单点地震采集检波器的特性分析

杨 勇 顾 济 汪大鹏 杨继春 高国庆

东方地球物理勘探公司大庆物探一公司仪器测量中心 黑龙江 大庆 163000

近年来,单点地震采集已成为地震勘探行业主流技术,该技术采用单点激发、单点接收、小道距、大道数,采集结束后在室内进行数字组合等处理方法,与常规组合接收相比可以显著提高保真度,同时消除组内干扰,从而提高地震资料的分辫率和成像精度,从而更好地适应当前的勘探需求。

目前,低频勘探是目前国内外前沿的勘探方法,低频信号提供了地层是否含油气的标志信息,同时低频波的波长较长,穿透力好,有利于深度勘探,也是目前解决火成岩地区能量透射的主要技术手段。因此,采用单点低频模拟检波器可以起到高效采集的作用,还可以较大程度地降低地震采集施工成本。而检波器的性能特征是地震数据采集中的一个重要因素,因此,有必要对低频模拟检波器的性能特征进行分析,以利于更好的应用在单点地震采集中。动圈式地震检波器是一种结构相对简单、便宜耐用、技术成熟的地震传感器。动圈式地震检波器虽然诞生多年,但是由于其实具有自供电、结构简单、性能稳定、成本低廉等优点,仍然具有广阔的发展前景。

1 检波器原理分析

检波器首先要对振动进行感应,然后再将振动信号转换成电信号,简单来说就是力学和电学两部分,力学部分反映的是检波器的动态特性,电学部分大多是反映检波器的静态特性。通过分析检波器的响应特性就能够知道检波器接收信号的特点。

1.1 检波器的力学原理 地震勘探检波器属于振动传感器,是一个单自由度的振动系统。当系统受外部振动位移,可以得到检波器的暂态响应,检波器固有振动的延续时间由阻尼系数决定。当阻尼系数等于检波器固有频率时,惯性体在回到平衡位置后立即停止振动,具有最好的分辨率。

1.2 检波器机电转换原理 地震检波器的机电转换部分负责将振动系统感应的振动信号按原比例转换成电信号,动圈式检波器属于电磁感应检波器。

电磁感应检波器由永久磁铁、线圈和弹簧片组成,磁铁具有很强的磁性,线圈由铜漆包线绕在框架上而成,有两个输出端,弹簧片具有线性弹性系数,它使线圈与塑料盖连在一起,使线圈与磁铁形成一个相对运动体(惯性体)。当地面存在机械振动时,线圈对磁铁做相对运动而切割磁力线,根据电磁感应原理,线圈中产生感生电动势,且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比,线圈输出的模拟电信号与地面机械振动的速度变化规律是一致的。

2 检波器性能参数及需求分析

在地震勘探中检波器是接收地震信号的最前端,是直接获取大地振动信息的器件,对能否较为精确地接收地震波信号起着决定性作用。能否精确地感应地震波在检波器所在位置上引起的振动是由检波器的响应特性决定的。因此系统地研究和分析检波器的特性是从事地震资料采集研究人员做好接收工作的基础。

针对检波器而言,单点地震采集技术最大的需求就是真实的记录地震采集信号,在一定程度上信噪比会有所降低,但是消除了组合方法带来的低通滤波作用。

地震检波器的特性包括动态特性和静态特性,这些特性共同决定了检波器的特点。动态特性参数主要有自然频率,阻尼系数,频率响应范围,频率特性等。静态参数主要有线性度,灵敏度,重复性,迟滞,分辨率,漂移,稳定性等。这里对其中常用的几个特性进行分析。

2.1 灵敏度 灵敏度指检波器对地面振动响应的敏感程度。检波器灵敏度越高其对弱小信号的响应能力就越强,即有利于接收地震勘探中的弱小信号。

2.2 阻尼系数 在动圈式检波器中运动线圈的阻尼状态很重要,欠阻尼会使检波器的低频特性变坏,抑制外界干扰的能力降低,过阻尼又会降低检波器的灵敏度,同时阻尼系数对自然频率的影响也很大。

2.3 自然频率 检波器的自然频率是检波器自身振动系统没有阻尼影响时的固有频率,在地震勘探中通常采用的速度检波器自然频率10HZ。在单点地震采集中,为了追求高精度,通常采用自然频率较低的检波器。

2.4 动态范围 检波器的动态范围是指检波器能够感应最大和最小振动信号的能力,通常用两者的比值来表示,单位是DB。检波器的动态范围和仪器的动态范围相比一般要小。目前厂家提供的检波器的动态范围是依据检波器的失真度来换算的,当失真度0.1%时就认为检波器的动态范围为60DB,这并不能真正反映检波器感应强弱信号的能力。

3 存在问题及对策

动圈式检波器是目前行业中使用最广泛的地震检波器,经过多年的研究和改进,其性能得到了很大提高,稳定性也很好。但随着对地震数据采集质量的要求越来越高,因此动圈式检波器暴露的问题也越来越多,主要表现在以下几方面：

3.1 抗电磁干扰能力不足 动圈式检波器是基于电磁感应原理而制成的,容易感应50HZ的工业电,在地震数据采集工程中就经常会受到电磁场干扰,在地震记录上形成谐波噪声,称为串感或脉冲感应。串感严重时,经常破坏正常的记录面貌,影响记录资料的品质和评价。引起串感现象的因素有很多,外部原因如,采集周围环境的地形、天气变化、高压输电线路、市电网络、大地电流、太阳能板等。内部原因是检波器和电路板不具备屏蔽功能。

3.2 耦合要求高 检波器接收的振动信号不一定与大地的振动一致,其中的一个重要原因就是检波器尾椎埋置时,与地表构成一个耦合系统,如果埋置不好,就会使检波器接收到的信号发生畸变。单点地震采集由于采用单只检波器接收地震信号,对检波器的埋置要求变得更高。另外,当地表条件为坚硬的岩石、水泥地板等介质时,需要在尾椎与介质之间增加耦合介质,提升效果的同时,耦合介质与尾椎介质之间构成了一个谐振系统,会对检波器接收的信号产生幅度和相位方面的干扰。

4 结论

地震信号是一系列复杂振动信号的综合,如果想要让这种波形能被完整测量,就要求检波器的动态范围足够大、灵敏度高、信噪比高,要求检波器既有较低的低频响应,又有较高的高频响应,目前的检波器还达不到这种要求,但是可以在工程中采用技术手段来作为辅助,使得对脉冲信号的测量总是在一定的误差范围内进行的,那么就能够满足工程需要。