油氣地震勘探記錄儀的分類及發(fā)展*

殷 文,李獻(xiàn)民

(1.中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū),新疆 克拉瑪依 834000；2.中石油新疆油田勘探事業(yè)部,新疆 克拉瑪依 834000)

1 概述

在石油勘探中地球物理勘探的地位相當(dāng)重要。其中,地震勘探環(huán)節(jié)在油氣勘探中成效最顯著,具有無可替代的重要作用。地震勘探是利用巖石的彈性差異來進(jìn)行礦產(chǎn)勘查,通過人工激發(fā)地震波,研究地震波在地下不同地層中傳播的規(guī)律,以查明地下的地質(zhì)構(gòu)造。這其中地震工作所涉及的設(shè)備尤為關(guān)鍵,地震采集儀器設(shè)備經(jīng)歷了一個不平凡的發(fā)展歷程。

在油氣地震勘探的工作環(huán)節(jié)中,地震勘探儀器是地球物理勘探開發(fā)的核心裝備,主要負(fù)責(zé)對檢波器采集的地震信號進(jìn)行放大、過濾雜波、進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將地震信號由原始的模擬信號轉(zhuǎn)換為后期更易進(jìn)行處理、解釋的數(shù)字信號,這直接關(guān)系地球物理勘探時采集數(shù)據(jù)質(zhì)量、效率及成本。因此,隨著勘探力度的加強(qiáng),從二維勘探到三維勘探、從常規(guī)勘探到高精度、高密度勘探,對地震勘探儀器的要求也越來越高[1]。

地震勘探儀器是一個時代科技的體現(xiàn),是集當(dāng)下世界先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為一體的電子設(shè)備,基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步是地震勘探儀器發(fā)展的依托。以滿足用戶需求為目標(biāo),在地震勘探儀器已經(jīng)成熟實(shí)用的技術(shù)基礎(chǔ)上,依托先進(jìn)的基礎(chǔ)工業(yè)等技術(shù)成果,解決地震勘探儀器潛在的不足是地震勘探儀器的發(fā)展路線[2]。本文重點(diǎn)闡述了油氣地震勘探過程中不同代地震記錄儀的發(fā)展歷程、不同分類、性能指標(biāo)、代表產(chǎn)品、性能的優(yōu)勢和局限性等方面的內(nèi)容。

2 地震勘探記錄儀的類型

地震勘探儀器與檢波器的發(fā)展是基本同時進(jìn)行的,而且對檢波器的兼容性很強(qiáng),可以與不同的檢波器一起使用。如今地震勘探儀器已經(jīng)經(jīng)歷了模擬光電記錄、模擬磁帶記錄、數(shù)字磁帶記錄、遙測數(shù)字、24 位A/D 型遙測數(shù)字五代,正處在第五代(24 位遙測地震儀器時代)向第六代(全數(shù)字遙測地震儀時代)發(fā)展的過渡階段。

2.1 模擬光電記錄地震儀器

從20 世紀(jì)30 年代初期,蘇聯(lián)人在機(jī)械式天然地震儀基礎(chǔ)上采用電子管技術(shù)研發(fā)出了第一代地震勘探儀器,這一代地震儀器一直發(fā)展到50 年代末期,經(jīng)歷了大約30 年,這30 余年也是地震勘探發(fā)展的初期。

光點(diǎn)地震記錄儀器是采用光點(diǎn)記錄,以模擬波形光點(diǎn)感光照相紙記錄作為地震勘探的生產(chǎn)資料,成品記錄是在照相紙上每道記錄1 個反射地震信號。該類儀器采集的地震數(shù)據(jù)特點(diǎn)是動態(tài)范圍??；增益量少；頻寬窄。除此之外,模擬光點(diǎn)記錄地震儀器的主要缺點(diǎn)還有：體積質(zhì)量大,難搬運(yùn)；操作復(fù)雜；記錄道數(shù)少；抗干擾差；只能做二維勘探,不能做多次覆蓋；記錄不能做回放處理；采用自動增益控制,產(chǎn)生的畸變大,不能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

2.2 模擬磁帶記錄地震儀器

20 世紀(jì)50 年代,法國公司率先將晶體管技術(shù)運(yùn)用到了地震勘探儀器中,從此,地震勘探儀器的發(fā)展跨進(jìn)了第二代——模擬磁帶記錄地震儀器,一直到60 年代末,是六代儀器經(jīng)歷時間最短的一代。在國內(nèi),是從20 世紀(jì)60 年代中期到80 年代初。

