對(duì)3種典型檢波器及其數(shù)據(jù)的幾點(diǎn)看法

魏繼東

(中石化石油工程地球物理有限公司勝利分公司,山東東營(yíng) 257100)

動(dòng)圈式速度檢波器與水中壓電檢波器分別是當(dāng)前陸地石油勘探與海洋石油勘探最重要的采集設(shè)備,二者基于不同的物理原理,目的都是將由震源激發(fā)的地震波場(chǎng)(彈性波、聲波)表達(dá)為可以計(jì)算、分析的數(shù)據(jù),進(jìn)而反演地下介質(zhì)的空間和物性特征,確定油氣藏等地下礦藏的分布范圍、地質(zhì)儲(chǔ)量、開采難度等要素,為其后的油氣田開發(fā)指明方向。壓電陶瓷作為水中壓電檢波器普遍采用的機(jī)電轉(zhuǎn)換材料,采用不同于水中壓電檢波器的外形、數(shù)量并與質(zhì)量塊結(jié)合(此時(shí)壓電陶瓷既作為機(jī)電轉(zhuǎn)換元件,又作為類似于彈簧的彈性元件),得到的輸出電壓在一定頻帶內(nèi)與輸入振動(dòng)的加速度成正比,可被用于陸地地表振動(dòng)的檢測(cè),被稱為“陸地壓電檢波器”。

動(dòng)圈式檢波器、水中壓電檢波器和陸地壓電檢波器具有各自不同的物理結(jié)構(gòu)、力學(xué)模型、等效電路以及傳輸函數(shù),充分理解3種檢波器輸出數(shù)據(jù)的物理意涵以及數(shù)據(jù)意義,對(duì)于確保后續(xù)處理方法的物理合理性以及數(shù)學(xué)有效性具有重要意義。其中,動(dòng)圈式檢波器與陸地壓電式檢波器可以用彈簧-質(zhì)量塊-阻尼(k-m-c)單自由度振動(dòng)模型進(jìn)行描述,主要利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)特性來(lái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量,屬于慣性式檢波器。當(dāng)前部分文獻(xiàn)[1-3]主要關(guān)注不同類型檢波器的機(jī)電構(gòu)成以及傳輸函數(shù)的推導(dǎo)與表達(dá),對(duì)于不同類型檢波器輸出的數(shù)據(jù)的地球物理意義論述較少。本文意圖在厘清不同類型檢波器機(jī)電構(gòu)成以及傳輸函數(shù)等數(shù)理特征的基礎(chǔ)上,檢視部分與檢波器類型有關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程的物理合理性,初步探討不同類型檢波器數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)處理成果信噪比、分辨率等的影響。

1 3種檢波器的物理結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

1.1 動(dòng)圈式檢波器

動(dòng)圈式檢波器是在用檢波器類型中歷史最為悠久的石油勘探用檢波器[4]。動(dòng)圈式檢波器輸出的電壓與地表振動(dòng)速度在主要頻帶內(nèi)成正比,所以被稱為“速度型”檢波器,其物理結(jié)構(gòu)、等效電路、傳輸函數(shù)等見表1[5]。動(dòng)圈式檢波器的系統(tǒng)特性既取決于質(zhì)量塊的重量、彈簧的彈性系數(shù),也取決于線圈磁通、磁電轉(zhuǎn)換系數(shù)等電磁參數(shù)。所以,動(dòng)圈式檢波器在地震勘探有效頻帶內(nèi)的系統(tǒng)特性(自然頻率、阻尼等)取決于“材料、外形、電、磁”等多種因素(表1)。

1.2 水中壓電檢波器

當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施力使之變形時(shí),介質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷(作用力方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變)。去除外力后,電介質(zhì)又會(huì)恢復(fù)不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多,如天然石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛等。水中壓電檢波器即是根據(jù)壓電陶瓷元件的壓電效應(yīng)制造的傳感器[5-6]。

水中壓電檢波器(水檢)的自然頻率取決于壓電片的物性以及外形,通常非常高,可以達(dá)104Hz甚至更高的量級(jí),所以海洋勘探時(shí)水檢在遠(yuǎn)低于其自然頻率以下的頻帶工作[6]。在實(shí)際應(yīng)用中,由于壓電陶瓷元件具有很高的輸出阻抗,而地震儀的輸入阻抗低得多,所以長(zhǎng)期以來(lái)廣泛使用變壓器耦合進(jìn)行阻抗匹配,被稱為“變壓器耦合式壓電檢波器”[5]。為了減少導(dǎo)線間的漏電作用,變壓器一般靠近壓電陶瓷元件。在單獨(dú)的水中檢波器中,變壓器通常置于檢波器內(nèi),而拖纜通常是一道檢波器組合共用一個(gè)變壓器。水中壓電檢波器的物理結(jié)構(gòu)、等效電路等參見表1[5]。因?yàn)閴弘娞沾杀旧淼淖匀活l率遠(yuǎn)高于地震勘探的有效頻帶,所以影響水中壓電系統(tǒng)特性的主要因素是變壓器以及分流電阻,其作用可用LCR振蕩電路進(jìn)行描述,后者具有高通濾波的作用。需要說(shuō)明的是,這種高通濾波特性由附加電路帶來(lái),與壓電陶瓷的自然頻率關(guān)系不大。另外一種水檢為“帶電荷放大器的壓電檢波器”,利用電荷放大器來(lái)提供低輸出阻抗,并對(duì)壓電檢波器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行放大[5]。

