適用于陸上石油勘探的地震檢波器

魏 繼 東

(中國石化石油工程地球物理公司勝利分公司，山東東營 257100)

·采集技術·

適用于陸上石油勘探的地震檢波器

魏 繼 東*

(中國石化石油工程地球物理公司勝利分公司，山東東營 257100)

陸上石油勘探中采用過多種基于不同工作原理的檢波器(如動圈式模擬檢波器、MEMS數字檢波器、渦流檢波器、電化學檢波器及光纖檢波器等)，而實際地震數據采集中多年來一直是動圈式模擬檢波器(如SM-4、20DX等)占據主導地位。通過分析地震采集階段信號、噪聲的特性以及地震檢波器的性能指標及其與地球物理特征之間的關系，提出了檢波器類型對比試驗的設計原則、采集階段初步評估地震資料的方法。認為在當前去噪能力下(即通過后續(xù)壓噪手段、仍難以將機械屬性的環(huán)境噪聲、原生噪聲及次生噪聲衰減到與電噪聲屬性的本底噪聲相當的水平)，對于垂直分量而言，以20DX為代表的動圈式檢波器仍是數據合格、費用合理、施工方便的高效率檢波器； 同時指出了某些新型檢波器存在的不足及今后陸用檢波器的發(fā)展方向。

檢波器 地震勘探 動圈式檢波器 陸上

1 引言

從地質期望角度而言，我們希望識別數千米以下數米尺度的、具有工業(yè)價值的構造或者巖性油氣藏單元。與達成這一目標所需要的反射信息相比，陸上反射波法地震勘探由人工震源激發(fā)的反射波具有主頻低(吸收衰減)、信噪比低(環(huán)境噪聲、原生噪聲、次生噪聲、電噪聲影響)的特點。同時，受技術手段的限制，對由震源激發(fā)的地面地震波機械振動的檢測只能通過具有機電轉換能力的檢波器進行。所以，以上因素決定了陸上石油地震檢波存在三個基本現實，即主頻低、信噪比低、由檢波器間接測量。前二者是地震勘探面臨的“客觀存在”，第三點則反映了人類當前的“主觀能力”。

自從20世紀30年代推出現今普遍采用的動圈式模擬檢波器以來[1]，基于不同的工作原理，涌現了大量不同類型的檢波器，比如MEMS數字檢波器、渦流加速度檢波器、電化學檢波器、光纖檢波器等等。盡管每次隨著不同類型檢波器的出現，均會相應地進行一些試驗、試生產，但是當前野外施工中占據主導地位的，仍然是動圈式模擬檢波器，比如SM-4、20DX等。為什么某些看似具有“指標優(yōu)勢”的檢波器卻始終沒有取代傳統(tǒng)動圈式檢波器的主導地位呢？作者認為，對于這一問題的回答，需要厘清三個方面的問題： ①地震采集階段信號與噪聲的比較特性； ②地震檢波器的指標參數對地震數據的影響； ③檢波器選型試驗的設計與資料比對方法。

2 采集階段信號與噪聲的特性比較

在反射波法石油勘探中，信號是指有利于目標地質體識別的有效反射信號，噪聲則是對有效反射信號識別具有干擾作用的非有效信號。噪聲與信號的定義是相對的，在某些情況下，二者可互換[2]。

對于陸上地震勘探來說，在地震采集(地震信號由震源激發(fā)到被磁帶記錄)階段，影響地震信號振幅、頻率等特征的因素主要包括爆炸子波、大地吸收衰減、組合效應、組內時差、檢波器—大地耦合、檢波器及地震儀的性能、參數等。

根據噪聲的出現規(guī)律，可將噪聲分為規(guī)則噪聲和隨機噪聲兩類。前者包括面波、折射波、聲波等源自炮點的原生噪聲以及非源自炮點的次生噪聲、具有相干性的環(huán)境噪聲；后者包括風吹草動等引起的頻帶寬、速度多變的環(huán)境噪聲及耦合噪聲、電噪聲等[1]。但若從與檢波器的關系來看，被記錄到磁帶上的噪聲可劃分為以下兩類。

(1)與檢波器無關的噪聲。指即使檢波器不存在，也獨立客觀存在的噪聲。如表現為地面振動的環(huán)境噪聲、源自炮點的原生噪聲、由震源激發(fā)的次生噪聲等(圖1a)。

(2)與檢波器有關的噪聲。這種噪聲決定于檢波器、地震儀的性能參數以及檢波器與地表介質之間的耦合關系。可更細致地劃分為： ①機械噪聲，包括檢波器濾波效應、寄生振蕩、耦合效應等，決定于檢波器以及檢波器—大地耦合系統(tǒng)的機械特性； ②電噪聲，主要指地震儀前置放大器等產生的噪聲以及有源檢波器元器件產生的噪聲；這兩類可歸屬為物理噪聲； ③數學噪聲，主要指采樣噪聲以及各種數學運算產生的噪聲，比較微弱(圖1b)。圖1c代表經過地震檢波系統(tǒng)改造后、記錄到磁帶上的數據，是信號與各種噪聲的累加。

