数字检波器的应用及效果

2007年12月 物 探 装 备第17卷 第4期 专论与综述
数字检波器的应用及效果
王梅生*
(东方地球物理公司采集技术支持部,河北涿州072751)
摘 要
王梅生.数字检波器的应用及效果.物探装备,2007,17(4):235~240
本文根据数字检波器的调研结果,介绍了数字检波器在全球的应用情况,在分析数字检波器的工作原理及采集效果的基础上,对数字检波器与常规模拟检波器的应用进行了对比,并根据理论分析和实际应用效果对数字检波器的应用范围提出了自己的看法。

关键词 数字检波器 动态范围 谐振频率
ABSTRAC T
Wang M eisheng.Application and eff ect of digital geophone.EGP,2007,17(4):235~240
Accor ding to the studied results o f dig ital g eopho ne,the paper intro duced the g lobal applicatio n situatio n of dig ital g eopho ne,summar ized the co rr elation of applicatio n of dig ital g eopho ne wit h co mmon analo gue g eo pho ne in all its aspects based o n analyzing the wo rk pr inciple and acquisition effects of dig ital g eophone,and presented so me know ledge about applicatio n f ield of dig ital geophone acco rding to theo retical analy sis and pr actical application.
Key words dig ital g eophone,dynamic range,resonant frequency
引 言
基于动圈结构的模拟检波器的性能和作用已被长期的生产实践所验证。

这类传统的检波器具有性能稳定、可靠、价格优廉等优点,但是也存在对电磁干扰、信号串音、漏电较为敏感等问题。

随着地震勘探技术的发展,需要的道数急剧增多、频带加宽,研制体积更小、重量更轻、接收频带更宽、更容易校准的检波器成为发展方向。

这种需求,加上微机电加工技术等相关科学技术的发展,数字检波器就是在这种发展背景下出现的。

数字检波器的工作原理及优点
两种数字检波器简介
目前主要有以下两种数字检波器:
一种是结构与常规的模拟检波器基本一致,只是在常规检波器上增加了模数转换器。

在模拟电信号产生后,立即通过模数转换器转变为数字信号,检波器输出的信号为数字信号。

这种检波器的振幅、相位与常规检波器一致。

由于模拟地震信号不再经过线缆传输而是在检波器内完成模数转换,因此其对电磁干扰、信号串音、漏电等问题能较好地改善,但仍不能彻底解决。

国内华昌公司生产的SI数字化检波器、西方公司Q-LAND采用的部分数字化检波器就是这种类型的检波器。

另一种数字检波器是基于微机电系统(MEMS)的新型数字加速度检波器。

这种数字加速度检波器(以下简称MEM S数字检波器)在传感器的结构和性能上与普通速度检波器有本质的差别。

基于M EMS技术的数字检波器采用加速传感器,在谐振频率之下工作,而常规动圈式检波器采用速度传感器,在谐振频率之上工作,这个差别使得这两种类型的检波器有着完全不同的性能和外形尺寸。

M EMS数字检波器的振动拾取部分仍然是模拟传感器,在控制回路中,由特定用途的集成电路芯片(ASIC)将输出进行数字化。

MEM S数字传感器
*王梅生,男,1984年毕业于江汉石油学院物探专业,长期从事地震资料采集工作,现为东方地球物理公司采集技术支持部副总工程师。

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的体积比常规传感器小得多。

M EMS 数字检波器的加速度传感器是一个小硅片,长1cm 左右,重量小于1g 。

基于动圈结构的速度传感器是一个长约3cm,重约75g 的小圆柱体。

在MEM S 芯片中,惯性质量和框架的残留位移只有几纳米,而常规检波器的移动却达2m m 。

数字检波器的优点
1.频谱特性
从性能方面看,MEM S 加速度检波器的优点表现在宽带线性振幅和相位响应上,频率响应范围在0~800H z,振幅畸变不超过 1%(图1中的直线),时间畸变不超过 20 s 。