因?yàn)楦郊与娐返拇嬖?水中壓電檢波器同樣存在類似動(dòng)圈式檢波器的自然頻率、阻尼等概念,在自然頻率以下以一定的速率衰減。但是,這種衰減是由純電路因素導(dǎo)致的,與動(dòng)圈式檢波器“機(jī)械+電磁”因素導(dǎo)致的低頻衰減不同。水中壓電檢波器通常采用與動(dòng)圈式檢波器大致相同的自然頻率(如10,15Hz)以及阻尼系數(shù)(比如0.707),這一點(diǎn)為雙檢合并技術(shù)的應(yīng)用提供了便利(具有相同的高通濾波效應(yīng))。

1.3 陸地壓電檢波器

基于壓電材料的壓電效應(yīng),20世紀(jì)60至70年代美國(guó)有公司采用壓電陶瓷作為機(jī)電轉(zhuǎn)換元件,在多個(gè)壓電陶瓷片上附加一個(gè)質(zhì)量塊(表1),當(dāng)檢波器振動(dòng)時(shí),質(zhì)量塊對(duì)壓電晶體產(chǎn)生壓力,從而在壓電晶體兩端產(chǎn)生電壓,將地表振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)公司在該設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良,生產(chǎn)了多款陸地壓電檢波器[7-9]。較美國(guó)公司產(chǎn)品而言,國(guó)內(nèi)陸地壓電檢波器沒(méi)有“積分放大電路”,所以前者是速度型檢波器,后者是加速度型檢波器。

陸地壓電檢波器受壓電材料機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)的限制,產(chǎn)生的電信號(hào)比較微弱,必須通過(guò)放大器進(jìn)行放大后才能被地震儀接收,所以陸地壓電檢波器采用了變壓器設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)與地震儀的阻抗匹配以及信號(hào)放大,但是這種設(shè)計(jì)帶來(lái)了額外的電噪聲,縮小了地震數(shù)據(jù)的有效動(dòng)態(tài)范圍。

陸地壓電檢波器準(zhǔn)確的傳輸函數(shù)未見諸于文獻(xiàn)(表1),從實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)看,陸地壓電檢波器存在與動(dòng)圈式檢波器類似的高通濾波作用。

由表1可見,動(dòng)圈式檢波器是“速度型”檢波器,其輸出數(shù)據(jù)在一定頻帶內(nèi)與地表振動(dòng)的速度呈線性關(guān)系;水中壓電檢波器是“壓力型”檢波器,其輸出數(shù)據(jù)在一定頻帶內(nèi)與周圍介質(zhì)的壓力成正比;陸地壓電檢波器是“加速度型”檢波器,其輸出數(shù)據(jù)與地表振動(dòng)的加速度在一定頻帶內(nèi)成正比(不加積分電路的情況下)。

2 動(dòng)圈式檢波器與陸地壓電檢波器對(duì)地表振動(dòng)的等效表征

檢波器的主要功能是“忠實(shí)地記錄大地振動(dòng)”。對(duì)于振動(dòng)表征而言,如果不考慮振動(dòng)的直流分量,位移、速度、加速度是等效的。但是,因?yàn)槟壳盁o(wú)法直接測(cè)量機(jī)械振動(dòng),必須經(jīng)由機(jī)電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換等,才能實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)的位移、速度或者加速度表達(dá),這樣會(huì)不可避免地產(chǎn)生系統(tǒng)噪聲(機(jī)械、電磁、數(shù)學(xué)),如本底噪聲會(huì)對(duì)地震數(shù)據(jù)高低頻兩端的保真度產(chǎn)生影響。但是,對(duì)于成熟的工業(yè)用檢波器而言,地震信號(hào)的主要頻段都是可靠的[10-11]。