模擬磁帶記錄儀器是以磁帶作為介質(zhì),在上一代的基礎(chǔ)上發(fā)展來的儀器,所得的原始地震數(shù)據(jù)資料為模擬磁帶記錄和熱敏紙模擬波形地震記錄。剛開始是直接記錄在磁帶上的,但由于直接記錄的動態(tài)范圍較小,就改成經(jīng)調(diào)制后再記錄。相比于模擬光點(diǎn)記錄地震儀,這代儀器的體積、耗電量、質(zhì)量減少,接受道數(shù)、頻帶寬度、動態(tài)范圍都相對增多,而且還可以做回放處理,實(shí)現(xiàn)多次疊加,但是由于回放轉(zhuǎn)錄一次信噪比降低6dB,就限制了多次覆蓋的次數(shù)。模擬磁帶記錄儀器產(chǎn)生的地震資料是可以用回放儀進(jìn)行處理的,相比于前一代只能手工進(jìn)行處理,效率增加了許多,但資料處理的速度仍然較低,質(zhì)量也不高。

這代記錄儀主要不足之處有：儀器記錄精度較低、記錄動態(tài)范圍仍然較小、地震道數(shù)少、多次覆蓋次數(shù)受限、地震資料處理速度低和質(zhì)量差等。模擬磁帶記錄儀器主要解決了模擬光點(diǎn)記錄儀不能回放的問題,主要問題還沒有解決,所以還是只適用于地質(zhì)條件簡單的地區(qū)。

2.3 數(shù)字磁帶記錄地震儀器

20 世紀(jì)60 年代初,集成電路問世。20 世紀(jì)70 年代初,法國Sercel 公司將集成電路技術(shù)運(yùn)用到地震勘探儀器的制作中,地震勘探儀器的發(fā)展就進(jìn)入了第三代。這一時代一直到80 年代初結(jié)束,是地震勘探儀器發(fā)展輝煌的一代[3]。

數(shù)字磁帶記錄地震儀器利用了瞬時浮點(diǎn)增益控制放大技術(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)字磁記錄技術(shù)、集成電路等新技術(shù)將檢波器采集到的地震信號經(jīng)過前置放大、增益控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字信號的形式記錄到磁帶中,得到的地震勘探原始資料為數(shù)字磁帶記錄和模擬波形地震記錄。該類儀器提高了動態(tài)范圍、頻帶寬度、精度、接受道數(shù),從而提高了地震勘探的精度和地震勘探的質(zhì)量,可做深層和薄層地震勘探。

這代記錄儀主要不足之處有：集中式數(shù)字地震儀動態(tài)范圍理論上可以達(dá)到168dB,但是考慮儀器噪聲等實(shí)際因素的影響,儀器的動態(tài)范圍一般不會超過120dB,而且瞬時動態(tài)范圍低于100dB[4],到了中深層就更低了,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高分辨率地震勘探的需求；當(dāng)IFP 的調(diào)整時間確定后,常規(guī)IFP 式地震記錄儀難以同時滿足較高的高截止頻率和較高的道數(shù)需求。

2.4 遙測數(shù)字地震儀器

20 世紀(jì)60 年代末期,大規(guī)模集成電路問世。20 世紀(jì)80 年代,美國GUS 公司、法國Sercel 公司先后運(yùn)用大規(guī)模集成電路制造出新一代地震勘探儀器。從此,地震勘探儀器的發(fā)展就進(jìn)入了第四代,一直到90 年代初,共經(jīng)歷了10 余年。

遙測數(shù)字地震儀器沒有采集站和檢波器之間的大線電纜,使用放在檢波點(diǎn)上的采集站將檢波器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號后向中央控制記錄處傳送。在數(shù)字地震儀器上,所有道的模擬信號是分時地通過幾個浮點(diǎn)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器,無法提高數(shù)據(jù)采集的效率,而遙測數(shù)字地震儀的每個采集站只對幾道信號進(jìn)行處理,將信號變成數(shù)字信號進(jìn)行傳輸,來減少干擾[5]。

2.5 遙測數(shù)字地震儀器

20 世紀(jì)70 年代后期,超大規(guī)模集成電路誕生。20 世紀(jì)90 年代初,美國I/O 公司使用超大規(guī)模集成電路技術(shù)率先推出了24 位A/D 型遙測數(shù)字地震儀器,宣告了以傳統(tǒng)IFP+14 位ADC 位核心的第四代遙測地震儀器時代的結(jié)束和第五代24 位A/D 型遙測數(shù)字地震儀器的開始[3]。

