單點(diǎn)地震采集檢波器的特性分析

楊 勇 顧 濟(jì) 汪大鵬 楊繼春 高國慶

東方地球物理勘探公司大慶物探一公司儀器測量中心 黑龍江 大慶 163000

近年來,單點(diǎn)地震采集已成為地震勘探行業(yè)主流技術(shù),該技術(shù)采用單點(diǎn)激發(fā)、單點(diǎn)接收、小道距、大道數(shù),采集結(jié)束后在室內(nèi)進(jìn)行數(shù)字組合等處理方法,與常規(guī)組合接收相比可以顯著提高保真度,同時消除組內(nèi)干擾,從而提高地震資料的分辮率和成像精度,從而更好地適應(yīng)當(dāng)前的勘探需求。

目前,低頻勘探是目前國內(nèi)外前沿的勘探方法,低頻信號提供了地層是否含油氣的標(biāo)志信息,同時低頻波的波長較長,穿透力好,有利于深度勘探,也是目前解決火成巖地區(qū)能量透射的主要技術(shù)手段。因此,采用單點(diǎn)低頻模擬檢波器可以起到高效采集的作用,還可以較大程度地降低地震采集施工成本。而檢波器的性能特征是地震數(shù)據(jù)采集中的一個重要因素,因此,有必要對低頻模擬檢波器的性能特征進(jìn)行分析,以利于更好的應(yīng)用在單點(diǎn)地震采集中。動圈式地震檢波器是一種結(jié)構(gòu)相對簡單、便宜耐用、技術(shù)成熟的地震傳感器。動圈式地震檢波器雖然誕生多年,但是由于其實(shí)具有自供電、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),仍然具有廣闊的發(fā)展前景。

1 檢波器原理分析

檢波器首先要對振動進(jìn)行感應(yīng),然后再將振動信號轉(zhuǎn)換成電信號,簡單來說就是力學(xué)和電學(xué)兩部分,力學(xué)部分反映的是檢波器的動態(tài)特性,電學(xué)部分大多是反映檢波器的靜態(tài)特性。通過分析檢波器的響應(yīng)特性就能夠知道檢波器接收信號的特點(diǎn)。

1.1 檢波器的力學(xué)原理 地震勘探檢波器屬于振動傳感器,是一個單自由度的振動系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)受外部振動位移,可以得到檢波器的暫態(tài)響應(yīng),檢波器固有振動的延續(xù)時間由阻尼系數(shù)決定。當(dāng)阻尼系數(shù)等于檢波器固有頻率時,慣性體在回到平衡位置后立即停止振動,具有最好的分辨率。

1.2 檢波器機(jī)電轉(zhuǎn)換原理 地震檢波器的機(jī)電轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)將振動系統(tǒng)感應(yīng)的振動信號按原比例轉(zhuǎn)換成電信號,動圈式檢波器屬于電磁感應(yīng)檢波器。

電磁感應(yīng)檢波器由永久磁鐵、線圈和彈簧片組成,磁鐵具有很強(qiáng)的磁性,線圈由銅漆包線繞在框架上而成,有兩個輸出端,彈簧片具有線性彈性系數(shù),它使線圈與塑料蓋連在一起,使線圈與磁鐵形成一個相對運(yùn)動體(慣性體)。當(dāng)?shù)孛娲嬖跈C(jī)械振動時,線圈對磁鐵做相對運(yùn)動而切割磁力線,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,線圈中產(chǎn)生感生電動勢,且感生電動勢的大小與線圈和磁鐵的相對運(yùn)動速度成正比,線圈輸出的模擬電信號與地面機(jī)械振動的速度變化規(guī)律是一致的。

2 檢波器性能參數(shù)及需求分析

在地震勘探中檢波器是接收地震信號的最前端,是直接獲取大地振動信息的器件,對能否較為精確地接收地震波信號起著決定性作用。能否精確地感應(yīng)地震波在檢波器所在位置上引起的振動是由檢波器的響應(yīng)特性決定的。因此系統(tǒng)地研究和分析檢波器的特性是從事地震資料采集研究人員做好接收工作的基礎(chǔ)。

針對檢波器而言,單點(diǎn)地震采集技術(shù)最大的需求就是真實(shí)的記錄地震采集信號,在一定程度上信噪比會有所降低,但是消除了組合方法帶來的低通濾波作用。

