看单炮记录的头段或单个地震道的真值，从而方便了地震资料的质量监控。428XL自带的eSQC-Pro系统可以通过地震数据的图形化显示，并可按照用户选定的项目进行分析，将分析结果以图形方式显示的同时存储到数据库中，从而完成不正常地震道、地震道属性、单炮初至、信噪比、F/K等方面的分析。Aries屏幕绘图分析软件（AVP）能够对数据进行屏幕显示，并可按照分析选项设定进行相应的分析，提供的信息可以判断单炮地震采集数据是否满足参数要求，可以监控采集排列质量、检波器和激发源状况。该QC系统具备均方根噪音（RMSNoise）、显示记录幅度的大小、频谱能量分析、频率振幅分析以及FK分析等功能。

4.2 记录格式

记录格式就是地震仪器将采集的地震数据和其他辅助信息保存的编排关系。Scorpion系统采用的记录格式为SEG-Y。AriesII的记录格式是SEG-D或SEGY格式。428XL系统记录格式为SEG-D。SEG-D和SEG-Y都是电气电子工程师协会公布的标准格式，采用这两种格式一方面有利于保证数据的原始性和真实性，另一方面为数据的后续处理提供了解码路径和可靠算法。

5 结论

地震仪器的发展以物探技术的进步为动力，而物探技术的实现又需要依赖于地震勘探仪器。在当前的野外地震数据采集过程中，地震勘探仪器野外地面设备的数传稳定性、电源供电时间以及主机的带道能力是影响生产效率比较关键的因素。Scorpion系统在使用全新的模拟采集单元后，降低了地面设备的整体功耗，又增加了超级高能脉冲保护，不会因为静电和高能脉冲而产生数据丢失。同时，该系统通过采用四个以太网和一个千兆骨干网络的方式，使得传输率、数据量以及稳定性得到了很大地提高，可支持平台处理超大道数作业、高采样率以及复杂的震源扫描方案。AriesII系统采用先进的网络化数据传输技术，对地震数据在传输过程中进行实时无差错检测与回传恢复，保证了地震数据的真实性与完整性，它具有实时、准实时、非实时传输三种传输方式，可通过合理选择高切频率和不同数据传输方式来提高系统的带道能力。428XL系统使用基于TCP/IP协议的以太网传输数据，使得交叉站在进行路由的同时具有纠错和数据暂存的能力，系统的实时带道能力也有了很大提高。通过上述分析，我们可以发现每种仪器都有自身的特点，在实际应用中应根据工区的实际情况并结合观测系统设计选择仪器类型，全面发挥其优势，从而能够高质量高效率地完成采集任务。

[1]王文良.地震勘探仪器的发展、时代划分及技术特征[J].石油仪器，2004，18（1）

[2]罗福龙.地震勘探仪器技术发展综述[J].石油仪器，2005，19（2）

[3]夏 颖，祝彩霞，孙灵群.地震勘探仪器在高密度采集中的应用[J].物探装备，2008，18（1）

[4]袁子龙，韩 刚，于 玲，等.地震勘探仪器主要技术性能分析及改进探讨[J].地球物理学进展，2007，22（6）

[5]I0N公司.Scorpionoperationmanua1.2007（资料）

[6]ARAM公司.Ariesuser'smanua1.2006（资料）

[7]Sercel公司.428XI培训手册2006（资料）

[8]Sercel公司.428XL用户手册（第三卷）.2006（资料）