野外地震勘察仪器原理、结构与使用

地震勘探仪器原理与结构5.1地震勘探仪器的任务、研究方法一、地震勘探仪器的任务、研究方法所谓地震勘探就是用人工方法激发地震波，研究地震波在地层中传播的规律，以查明地下的地质情况，为寻找油气田或其它勘探目的服务的一种物探方法。与其它物探方法相比，地震勘探具有精度高、分辨率高、勘探深度大等优点，因此，已成为石油勘探中一种最有效的勘探方法。在西方发达国家，石油勘探方面总投资的90％用于地震勘探。在我国，自大庆油田发现以来，新发现的油田有90％是用地震勘探的方法找到的。目前在我国的石油物探队伍中，绝大部分是地震队。地震勘探基本上可分为野外数据采集、室内资料处理、地震资料解释三个阶段。每一个阶段都需要使用一定的设备才能完成预期的任务。没有这些设备作为工具和手段，地震勘探理论再完善也不能付诸实施，当然也就达不到勘探的目的。地震勘探装备是地震勘探的物质基础。事实上，一个国家勘探装备的状况，在很大程度上反映了这个国家的石油勘探水平。地震勘探装备种类很多，涉及的范围很广。其中直接用于野外地震数据采集的专用设备称之为地震勘探仪器。地震勘探仪器的任务是将由震源激发的，并经地层传播反射回地表的地震波接收和记录下来。从这个意义上来讲，地震勘探仪器主要包括检波器和记录仪器。检波器接收地露波并把它转换成电信号，记录仪器对地震电信号进行放大滤波再把它记录下来，成为野外地震记录。地震勘探第一阶段(野外数据采集阶段)的最终成果，就是地震勘探仪器产生的野外地震记录。这些野外地震记录是地震勘探的资料处理和资料解释的原始依据和工作基础。地震勘探仪器本身性能好坏和使用是否恰当，直接影响地震记录质量，也就必然影响到后期资料处理和资料解释工作，最终势必影响到地震勘探效果。所以，地震勘探仪器是地震勘探装备中员基础的设备，也是最关键、最重要的设备。正是由于地震勘探仪器在地震勘探中有很重要的地位和作用，所以地震勘探仪器原理历来是地震勘探这门学科中一个不可分割的内容。研究地震勘探仪器不应该单纯从电子技术角度去分析地震仪的局部电路，而应该把电子技术与地震勘探原理紧密结合起来，着重研究下列内容：为了满足地震勘探的要求，地震仪整机应由哪些模块组成?各个模块之间有什么联系和影响?整机系统对各个模块的外部功能和技术指标应分别提出什么要求?各模块的性能对整机的性能有什么影响?仪器的工作参数应怎样选择才能发挥仪器的效率和提高勘探效益?诸如此类的问题就是地震仪整机的基本理论问题。如果不了解这些问题，即使会分析和计算地震仪的几个具体电路，那也只能是舍本求末，因小失大。地震勘探仪器的一个突出持点就是型号很多而且更新很快，具体电路千差万别，使用器件不断更新。但是地震仪整机的基本原理是基本相同而且变化不大的。如果我们既掌握了仪器整机的基本原理又具有扎实的电子及计算机技术理论基础，那么在今后的工作中就能很快掌握所遇到的具体仪器。5.2对地震勘探仪器的基本要求5.2.1地震波运动学特征对地震勘探仪器的要求为了利用地震波的运动学特征来推测地下反射界面的位置和形态，就要求记录多道地震信号，以便进行波的对比，识别同相轴；记录震源激发信号作为计算反射时间的起点；记录计时信号作为计算反射时间的标尺；在采用炸药震源时还要记录井口信号，以测定地震波从炮井井底的炸药爆炸点传到炮井井口的时间—τ值，进而依据已知的炮井深度h来推算表层的速度v＝h/τ，为今后地震资料处理时进行静校正提供依据。除地震信号以外的这些需要记录的信号统称为辅助信号。通常所说的地震仪记录道数指的是地震道的道数，辅助道不包括在内。地震仪对地震信号的数据采集过程从震源激发时刻开始，一直持续到最深目的层反射信号完全到达时为止。采集过程的持续时间称为记录长度，采用炸药等冲激震源时，记录长度T为:T=2h/v式中h—勘探目的层最大深度；v地震波的平均速度。在地震勘探中，有意义的最大反射界面的深度很少超过10km，而达到这样深度的平均地震波速度，至少是3500m／s。因此，通常要求的记录长度为6s。