圖1對(duì)比了3種檢波器(相距20cm)的振幅譜。由圖1可見,陸地壓電檢波器(LP)的振幅譜(藍(lán)色)與動(dòng)圈式5Hz檢波器的振幅譜(綠色)在主要頻帶內(nèi)具有高度一致性。紅色振幅譜來(lái)自Sercel公司生產(chǎn)的DSU3檢波器,因?yàn)槔碚撋显摍z波器的振幅譜沒(méi)有低頻衰減,所以低頻較動(dòng)圈式5Hz檢波器以及陸地壓電檢波器更強(qiáng),理論測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符。此外,動(dòng)圈式5Hz檢波器經(jīng)過(guò)檢波器反褶積[12]后,低頻端與DSU3檢波器的振幅譜高度一致。陸地壓電檢波器的低頻衰減無(wú)明確的公式表示,故無(wú)法通過(guò)確定性反褶積進(jìn)行低頻補(bǔ)償。

圖1 3種類型檢波器就近(20cm)放置時(shí)地震數(shù)據(jù)反褶積前(a)、后(b)的振幅譜

為了測(cè)試圖1中動(dòng)圈式5Hz檢波器、陸地壓電(LP)檢波器的一致性,對(duì)其進(jìn)行了微型盒子波試驗(yàn)[13],將兩種檢波器分別選用16個(gè)并記錄單炮記錄(圖2)。由圖2可知,盡管輸入信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低(初至-中深層-深層-環(huán)境噪聲),但動(dòng)圈式5Hz檢波器的輸出數(shù)據(jù)始終保持了極高的一致性。并且,因?yàn)樵摂?shù)據(jù)經(jīng)20～80Hz濾波處理(遠(yuǎn)離動(dòng)圈式5Hz檢波器的低頻濾波效應(yīng)范圍),所以認(rèn)為動(dòng)圈式5Hz檢波器所接收到的地震波形是可靠的。與此同時(shí),LP檢波器(第2道反道)在信號(hào)最強(qiáng)(初至)時(shí)與5Hz檢波器之間的一致性較高,其自身16個(gè)檢波器相互間的一致性也較高。但是,隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的下降,16個(gè)陸地壓電檢波器相互間的一致性及其與5Hz檢波器之間的一致性逐漸降低。在輸入信號(hào)一致的情況下,這種不一致性是由于檢波器自身機(jī)電性能(比如本底噪聲高、陶瓷片一致性差)以及更大的外形與重量帶來(lái)更強(qiáng)的耦合效應(yīng)導(dǎo)致的。這種不一致性在一定程度上會(huì)掩蓋有效信號(hào),降低地震數(shù)據(jù)對(duì)弱信號(hào)的表達(dá)能力。對(duì)于地震數(shù)據(jù)處理來(lái)說(shuō),這種由檢波器導(dǎo)致的不一致性會(huì)被誤認(rèn)為是地下介質(zhì)的不一致性導(dǎo)致的,進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)假象。

圖2 各16個(gè)動(dòng)圈式5Hz檢波器和陸地壓電(LP)檢波器的單炮記錄對(duì)比

3 雙檢合并消除鳴震干擾

自1989年BARR等[14]提出通過(guò)雙檢合并消除水層鳴震干擾和具有工業(yè)應(yīng)用意義的海底電纜設(shè)計(jì)以來(lái),雙檢(水檢、陸檢)數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,很多學(xué)者從不同角度提出了各種壓制水中鳴震(water column reverberation)的方法[15-17]。該技術(shù)的基本理論依據(jù)如下:對(duì)上行波而言,水、陸檢接收到的子波極性相同、下行波極性相反,二者合并后,可以衰減除一次波以外、在海水自由表面與海底之間往返傳播的多次波(圖3a)。對(duì)水陸檢數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算[16,18],可以實(shí)現(xiàn)上、下波場(chǎng)分離(圖3b)。水、陸檢接收到的上行波極性相同而下行波極性相反,是因?yàn)閮深悪z波器拾取壓力、速度兩個(gè)物理量并表達(dá)為電壓的物理機(jī)制不同。陸檢是感受速度的檢波器(MEMS檢波器感受加速度需要將數(shù)據(jù)積分并切除1～2Hz以下的低頻),其輸出電壓在一定頻帶內(nèi)與水體質(zhì)點(diǎn)的速度成正比。水檢是感受壓力的檢波器,其輸出電壓在一定頻帶內(nèi)與壓力成正比。同時(shí),水、陸檢輸出數(shù)據(jù)的正、負(fù)號(hào)也有著不同的物理含義。對(duì)陸檢而言,其數(shù)據(jù)的正、負(fù)號(hào)分別代表質(zhì)點(diǎn)速度的不同方向;對(duì)水檢而言,其正、負(fù)號(hào)代表水體的膨脹與壓縮,質(zhì)點(diǎn)速度的上、下以及水體的脹、縮首先經(jīng)機(jī)電轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為電壓的正、負(fù),然后再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為數(shù)字的正、負(fù)。按照慣例,速度向下為正、向上為負(fù),水體的膨脹為正、壓縮為負(fù)。當(dāng)然這種慣例是人為設(shè)定、約定俗成的,便于更改[19]。