24 位A/D 型遙測數(shù)字地震儀器采用高分辨率24 位A/D 轉(zhuǎn)換器,在體系結(jié)構(gòu)、前端采集站、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫媾c遙測數(shù)字地震儀器有很大區(qū)別。該類儀器電路結(jié)構(gòu)簡單,減少了前端采集站的模擬大線和模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及模擬濾波器,儀器的體積和功耗大大降低。采用24 位A/D 轉(zhuǎn)換器,提高了瞬時動態(tài)范圍,減少畸變[4],記錄頻帶又有大幅度提升,采集能力得到進(jìn)一步提高。

市場上主要的24 位遙測數(shù)字地震儀器也可以分成有線遙測地震儀器、無線遙測地震儀器、存儲式數(shù)據(jù)回放遙測地震儀器三類。在這三類地震儀器中,有線遙測地震儀器占據(jù)了市場大部分份額。無線遙測地震儀器一般用于特殊地表?xiàng)l件,也占據(jù)一定市場份額。而存儲式數(shù)據(jù)回收遙測地震儀器是一種沒有大線、沒有地震數(shù)據(jù)傳輸、主機(jī)只對采集站發(fā)收發(fā)炮等命令的特殊類型地震儀器,在我國使用較少[3]。

2.6 全數(shù)字地震儀器

2002 年,由于地震檢波器發(fā)展到了數(shù)字檢波器階段,發(fā)生了革命性的變化,地震儀器也應(yīng)相應(yīng)發(fā)生變化,因此,地震勘探儀器的發(fā)展跨入了第六代——全數(shù)字地震儀器時代。

這是一種以數(shù)字檢波器為核心的地震勘探儀器,整個接受系統(tǒng)的動態(tài)范圍可以達(dá)到90dB 以上,真正實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化,不怕電磁干擾,具有萬道以上實(shí)時采集能力[6]。

它的主要特點(diǎn)有[7]：采用MEMS 數(shù)字檢波器,解決了高頻信號接受問題；檢波器直接輸出數(shù)字信號,大幅提高了信號保真度；采用新工藝使得儀器的集成度更高、體積更小、功耗更小。

3 地震記錄儀發(fā)展歷程

1914 年德國礦業(yè)測量員LudgerMintrop 用機(jī)械地震儀檢測德國鹽丘,此時的機(jī)械檢波器不是電磁檢波器。1921年Mintrop 成立的Seismos 公司標(biāo)志著地震勘探工業(yè)的誕生。1929 年GRC 公司在德州Andrews 采用地震儀器車開展油氣勘探工作；1959 年CGG 公司在撒哈拉的24 道模擬地震儀；1961 年誕生了第一臺數(shù)字地震儀(GSI)；1968 年SERCEL 公司生產(chǎn)了24 道數(shù)字地震儀。

我國地震記錄儀的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段：二十世紀(jì)五十年代電子管光電照相記錄地震儀(動態(tài)范圍為25dB 左右),首次利用石油地震勘探發(fā)現(xiàn)了大慶長垣油田,電子管技術(shù)為地震勘探發(fā)展的第一階段；六十年代半導(dǎo)體器件構(gòu)成的模擬磁帶記錄地震儀(動態(tài)范圍為45dB 左右)發(fā)現(xiàn)了大港、遼河、勝利等油田,模擬技術(shù)為地震勘探發(fā)展的第二階段；七八十年代數(shù)字磁帶記錄地震儀(動態(tài)范圍達(dá)90dB),1980 年開始了第一次三維數(shù)字地震勘探,數(shù)字技術(shù)為地震勘探發(fā)展的第三階段；九十年代后大規(guī)模集成電路記錄地震儀(動態(tài)范圍達(dá)120dB),數(shù)據(jù)傳輸方面出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遙測技術(shù),遙測技術(shù)為地震勘探發(fā)展的第四階段。目前制約整個地震數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的關(guān)鍵在于地震檢波器和地震信號傳輸電纜,而不是地震數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)本身,我國是地震檢波器生產(chǎn)和使用最多的國家。

雖然國內(nèi)地震勘探儀器市場長期普遍使用進(jìn)口的儀器,但是跟隨國外先進(jìn)技術(shù),并自主研發(fā)的腳步卻從未停止過,在各個時期都成功研發(fā)的有相應(yīng)類型地震勘探儀器[6]。