深钻、地质解释和地震信号穿透力等项技术改进后，需要的记录时间还可能增加。反射时间的标记是根据磁带上记录的计时信号进行的，如果计时信号本身不精确的话，依据它测出的反射时间也就不精确，由此推测出的反射界面的位置也就不准确，因此，一般要求计时信号的可重复性和绝对准确度都应保持在0.05％的容许范围内。5.1.2地震波动力学特征对地震仪的要求为了能利用地震波的动力学持征来推测地下岩性，甚至直接找油找气，就要求地震仪高保真、高信噪比、高分辨宰地把地震波记录下来。具体来说，应满足以下几项基本要求：（1）地震仪允许输入的幅度范围(简称仪器的动态范围)必须大于需要记录的地震信号的动态范围。需要记录的地震信号的最大幅度是从震源直接传到高震源最近的检波点的直达波幅度，它与偏移距的大小有关；需要记录的地震信号的最小幅度是最深目的层反射波传到地表时的幅度，由勘探深度要求决定。目的层越深，反射信号则越弱，当反射信号幅度比外界环境噪声的幅度还小时，就会被外界环境噪声淹没。因此，一般认为需要记录的地震信号最小有意义幅度是外界环境噪声的幅度。目前通过地震资料的数字处理，有可能从环境噪声背景中提取幅度仅有环境噪声幅度1／10的弱信号。考虑上述三方面因素，人们普遍认为地震勘探仪器的动态范围应达到或接近120dB。②地震仪应该设置滤波器，在记录之前对接收进来的妨碍有效波记录的干扰波进行压制。这些滤波器给地震仪限定的记录频率范围应该尽可能大于需要记录的地震信号的频率范围。由于地层的选频吸收效应，使得越是深层的反射信号，其主频越低。因此，需要记录的地震信号最低频率由勘探深度要求决定，可能需要延伸到10Hz或10H2以下。需要记录的地震信号最高频率由勘探分辨率要求决定。一般来说，在进行地震普查时取125Hz就可以了，进行地震详查时应取250Hz，高分辨率勘探可能需要取到500Hz，甚至更高。③在所能记录的幅度范围和频率范围内，地震仪仅应该基本上是一个线性系统。所谓线性系统就是当输入为单一频率的正弦波时，输出也是同频率的单一正弦波。如果给一个系统输入一个频率的正弦波，其输出中出现很多频率为n(n为正整数)的新的频率分量，那么我们就认为这个系统是非线性系统或者说存在非线性失真。实际上，完全线性的系统是不存在的。5.2.3．多道记录对地震仪的要求最早的地震仪是单道的，为了便于进行波的对比和提高野外生产效率，后来发展成为多道地震信号同时记录。随着多次覆盖技术的推广和覆盖次数的提高，要求进一步增加道数。高分辨率地震勘探要求缩短道距至25m、10m甚至5m，而为了保持一定的排列长度，自然也要求道数多一些。三维地震勘探方法的普遍应用更是要求地震仪的道数多达几千道。在多道记录的情况下，为了确保地震记录的质量，还必须要求地震仪内部各地震道电路的振幅特性和相位特性保持良好的一致性，道与道之间的相互干扰(即道间串音)应很小(一般要求小于-80dB)。5.2.4野外工作条件对地震勘探仪器的要求地震仪长年在野外工作，工作环境与室内仪器大不相同。由于野外环境条件差，造成仪器发生故障的外部原因很多。而地震仪一旦发生故障，轻则影响地震记录的质量，重则使整个地震勘探队的工作陷于停顿，所以特别要求地震仪有很高的稳定性和可靠性，并且具有一定的自检能力和野外监视功能。除此之外，体积小、质量小、耗电省、操作简便、易于维修也是应尽可能满足的基本要求。5.3两类地震检波器的工作原理地震检波器是把传输到地面或水中的地距波转换成电信号的机电转换装置，它是地震仪野外数据采集的关键部件。陆上地震勘探普遍使用电动式检波器，海上地震勘探普遍采用压电式检波器。涡流检波器是20世纪8()年代发展起来的一种新型检波器。5.3.1电动式地震检波器电动式地震检波器的结构和外形如图3—1所示。它由永久磁铁、线圈和弹簧片组成，磁铁具有很强的磁性，它是地震检波器的关键部件；线圈由铜漆包线绕在框架上而成，有两个输出端，它也是地震检波器的关键部件；弹簧片由特制的磷青铜做成一定的形状，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相对运动体(惯性体)。