圖3 雙檢合并消除鳴震(a)、上下波場(chǎng)分離(b)以及動(dòng)圈式速度微分后與水檢的波形比較(c)

地震“波場(chǎng)”如果用壓力或者速度來(lái)表征的話,因其代表作用是一樣的,故二者可以相互推算。但是,因?yàn)閷?shí)踐中檢波器只能放置在三維空間中的某些點(diǎn)(理想化的質(zhì)點(diǎn))上,并且上行波與下行波相互混疊,所以無(wú)法對(duì)單個(gè)檢波器的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行壓力與速度之間的相互推算。根據(jù)地震波動(dòng)力學(xué)的相關(guān)原理,必須將同一類檢波器布置在不同的空間位置,加入空間參量,或者在同一個(gè)空間位置上同時(shí)布置壓力和速度檢波器,才能實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)在該空間位置上的完整表達(dá)[20-21]。

水陸檢數(shù)據(jù)表征上行波極性相同而下行波極性相反,本質(zhì)上是單一類型檢波器對(duì)波場(chǎng)表征的不完備導(dǎo)致的,這一點(diǎn)恰恰為雙檢合并、波場(chǎng)分離提供了可能(圖3a、圖3b)。

由文獻(xiàn)[14,19]可知,我們可以基于以下假設(shè),利用雙檢合并技術(shù)壓制鳴震干擾。

3.1 地震波場(chǎng)是平面波場(chǎng)

在平面波場(chǎng)的假設(shè)下,由波動(dòng)方程、牛頓第二定律以及胡克定律可以推知地震波場(chǎng)中的壓力與速度存在以下關(guān)系[14,22-25](假設(shè)一維):

(1)

式中:P為壓力,單位Pa;ρ為水體密度,單位kg/m3;c為水體速度,單位m/s;v為水體質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度,單位m/s。

由(1)式可見,理想化情況下,將水檢檢測(cè)到的壓力P與被標(biāo)定后的陸檢數(shù)據(jù)ρcv相加,上行波得到加強(qiáng)(2P),下行波得到抵消(-ρcv+ρcv=0),這是雙檢合并消除鳴震干擾的基本原理。部分文獻(xiàn)[4,26-28]將水中壓力型檢波器等同于加速度型檢波器,緣于對(duì)水檢所應(yīng)用的牛頓第二定律的誤解,認(rèn)為水中壓力型檢波器拾取的是“力”信號(hào),所以根據(jù)牛頓第二定律:

f=ma

(2)

式中:f為壓力,單位N;m為水檢的質(zhì)量,單位kg;a為水檢的加速度,單位m/s2,可以推斷水檢輸出的數(shù)據(jù)正比于加速度。但是就水檢的工作原理而言,水檢輸出電信號(hào)與水檢周圍水體的“壓力”(更準(zhǔn)確而言是壓強(qiáng))而不是“力”成正比,“壓力”的單位為Pa(根據(jù)相應(yīng)靈敏度換算后),“力”的單位為N。水檢適用于牛頓第二定律的形式為(假設(shè)一維):

(3)

式中:t為時(shí)間,單位s;z為距離,單位m。

(3)式表達(dá)的是水體在無(wú)檢波器情況下質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度v與壓力P的關(guān)系。在介入檢波器的情況下,水體與檢波器之間產(chǎn)生了耦合效應(yīng),主要影響信號(hào)高頻端的保真度[29-30]。

因此,認(rèn)為水檢等同于加速度檢波器、應(yīng)該將速度型動(dòng)圈式陸檢微分為加速度后再與水檢進(jìn)行合并的做法不符合地震波動(dòng)力學(xué)原理,在此基礎(chǔ)上發(fā)展的數(shù)學(xué)去鳴震方法缺乏物理合理性。將速度檢波器微分為加速度后,子波波形會(huì)發(fā)生改變(圖3c),無(wú)論如何選擇標(biāo)量標(biāo)定算子,都很難將鳴震干擾的速度和壓力分量抵消,并且會(huì)形成新的干擾波。因此,盡管對(duì)野外實(shí)際而言,很多陸檢記錄的主頻低于水檢主頻,但是這種差異并不是兩種檢波器跟蹤物理量(速度/壓力)不同導(dǎo)致的。將單個(gè)地震子波表達(dá)為速度或者壓力并不會(huì)導(dǎo)致主頻上的差異,導(dǎo)致主頻差異另有原因。