圖1 磁帶數據中信號與噪聲的影響因素(振幅譜)

有效反射信號強度較噪聲強度的分貝數被稱為信號的動態(tài)范圍。根據筆者調查，山東東營HJ地區(qū)冬季微風夜晚最淺目的層反射波較環(huán)境噪聲的動態(tài)范圍大約為40dB，更深目的層則更小，部分文獻[3，4]也印證了這個量級。同時，震源激發(fā)后會產生次生噪聲，使得有效信號較噪聲的動態(tài)范圍變得更小。在復雜地表區(qū)，無論環(huán)境噪聲還是次生噪聲都較普通地表更為強烈。信號較環(huán)境噪聲的動態(tài)范圍經過后續(xù)處理后會有一定程度的提高。

對于陸上石油勘探而言，由人工震源激發(fā)的反射波信號較噪聲具有下列兩個特點。

(1)主頻低。油氣藏單元一般埋藏較深，大多在數百米至數千米以下，反射波雙程旅行時多在1s以上。由于吸收、衰減等因素影響，高頻衰減嚴重，最高頻率多在150～200Hz以下；在低降速帶較厚、目的層較深地區(qū)，反射波主頻更低。

(2)信噪比低?；谕瑯拥脑?，反射波振幅在傳播過程中大幅度衰減，環(huán)境噪聲、原生噪聲及次生噪聲的強度變得相對較高。

Davis[5]認為，接收系統(tǒng)設計中所采用的主要參數均來自對噪聲的研究，而噪聲是由信號來定義的。因此，無論是接收設備的硬件性能指標參數設計，還是震源激發(fā)、觀測系統(tǒng)、地面接收等參數的選擇，均基于對石油勘探中信號與噪聲特性的認識。對信號(尤其是弱小信號)的突顯和和對噪聲的壓制，貫穿地震勘探的每一個環(huán)節(jié)，是很多技術、施工手段的出發(fā)點與最終目的[2]。

3 檢波器指標參數對地震數據的影響

對地震勘探野外采集來說，受當前技術手段的限制，無法直接測量到震源帶來的大地振動，所以只好將具有機電轉換能力的檢波器置入地面、間接測量大地機械振動，所以檢波器本身的性能指標對于保證地震數據的質量具有重要意義。

文獻[6]曾經對兩種典型檢波器(動圈式模擬檢波器20DX和MEMS數字檢波器DSU3，表1)的性能指標對地震數據的影響做過討論，本文在此基礎上做更深入的分析、探討。

表1 DSU3數字檢波器與20DX模擬檢波器的性能比較[7]

3.1 跟蹤物理量

根據跟蹤物理量的不同，可將檢波器分為位移型檢波器、速度型檢波器和加速度型檢波器三類。石油勘探中多為速度型或者加速度型。

速度型檢波器的典型代表是動圈式檢波器，如SM-4或20DX。在MEMS數字檢波器出現之前，絕大多數石油勘探的地震數據都是由動圈式檢波器采集的。相應地，很多處理手段的假設條件以及研究結論，都是建立在速度域數據基礎上的，如雷克子波、隨機噪聲、信噪比計算公式等，都是基于數據的速度域特征[8，9]。

當前加速度型檢波器的典型代表是MEMS數字檢波器，比如DSU和Vectorseis。在MEMS檢波器被引進中國之初，很多文獻及實際數據處理都將其輸出的數據與動圈式檢波器數據進行直接比較，沒有注意到二者跟蹤物理量的不同，所以均得出了“MEMS檢波器主頻高而信噪比稍低”的結論[7，10-16]。造成這一現象的根本原因是地震信號占據低頻端而加速度數據具有高頻提升的特點，并不是MEMS檢波器的本來屬性。將加速度型檢波器數據較速度型檢波器數據的主頻提高、頻帶拓展歸因于檢波器本身是不正確的，其實本質是跟蹤物理量不同或者量綱不同，與檢波器本身無關。近年來，絕大多數業(yè)內人士趨向認同此觀點，因此對MEMS等加速度檢波器的看法也更加客觀了[6，17-22]。

文獻[23]表明：在機電比相對較高的前提下，經檢波器反褶積補償動圈式檢波器的低頻損失以后，以上兩類典型檢波器拾取的速度或者加速度在陸上石油勘探的頻帶和能量范圍內相互轉換后具有高度一致性。因為二者的差異僅僅是其跟蹤物理量(速度/加速度)的不同，它們表征的地表振動的物理存在并沒有本質的差異。同時，由檢波器反褶積補償動圈式檢波器的低頻成分或者將MEMS數字檢波器積分為速度后，低頻端(1～10Hz)數據得到了加強，這對于全波形反演、速度分析、深層成像等領域具有重要意義[24-27]。另外，可對以前用動圈式模擬檢波器采集的地震數據先做檢波器反褶積、補償低頻成分，再重新進行后續(xù)處理、解釋，可望獲得新的認識和勘探成果。