当地面存在机械振动时，线圈对磁铁作相对运动切割磁力线，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。一、运动方程的建立检波器内部各组成部分的运动关系如图3—2。地震检波器运动方程的建立，以及其基本思路要从地震检波器的功能入手。地震检波器的功能是将地面的机械振动转换为相应的电模拟振动信号。因此，研究地震检波器就应该首先找出地震检波器输出电压和地面运动的关系，而地震检波器输出的电压是由于线圈相对磁铁运动切割磁力线产生的，所以关键是要找出地面运动与线圈运动的关系。地震波传到地面后，假设地面相对其原来位置产生一个向上位移Z。如忽略检波器与地面的藕合问题，即认为检波器外壳与地面一起运动，则地面的位移就是检波器外壳的位移，而磁铁又是同外壳固定在一起的，所以此时磁铁也相对其原位置产生一个向上位移Z。显然，惯性体也会相对其原来的位置产生一个向上的位移y，由于惯性的原因，惯性体的位移将小于地面的位移，于是弹簧被拉长x，即线圈相对磁铁有一个向下的位移x。检波器内各部分的运动关系为Y=z+x(3-1)此时，线圈及框架组成的惯性体受到如下外力的作用。1．弹簧克服惯性体重力后的拉力FKFK＝—kx式中k—弹簧的弹性系数，负号表示FK与x方向相反。2．线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第定律，线圈相对磁铁运动时，线圈产生的感应电动势为dtdxsdtdxdxdndtdnEΦ—线圈磁通量；n—线圈匝数；S----机电转换系数dxdns对低频地震信号而言，线圈的感抗很小可以忽略，因此线圈中的感应电流为RoRcEiRc——线圈内阻；Ro——线圈负载电阻。由楞次定律可知：当线圈中有电流流过时，线圈将受到阻止其运动的电磁力siidxdnFL将（3-3）式、（3-5）式代入（3-6）式得：dtdxRsFL23．铝制线圈架受到的电磁阻尼力圆筒形铝制线圈架可看作是一个单匝闭合线圈。当线圈架随同线圈一起在磁场中运动时，线圈架内将产生涡流磁场。涡流磁场对此涡流的作用力也将阻止线圈架运动，由（3-7）式可知，这种电磁阻尼力与线圈相对磁铁的运动速度dx／dt成正比，方向相反:式中μ——比例系数。空气阻力比FT小得多，可忽略不计线圈架组成的惯性体运动符合牛顿第二定律，即：aMFdtdxRskxFFFFTLK)/(2)(222222dtxddtzdMdtydMMa22222)/(dtzdMkxdtdxRsdtxdM即：5.2.2多路转换开关(MUX)一、多路转换开关的基本功能能够按照控制指令对模拟电压或电源进行通断控制的器件称为模拟开关。具有公共输出端的多个模拟开关的集合称为多路开关(MUX)。最简单的一种MUX，其开关组态如图4—31(a)所示。它在接收多道地震信号的采集系统中常被用作采样开关，它的多个输入端分别与对应道的前放滤波器输出端相连，公共输出端与浮点放大器输入端相连。在对某一道信号采样时，该道所连接的开关便导通，其它道的开关全都断开，在一个采样周期Ts内，依次对滤波器输出的各道信号均采样一次。因此多路开关的输出是一连串周期性按道序排列的采样脉冲，如图4—31(b)所示。这些采样脉冲我们称为子样。图中aij代表第i道的第j次采样(i；1，2，3，…，m)或者第j个采样周期对第i道采样所得的子样(j＝1，2，3．…n)这里m为采样系统的道数，n为采样用期数或每一道的采样次数。由图4—31可见，多路开关的功能是：将多路并行输入的连续信号转换成一路串行输出的离散子样。因此多路开关又称为多路转换开关。二、道间一致性与道间串音问题由图4—1和图4—31可综合得到图4—32所示的地震道组成框图。由图可见，在多路开关之前，各地震通信号所通过的电路(称为地震道)是彼此分离的，而在多路开关之后的电路则