MEM S 的谐振频率远远高于地震波频带(1kH z),这个性能使其记录10H z 以下的频率成分不衰减、记录与重力加速度有关的直流电信号成为可能。

重力矢量为灵敏度校准和倾角测量提供了有用的参考(3C 传感器)。

图1 数字检波器和模拟检波器的频谱特性对比
由于在常速情况下,加速度随着频率的增加而增加,所以M EM S 数字检波器也适用于高频测量。

高于50H z 时,M EM S 数字检波器的背景噪音低于常规检波器与终端组合的背景噪音。

这种宽带特征为提高地震数据的垂向分辨率打开了通道,因为垂向分辨率取决于信号的最大和最小频率的比值(F max /F min =2n
,n 为倍频程数)。

MEMS 数字检波器特别适合于记录低频(<5H z)反射信号,如来自主要岩石地层边界的反射。

在这个频率范围内,限制主要在震源附近,这样低频信号的信噪比很低。

高频信号的接收主要受传播过程中衰减的限制。

在油气生产期间,如果将MEM S 数字检波器埋置于井中,就能够检测到油藏中流体流动的微震(频率在500H z 左右)。

2.动态范围
使用M EM S 数字检波器的24位记录系统的总动态范围可以高达120dB (4m s 采样时,最大信号
-4.5m/s 2与背景噪音- 4.5 m /s 2的比,畸变小于-90dB),它低于使用单个常规检波器的同一记录系统的总动态范围140dB(这也是最新的24位记录
系统的总动态范围)。

在实际情况下(包括强信号或噪音产生的畸变),M EM S 检波器的瞬时动态范围最低在90dB,优于单只常规检波器(不超过70dB,但可以通过使用检波器组合来改善)。

两种检波器在总动态范围和瞬时动态范围方面的这些差别正好解释了为什么MEM S 数字检波器更适宜记录强噪音背景下的弱信号(近炮检距),而常规检波器更适宜记录有弱噪音背景的深层弱反射信号(远炮检距道)。

M EM S 数字检波器的振幅校准能力及其不随时间、温度而变化的稳定性能优于常规检波器。

总体上来说,集成在电路板上的M EMS 数字检波器的性能优于连接着不同电子元件的常规检波器串的性能。

3.相位特性
从相位特性方面考虑,模拟检波器对信号存在一定的相位畸变,而数字检波器在0~800H z 范围内的相位响应是基本相同的,见图2
所示。

图2 数字检波器和模拟检波器的相位特性对比
4.抗电磁干扰方面
数字检波器与常规检波器的另一个区别是数字检波器没有模拟传输,它通过对MEM S 传感器与电子元器件集成,变成全数字化传输。

全数字化传输的优点已经被证实。

在野外试验中,将堆放的常规检波器的记录与埋置在同一位置的数字检波器的记录进行对比,结果发现:在炮集记录中,常规检波器在高压线下接收的50H z 的干扰非常明显;在f k 域图上,电磁噪音对有效信号的干扰也很严重。

而在基于M EMS 数字检波器的记录中,这些干扰都没有出现,这正是由于数字检波器在结构上不同于常规检波器,且采用全数字化传输的结果。

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数字检波器的应用及效果分析
数字检波器推出后,在全球的很多探区陆续进行了试验或试生产。

西方公司在Q -LAND 中所使用的数字检波器是其自行研制开发的,不对外销
售,我们无法确切地了解其拥有量。

对外销售数字检波器的生产厂家主要有两家:一个是Sercel,一个是ION 。

我们对这两家公司的数字检波器在全球特别是在国内的销售情况进行了统计(数据由两家公司的代理人员提供)。

从统计结果可以看出,近年来数字检波器的应用数量正在迅速增加。

数字检波器的销售情况
截至2007年4月份,Ser cel 在全球共销售DSU1、DSU3数字检波器13万道,合计15套采集系统。

其中,单分量为10000个点,三分量为40000个点。

在Sercel 所有售出的408UL 系统和428XL 系统中,数字检波器占408采集系统的6%,占428采集系统的17%。

ION 公司只生产三分量数字检波器,用于有线传输和无线传输两种仪器,截止到目前共销售有线传输55000个点,无线传输9700个点。

有线传输的55000个点中,35000个点是2006年底前销售的,20000个点是2007年销售的。

无线传输的9700个点是2006年销售的。

国内数字检波器购买和分布情况如下:
1)东方地球物理公司数字408单分量检波器
DSU 1,共10000道;数字Sy stem !三分量检波器,共5500个点;
2)胜利物探公司408三分量检波器DSU3,5500个点;数字428三分量检波器DSU3,10000个点,正在交付中;
3)四川物探公司408三分量检波器,共3000个点;
4)中原物探公司Sy stem !三分量检波器,750个点。

数字检波器效果分析
东方地球物理公司从2003年开始使用从美国ION 公司引进的三分量数字检波器,到目前为止共在5个区块进行了试验或生产:其中二维1个区块,三维4个区块。