至于到底是速度表征還是加速度表征更有利于石油地震勘探，需要由后續(xù)處理、解釋階段的勘探效果來驗證。

3.2 絕對動態(tài)范圍

在AD轉換器、前置放大器等硬件因素確定的情況下，可以采集到的地震信號的動態(tài)范圍是確定的，即電噪聲～AD轉換器最大量程，所有超過這個范圍的信號都不能被識別或者接收(此表述未考慮處理對信噪比的提高作用)。因為該范圍不會隨著輸入信號強度的變化而變化，所以作者將其稱為“絕對”動態(tài)范圍[6]。

在現今超過120dB絕對動態(tài)范圍的機電背景下，前置放大器為主的電噪聲已經不是主要矛盾，因為與檢波器無關的機械噪聲的強度非常大，是電噪聲的十幾倍甚至幾十倍(圖2顯示中國東部平原地區(qū)冬天夜晚微風天氣時環(huán)境噪聲與電噪聲的對比)，并且往往具有相干性(盡管有時以隨機形式表現出來)及空變與時變的特征，很難完全衰減。只有在處理階段有能力大幅度衰減機械噪聲的前提下，降低電噪聲對信噪比的促進作用才能顯現出來，這在現階段是不現實的。所以一味地強調降低電噪聲對提高數據信噪比的幫助并不大，如文獻[28]提到DSU508將本底噪聲降低了-10dB(較DSU428)。就檢波器的機電轉換性能來講，這確實是一個大的進步，但是對實際地震數據信噪比的促進作用非常有限。同時，電噪聲在主要頻段(如DSU的10～200Hz， FDU的3～200Hz)往往接近于白噪，僅靠統(tǒng)計性的疊加效應就可大幅度衰減。比如100次疊加，即可將電噪聲衰減至原強度的1/10以下。

圖2 環(huán)境噪聲、DSU428電噪聲和新低噪聲模型的功率譜密度(PSD, 1m2·s-4·Hz-1=0dB)

當然，降低電噪聲會對提高極低頻(1～3Hz及以下)弱信號的機電比有利，但在多次覆蓋的情況下，由普通炸藥或可控震源激發(fā)的極低頻信號可具有較高的機電比，不會對低頻恢復造成太大影響。

文獻[28]提到了電噪聲的另一特點：越靠近低頻端(1～10Hz)，本底噪聲越大，這是因為本底噪聲往往具有1/f規(guī)律(電噪聲強度與頻率成反比)造成的。在這種情況下，因為DSU本身是加速度型檢波器(意味著低頻機械信號較弱)，加之電子器件1/f噪聲的存在，就會使DSU系列檢波器的低頻接收能力降低(機電比低)。但是據筆者的研究[23]表明，對于以石油勘探為目標的機械信號，DSU系列是可以滿足要求的。但是對于天然地震中的極低頻以及新低噪聲模型(NLNM)水平的振動，則無法檢測(圖2)。

同時，對于有源檢波器而言，其輸入到模數轉換器件之前的模擬信號經過了外設電路的改造，在此過程中就產生了電噪聲，進而也就存在一個檢波器自身的絕對動態(tài)范圍。由于制造工藝方面的原因，有源檢波器的動態(tài)范圍很難超過現有地震儀的動態(tài)范圍(大約130dB)。如果有源檢波器的動態(tài)范圍很小，即電噪聲水平很高，就很難輸出高保真的機械信號、忠實地再現地面振動特性。

比如對于圖3左圖中有源檢波器A而言，其輸出模擬信號的動態(tài)范圍略小于地震儀的動態(tài)范圍，在這種情況下幾乎能夠充分利用地震儀的動態(tài)范圍，是最理想的一種情況；對于圖3右圖中有源檢波器B而言，由于各種原因導致其輸出原始模擬信號的動態(tài)范圍遠小于130dB(電噪聲太強)，此時即使將地震儀增益設置為12dB，從地震記錄上也會出現超調現象、讓人誤以為其輸出數據的動態(tài)范圍很大，但是因為其輸出模擬信號的本底電噪聲是固定的，所以對于微弱信號的識別能力并沒有隨著增益由0調整為12dB而提高(盡管此時地震儀的電噪聲水平降低了)，數據的實際動態(tài)范圍仍然很小。在無源檢波器情況下能夠識別的微弱信號，在用有源檢波器B接收時，就變得不可識別。 所以，有源檢波器輸出模擬信號的動態(tài)范圍應該在110～130dB，如果太小，就會浪費地震儀的動態(tài)范圍，降低對微弱信號的識別能力。