平面波場(chǎng)是雙檢合并消除水層鳴震的物理前提。在地震波場(chǎng)遠(yuǎn)離震源或者反射面時(shí),可以將地震波近似為平面波場(chǎng)[31]。但是,對(duì)于OBC/OBN技術(shù)來(lái)說(shuō),檢波器恰恰位于反射面附近,所以其速度與壓力關(guān)系是否符合(1)式,進(jìn)而使得雙檢合并取得理想效果,缺乏足夠的理論與實(shí)踐證明。目前,沒(méi)有文獻(xiàn)記載在現(xiàn)實(shí)中測(cè)量到速度與壓力在這種微觀(海底與電纜之間的距離)、臨界(入射波與反射波、透射波同時(shí)對(duì)檢波器產(chǎn)生影響)、大尺度(電纜的長(zhǎng)度與視波長(zhǎng)的量級(jí)相當(dāng)甚至更大)條件下的理想關(guān)系。

3.2 檢波器距離海底非常近

由文獻(xiàn)[14]可知,在海底水固界面法向應(yīng)力、位移連續(xù)且切應(yīng)力消失的情況下,其平面彈性波的解析解如圖4a所示。在該文獻(xiàn)中,假設(shè)檢波器位于水中且距離海底非常近(遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地震波長(zhǎng))但又不與海底接觸,這樣就可以忽略海底入射波A1、海底反射縱波A2以及反射橫波B2的影響,而只考慮透射縱波A′1(圖4b的t1)及其后續(xù)引發(fā)的在水體中往復(fù)傳播的鳴震干擾(圖4b的t2,t3,…)。在這種假設(shè)條件下,可以將由海面下行的海底入射波(鬼波,ghost)與由海底上行的反射波(微屈多次波,Peg-leg)時(shí)差視為0(此處定義入、反射波的標(biāo)準(zhǔn)是基于置于海底檢波器),即幾乎同時(shí)發(fā)生。比如,對(duì)于壓力波場(chǎng)而言,海底入射(-1)和海底反射(-Kr)同時(shí)發(fā)生在t2時(shí)刻,且二者之間的關(guān)系符合反射定律(圖4a)。在這種理想情況下,經(jīng)過(guò)適當(dāng)標(biāo)定后可以消除除一次波以外的由海水自由表面反射到海底的干擾波(ghost)以及由海底反射回海面的波(peg-leg)[20,30,32],而不是僅僅衰減下行波[24,33]。之所以可以達(dá)到這樣的目的,是因?yàn)楹５兹肷洳ǖ恼穹笥诜瓷洳ǖ恼穹?1>Kr),在二者反相時(shí),極性取決于入射波,在二者同相時(shí),極性仍然取決于入射波。所以二者疊加后的子波極性取決于入射波(即下行波),而水陸檢的下行波極性相反。

圖4 地震波在海底的分裂(a)與雙檢合并消除鳴震的時(shí)域算子(b)

3.3 不考慮與海底以及海水的藕合效應(yīng)

在海底介質(zhì)非常軟、橫波速度很小的情況下,海底與檢波器之間的耦合效應(yīng)對(duì)地震數(shù)據(jù)的影響非常大,難以忽視[34-38]。文獻(xiàn)[35]認(rèn)為海底電纜垂直方向z與in-line方向x與海底耦合得較好,cross-line方向y耦合得較差。由于OBC外形的限制,其長(zhǎng)度(千米級(jí))大于地震波長(zhǎng)(十米級(jí)-百米級(jí)),所以無(wú)法用單自由度振動(dòng)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)描述,電纜與海底之間的耦合關(guān)系尚不能用明確的數(shù)學(xué)模型表示。并且,因?yàn)楹５纂娎|位于海床之上,并非完全直線,同時(shí)地表起伏等導(dǎo)致耦合情況變化較大,所以很難將陸檢的in-line方向x輸出等同于海底的x方向振動(dòng)。

海底節(jié)點(diǎn)儀(OBN)的外形更小、較橫波波長(zhǎng)(與耦合效果密切相關(guān))更接近于“質(zhì)點(diǎn)”的假設(shè)。海底節(jié)點(diǎn)儀同時(shí)與海底和海水接觸,其傳輸函數(shù)[37-38]較陸地[39-40]更為復(fù)雜。

文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[19]提出采用標(biāo)量算子來(lái)校正水陸檢之間的數(shù)據(jù)差異。但是由于耦合等原因的影響,一個(gè)標(biāo)量算子并不能完全代表水陸檢之間的數(shù)據(jù)差異。文獻(xiàn)[36]采用依賴于頻率的算子來(lái)校正二者之間的差異,取得了較好的效果。

如果檢波器中立地漂浮于水體中(即平均密度與水體相當(dāng))且非常接近海底,盡管仍然存在與海水耦合,會(huì)對(duì)高頻振動(dòng)產(chǎn)生衰減[30],但更滿足文獻(xiàn)[14]所假設(shè)的條件。不過(guò)這樣又會(huì)導(dǎo)致橫波無(wú)法正常接收。