2005年又开始使用从法国Ser cel 公司引进DSU 1单分量数字检波器。

到目前为止共完成12个区块的试验或生产:其中二维10个区块,三维2个区块。

另外还有多个项目正在施工中。

我们在华北、新疆两个工区对数字、模拟检波器进行了对比试验,并根据试验结果进行了效果分析。

1.华北某地区对比试验效果分析
该工区地势平坦,海拔10~15m ,地表条件复杂,村庄、湖泊,水道、农田等障碍物众多。

工区地表为第四系黏土覆盖,潜水面较浅,一般在1~6m ,低降速带厚度一般为2~8m ,但是局部地区低降速带也达到10m 以上。

该区为东部老油田区,
油气勘探
图3 试验原始单炮记录
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重点已由常规的构造勘探逐步转移到寻找小构造、小断层、构造(加)岩性和岩性圈闭油气藏。

本次试验中,单个数字检波器、单个模拟检波器与9个模拟检波器三条排列平行摆放在一起,每次激发三条排列同时接收,因此其噪音环境和接收环境可以认为是一致的。

图3、图4、图5是不同检波器接收的原始单炮记录、频率扫描及频谱分析图。

从图3所示的原始单炮记录中可以看出,数字检波器的视频率明显提高。

图4所示则显示,在30~60H z 带通和高通40Hz 以上滤波时,数字检波器能量相对更强。

图5为频谱分析,从中可以看出数字检波器具有更好的高频
响应。

图4 试验单炮记录频率扫描
由于数字检波器是加速度型检波器,而模拟检波器为速度检波器,因此有人认为数字检波器与模拟检波器的公平对比应该是先对数字检波器做积分,
然后模拟低切实现两者幅频响应一致后再作对
图5 试验原始单炮频谱分析
比,但笔者认为这种对比有一定的问题,因为它抹杀了数字检波器的优势。

更公正的对比应该是,不仅要就数字检波器做积分和模拟低切后与模拟检波器对比,而且要对模拟检波器做微分和低频补偿后与数字检波器对比,只不过后者目前实现起来有一定的难度。

图6就是Ser cel 公司做完这样处理后得到的频谱分析,此时数字检波器与模拟检波器的频谱基本是一致的。

图7a 、7b 为叠后时间偏移剖面,从中可以看出,在剖面上,数字检波器频率仍比模拟检波器略高,断层断点更为清晰,最为明显的是数字检
波器的层间弱反射变得更为清晰且连续性明显增强。

图6
数字检波器进行模拟化处理后与模拟检波器频谱对比
图7a 数字检波器叠后时间偏移剖面 图7b 模拟检波器叠后时间偏移剖面
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2.新疆某地区对比试验效果分析
试验区位于准噶尔盆地的西缘,工区地表植被发育,东部主要为农田村庄区,其他区域主要覆盖梭
梭林、红柳林、芦苇等灌木。

根据地表植被及表层岩性情况,工区地表大致可以分为6种类型:村庄农田区占16%,梭梭林区占18%,山前戈壁区、沼泽和红柳灌木林区占28%,沙漠区占31%。

目标区地质构造为一个向北抬升的斜坡。

主要发育地层为上第三系,南部边缘可能发育下第三系、侏罗系、白垩系;基底为石炭系。

勘探目的层埋藏浅,深度一般在500~1500m 之间,(双程反射)时间在0~1500ms 。

我们在该区选择了一条东西方向的测线和一条
南北方向的测线组成∀十#字测线,对数字检波器与模拟检波器进行了对比试验。

经过对数字检波器和模拟检波器原始单炮进行分频扫描、频谱分析(见图8)的对比,可以看出,数字检波器比模拟检波器的高频信息更加丰富(该区没有对数字检波器的单炮资料进行模拟化处理)。

图9为该区数字检波器与模拟检波器的对比剖面,从对比中可以看到,从数字检波器的剖面来看,在两个强层之间的弱反射清晰、连续,见图9a 箭头指示部位;而模拟检波器的剖面中两个强层之间的弱反射断断续续、难以追踪,见图9b 箭头指
示部位。

图8 不同检波器原始单炮频谱分析(时窗:1000~1500ms )
图9a 数字检波器偏移剖面 图9b 模拟检波器偏移剖面
结 论
通过多个区块数字检波器的试验与应用,无论
从理论分析还是从实际勘探效果来看,都说明了数字检波器比传统的模拟检波器具有更优异的性能。