圖3 有源檢波器動態(tài)范圍應略小于地震儀動態(tài)范圍

3.3 相對動態(tài)范圍

包括20DX在內的多數模擬動圈式檢波器的諧波失真在-60dB左右，而數字檢波器DSU的諧波失真則為-90dB，相應地20DX的動態(tài)范圍為60dB，DSU的動態(tài)范圍為90dB(均指檢波器自身的動態(tài)范圍)。但是應該看到，盡管與前述絕對動態(tài)范圍都屬動態(tài)范圍的范疇，并且單位都是dB，但是由諧波失真定義的檢波器自身動態(tài)范圍與由AD轉換器轉換位數、電噪聲水平所定義的絕對動態(tài)范圍有著很大的差異，其計算公式、決定因素、物理含義均完全不同；如果根據檢波器的動態(tài)范圍60dB遠遠小于地震儀絕對動態(tài)范圍130dB就認為前者限制了后者發(fā)揮作用，是片面的。所以，為了與由AD轉換器轉換位數、電噪聲水平定義的絕對動態(tài)范圍相區(qū)別，作者將由諧波失真定義的動態(tài)范圍稱為相對動態(tài)范圍，因為這個動態(tài)范圍是隨著輸入信號的強度而浮動的，并非固定不變[6]。

對于石油勘探而言，動圈式檢波器-60dB的諧波畸變即60dB的相對動態(tài)范圍目前是適用的，新型MEMS數字檢波器-90dB的諧波畸變即90dB的相對動態(tài)范圍僅具有實驗室意義，不會表現出明顯的信噪比改善。這一方面是因為相對動態(tài)范圍是隨著輸入信號的幅度而變化的，另外一方面仍然是因為與檢波器無關的機械噪聲的強度太大了[6]。

3.4 檢波器靈敏度與前放增益

從機電轉換角度來講，提高信號輸入幅度可采取提高檢波器靈敏度或地震儀前放增益兩種方式。

針對不同的檢波器，其靈敏度的單位是不同的。比如動圈式速度檢波器的靈敏度單位是V/m/s，MEMS數字加速度檢波器的靈敏度單位是mV/m/s2。在這種情況下要比較靈敏度的高低，一方面要看其最強信號與A/D轉換器最大量程的差距，距離越小，靈敏度越高；另一方面要看電噪聲的水平，電噪聲水平越低而靈敏度越高，保真度(機電比)越高。

比如，有的檢波器在地震儀適用12dB增益的情況下出現超調現象，并不代表其靈敏度就較其他檢波器更高，靈敏度高低的衡量應該基于相同增益。同時，如果靈敏度的提高是由外設電路實現的，就會不可避免地帶來附加的電噪聲。如果為了充分利用動態(tài)范圍而通過外設電路將靈敏度提高n倍，但隨之而來的是電噪聲提高了等于或者大于n倍，這種靈敏度提升是沒有意義的。很多有源檢波器均存在這個問題。

所以，基于無源檢波器的靈敏度提高或者地震儀適當加大增益等措施是有意義的，有助于提高高、低頻兩端弱信號的機電比[23]，提高信號保真度。從施工便利的角度來講，檢波器串聯(lián)或者提高增益(比如東部強信號地區(qū)用“單點檢波器+12dB增益”，西部弱信號地區(qū)用“單點檢波器+24dB增益”)更具有操作性。

當然，也不必追求過高的機電比，比如機電比為100/1或1000/1幾乎是無區(qū)別的，此時去噪的主要矛盾是機械噪聲、不再是電噪聲。

有文獻提出用低靈敏度的高頻部分與高靈敏度檢波器的高頻部分求取匹配濾波算子，然后將進行匹配濾波后的低靈敏度檢波器高頻部分與其低頻部分進行數據重構，以提高數據主頻[29]。這種方式相當于在數據的不同頻段進行不等權組合，已經偏離了地表振動這一源頭數據的頻率屬性，看似提高了主頻，實際沒有物理意義，產生了人為的畸變。

提高靈敏度的確有利于弱信號的拾取以及數學恢復，但是在野外記錄以及初疊加剖面上難以體現(如單個20DX和一串20DX的初疊加剖面是相似的)，須經后續(xù)數學、物理屬性分析才能展現出來。

3.5 振幅和相位響應

檢波器的振幅和相位響應主要與檢波器的主頻、阻尼以及寄生振蕩頻率有關。

動圈式檢波器(比如20DX)與MEMS數字檢波器(比如DSU)具有不同的濾波響應以及各自明確的數學表達式。20DX的主頻為10Hz，DSU的主頻則超過1000Hz。對于石油勘探的頻段而言，前者振幅、相位在低頻段有較大畸變，后者的振幅、相位畸變都很小。但是，因為動圈式檢波器頻率響應是已知的，所以經過“檢波器反褶積”對振幅、相位進行補償后，二者在石油勘探的主要頻段內具有高度一致性[23]。