解放前,我國基本上沒有地震勘探,解放后才慢慢發(fā)展起來。1951 年成立第一個地震隊,在西北地區(qū)使用CC-26-51 凸型地震儀進(jìn)行勘探。1957 年西安儀器廠研制出了DZ57-1 型模擬光點(diǎn)地震儀。雖然模擬光點(diǎn)地震儀被人們戲稱為“調(diào)不完的儀器”,且由于技術(shù)受限,只使用于地質(zhì)比較簡單的地區(qū),但是它們依舊為我國甩掉“貧油國”的帽子和發(fā)現(xiàn)克拉瑪依、大慶、勝利、玉門等油田做出了巨大貢獻(xiàn)[8]。

1966 年底,西安石油儀器廠研制出模擬磁帶地震記錄儀DZ661,次年通過石油部級鑒定。在尋找大港、遼河、中原、江蘇等油田中做出了巨大貢獻(xiàn)。模擬磁帶記錄儀主要解決了模擬光點(diǎn)記錄儀不能回放的問題,主要問題還沒有解決,所以還是只適用于地質(zhì)條件簡單的地區(qū)。

1974 年起,石油部多次從美國和法國引進(jìn)多臺數(shù)字地震儀器。1975 年,物探局儀器廠研制出24 道SCD-2 型瞬時浮點(diǎn)數(shù)字地震儀器。同年,西安儀器廠也研制出48 道SDZ-751A 數(shù)字地震儀器。1980 年,西安石油儀器廠研制出SK-8000 數(shù)字地震儀器。經(jīng)過近十年的發(fā)展,我國的地震隊淘汰了模擬磁帶地震儀器,全部開始使用數(shù)字地震儀。至此,我國地震勘探儀器發(fā)展開始飛速發(fā)展起來了。這一代儀器在復(fù)雜斷塊和深層油氣藏的發(fā)現(xiàn)發(fā)揮了巨大作用。

1986 年,國內(nèi)集中式數(shù)字地震儀器淘汰,出現(xiàn)遙測式地震儀,這類儀器的采集站最多可以采集8 道檢波器地震信號,但是國內(nèi)一般都是用6 道的采集站。1988 年,國外開始大規(guī)模生產(chǎn)遙測式地震儀器。1990 年,西安石油勘探儀器總廠研制出YKZ-480 遙測數(shù)控地震儀,具有簡練,體積小性能穩(wěn)定,操作方便的特點(diǎn)[9]。1991 年,物探局研制的SK-1004 型遙測數(shù)控地震儀通過國家級鑒定,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,達(dá)到了國外80 年代后期同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平[10]。但受限于年代的限制,SK-1004 采用的還是80 年代中后期的技術(shù)。1992 年,小型便攜的遙測地震儀SK-1005 樣機(jī)推出并進(jìn)行考核性試實(shí)驗(yàn)[11]。1996 年,物探局研制出國內(nèi)第一個24 位儀器SK-1006,在塔克拉瑪干沙漠腹地和邊緣進(jìn)行試驗(yàn),得到良好的記錄。

2000 年,物探局首次提出GPS 授時儀器概念,并在2002 年研制出相應(yīng)的儀器設(shè)備。2009 年,東方地球物理公司自主研制出ES109 儀器,這是一款具有萬道以上的帶道能力和先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)遙測技術(shù)的地震儀器,和國際上使用的主流儀器性能相當(dāng)。2012 年,東方地球物理公司研制的G3i儀器,2013 年,在吐哈盆地順利完成全球陸上首次使用1.5Hz 低頻可控震源的工業(yè)化勘探,開創(chuàng)了中亞地區(qū)地震數(shù)據(jù)采集的記錄。

4 結(jié)論及認(rèn)識

地震勘探儀器的發(fā)展不能只看重指標(biāo),而忽略發(fā)展的本質(zhì),在考慮儀器的指標(biāo)的同時,還要根據(jù)用戶需求和實(shí)際生產(chǎn)體驗(yàn)來考慮儀器的一些軟參數(shù),如功耗低、輕便易攜、穩(wěn)定性高、易操作。

同時,地震儀器在近一個世紀(jì)的發(fā)展中,受到的影響是來自于各個方面的,主要的還是受限于當(dāng)時的基礎(chǔ)工業(yè)與理論。在考慮地球物理勘探開發(fā)技術(shù)需求的同時,也應(yīng)該結(jié)合多學(xué)科先進(jìn)的技術(shù)方法和理論。