当代地震勘探仪器的发展与展望

当代地震勘探仪器的发展与展望

0地震勘探仪器的技术、性能指标及应用效果地震勘探设备是最精密、最重要的地球物理勘探设备。从地震波的激发、采集、数据处理、记录到绘图都属于地震勘探仪器工作范畴,且地震勘探仪器的技术水平、性能指标和应用效果均直接关系到地震采集数据的地质效果。因此,地震勘探仪器的发展也就成为地球物理勘探技术进步的重要组成部分。1地震勘探中的地震勘探仪器是集传感技术、微电子技术、计算机技术、数据传输技术、通讯技术、数据存储技术、工艺材料技术等为一体的综合系统。随着地震勘探方法的不断创新地震勘探仪器也在不断更新换代,从20世纪30年代诞生第一代模拟光点记录地震仪器开始,大致可分为六代。第一代是模拟光点记录地震仪器,其中以51型仪器为代表。此种仪器以光点感光照相纸记录作为地震勘探的生产资料,成品记录是一次性直接可操作的模拟波形。所采集地震数据特点是信号的动态范围小(仅20dB左右),记录信号的频带窄(仅20Hz左右),可记录的地震道数一般在24道以下。第二代为模拟磁带记录地震仪器,其中以DZ663型仪器为代表。此种仪器以永久性记录到磁带的模拟信号为地震勘探生产资料,其生产记录特点是为可多次重复利用的以磁带为介质的模拟波形。可记录地震信号的动态范围仍然较小(仅40dB左右),可记录地震信号的频带范围在100Hz以下,能够记录的地震道数一般在48道以下。第三代是数字地震仪器,如DFS-V、SN338、SK83等。这类仪器是将采集的地震信号进行数字化后再记录到磁带。其创新点是采用了前置放大、瞬时浮点放大和模/数转换技术,实现了由模拟记录到数字记录的变革。新技术的应用,使得系统的瞬时记录动态范围可达到70dB以上,可记录有效地震信号的频带范围最高可以达到250Hz左右,能够记录的地震道数一般在240道以内。第四代是遥测数字地震仪器,如SN348、SN368、OPSEIS5586、SYSTEMONE、OPSEISEAGLE、TELSEISTRT、YKZ480、SK1004等。这类仪器与第三代仪器有同样的工作原理,所不同的是主机系统通过控制“分布”在排列上的采集站来采集地震数据。简化了主机的积木式硬件结构并甩掉了笨重的模拟大线,其采集能力和抗干扰能力都有显著提高。其技术进步就在于,实现了以数字信号形式在电缆上串行传输地震道信息。由于主机得到了充分地简化,加之数字信号传输电缆的重量不再受接收地震道数的限制,系统的采集能力也得到了空前的提高,一般在2ms采样时能有1000道左右的实时采集能力。第五代是二十世纪九十年代才推出的采用ΔΣ技术的24位A/D型遥测数字地震仪器,其代表是如今广为流行的SN388、ARIES、BOX、SYSTEMTWO、GDAPS4、IMAGE、SYSTEMFOUR-AC、408UL等。这代仪器的核心技术就在于用24位A/D转换器取代了先前的瞬时浮点放大器和14或15位A/D转换器,且在不考虑检波器的瓶颈作用时,ΔΣ技术的应用使得系统的瞬时动态范围上升到110dB或更多,可记录地震信号的频带达800Hz或更高(实际上受模拟检波器的制约,整个接收系统的瞬时动态范围仍在70dB左右,其有效频带宽度也在300Hz以下)。随着计算机技术的发展以及数字处理技术在地震勘探仪器上的应用,仪器的集成度和采集能力进一步得到提高,其2ms的基本采集能力一般都在5000道左右。第六代是21世纪初开始面向勘探市场的全数字地震仪器,其代表是I/O产的系统——IV(VC或VR)和SERCEL产的408UL-DSU。这类仪器和前一代仪器相比根本不同的是:系统中包含了以MEMS技术为核心的加速度数字传感器(数字检波器),使得整个接收系统的瞬时动态范围在90dB以上,而且从0~500Hz都能等灵敏度和等相位响应地震波信号。这代仪器的关键技术就是突破了传统模拟检波器(通常的失真度是1‰)长期以来制约着系统的瞬时动态范围,真正实现了完全数字化,不怕电磁干扰,有万道以上实时采集能力。它是今后实现宽频带万道多波高精度采集的方向。