動圈式檢波器的寄生振蕩頻率多為其自然頻率的10～15倍以上，所以在多數情況下不必考慮。

就動圈式檢波器而言，自然頻率太低或太高都不應被提倡。若自然頻率太低(如2.0、4.5Hz)，一方面會使得寄生振蕩頻率進入勘探頻段，另一方面會導致費用提高、設備壽命降低；若自然頻率太高(如40、60、100Hz)，數據低頻部分會被大大衰減，機電比大大降低，信號畸變嚴重，即使經過檢波器反褶積等處理，仍難以恢復低頻(1～10Hz)段。

文獻[30]提出用“低頻檢波器的低頻部分+高頻檢波器的高頻部分”進行數據重構，以便拓寬數據頻帶。實際上，二者頻帶上的視覺差異主要是由于振幅譜顯示時采用最大值作為0dB以及靈敏度不同導致的，高頻段歸一化后可看到高頻檢波器缺失低頻部分，而低頻檢波器包含了高頻檢波器的所有信息(圖4)。另外文獻[31]提出用“速度檢波器的低頻部分+加速度檢波器的高頻部分”進行拓頻，因為速度與加速度有著完全不同的物理含義，合并后數據完全偏離了地面振動這一數據源頭，失去了其原有的物理意義。文獻[32，33]曾經嘗試用“高低頻聯(lián)測”的方式進行低頻恢復，即以低頻檢波器的低頻部分作為約束、恢復高頻檢波器的被機械衰減的低頻部分，這從理論上是可行的。但是在實踐中，往往會因為兩種檢波器在空間位置、跟蹤物理量、耦合響應、電噪聲、環(huán)境噪聲等方面的差異，使得校正算子難以保持穩(wěn)定。

圖4 低頻檢波器包含高頻檢波器信息

綜上所述，10Hz動圈式檢波器是一個數據、工程意義均較理想的檢波器(須配合檢波器反褶積以恢復低頻)。

3.6 耦合效應

在石油地震勘探中，震源被激發(fā)后，反射波傳播到地下反射界面后再反射回地表，帶來地表介質的振動。受當前技術條件限制，無法直接測量大地振動，只能用檢波器置于地表介質間接測量地表的振動。檢波器與大地之間的柔性接觸，構成了一個振動系統(tǒng)，被稱為檢波器—大地耦合振動系統(tǒng)。

借助測耦檢波器技術(專利號：ZL 2015 2 0258826.8)，可以測得不同檢波器類型、不同耦合情況下的檢波器—大地耦合響應。圖5為東營HJ地區(qū)普通泥質地表下測得的DSU和20DX的耦合效應。由圖5可見，在低頻部分，兩類檢波器的耦合效應基本一致； 但在160Hz以上，數字檢波器DSU的耦合效應要遠高于模擬檢波器20DX(即放大系數更大)。也就是說，在輸入相同機械振動(環(huán)境噪聲+地震信號)時，數字檢波器的高頻響應會更強，但這是一種高頻畸變，而非高頻提升。

圖5 據實際試驗數據擬合的兩類檢波器放大系數曲線

在檢波器—大地耦合響應方面，作者的主要認識包括[34]：

(1)在檢波器被穩(wěn)固埋置的情況下，用單自由度有阻尼的振動系統(tǒng)可以描述耦合介質具有一定厚度時的檢波器—大地耦合響應；耦合響應的改善，可表現為耦合固有主頻與耦合阻尼比的增加；

(2)耦合響應降低了地震信號的信噪比和分辨率，通過耦合反褶積可改善數據，提高信號保真度；

(3)挖坑埋置具有降低高頻段耦合噪聲的作用；

(4)耦合響應的高頻放大作用以及不一致性，使得檢波器自身優(yōu)秀性能指標的作用降低了，在某些情況下難以轉化為高質量的地球物理數據；

(5)更小、更輕便、更利于耦合的設計有利于降低檢波器—大地耦合系統(tǒng)的非線性響應。

3.7 允差

檢波器各特性參數的實際值與標稱值之間可接受的誤差比率范圍稱為允差。通常在用的多數動圈式模擬檢波器的允差為5%，而允差為2.5%的檢波器則被稱為超級檢波器或者高精度檢波器。模擬數據和實際數據的計算結果[23]證明，在當前地震勘探背景(多次覆蓋、強噪聲、耦合條件差異大且極弱信號識別能力有限)下，高精度/超級檢波器在組合疊加后不會表現為明顯的、可感知的更高質量數據。

