地震检波器检测技术及应用探讨

齐孟颖

（中石化集团国际石油工程有限公司阿尔及利亚子公司， 北京 100728）

1 问题的提出

石油地震勘探过程中由人工震源所产生的反射波具有吸收衰减性，受环境噪声、电噪声等的影响而信噪比不高，而且由于技术上的限制，只能采用地震检波器间接地对这种地震波机械振动进行检测。上世纪三十年代动圈式模拟地震检波器问世以来，各种类型的检波器不断涌现，但传统的动圈式地震检波器在当前野外石油地震勘探过程中仍广泛应用。

在野外石油地震勘探过程中，与噪声相比，人工震源所激发的反射波信号主频低、高频衰减速率快、信噪比低，激发震源后噪声的产生进一步降低了有效信号的范围，尤其在复杂地表，噪声更显强烈[1]。由于当前技术水平的限制，地震勘探野外采集很难直接测量到震源引发的振动，只能通过检波器间接进行大地机械振动的测量，而测量的准确程度直接受检波器性能的影响。20DX动圈式检波器和MEMS数字检波器性能及观测精确度的对比详见表1。

表1 检波器性能比较

为此，以上述20DX动圈式检波器和MEMS数字检波器性能及观测精确度的对比为基础展开分析。

2 地震检波器检测技术应用中应注意的问题

2.1 跟踪物理量指标

地震检波器根据跟踪物理量指标可划分为位移型、速度型和加速度型等类别，其中速度型和加速度型在石油勘探中使用较广泛。动圈式检波器是典型的速度型检波器，在石油勘探中地震检测及数据获取方面曾经有过十分广泛的应用，所以诸如随机噪声、雷克子波、信噪比等变量、假设条件、研究成果等都是基于地震数据速度域特征而建立[2]。

MEMS数字检波器是典型的加速度检波器，在该技术引入国内石油勘探领域之初，研究及操作人员都拘泥于直接比较其输出数据和动圈式检波器数据，并未意识到两种技术跟踪物理量方面的差异，而片面地认为MEMS数字检波器主频高、信噪比低。究其原因，地震信号具有低频性，而加速度数据信号则常常位于高频段，两者跟踪物理量不同，所以单纯提高加速度型检波器的主频很难保证勘测结果的准确。

动圈式检波器的低频损失经反褶积补偿，并通过石油勘探频带及能量的互换后动圈式检波器和MEMS数字检波器的数据采集速度除去跟踪物理量后便会趋于一致。此外，动圈式检波器的低频特征受反褶积补偿后便会得到加强，从而便于进行全波形反演、深层成像及速度对比分析。

2.2 地震检波器频率及传输函数

2.2.1 自然频率及其传输函数

在地震检波器弹簧惯性系统等效质量、刚度等的影响下，其弹簧惯性系统沿着磁钢轴运动的自由谐振频率主要受灵敏度、线性度、结构型式、材料性能等的综合影响。地震检波器弹簧惯性系统分布参数实际数值必须结合工程实际才能客观准确，地震检波器传输函数在弹簧惯性系统垂向速度（v）的带动下，其正弦激励信号频率（f）不断改变，详见图1。

地震检波器传输函数中平静工作带宽的下限即为自然频率，其取值是能否将振动点的机械能转化为优势突出信噪比带宽电信号的关键。自然频率以下的传输函数向信噪比特征凸显的带宽电信号转变的灵敏度必将受到抑制，为充分利用石油勘探系统动态范围较大的技术优势，应将自然频率提升至100Hz以上，以达到抑制低频能量转换的目的。但是高分辨率并不等同于高频，而对石油勘探系统动态范围大的技术优势的应用虽能抑制面波，但不利于低频信号的有效性[3]。

图1 地震检波器传输函数

地震检波器传输函数在自然频率附近呈现出典型的非线性特征，在有效频段内地震检波器传输函数应当为水平状，能起到抑制检波器输出信号畸变或震荡的作用。相反，如果在有效频段内地震检波器传输函数出现非线性变化，则意味着地震检波器受到异常干扰而频率信号发生改变。

2.2.2 寄生频率及其传输函数

寄生谐振是地震检波器传输函数中自然频率之上输出信号的畸变与震荡，谐振点与寄生频率fs对应，一旦地震检波器弹簧片遇到水平转动横向作用力和垂直的径向作用力同时影响，仪器就会在磁钢轴产生谐振频率。检波器寄生谐振往往由地表运动多向性、仪器倾斜插置等引起，一旦外圈弹簧处所作用的水平转动力和径向力的强度、持续时间足够，则仪器系统寄生频率和自然震动频率便会发生共振，如未给予足够重视，则在石油勘探地震信息检测中必将出现去假频滤波器参数设置上的偏差。寄生频率的取值关系着平静工作带宽的限度，在常规的石油地震勘探中，所使用地震检波器的寄生频率至少为10Hz。

2.3 地震检波器灵敏度的确定

为提升地震检波器对上行至地表的有效波的接收及传输能力，应拓展地震信号优势信噪比带宽，并改善接收条件。地震检波器的灵敏度指标对于地表质点振动位移的检测十分关键，根据当前油田勘探实际，当采样间隔为0.25ms、0.5ms、110ms、210ms、410ms时，地震检波器428XL记录系统高截止频率分别为1600Hz、800Hz、400Hz、200Hz和100Hz，线性相位系统延迟0ms，最小相位系统延迟1ms、2ms、4ms、8ms、16ms，考虑到质点位移、环境噪声等因素，检波器灵敏度应设定在0.6～0.7v(cm/s)。随着检波器灵敏度的增加，其输出电阻必然增大，进而又出现其输出电阻和输入阻抗能否匹配的问题。

2.4 对电磁干扰的响应

曾有学者提出，MEMS数字检波器由于无任何电感线圈与地震道连接，因而可以免受任何电磁干扰信号的不利影响，但事实却与之相悖，数字检波器不可能完全免于电磁信号干扰，而且干扰幅度竟然超出正常水平2～3倍。进一步分析得知，这种高频干扰是外界干扰与仪器自身相互作用所产生与电磁干扰相关的噪声所致，并对MEMS数字检波器接收弱地震信号造成不利影响，这种降低模拟电路比重、检波器数字化的做法也很难彻底消除电磁对仪器的干扰。数字化的积极作用主要体现在工程方面[4]，即不断降低检波器埋置难度，实现机械埋置，通过无线传输防止电缆耦合响应，推动地震检波器向小型化、自动化、无缆化等方向发展。

3 结论

地震检波器在石油地震勘探中主要发挥着模拟地面振动分量，进而完整准确反映地震波动力学特性的作用。在这种间接测量和反映的过程中必然存在大地震动与仪器自身振动电噪声不同所引起的耦合效应以及仪器自身振动与地震数据差异所引起的机电效应两方面的误差，为此，地震检波器在设计及应用过程中，应尽可能降低两种效应所引起的误差，保证所检测和记录数据的真实性。

◆参考文献

[1] 苏朝光，宋亮，孟阳，等. 胜利油田三维开发地震的实践及效果[J].石油地球物理勘探，2019，54(3)：565-576.

[2] 魏继东. 地震数据表征：速度与加速度[J].石油地球物理勘探，2019，54(2)：243-253.

[3] 罗福龙. 地震检波器技术标准化探索[J].石油管材与仪器，2019，(1)：7-13.

[4] 魏新建，李书平，陈德武，等. 复杂区域地震采集质量评价技术及其应用[J].石油物探2019，58(1)：27-33.