2地震勘探仪器的发展概况地球物理震勘探能力从曾经的小道数二维勘探能力,逐渐发展到大道数的二维和三维勘探能力,直至今天的陆上、海上、大规模全波场三维或四维勘探能力,其中的进步是成几何级数变化的,且技术的发展也是举世瞩目的。目前,国际勘探市场流行的地震勘探仪器在品种类型上,涵盖了无线仪器、有线仪器、模拟检波器仪器、数字检波器仪器、陆用仪器、水用仪器、拖缆仪器等。应用这些地震勘探仪器能满足全球范围内沙漠、平原、山地、丛林、湖泊、海洋等各种勘探作业环境的施工需要。从勘探市场的占有率和发展方向看,富有代表性的地震勘探仪器主要有两大类:一是以模拟检波器为地震波传感部件的第五代;二是以数字检波器为地震波传感部件的第六代。第五代仪器的典型代表有:SERCEL的408UL-FDU、I/O的AC系统-IV、GEO-X的ARIES以及FAIRFIELD的BOX等。这类仪器的技术特点是,都拥有成熟的网络遥测技术和计算机数据编码通讯技术,都采用ΔΣ技术的24位A/D转换器,且系统具有集成度高和实时采集能力强等优点。第六代仪器的典型代表有:SERCEL的408UL-DSU和I/O的VC或VR系统-IV。这类仪器的技术特点是,在沿用ΔΣ技术的基础上采用了高精度的MEMS传感技术,使得检波器的瞬时动态范围达到90dB以上。第六代仪器摒弃了模拟检波器的工作机理,且在整个系统中不再有机械传感部件和任何模拟电路,这就使得它有很高的信号保真度并不怕任何电磁干扰。从技术水平上看,当今世界各大地球物理公司拥有的主流地震勘探仪器都是采用ΔΣ技术的24位A/D型,实时采集能力可达几千甚至万道,所应用的数字存储技术、网络遥测技术、数字传感技术、数据通讯技术、计算机软、硬件技术、电子工程技术、材料工艺技术等均属国际先进水平,而且各项物理特性和技术指标也是同期高科技精密电子装备中最高和最好的。目前,正在研发和全面推行的以MEMS技术为基础的地震勘探仪器,仍在不断跟踪世界最新电子工程技术,并更加突出硬件资源的标准性、通用性以及软件技术的个性化,也即地震勘探仪器的核心技术越来越多地体现在系统应用软件水平和功能上。这就是当代地震勘探仪器的基本技术现状。3地震勘探仪器的发展趋势地震勘探仪器的发展和地球物理勘探技术的发展一样,也有其独特的发展规律。纵观历代地震勘探仪器的更新换代和发展进步,都离不开以下几方面的关键推动因素和发展模式:一是石油资源在国计民生中的战略位置,决定了最有效寻找油气资源的地震勘探工作大有作为,也就决定了地震勘探仪器具有广阔的市场空间。二是物探方法和技术的进步与发展对地震勘探仪器发展提出了更高的要求,例如物探技术向着高分辨率、高信噪比、高保真度、多波多维多道等技术方向发展,地震勘探仪器就朝着低噪音、低失真、宽频响应、高速度、超大道容量方向发展。三是用户的追求和希望为地震勘探仪器发展明确了针对性的也是具体的物理特性内容,例如用户总是要求仪器轻巧、耐用、稳定且价廉等,地震勘探仪器便努力做到轻便、牢固、免维护、低功耗、宽工作温度范围、低成本等。四是新工艺、新材料、新技术是地震勘探仪器发展进步的依托和基础,各个年代的地震勘探仪器无一不是跟踪应用了当时最先进的计算机技术、电子工程技术、数据传输技术、传感技术等,同时也采用了当时最优质的材料和最先进的工艺。五是全球电子工业制造技术的规范化和标准化以及软件技术的个性化发展使得地震勘探仪器的硬件组成更为通用和简单,另一方面系统的特点和核心技术越来越多地取决于应用软件的功能与性能。在一定意义上,地震勘探仪器关键技术就是电子工程、计算机软、硬件等最新技术的再现。4自动化、智能化程度高地震勘探仪器的技术进步主要体现在技术指标越来越高、工作速度越来越快、采集能力与预处理能力越来越强、可靠性与稳定性越来越好、自动化与智能化程度越来越高、单道设备成本越来越低等。总结近5年地震勘探仪器的技术变迁和发展,可以看到其技术的进步和创新点主要体现在A/D技术(ΔΣ技术)、数字传感技术(MEMS技术)、网络遥测技术、光纤通讯技术、数字存储技术、高速超大规模硬件技术、硬件功能由软件实现技术、超强道容量采集技术等。4.1采样点检测原理ΔΣ技术是一种特别的数学运算方法,20世纪90年代初引入并应用到地震勘探仪器,至今这项技术仍然是先进地震勘探仪器不可缺少的关键技术。