3.8 對電磁干擾的響應與數字化

文獻[7]認為，應用MEMS技術的數字檢波器DSU不再有任何連接到地震道的電感線圈，所以也就不再受任何電磁干擾信號的影響；但是，實踐證明這個結論并不全面。筆者曾經在一個試驗中發(fā)現部分DSU檢波器也存在某種“高頻干擾”(試驗中采用了36個數字檢波器與36個模擬檢波器進行對比)，并且這種高頻干擾的幅度非常大。在總數同為36個的檢波器集合中，存在高頻干擾數字檢波器較模擬檢波器要高得多(DSU：12～13個，20DX：2～3個)。在不同的時間、地點以同樣的方法進行了同樣的試驗，這種高頻干擾卻沒有出現。因此，這種高頻干擾可能是外界干擾與檢波器內部因素相互作用的結果，并且是與電磁干擾而非機械干擾相關的噪聲； 部分野外地震采集中出現的工頻干擾也進一步證實了以上猜測。以上現象進一步說明了DSU檢波器難以對電磁干擾完全“免疫”，并且這種干擾無疑會對地震弱信號的接收產生影響。當然，DSU減少模擬電路比重的做法無疑會有助于減小電磁干擾，但顯然不能完全消除電磁干擾[6]。

因此，在檢波器內部進行數字化有助于減少天電、工頻干擾，但這并不能帶來數據根本性的改變，因為任何數字信號最初都來源于模擬信號。

因此筆者認為，在當前去噪能力下，檢波器數字化并不能帶來地震數據根本性的變革，進而體現出較模擬數據更大的優(yōu)勢。數字化的主要意義是工程意義，不是數據意義。藉由檢波器的數字化，進而可實現： ①“小型化”，其目的是衰減耦合效應，降低埋置難度[21，34，35]； ②“無纜化”，旨在通過無線傳輸(檢波器→采集站)避免由沉重的外接電纜引起的耦合響應畸變(外接電纜使得耦合響應不再服從單自由度機械振動系統(tǒng)的數學描述)[21，34，35]； ③“自動化”，其目的在于在以上“三化”基礎上實現檢波器由人工埋置向機械埋置轉變，在確保耦合質量的基礎上，提高施工效率、減少用工總量、節(jié)約生產成本。

3.9 矢量保真度

更高的矢量保真度在處理階段擁有優(yōu)勢，但其應用效果方面的結論尚不統(tǒng)一。筆者認為其原因仍是噪聲強度。在信噪比較低地區(qū)，矢量保真度提高的優(yōu)勢被噪聲的影響淹沒了[6]。

3.10 非線性噪聲

提高制造工藝水平會有效降低非線性噪聲。

3.11 地震儀因素

包括前放增益、采樣噪聲、高低截止頻率等，影響較小。

3.12 組合方式

檢波器選型問題往往伴隨著組合形式的討論。當前有一種呼聲，認為可以用一種“好的單點檢波器”代替某種“不好的已有檢波器組合”。筆者認為，如果不考慮檢波器濾波效應以及寄生振蕩(前者可以補償[23]，后者多超出了地震勘探的主要頻帶范圍)，改進檢波器性能主要壓制的是電噪聲，即機電轉換過程中產生的噪聲。而具有相干或者隨機特征的環(huán)境噪聲、原生以及次生噪聲屬于“與檢波器無關的機械噪聲”(圖1)，其強度為電噪聲的十幾倍甚至幾十倍(圖2)，即使沒有檢波器的存在，它也是客觀存在的，不會因為檢波器性能的改善而得到衰減，必須通過檢波器的方向性效應或者統(tǒng)計性效應以及后續(xù)的處理手段進行衰減，無法通過提高檢波器性能(即降低電噪聲。當前施工中占據主導地位的20DX+FDU采集單元的電噪聲已經非常低)來達到衰減機械噪聲、減少檢波器數量的目的(無法壓制具有空間特征的機械噪聲)。

所以，如果某種檢波器的電噪聲較20DX+FDU組合稍高或者稍低，數據表現并不會有太大的差異。因為目前的去噪能力有限，去噪的主要矛盾是強度大、頻帶寬、具有相干特征的機械噪聲，而不是由檢波器、地震儀所決定的電噪聲。

所以，“用某一種指標稍好的檢波器(單個)可代替多個某種指標稍差的檢波器(比如20DX)”是不現實的，是個“偽命題”。即使在某些地區(qū)經由此種檢波器、普通采樣密度的情況下達成了地質目標，也只能說明一個問題：單個20DX+低頻補償可以取得基本等同的接收效果(此類地區(qū)往往次生噪聲較弱)。

組合還是單點主要取決于組合壓噪能力，參看文獻[36-43]。

另外，關于組合方式的認識還包括以下幾點。

(1)10～12個檢波器是當前野外施工的適宜選擇，可兼顧數據(壓噪)與工程(施工方便)的需要[37]。

(2)單點采集具有頻帶寬、室內自由組合的優(yōu)勢，可以有效地提高地震資料的分辨率。但是，在有些地區(qū)并不能完全摒棄野外組合，特別是在次生干擾非常嚴重、信噪比較低的地區(qū)，單純依靠室內手段難以達到有效衰減次生干擾的目的。

