地震检波器技术标准化探索

罗福龙

(东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处 河北 涿州 072751)

0 引 言

地震检波器[1]是石油和天然气勘探必不可少的地震信号传感装置[2]，其综合技术性能直接关系到地震勘探项目的收益和资料品质。据不完全统计，目前国内勘探市场的地震检波器总量在2 000万只以上(折合资产原值超过10亿元人民币)，而且每年还有200万只以上的新增或补充量。在技术方面，为保真地接收微米级位移的宽频地震信号，地震检波器总是及时采用国际先进的工艺和材料，使之成为顶级精密的传感装置。所以，无论是作用、数量、价值还是技术，地震检波器都是野外地震数据采集的关键要素。

由于地震检波器具有用量大、消耗多、加工制造难度相对低等特点，所以国内外相继出现了众多的制造企业，并推出了上百种规格型号的产品。在众多的地震检波器产品中，按原理分有电磁式、压电式、光电式、机电式等大类；按输出量所正比的物理量分有位移型、速度型、加速度型等；按可传感的矢量分有单分量、双分量、三分量、四分量等；按响应频带范围分有常规类、低频类、高频类、宽频类[3]等等。实际应用效果证明，各种类型的产品在地震信号接收能力方面大同小异，但因技术参数、规格型号、工作方式等存在明显差异，导致互相之间没有兼容和互换性。这应该就是当前地震检波器技术的基本状况。

根据地球物理勘探技术的发展[4]需求，结合近几年的实际应用效果和用户的直观感受，可以看到现行技术状态的地震检波器很难适应高密度、高效率、宽频带、宽方位、低成本地震数据采集要求。尤其是新产品设计制造的随意性、技术指标和参数的离散性、部件材料规格的多样性等，导致兼容混用难、备件材料统一难、配置选型难、质量控制[5]难等一系列的问题。

虽然当前地震检波器存在诸多影响其发展和使用的技术问题，但通过系统分析和追根溯源可以看出，本质问题就是缺少符合地球物理勘探技术发展规律且又能统领地震检波器关键技术的顶层设计。也就是说，解决当前地震检波器问题的根本出路在于相关技术的标准化。由此可见，以满足物探技术发展需求为指针，在充分调查研究基础上，探索适合地震检波器良性发展的顶层设计技术标准具有较强的指导意义和实用价值。

1 现状分析

虽然标准化是解决当前地震检波器技术问题的根本出路之一，但标准化什么内容、如何标准化却需要详实的基础数据作支撑才能做到有的放矢。为此，有必要事先明确标准化的具体目标和技术要素。本着解决问题在于事先落实问题根源的路线，在此先就当前地震检波器存在的主要问题进行分析。

如前所述，当前地震检波器的主要问题是品种型号多、部件材料不统一、部分技术指标[6]不能客观反映信号响应能力、参数不一致等。那么现实中这些问题有怎样的具体表现形式？带来的副作用又是什么？为此有必要对地震检波器的技术现状进行客观的量化分析。考虑到电磁感应式速度型地震检波器是当前地震勘探最常用(总量占90%以上)的类型，下面就以此类型地震检波器为例，以列表统计方式量化展示当前地震检波器普遍存在的问题要素。

常用地震检波器名称型号举例见表1。

表1 常用地震检波器名称型号举例

从表1列举的产品名称可知，仅国内两个厂家的10 Hz自然频率地震检波器就超过10种，若将市面上可供应的所有10 Hz自然频率地震检波器统计在内，其品种超过50个。实际上这些10 Hz自然频率的地震检波器，核心技术要素基本一致，无论是综合特性还是地震信号响应效果都是大同小异，但产品名称却没有体现关键要素，这就给用户选型配置带来不必要的困惑。所以，规范地震检波器的命名和标识具有较强的现实意义。

常用地震检波器技术指标举例见表2。

表2 常用地震检波器技术指标举例

从表2可直观看出，除自然频率都是10 Hz外，所列产品的其它技术指标(如阻尼比、灵敏度等)和允许误差却有明显差异。这就意味着这些产品的地震信号响应特性，特别是相位响应特性存在一定差异，实际应用时就不能随意混合。显然这种状态不利于资源共享和降低勘探成本。常用地震检波器不同频点的实测失真度见表3。