ΔΣ技术就是过采样技术,它通过提高采样速度来换取样点的精度。ΔΣ技术的应用,使地震勘探仪器的A/D转换器从传统的15位发展到24位,也就使仪器的瞬时动态范围从不足80dB升至110dB以上。24位A/D转换器具有足够的分辨率,因此就不再需要模拟的瞬时放大器,进而全面提高仪器系统的技术指标,特别是系统的谐波失真度能控制在0.001%之内。正是由于ΔΣ技术的应用,才使地震勘探仪器能够更有效地保护和记录大信号背景下的高频弱小信号,也使地震勘探有可能实现更准确和精细的成像。4.2dsuu继ΔΣ技术之后,地震勘探仪器技术近些年来取得突破的就是以MEMS(微电子机械系统)技术为核心的数字传感技术。数字传感技术的应用便产生了数字传感器(检波器),以数字传感器为核心的仪器就是全数字化的第六代地震勘探仪器(如VC或VR系统-IV、408UL-DSU)。数字传感器在技术特性上主要有以下几点实质性的进步:(1)直接以电信号平衡重力变化原理来感应地震波信号;(2)传感器直接输出24位一个样点的数字信号;(3)幅度与相位频率特性曲线在500Hz内都是平坦的直线;(4)信号失真度低于0.003%,即瞬时动态在90dB之上;(5)能自动识别和校正垂直地心方向的倾斜角度。数字传感器是加速度型,它感应的是重力的变化。因其不再有模拟检波器的机电结构和电磁感应机理,所以它的又一贡献就是不怕任何工业频率和雷电干扰。数字传感器是高度集成的独立单元,在野外一般不作组合采集,具有故障率低、体积小、质量轻、排列布放方便、不漏电、排查故障和建立排列容易等优点。提高了施工效率、降低了生产成本。数字检波器目前主要用于多波三维勘探、精细目标勘探,为解决疑难地质问题和进一步提高勘探质量与效果提供了可靠的系统保证。4.3排列域联接关系技术近些年在地震勘探仪器上成功应用并得到发展的又一独特技术便是网络遥测技术。网络遥测技术实质上就是计算机的网络通讯技术在地震勘探仪器中的推广应用,所不同的是网络遥测通讯总是以主机作为请求和控制端,也即数据总是从节点流向中央记录单元。仪器系统将整个地面排列(主要由固定物理地址的站单元构成)当作一个完整的局域通讯网,每个站点就是网络的节点。实际通讯时计算机(服务器)便自由地在网络中对任何一个节点(单元)按数据包方式进行任意次信息交换。这项技术的应用能为野外排列(一般是三维排列)提供传输路径自由选择和通讯资源自动分配,其优势就在于能随意设计排列联接关系(适合跨越障碍)并能在个别路径中断时重新选择其它路径来实现信息传输。也就是说野外施工时(一般是三维作业时)能按需要自由地选择排列连接方式,进而为跨越道路、建筑、河流等实现绕路传输提供可能,大大提高了野外施工的灵活性,同时也可以通过缓冲存储器实现非实时传输或数据包重发。目前,408UL和系统-IV等多种仪器都具备了完善的网络遥测功能。4.4基于软件的方法进行地震数据处理的技术的应用当今的地震勘探仪器之所以能够做得越来越轻巧紧凑,功能却越来越完备强劲,技术指标也越来越高,很重要的一点就是得益于硬件功能软件实现技术。本项技术的实质就是软件技术,其要点就是借助计算机和处理器运算速度和能力的提高,将许多过去需用大量硬件实现的数据处理和运算工作,通过软件方法在相应的处理机(器)上共享硬件资源来完成。例如地震数据的相关与叠加、噪音编辑、相位补偿、格式编排、滤波等工作,当今的地震勘探仪器均能用软件方法来实现。此项技术的应用带来的结果是,系统中硬件部分大大减少,而系统运算速度和运算精度却越来越高,自检功能、质量分析控制功能也越来越强。所有这些效果表现在地震数据采集方面的主要作用是,地震数据的精度更高了,地震道的一致性更好了,现场质量控制分析能力更强了。4.5对仪器的性能和效率的影响除了软件技术外,地震勘探仪器的硬件技术近几年也有突破性发展,其特点是设计制造过程中充分采用功能强劲的超大规模集成电路和可任意读写的编程器件及新工艺、新材料,且多数情况是直接选用标准通用总成件。这样做的结果是仪器的结构越来越紧凑牢固,稳定性和耐用性更强,适应性和通用性更好,性能指标更优。