3.4 不考慮檢波系統(tǒng)的機(jī)電效應(yīng)

圖4僅從理想的地震波動(dòng)力學(xué)的角度考慮了波場(chǎng)在海底的分裂與傳播,除了與海底、海水的耦合因素以外,沒(méi)有考慮檢波器在拾取地震波(彈性波、聲波)時(shí)的機(jī)電效應(yīng)。文獻(xiàn)[30]和文獻(xiàn)[41]提到導(dǎo)致檢波器效應(yīng)的主要因素是不依賴于頻率的標(biāo)量——靈敏度,理由并不充分。靈敏度是標(biāo)量,由此導(dǎo)致的差異很容易處理,雙檢地震檢波系統(tǒng)涉及的機(jī)電因素并不僅僅包括機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)(靈敏度)這一單一因素(表1)。不同水陸檢的自然頻率、阻尼系數(shù)、允差以及地震儀的本底噪聲等都會(huì)對(duì)雙檢合并的效果產(chǎn)生影響。

文獻(xiàn)[42]和文獻(xiàn)[43]中水陸檢數(shù)據(jù)的能量差異是跟蹤物理量、靈敏度、記錄格式差異導(dǎo)致的,并不意味著壓力代表的地震波機(jī)械能與振動(dòng)速度所代表的機(jī)械能存在極大差異。當(dāng)然,水檢對(duì)橫波波場(chǎng)沒(méi)有響應(yīng),陸檢可以接收橫波、Scholte波等,它們所表征的物理能量存在差異,但應(yīng)該在同一個(gè)量級(jí)。

4 檢波器對(duì)地表振動(dòng)的記錄與改造

檢波器的功能是在震源激發(fā)地震子波后,忠實(shí)地記錄大地產(chǎn)生的振動(dòng)。因此,檢波器輸出數(shù)據(jù)應(yīng)該“忠于”大地振動(dòng)本身。除了檢波器以及地震儀本底噪聲、機(jī)電轉(zhuǎn)換、藕合效應(yīng)等因素使得地震數(shù)據(jù)較地表振動(dòng)存在較大畸變以外,還存在若干環(huán)節(jié)會(huì)影響地表振動(dòng)的準(zhǔn)確表達(dá)。

4.1 動(dòng)圈式檢波器的高通濾波效應(yīng)

由前面的分析可知,地表振動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)圈式檢波器質(zhì)量塊相對(duì)振動(dòng)的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生低頻衰減(-12dB/Oct)。只要衰減后的低頻信號(hào)高于本底噪聲,這種低頻衰減就可以通過(guò)確定性反褶積來(lái)恢復(fù),在一定程度上再現(xiàn)地表振動(dòng)的低頻特征,代表了“更真實(shí)的地表振動(dòng)”[12](圖1b)。

4.2 加速度域處理地震數(shù)據(jù)

目前陸上石油勘探中主要存在速度型、加速度型兩類檢波器。其中,MEMS檢波器、陸地壓電檢波器及渦流檢波器在主要頻帶內(nèi)與地表加速度成正比。由于自20世紀(jì)30年代以來(lái)動(dòng)圈式速度檢波器一直占據(jù)主導(dǎo)地位,很多處理軟件默認(rèn)輸入數(shù)據(jù)為速度或者其線性等價(jià)數(shù)據(jù),所以國(guó)內(nèi)外多數(shù)油氣勘探公司將加速度數(shù)據(jù)積分為速度、切除低頻后再進(jìn)行處理[44-47],以便保持后續(xù)有關(guān)計(jì)算的物理合理性。

比如,已知平面S質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度法向分量振動(dòng)速度為vn的情況下,可以利用瑞雷積分[48]求取任意一點(diǎn)A的頻域壓力波場(chǎng)PA:

(4)

式中:j為虛數(shù);ω為圓頻率;r為A點(diǎn)到S平面上某點(diǎn)的距離;vn為平面S上質(zhì)點(diǎn)的法向振動(dòng)速度;ρ為密度;Kr為波數(shù)。

如果將加速度檢波器采集數(shù)據(jù)直接輸入處理系統(tǒng),求取的值與該點(diǎn)壓力場(chǎng)的微分成正比(比例系數(shù)決定于檢波器靈敏度等檢波系統(tǒng)因素),不代表該點(diǎn)的壓力波場(chǎng)。此外,分別用速度和加速度表征地震子波,因?yàn)橛刹ㄇ皵U(kuò)散和大地吸收引起的振幅衰減速率不同[49],所以速度、加速度的動(dòng)力學(xué)特征(頻率、振幅、相位)存在較大差異,如果不將加速度數(shù)據(jù)積分為速度而直接輸入處理系統(tǒng)的話,處理后的剖面視覺(jué)分辨率看似增加了(同相軸更多),但是實(shí)際地震分辨率、特別是深層的分辨率與信噪比會(huì)降低,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位錯(cuò)動(dòng),進(jìn)而影響解釋精度。