1.数字检波器具有动态范围大、信号畸变小的优势,对高、低频信息均具有较强的录制能力。

从接
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收的原始资料来看,数字检波器高频成分明显比模拟检波器丰富,但是在进行模拟化处理后二者基本相当。

2.从获取的剖面效果来看,数字检波器对层间弱反射的接收效果要优于模拟检波器,这与数字检波器的瞬时动态范围大有关。

由于数字检波器与模拟检波器相比具有瞬时动态范围大,总动态范围小的特点,因此从勘探目的层埋深来考虑,数字检波器对中浅目的层勘探具有更为明显的优势。

3.由于数字检波器抗电磁干扰能力较强,因此比较适合用于电磁干扰严重的地区。

4.由于数字检波器一般在野外不组合,因此数字检波器适用于资料信噪比较高、随机和伴生干扰小的地区。

对于信噪比较低的区块,目前还不适合采用数字检波器。

5.由于数字检波器单个接收,需要小道距、高覆盖次数,因此接收道数将会比常规模拟采集明显增加,生产成本也会相应提高。

6.数字检波器单点高密度采集、宽频接收,室内组合或进行三维去噪,是提高分辨率和保真度的有效途径。

从目前获取的资料来看,数字检波器对于地震属性的研究具有明显优势,是未来地震勘探的发展方向。

致谢
数字检波器应用情况及效果分析是按照中石油股份公司生产技术分公司物探技术处王喜双处长的要求进行的,在调研和分析期间得到他多次指导与帮助,在此表示衷心感谢!
参考文献
1 Gijs J O V ermeer.3 D seismic surv ey desig n.Society o f
ex plorat ion geo phy sicists tulsa,oklaho ma,2002
2 Denis M ougenot.H ow dig ital sensor s compare t o g eo
phones?SEG Int∃l exposit ion and74th annual meeting.
2004
3 李培明.地震勘探中的一些关键问题.2006
4 李虹.高密度空间采样数据处理技术研究与应用.2005
收稿日期:2007 07 30
消息与简讯
西安2007物探装备技术研讨会取得圆满成功
2007年9月5日至6日,中国石油学会物探装备分会∀2007物探装备技术研讨会#在古城西安胜利召开,来自中石油、中海油、中石化、中煤地质系统的领导、专家和代表近115人出席了会议。

李国旗主任主持了会议(讲话摘要另发)。

本次会议共收到会议论文23篇,经过研究、筛选,确定会上发布、交流18篇,∀会议论文集#收录20篇,Sercel、ION、ARAM、OYO、TRIM BLE、东方地球物理公司、北京华昌、煤田总局等公司或单位都发布了很好的技术报告。

这些报告反映了如下特点:%涉及行业多、领域广;&涉及陆地、浅海、深海、井下等多种地表类型;∋涉及勘探仪器、可控震源、气枪阵列和数字检波器等勘探装备;(涉及到多种装备施工技术方法:有高密度三维、二维、多波、宽频、井下等等;不仅有数据采集,也有资料处理;不仅有地震采集,也有油藏监测;不仅有方案设计、方法研究,还有数例国外和国内成功的油藏勘探实例和地质效果分析。

所有报告基本上都围绕着∀高密度采集技术#这个主题,研讨在物探装备的配套、选择、使用、开发等方面如何适应∀高密度勘探#这一新的地球物理勘探技术。

这次会议及会议的主题,得到了广大会员单位的积极支持与广泛关注,并受到与会代表的积极评价与普遍欢迎。

他们说:∀这次会议的专题选得好,带有方向性#;∀从当前国内外的发展来看,围绕着高密度地震勘探技术,还有许多值得我们去研究、探索#。

这次研讨会的成功召开,大大提高了物探装备技术研讨会的技术含量,提高了我们这个物探装备技术交流平台的品位。

9月5日晚8点,物探装备学会召开了四届四次委员(或代表)会议,杨茂君秘书长主持了会议。

会上简要回顾、总结了学会及杂志一年来的工作,并对今后学会的工作做出了安排。

9月6日下午5点,李国旗主任对研讨会做了总结:他代表学会感谢报告单位的精心准备与报告人的精彩报告,肯定了这届技术研讨会的研讨方向和所取得的积极成果。

会议完成了两天紧张、高效的大会议程,取得了圆满成功。

)))庄密。