地震檢波器的特性包括動態(tài)特性和靜態(tài)特性,這些特性共同決定了檢波器的特點(diǎn)。動態(tài)特性參數(shù)主要有自然頻率,阻尼系數(shù),頻率響應(yīng)范圍,頻率特性等。靜態(tài)參數(shù)主要有線性度,靈敏度,重復(fù)性,遲滯,分辨率,漂移,穩(wěn)定性等。這里對其中常用的幾個特性進(jìn)行分析。

2.1 靈敏度 靈敏度指檢波器對地面振動響應(yīng)的敏感程度。檢波器靈敏度越高其對弱小信號的響應(yīng)能力就越強(qiáng),即有利于接收地震勘探中的弱小信號。

2.2 阻尼系數(shù) 在動圈式檢波器中運(yùn)動線圈的阻尼狀態(tài)很重要,欠阻尼會使檢波器的低頻特性變壞,抑制外界干擾的能力降低,過阻尼又會降低檢波器的靈敏度,同時阻尼系數(shù)對自然頻率的影響也很大。

2.3 自然頻率 檢波器的自然頻率是檢波器自身振動系統(tǒng)沒有阻尼影響時的固有頻率,在地震勘探中通常采用的速度檢波器自然頻率10HZ。在單點(diǎn)地震采集中,為了追求高精度,通常采用自然頻率較低的檢波器。

2.4 動態(tài)范圍 檢波器的動態(tài)范圍是指檢波器能夠感應(yīng)最大和最小振動信號的能力,通常用兩者的比值來表示,單位是DB。檢波器的動態(tài)范圍和儀器的動態(tài)范圍相比一般要小。目前廠家提供的檢波器的動態(tài)范圍是依據(jù)檢波器的失真度來換算的,當(dāng)失真度0.1%時就認(rèn)為檢波器的動態(tài)范圍為60DB,這并不能真正反映檢波器感應(yīng)強(qiáng)弱信號的能力。

3 存在問題及對策

動圈式檢波器是目前行業(yè)中使用最廣泛的地震檢波器,經(jīng)過多年的研究和改進(jìn),其性能得到了很大提高,穩(wěn)定性也很好。但隨著對地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的要求越來越高,因此動圈式檢波器暴露的問題也越來越多,主要表現(xiàn)在以下幾方面：

3.1 抗電磁干擾能力不足 動圈式檢波器是基于電磁感應(yīng)原理而制成的,容易感應(yīng)50HZ的工業(yè)電,在地震數(shù)據(jù)采集工程中就經(jīng)常會受到電磁場干擾,在地震記錄上形成諧波噪聲,稱為串感或脈沖感應(yīng)。串感嚴(yán)重時,經(jīng)常破壞正常的記錄面貌,影響記錄資料的品質(zhì)和評價。引起串感現(xiàn)象的因素有很多,外部原因如,采集周圍環(huán)境的地形、天氣變化、高壓輸電線路、市電網(wǎng)絡(luò)、大地電流、太陽能板等。內(nèi)部原因是檢波器和電路板不具備屏蔽功能。

3.2 耦合要求高 檢波器接收的振動信號不一定與大地的振動一致,其中的一個重要原因就是檢波器尾椎埋置時,與地表構(gòu)成一個耦合系統(tǒng),如果埋置不好,就會使檢波器接收到的信號發(fā)生畸變。單點(diǎn)地震采集由于采用單只檢波器接收地震信號,對檢波器的埋置要求變得更高。另外,當(dāng)?shù)乇項(xiàng)l件為堅(jiān)硬的巖石、水泥地板等介質(zhì)時,需要在尾椎與介質(zhì)之間增加耦合介質(zhì),提升效果的同時,耦合介質(zhì)與尾椎介質(zhì)之間構(gòu)成了一個諧振系統(tǒng),會對檢波器接收的信號產(chǎn)生幅度和相位方面的干擾。

4 結(jié)論

地震信號是一系列復(fù)雜振動信號的綜合,如果想要讓這種波形能被完整測量,就要求檢波器的動態(tài)范圍足夠大、靈敏度高、信噪比高,要求檢波器既有較低的低頻響應(yīng),又有較高的高頻響應(yīng),目前的檢波器還達(dá)不到這種要求,但是可以在工程中采用技術(shù)手段來作為輔助,使得對脈沖信號的測量總是在一定的誤差范圍內(nèi)進(jìn)行的,那么就能夠滿足工程需要。