4.3 經(jīng)電路頻譜整形或者微分

文獻(xiàn)[50]至文獻(xiàn)[55]主張?jiān)谝巴饫秒娐诽岣叩卣饍x模數(shù)轉(zhuǎn)換之前高頻端的電壓值,或通過(guò)電路將速度信號(hào)微分為加速度信號(hào),或采用加速度檢波器接收,以期提高高頻信號(hào)的“可記錄性”進(jìn)而提高分辨率。以上野外電路提頻、整形、微分或者直接利用加速度檢波器接收理論上存在兩個(gè)優(yōu)勢(shì):①使高頻端信號(hào)遠(yuǎn)離本底噪聲,機(jī)電比[12]更高;這就使得原先部分低于本底噪聲的高頻信號(hào)得以高出本底噪聲從而被更準(zhǔn)確地計(jì)入二進(jìn)制數(shù)字,為后續(xù)利用數(shù)學(xué)方法提取高頻信號(hào)預(yù)留了可能性;②在一定程度上彌補(bǔ)大地濾波效應(yīng)帶來(lái)的高頻損失。

但是,以上措施也存在明顯的不足:①高頻端的地震信號(hào)很弱、環(huán)境噪聲很強(qiáng),所以即使提升了高頻端的機(jī)電比[11-12],如果不能有效衰減高頻端的機(jī)械噪聲,就很難將野外提頻的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來(lái),甚至?xí)档托旁氡?②野外提頻在一定程度上可以補(bǔ)償大地吸收衰減作用,但是這種補(bǔ)償相較實(shí)際的大地吸收而言,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。野外提頻或整形是由電路實(shí)現(xiàn)的,一旦設(shè)定后就難以改動(dòng)、不夠靈活。在保證機(jī)電比的情況下,完全可以通過(guò)后續(xù)數(shù)學(xué)方法,如反Q濾波進(jìn)行提頻,去噪后提頻的效果會(huì)更好。

所以,檢波器只要在多次覆蓋背景下在主要頻段(1～200Hz)[11]保證一定的機(jī)電比(比如>10),就可以通過(guò)數(shù)學(xué)方法保真地恢復(fù)其所表征的地表振動(dòng)(位移/速度/加速度)。在檢波器靈敏度合理(如無(wú)源速度檢波器80～120V/m/s)、地震儀或者節(jié)點(diǎn)儀采用24位AD轉(zhuǎn)換(有效動(dòng)態(tài)范圍>120dB)的情況下,不必采用野外提頻、頻譜整形或者微分的處理方式來(lái)“提高高頻信號(hào)的可記錄性”。如果在野外進(jìn)行了以上改造,也應(yīng)該在室內(nèi)用數(shù)學(xué)方法將電增益去掉。

所以,檢波器只要能夠最大限度保真地記錄大地振動(dòng)就是合格的檢波器,經(jīng)過(guò)電路頻譜整形[53]、“截頻當(dāng)做通頻用”(高低截+高增益)[52]、“兵分兩路”(高低頻分開記錄)[55]以及將速度檢波器輸出經(jīng)電路微分[56]再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的做法,在提高高頻端機(jī)電比的同時(shí),降低了低頻端、特別是極低頻端的機(jī)電比,同時(shí)對(duì)檢波器接收到的、默認(rèn)為速度量綱的波形進(jìn)行了較大改造、不再線性于地表振動(dòng)的速度表達(dá)。如果后期沒(méi)有通過(guò)數(shù)學(xué)方法消除電增益,會(huì)將信噪比更低的高頻端反應(yīng)到時(shí)域波形,使得子波旁瓣增加,降低分辨率和信噪比,因?yàn)椤靶旁氡鹊奶岣咦罱K體現(xiàn)在時(shí)域”[57]。

5 檢波器的分類

從檢波器輸出電壓與被檢測(cè)地表振動(dòng)之間的關(guān)系來(lái)看,檢波器通常包括位移型、速度型、加速度型3類。但是,類型的劃分可以更詳細(xì)地分為兩種情況:基于“質(zhì)-彈-阻模型”的單自由度振動(dòng)系統(tǒng)中“質(zhì)量塊相對(duì)位移與地表振動(dòng)”的關(guān)系,以及地震檢波系統(tǒng)中“輸出電壓與地表振動(dòng)”之間的機(jī)電轉(zhuǎn)換關(guān)系。前者可以簡(jiǎn)稱為基于“機(jī)-機(jī)轉(zhuǎn)換”(分類Ⅰ),后者簡(jiǎn)稱為“機(jī)-電轉(zhuǎn)換”(分類Ⅱ)。兩種分類系統(tǒng)下,3種類型檢波器分別具有不同的定義[1-2](圖5)。