正是由于新工艺(如SMT技术)和新材料(如优质光导纤维)的应用,使得地震勘探仪器的体积和功耗成倍下降,数据传输速率成几何级数提高(从几兆位/s上升到100兆位/s)。也正是由于超大规模集成电路的应用,使得地震勘探仪器的整体工作速度和能力成倍提高,而单个地震道设备的成本却成倍下降。这项技术的应用对地震勘探的主要贡献就在于降低设备成本和提高采集速度等。4.6a.在地震勘探中的应用数字存储技术也是近几年来地震勘探仪器关键技术中发展最快的一项。20年以前地震数据存储用的磁带还是0.5in(1in=25.4mm)宽九个轨道的开盘带,最高记录密度也只有6250bpi,后来很快就推出了盒式磁带,并逐步从3480、3490,发展到今天的3580、3590、3592等盒式磁带。随着工艺和材料的发展,目前也推出了在地震勘探中实用的光盘或硬盘存储介质,如系统-IV和408UL就可选择磁带或硬盘两种存储介质。地震勘探仪器一直在跟踪应用国际最先进的存储技术,目前已有仪器采用高速硬盘记录,这就使得单位时间内地震数据的存取速度和总量比过去增长了几十倍甚至几百倍。数字存储技术的进步为高采样率、超多道施工,在记录数据时提供了有力保证。地震勘探仪器存储技术的发展对地震数据采集工作的主要贡献就在于提高了施工速度和数据可靠性和安全性,并降低了生产成本等。4.7地震勘探仪器实时接收能力的成倍增强这是一项综合技术,它包括编码技术、数据传输技术、硬件技术、软件技术、数字信号处理技术、存储技术等。地震勘探正朝着多波、多维、多道采集方向发展,而且油公司也逐步要求地球物理公司进行万道甚至数万道接收的地震数据采集。这就要求地震勘探仪器应有超强(10000道/2ms以上)的地震道接收能力,目前国际最优秀的仪器(如系统-IV和408UL)就具备了这个能力。一般地每隔3~5年仪器的道接收能力就要增加一倍,20年前2ms采样的道接收能力还在300道之内,而今天,仪器的道接收能力少则几千道多的达几万道。地震勘探仪器实时接收能力的成倍增强,主要得益新工艺与新材料的应用、硬件速度的提高、计算机速度的提高、数字信号处理能力的增强、存储技术的进步、数据传输技术的发展等。实质上道接收能力的强弱主要取决于地震数据的传输速度、处理速度和记录速度等。万道采集记录技术的问世使地震勘探仪器实现了超大规模地震数据采集能力,更重要的是为最大限度地丰富地震勘探资料的信息、降低勘探成本、提高施工效率等提供了可能。除以上所述的几项关键技术外,近年来地震勘探仪器在其它方面也有一些技术创新和进步,如蜂窝通讯技术、频分复用技术、16QAM技术、高精度同步控制技术、数据压缩技术、高压直流供电技术、GPS授时技术等,都在先进的地震勘探仪器系统中得到成功应用。所有这些技术的进步、发展和应用,都是地震勘探仪器的综合技术水平和整体能力提高的组成部分。例如,以往的SSS200或SSS300遥控爆破同步系统,以及先进-I与先进-II震源同步控制系统的同步精度及技术含量,就远不及目前先进地震勘探仪器所配用的Shotpro和Vibpro(同步精度达μs级)。正是Shotpro和Vibpro的推广应用才为实现极高采样率(0.25ms以上)下,不同激发点地震资料的精确叠加提供了初始时间同步的保证。5地震勘探仪器的发展趋势纵观地震勘探仪器的发展历史可见,地震勘探技术、电子技术、计算机技术、通讯技术、数字信号处理技术、数据传输技术的迅猛发展以及新工艺、新材料等的不断涌现是地震勘探仪器发展与更新换代的基础,勘探市场和用户的需求是地震勘探仪器发展的经济动力。地震勘探仪器的发展目标总是以不断满足用户需求、不断适应市场变化、不断跟踪世界最新技术成果为内容,以制造出轻便、廉价、稳定、高精度、大容量、功能齐全、软件完备、指标优越的仪器为特征,以追求通用、灵活、高度智能化、检波与采集一体化为方向,以获取高质量的地震数据资料为出发点。就地震勘探仪器的现状看,检波器的发展速度、新方法的突破、人的保守观念、不完全规范的勘探市场等可能是今后地震勘探仪器发展的主要制约因素,因此近阶段模拟检波器就成为主要技术攻关对象,并以生产高保真度、宽频带、数字化、集成化的新式传感器(检波器)为目标。现行的