全球地震采集技术发展趋势分析

全球地震采集技术发展趋势分析2014-12-04 15:16:00 1

文|吴伟等

中石化石油物探技术研究院

地震技术结合多学科高新技术发展最新成果，在油气勘探开发中发挥了日益重要的核心支撑作用。在遵循采集、处理、解释一体化的发展思路下，借助于先进仪器装备和各种采集新技术的不断推出，地震采集技术近年来的发展明显加快，正向着适应更恶劣地表条件、更复杂地下构造和更隐蔽含油气圈闭勘探需求的精细采集方向发展。

采集理念由过去的追求共中心点叠加次数向“以记录波场为中心”转变，采用24位超万道地震仪、数字检波器加网络技术支撑，精细表层调查和模型驱动的采集设计，进行单点接收、大动态范围、无线化传输、超多道记录、小面元网格、高覆盖次数、高品质震源、多分量接收、全方位信息、环保型作业的高密度三维地震全波场采集，不断提高地震资料的纵、横向分辨率和有效信息的精确度。多源地震等高效地震采集技术的出现，提高了采集效率并给数据处理技术带来变革。本文从采集理念、新型传感器、多源高效地震、海上地震新技术等方面总结了近年来地震采集技术的发展动态，展望采集技术的发展方向。限于篇幅，没有详细介绍目前在采集中已普遍使用的一些方法技术，如采集前的模拟技术（局部照明分析、振幅分析等），激发接收条件的分析与改进，地震采集脚印的模拟与采集效应的消除，山前带、沙漠、滩海等特殊环境的采集等。

一些新的技术在采集中的应用，如稀疏采样（包括随机采样、压缩采样等在空间、时间域中突破采样定理要求的采集）、光纤传输等，文中也没有涉及。

1 “以记录波场为中心”的采集新理念

以往精确的波场记录是不可能实现的，也没有这种需求，当时有效的改善信号质量的方法是增加冗余度，共中心点覆盖次数便成为衡量标准。

“以记录波场为中心”新理念的含义主要有两个方面：炮检点的间隔能够无假频地记录噪声波场，从而可以滤波出地质环境的地表噪声；炮检点的分布（大偏移距和全方位角）能够记录到大部分对地质目标有影响的资料。在当前和可预见的未来，还是不可能实现“在整个测量范围内纵横向密集分布源、检点以记录全波场”这种观测系统。鉴于此，人们必须做出某些折衷。

数值模拟结果说明，改变常规采集后，具有下列益处：

非均衡源—检数目（如采用少量、稀疏分布的震源和非常多的、高密度分布的检波器，反之亦然）可能比均衡源—检采集更好；

高密度二维检波器组合在滤除强的地表噪声时，可能比覆盖次数更重要；

较好的陆地采集观测系统是分布式的二维检波器或震源组合（以滤除地表噪声），加上较稀疏的二维面积型网格分布的震源或检波器（以提供长偏移距和宽方位角），炮点、检波点的二维间距与高密度组合的长度基本接近。

在“记录波场”的理念下，低覆盖资料的处理结果比高覆盖资料更好。下图表明稀疏炮的成像比常规采集宽方位资料的成像照明更好，噪声也更小，后者资料的炮数是前者的4倍。这说明非均衡的震源、检波器数量的采集比均衡采集要好。稀疏炮成像的改进，归因于密集的检波器更好地衰减了噪声，大的检波偏移距产生了更好的照明。

“记录波场”的观念，有助于针对特定地区、特定的地质目标，依据全波场数据的子集的重要性确定其优先次序，设计合理高效的观测系统。

(a) SEAM模型宽方位资料（带有多次波）的RTM后的NS向剖面，Y=17220，所用数据共11172炮（间距为600m×150m）。检波线偏移距范围：纵测线为420～8430m，间距为30m；横测线为-4140～4140m，间距为120m。每炮的总道数为70×268＝18760(据

ChristofStork，2011)

(b) SEAM模型稀疏炮资料（带有多次波）的RTM结果，Y=17,220，成像好于（a）图的WAZ NS向剖面料，而炮数要少得多。所用数据共2793炮（间距为600m×600m）。采集的偏移距范围在x、y方向都是-9800～9800m，间距为30m。每炮的总道数为661×

661=436921(据Christof Stork，2011)

SEAM模型宽方位资料RTM结果与SEAM模型稀疏炮资料RTM结果对比((据

ChristofStork，2011）

2 采集新装备

2.1 声波多普勒传感器

为了获取更完整、质量更好的地震资料，一方面大幅增加检波器道数和检波点数，一方面努力使检波器与地面间良好耦合。尽管取得了较好的结果，但是这些措施都带来了非常巨大的工作量。如果传感器不需要耦合到地面，则可以大大简化地震采集的野外工作。非耦合型声波检波器的出现，为解决这一困难带来了一线曙光，声波多普勒传感器就是其中一种，这种检波器由超声波发射—接收系统组成，借助多普勒频移可以精确地测量出地表的纳米级震动。

声波多普勒检波器的原理如下图所示。超声波发射换能器T发出频率为f0的调制信号，信号向振动的不光滑面传播并发生多普勒频移，背向散射，返回的信号被换能器R所接收。不光滑面散射回信号的横向覆盖范围由第一菲涅尔带决定，约为厘米量级。根据Rayleigh准则，如果不规则反射面的厚度小于载波信号波长的1/8，则该界面可视作平滑的。对于50kHz的载波频率、330m/s的空气速度，其能反映的镜面反射的不规则层厚度可小于1mm。

声波多普勒传感器的示意图 (据E.Poggiagliolmi，2013)

载频与振动表面发生多普勒频移并背向散射到检波器

下图为50kHz的连续声波多普勒传感器测量反射面的峰值位移的结果。科研人员用示波器进行了3次不同的实验，示波器根据波的频率用不同颜色显示波的扩

散。左图是11g重的小球从玻璃上方25cm高处坠落后在玻璃上产生的波形，其最大扩散为1870ns对应于峰值位移0.6mm，这与计算结果相近。右图玻璃面作20Hz正弦运动，测得的位移为0.19mm，也与计算结果相近。在极安静的条件下进行的测试表明传感器的本底噪声约为40～50nm。有理由相信，随着传感器设计的改进，本底噪声有望下降到纳米级别。

示波器上的波形变化反映的地面扰动（据E.Poggiagliolmi，2013)

蓝线为波在振动周期内在示波器时间轴上的变化，由该时间变化可求出地面运动

的峰值

由于不需要考虑地面耦合，声波多普勒传感器的布设非常方便，可实行机械化布置，从而省略了人工埋设检波器并使其与地面耦合良好的工作量。传感器采集的资料质量也较高，噪声小，特别适合于疏松砂层、雪地、永久冻土带、水陆过渡带和碳酸盐层出露区等耦合困难地区，进行超多道采集时，其效率提升更为明显。

2.2 百万道地震采集系统

业界期待已久的百万道地震采集系统终于初见端倪。2013年，Sercel基于宽带单分量数字检波器DSU1（频率为0～800Hz）、“分布式混合采集网络”的理念，发布了508XT仪器系统，预计2014年底交付商用。