圖5 兩種檢波器分類系統(tǒng)的對(duì)比[1-2]

根據(jù)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn),當(dāng)被測(cè)頻率遠(yuǎn)大于系統(tǒng)自然頻率的時(shí)候,質(zhì)量塊的相對(duì)位移Dm與大地振動(dòng)的位移Dg成正比,該檢波器稱為位移型檢波器;當(dāng)被測(cè)頻率與系統(tǒng)自然頻率接近的時(shí)候,Dm與Dg的一次微分(速度)成正比,該檢波器稱為速度檢波器;當(dāng)被測(cè)頻率遠(yuǎn)小于系統(tǒng)自然頻率的時(shí)候,Dm與Dg的二次微分(加速度)成正比,該檢波器稱為加速度檢波器。假設(shè)系統(tǒng)的自然頻率為f0,加速度檢波器、速度檢波器、位移檢波器各自的工作頻段見圖6a。也就是說(shuō),這種分類某種意義上取決于被測(cè)頻帶與系統(tǒng)自然頻率的相對(duì)關(guān)系。如果系統(tǒng)的自然頻率是60Hz,而被測(cè)頻段是1～10Hz,那么這種檢波器可以稱為加速度檢波器;如果被測(cè)頻帶在60Hz附近,可近似稱為速度檢波器,如果被測(cè)頻帶為100～200Hz,該檢波器為位移型檢波器。也就是說(shuō),對(duì)于同一個(gè)檢波器而言,其類型是由被測(cè)頻帶決定的。

圖6 檢波器分類Ⅰ(a)與分類Ⅱ(b)在頻域的差異

分類Ⅱ取決于檢波器輸出電壓與地表振動(dòng)之間的關(guān)系。如果在主要測(cè)量頻帶內(nèi)輸出電壓分別與地表振動(dòng)的位移、速度、加速度成正比,則分別被稱為位移型、速度型、加速度型檢波器。

因?yàn)殛懮鲜涂碧酵ǔ５挠行ьl帶在1～200Hz[11],如果動(dòng)圈式檢波器自然頻率為10Hz,其接收到的信號(hào)由低到高的頻段分別包含了速度的二階微分、一階微分(加速度)以及速度等不同物理量綱組成的復(fù)合信號(hào),并不是單純的速度信號(hào)(圖6b)。特別地,當(dāng)目的層較深、反射信號(hào)主頻較低時(shí)(如1～20Hz),速度的一階、二階微分所占比例很大,信號(hào)被改造的程度更大,不再是“純粹的速度信號(hào)”,低頻信號(hào)被人為地衰減了,這種構(gòu)成對(duì)于低頻勘探不利,需要通過(guò)檢波器反褶積[12]將自然頻率附近以及以下的頻帶校正為速度信號(hào)(圖1b)。

通常情況下,慣性檢波器質(zhì)量塊的相對(duì)振動(dòng)只有被轉(zhuǎn)換為電壓后才能經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為可施加運(yùn)算的數(shù)據(jù),所以分類Ⅱ更具概括性,也更容易理解。因此工程層面上多采用分類Ⅱ進(jìn)行分類。

6 結(jié)束語(yǔ)

1) 動(dòng)圈式檢波器與陸地壓電檢波器在主要頻帶內(nèi)對(duì)地表振動(dòng)具有等效的表征作用。后者因?yàn)椴馁|(zhì)、工藝、成本等原因,一致性稍差。

2) 傳統(tǒng)的OBC、OBN雙檢合并消除鳴震技術(shù)所設(shè)定的前提,如地震波場(chǎng)是平面波場(chǎng)、與海底距離非常近但不接觸,不考慮耦合效應(yīng)、不考慮檢波系統(tǒng)的機(jī)電效應(yīng)等,與施工實(shí)踐存在一定差異,尚需深入的針對(duì)性研究與試驗(yàn)并應(yīng)采取相應(yīng)的工程措施,以提高該技術(shù)的應(yīng)用效果。

3) 借助野外電路提高高頻端機(jī)電比或者采用加速度接收對(duì)于提高地震數(shù)據(jù)信噪比以及分辨率并無(wú)太大幫助甚至?xí)?lái)更多的噪聲,進(jìn)而增加后期去噪的難度;在處理軟件默認(rèn)輸入數(shù)據(jù)為速度的情況下,頻譜整形后的數(shù)據(jù)應(yīng)采用數(shù)學(xué)方法去除電增益,加速度檢波器接收的數(shù)據(jù)應(yīng)先轉(zhuǎn)換為速度再進(jìn)行處理。