表3 常用地震检波器不同频点的实测失真度 %

注：样品是同一厂商不同名称的10 Hz自然频率地震检波器，标称失真度均<0.1%。

从表3可清楚地看到，测试信号频率在10 Hz到100 Hz之间时失真度小且都能满足标称指标，当测试信号频率低于10 Hz或高于100 Hz时失真度逐渐变大且大多不能满足标称指标。这就说明现行以单频点定义的失真度指标并不能客观反映地震检波器在工作频带范围内的信号保真效果，也就不能全面反映检波器的真实性能，所以在有效带宽内用平均失真或分段失真来衡量地震检波器的保真能力更为合理。

常用地震检波器部件材料尺寸举例见表4。

表4 常用地震检波器部件材料尺寸举例

从表4可以看出，常用地震检波器的部件材料尺寸是多样化的，实际工作中不能做到兼容和统一配置，这也无形地增加了制造和使用成本。为增强材料和部件的通用性，有必要将其尺寸规范到更少更合理的范围。

常用地震检波器芯体常规物理特性举例见表5。

表5 常用地震检波器芯体常规物理特性举例

从表5可以看到，常用地震检波器芯体的常规物理特性也具多样化。这就进一步说明当前的地震检波器参数缺少一致性和通用性，以及制定统一技术标准的必要性和紧迫性。

上述5个表的内容从不同侧面量化展示了当前地震检波器的现状，且总体反映了应该标准化的具体内容。对照物探技术发展带来新需求，并结合生产应用中的实际情况，可将当前地震检波器突出的问题及其带来的危害归结如下：

1)品种型号多且特性差异大，导致选型困难且无法混合使用；

2)不同产品采用的部件和材料尺寸不统一，导致维修备件不通用；

3)不同产品的响应指标和参数不一致，导致互不兼容且很难相互比较；

4)不同产品的常规物理特性参差不齐，导致适用范围不明确、不具体；

5)失真度等技术指标测定方法不合理，导致固有技术特性不能客观体现；

6)缺失衡量综合响应性能的技术参数，导致地震信号响应能力很难量化；

7)缺少能统领技术发展的指导标准，导致地震检波器设计和选型无据可依。

通过对现状的系统分析，总体明确了当前地震检波器问题的实质和危害。找到了问题的症结只是落实了标准化的具体内容，欲确立标准化的技术定位和量化指标还需落实地球物理勘探技术发展对地震检波器提出的量化需求。为此，下面将从当今地震数据采集技术新特点出发，系统地分析物探技术发展对地震检波器提出的技术和特性要求。

2 需求分析

本质上，地震检波器技术就是服务和从属地球物理技术，所以地震检波器应具备什么样的特性，朝着什么方向发展，主要取决于地球物理勘探技术的发展及其对地震检波器带来的需求。宏观上看，地球物理勘探技术总体是朝着宽频、宽方位、高密度、高效率、低成本等方向发展，相应地就要求地震检波器具有宽频带、高保真、低噪声、大动态、低造价等特性。根据这些发展方向和具体要求，结合近几年国内外地震数据采集工程选择地震检波器的原则，可将地震检波器技术发展要素大致归纳为如下几个方面：

1)技术指标高(如一致性好、动态大、分辨率高等)；

2)宽泛的地震信号响应频带，尤其低频信号响应能力要强；

3)良好的信号保真能力(如畸变低、噪声低、线性度好等)；

4)较高的灵敏度，单只可取代单串；

5)良好的环境适应性(如工作温度范围大、防水能力好、适应各种地表等)；

6)兼容互换性好(如响应特性一致、部件材料规格统一等)；

7)抗干扰能力强(如正交分量隔离性好、假频高、抗电磁干扰等)；

8)技术检测简单快捷(如可用地震仪器批量检测)；

9)布设简单(如适合机械化操作、重量轻、体积小、允许倾角大等)；

10)坚固耐用(如性能稳定可靠、生命周期长等)；

11)成本低廉(如购置价格低、维护支持成本低等)。

以上由地球物理勘探技术发展赋予地震检波器发展的要素应该是今后相当长时期内地震检波器技术追求的基本目标，也应该是地震检波器技术标准化的出发点和落脚点。有了这些需求要素，就为地震检波器技术标准化方案探索提供了具体依据和量化指标。