(3)隨著軟硬件技術高速發(fā)展、地震儀帶道能力大幅提升、數據處理能力快速增長，“單點不組合+高采樣密度”是今后發(fā)展的方向。

綜上所述，地震檢波器更好的性能指標肯定有助于提高數據質量，但是更高的性能指標并不能保證更好的地球物理效果。復雜地質條件導致的地震信號自身的差異、采集階段的信噪比以及處理階段的噪聲衰減能力起決定性作用。電學性能指標的提高必須在原始信噪比較高、去噪能力持續(xù)改進的前提下才能顯現作用。在地震勘探其他環(huán)節(jié)不銜接的情況下，單純追求非常小的失真或者非常大的動態(tài)范圍等電學指標的提高，往往難以表現為地震數據質量的系統(tǒng)性進步[6]。

4 檢波器的選型與資料對比方法

如果主要目的在于確定“適于工業(yè)應用的檢波器類型”，按照科學實驗中“唯一變量”的原則，結合勘探現實，應該采取以下步驟。

(1)研究不同類型檢波器的性能指標參數。優(yōu)良的性能指標是保證數據記錄質量的基礎。

(2)野外單點對單點試驗，即單個檢波器與單個檢波器比較，二者相距20～30cm是合理的距離。在這個范圍內，耦合響應較小，地震信號、機械噪聲的相似度較高，具有可比性。如果距離太大，可比性就會變差。

(3)如果想檢驗某一種新型檢波器，應取兩種以上成熟檢波器作為標準檢波器，如20DX、DSU系列。

(4)將不同類型檢波器(速度型、加速度型)校正到一個域，即將量綱統(tǒng)一為速度或者加速度(過程中主要涉及到檢波器的靈敏度以及微積分計算)。

(5)根據步驟(1)中提供的檢波器頻率響應校正低頻，參照文獻[23]。

(6)在單道、單炮、剖面等不同層面上進行信噪比、能量、子波等數學物理數據屬性比較，不要僅根據單炮或者剖面的“面貌”下結論。

評價一個檢波器的好壞，不可避免地要涉及到評價指標的選擇。當前在野外采集階段評價記錄剖面的時候，常采用頻率掃描等五種方式或指標，但是，對于檢波器選型試驗中的資料對比而言： ①頻率掃描，對于不在同一個域(速度/加速度)的數據來說，頻率掃描的結果對比沒有意義，因為數據基礎不同； ②頻譜分析，現在普遍采用的三種顯示方式(Raw Power，Percent，dB)的情況下，會出現誤導、錯誤，需要根據不同的試驗內容，調整顯示方式，或采用更具有針對性的顯示方式； ③信噪比，從原理上講，“加速度檢波器輸出數據較速度檢波器數據的信噪比低”的現象是由地震信號占據低頻段這一特性決定的，與檢波器類型沒有任何關系，也不是評判一個檢波器好壞的依據；信噪比指標僅僅是一個非量化指標，在數值非常接近的時候，其參考意義有限，不應被作為一個絕對的標準；用加速度、速度檢波器輸出數據進行直接的信噪比比較是不合理的； ④能量，能量對比在不同施工因素(包括工區(qū)、構造、低降速帶、增益、靈敏度、記錄格式等)的情況下沒有可比性，沒有參考意義； ⑤子波，同樣地，在沒有可比性的前提下，采集分析軟件中基于自相關理論的子波分析的表征作用是相對的、有限的。

(7)得到數據處理特別是地質綜合解釋人員的認可。無論在地震采集、數據處理階段展現多大的優(yōu)勢，提高地質解釋效果才是最終目的。

5 對幾種典型檢波器的初步認識

在石油地震勘探中，檢波器的作用是以盡量小的失真產生地面振動單分量或者多分量的電模擬，完整地反映地震波的動力學特征。在這種間接測量過程中，有兩個環(huán)節(jié)上產生了誤差：大地振動與檢波器外殼振動之間的差異——耦合效應； 檢波器外殼振動與地震數據之間的差異——機電效應。所以，檢波器的設計與制造必須最大限度地減小耦合效應帶來的耦合噪聲以及機電效應帶來的電噪聲，盡量真實地記錄大地振動?！皬驮钡孛嬲駝邮钦嬲哪繕耍苷鎸嵱涗浀乇碚駝拥木褪恰昂谩睓z波器。

評價檢波器的重要標準是看高低頻兩端(從對比的角度來講，高機電比的中頻段應該是一樣的)，低頻端與機械濾波響應以及地震儀動態(tài)范圍有關，高頻端與耦合響應以及地震儀的動態(tài)范圍有關。

基于對陸地石油勘探中信號噪聲的相對特征以及檢波器性能參數方面的研究，獲得以下認識。

(1)MEMS(如DSU，Vectorseis)數字檢波器是“嚴謹”、“可靠”的檢波器。今后該類型檢波器改進的重點是大幅降低產品成本、深入研究速度域低頻信息強化后的數據處理及石油地質意義、縮小體積以提高耦合能力等方面。該類型檢波器的主要優(yōu)勢在速度域的低頻、而不是加速度域的高頻。