3 标准化方案探索

明确了地震检波器技术的当前问题和发展需求，也就明确了地震检波器技术标准化的具体目标和任务。标准化方案探索的实质就是根据明确的具体任务和目标来规范和量化地震检波器的基本特性，进而更好地满足地球物理勘探技术的发展需求，并有效解决当前地震检波器普遍存在的突出问题。为此，下面将从技术路线、基本原则、实施细则、量化要素等入手，创新性地探讨地震检波器技术标准化的实施方案和具体做法。

设计标准化技术方案时，应本着满足发展需求同时兼顾当前现状，并最大限度地统一和规范地震检波器技术为原则，制定出具有足够先进性、普适性、包容性、实用性、操作性和生命力的技术条款，同时尽量以数值形式来量化技术条款的内容。为增强标准的可操作性，在此地震检波器技术标准化路线的基础上，还应考虑技术标准化的有关实施要素和细则。

不同的地球物理勘探市场对地震检波器技术的需求也不尽一致，常规的勘探市场用大众化技术的地震检波器就可以满足，对于高端或特殊的勘探市场就需要用技术性能先进或独特的地震检波器。为匹配勘探市场的需求，细则上可将地震检波器技术也分为3个层级，分别是能满足常规勘探市场的普通级、能满足当前高端勘探市场的先进级和能满足未来高端勘探市场的领先级。那么在进行技术标准化时就可以按此方式划分等级，一方面兼顾了当前普遍在用的地震检波器，另一方面又为今后发展留足了空间。

根据上述讨论形成的认识及以往地震检波器标准的内容可知，地震检波器技术应该标准化的具体要素主要是地震信号响应指标、常规物理特性参数、组成部件与材料规格、名称型号等。所以，就可以按照3个层级定位对地震检波器技术从以上要素进行标准化。为简捷起见，下面以列表形式进行具体论述。

地震检波器常规技术指标标准化方案见表6。

表6中以常用的5 Hz和10 Hz自然频率地震检波器为例，列出了常规技术指标的参考值，其它自然频率的地震检波器也可同理规范。

地震检波器地震信号响应指标标准化方案见表7。

表6 地震检波器常规技术指标标准化方案

表7 地震检波器地震信号响应指标标准化方案

表中以常用的5 Hz和10 Hz自然频率地震检波器为例，从地球物理技术需求角度细分了地震检波器应有的地震信号响应性能参数，并根据地震检波器技术现状和发展态势列出了相应参考值，其它自然频率的地震检波器也可同理规范。以往的地震检波器标准没有地震信号响应指标，致使很难量化其响应能力，也就很难根据勘探任务匹配最佳技术的地震检波器。为了适应地球物理勘探技术向精细化发展需要，增加地震信号响应指标参数有利于引导地震检波器的技术发展，也有利于综合评估地震检波器的技术性能。

地震检波器常规物理特性参数标准化方案见表8。

表8 地震检波器常规物理特性参数标准化方案

注: 满足接触电阻不大于0.05 mΩ。

地震检波器组成部件材料规格和特性标准化方案见表9。

地震检波器名称和标识标准化方案见表10。

表9 地震检波器组成部件材料规格和特性标准化方案

表10 地震检波器名称和标识标准化方案

这里仅就电磁式速度型地震检波器的关键性能如何标准化进行了探索，实际上市场还有其它类型的地震检波器，需要标准化的内容也还有外形、尺寸、重量、寿命、抗干扰能力等。由于其它类型的地震检波器用量相对少，而且外形、尺寸、重量、寿命、抗干扰能力等对地震检波器技术和应用效果直接影响较小，加之不易量化规范，所以此处不做更多类型及外形、重量等的标准化探讨。

4 结束语

探索地震检波器技术标准化的目标在于通过规范关键技术要素，解决当前地震检波器普遍存在的问题，为新产品研发提供顶层设计，进而提高发展质量、增强应用效果、降低勘探成本，以便更好地满足地球物理勘探技术的发展需求。标准化的实质在于规范、统一地震检波器的设计制造和操作应用技术，具体做法是将地震检波器的地震信号响应指标、常规物理特性等分3个技术层级进行量化，并对部件材料规格、名称、标识等进行统一设计。文章的初衷是想找出影响地震检波器技术发展和应用成效的问题，探索解决问题的技术方法，并希望借此能为地震检波器技术的良性发展提供借鉴和思考。

在此文的资料收集和数据统计过程中得到了易碧金、赵汀、甘志强、池蛟、乔顺刚、余正杰、王延胜等同行的支持和帮助，特此声明并表示感谢。