但需要特別注意的是，以MEMS為代表的各類加速度檢波器輸出的數據較速度檢波器輸出的數據呈現出來的更高主頻是一種“偽高頻”(數學高頻)，并不代表其所表征的地表機械振動的主頻真的被提高了(物理高頻)，本質是由表征數據的量綱(加速度/速度)差異導致的。比如將1m高的桌子表達為100cm(單位不同)，數值增加了，但并不意味著桌子物理高度的增加。這一點在很多處理剖面中被認為是加速度檢波器較速度檢波器的重大進步，是錯誤的。就像認為100cm>1m一樣，是沒有認清數據所對應的量綱以及所代表的物理意義所導致的。

如果用加速度檢波器接收的剖面質量確有進步的話，其主要原因是極高的空間采樣密度、更合理的觀測系統(tǒng)屬性以及處理手段的改進。

當然，如果加速度數據較速度數據對地下介質的空間、物性特征具有更好的表征作用，則另當別論。但是，加速度表征不一定意味著一定要采用加速度型檢波器，因為對于成熟的速度/加速度檢波器而言，其數據經由微積分在陸上石油勘探的興趣頻帶(1～200Hz)范圍內是可以互換的。所以，到底是速度表征還是加速度表征更有利于石油勘探，仍有待從地震數據的地球物理屬性角度進行更多的理論分析、試驗驗證，不能經由簡單的生產結果比對進行判斷。

(2)在當前去噪能力下，20DX等動圈式檢波器串仍然是高效率檢波器：數據合格(合理的機電比)，施工方便，費用合理。同時經由檢波器反褶積可以有效補償該類檢波器的低頻衰減，取得與MEMS數字檢波器相當的數據質量[23]；也可以改進為測耦檢波器，使檢波器具有獨立測量耦合響應的能力，在加強現場耦合質量監(jiān)控的同時，消除耦合效應、提高高頻弱信號的同相性。

即使對于高密度采集而言，一串動圈式檢波器的極小面積組合(檢波器分散在1～2m以內)+低頻補償也是較好的選擇(檢波器“開會”會因為小線的干擾產生耦合畸變以及額外的噪聲干擾)。因為目前多數施工單位擁有大量此類檢波器，可以在僅增加少量生產成本的情況下，實現非常高的空間采樣密度。這種采集方式可被稱為“基于動圈式檢波器串和低頻補償的高密度采集”。

(3)高靈敏度或者高增益是有意義的，但是必須以機電比的提高為前提，檢波器串可較方便地實現這一目的。經由外設電路提高檢波器靈敏度的方式必須以機電比的提高為前提，否則只會降低微弱信號識別能力。當前很多新型檢波器的努力方向都是改進其機電效能，之所以沒有取代20DX在采集中的主導地位，其根本原因是石油勘探中“與檢波器無關的機械噪聲”太強了，由提高靈敏度凸顯出來的微弱信號被強烈的機械噪聲淹沒了。

(4)低頻檢波器、高頻檢波器、高精度(超級)檢波器不會表現出明顯的數據優(yōu)勢(相對于20DX+低頻補償)。

6 結束語

(1)應科學合理地設計檢波器選型試驗，充分做好理論研究、模擬，再進行點試驗，進而做規(guī)模試驗。不宜在未厘清機理或對比不合理的情況下，開展大規(guī)模試驗或采集施工，造成資源的浪費。

(2)檢波器選型試驗涉及到機電、采集、處理等諸多環(huán)節(jié)，宜仔細梳理、系統(tǒng)地看問題，在嚴謹的數學、物理、地質屬性分析基礎上，根據最終的地質解釋效果做出判斷。特別是不能只憑采集階段數據的“面貌”就草率地下結論。

(3)經由外設電路提高檢波器靈敏度的方式必須以機電比的提高為前提，否則只會降低對微弱信號的識別能力。

(4)數字化、小型化、無纜化、自動化是檢波器的發(fā)展方向。

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*山東省東營市中國石化石油工程地球物理公司勝利分公司，257100。 Email：563064949@qq.com

本文于2016年9月13日收到，最終修改稿于2017年9月24日收到。

1000-7210(2017)06-1127-10

魏繼東.適用于陸上石油勘探的地震檢波器.石油地球物理勘探，2017,52(6):1127-1136.

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A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.001

(本文編輯：朱漢東)

魏繼東 高級工程師，1974年生；2008年獲中國海洋大學海洋地球物理學博士學位； 2008～2011年在中國石化勝利油田做博士后研究； 2012年為英國Imperial College London 訪問學者； 發(fā)表論文多篇、專著1部(《 石油勘探地震檢波》)； 現在中國石化地球物理公司勝利分公司從事地震數據采集及信號處理方法研究。