殷 文,李献民
(1.中国石油大学(北京)克拉玛依校区,新疆 克拉玛依 834000；2.中石油新疆油田勘探事业部,新疆 克拉玛依 834000)
1 概述
在石油勘探中地球物理勘探的地位相当重要。其中,地震勘探环节在油气勘探中成效最显着,具有无可替代的重要作用。地震勘探是利用岩石的弹性差异来进行矿产勘查,通过人工激发地震波,研究地震波在地下不同地层中传播的规律,以查明地下的地质构造。这其中地震工作所涉及的设备尤为关键,地震采集仪器设备经历了一个不平凡的发展历程。
在油气地震勘探的工作环节中,地震勘探仪器是地球物理勘探开发的核心装备,主要负责对检波器采集的地震信号进行放大、过滤杂波、进行模数转换,将地震信号由原始的模拟信号转换为后期更易进行处理、解释的数字信号,这直接关系地球物理勘探时采集数据质量、效率及成本。因此,随着勘探力度的加强,从二维勘探到三维勘探、从常规勘探到高精度、高密度勘探,对地震勘探仪器的要求也越来越高[1]。
地震勘探仪器是一个时代科技的体现,是集当下世界先进的科学技术为一体的电子设备,基础工业技术的发展和进步是地震勘探仪器发展的依托。以满足用户需求为目标,在地震勘探仪器已经成熟实用的技术基础上,依托先进的基础工业等技术成果,解决地震勘探仪器潜在的不足是地震勘探仪器的发展路线[2]。本文重点阐述了油气地震勘探过程中不同代地震记录仪的发展历程、不同分类、性能指标、代表产品、性能的优势和局限性等方面的内容。
2 地震勘探记录仪的类型
地震勘探仪器与检波器的发展是基本同时进行的,而且对检波器的兼容性很强,可以与不同的检波器一起使用。如今地震勘探仪器已经经历了模拟光电记录、模拟磁带记录、数字磁带记录、遥测数字、24 位A/D 型遥测数字五代,正处在第五代(24 位遥测地震仪器时代)向第六代(全数字遥测地震仪时代)发展的过渡阶段。
2.1 模拟光电记录地震仪器
从20 世纪30 年代初期,苏联人在机械式天然地震仪基础上采用电子管技术研发出了第一代地震勘探仪器,这一代地震仪器一直发展到50 年代末期,经历了大约30 年,这30 余年也是地震勘探发展的初期。
光点地震记录仪器是采用光点记录,以模拟波形光点感光照相纸记录作为地震勘探的生产资料,成品记录是在照相纸上每道记录1 个反射地震信号。该类仪器采集的地震数据特点是动态范围小；增益量少；频宽窄。除此之外,模拟光点记录地震仪器的主要缺点还有：体积质量大,难搬运；操作复杂；记录道数少；抗干扰差；只能做二维勘探,不能做多次覆盖；记录不能做回放处理；采用自动增益控制,产生的畸变大,不能恢复原始数据。
2.2 模拟磁带记录地震仪器
20 世纪50 年代,法国公司率先将晶体管技术运用到了地震勘探仪器中,从此,地震勘探仪器的发展跨进了第二代——模拟磁带记录地震仪器,一直到60 年代末,是六代仪器经历时间最短的一代。在国内,是从20 世纪60 年代中期到80 年代初。
模拟磁带记录仪器是以磁带作为介质,在上一代的基础上发展来的仪器,所得的原始地震数据资料为模拟磁带记录和热敏纸模拟波形地震记录。刚开始是直接记录在磁带上的,但由于直接记录的动态范围较小,就改成经调制后再记录。相比于模拟光点记录地震仪,这代仪器的体积、耗电量、质量减少,接受道数、频带宽度、动态范围都相对增多,而且还可以做回放处理,实现多次叠加,但是由于回放转录一次信噪比降低6dB,就限制了多次覆盖的次数。模拟磁带记录仪器产生的地震资料是可以用回放仪进行处理的,相比于前一代只能手工进行处理,效率增加了许多,但资料处理的速度仍然较低,质量也不高。
这代记录仪主要不足之处有：仪器记录精度较低、记录动态范围仍然较小、地震道数少、多次覆盖次数受限、地震资料处理速度低和质量差等。模拟磁带记录仪器主要解决了模拟光点记录仪不能回放的问题,主要问题还没有解决,所以还是只适用于地质条件简单的地区。
2.3 数字磁带记录地震仪器
20 世纪60 年代初,集成电路问世。20 世纪70 年代初,法国Sercel 公司将集成电路技术运用到地震勘探仪器的制作中,地震勘探仪器的发展就进入了第三代。这一时代一直到80 年代初结束,是地震勘探仪器发展辉煌的一代[3]。
数字磁带记录地震仪器利用了瞬时浮点增益控制放大技术、模数转换技术、数字磁记录技术、集成电路等新技术将检波器采集到的地震信号经过前置放大、增益控制、模数转换后以数字信号的形式记录到磁带中,得到的地震勘探原始资料为数字磁带记录和模拟波形地震记录。该类仪器提高了动态范围、频带宽度、精度、接受道数,从而提高了地震勘探的精度和地震勘探的质量,可做深层和薄层地震勘探。
这代记录仪主要不足之处有：集中式数字地震仪动态范围理论上可以达到168dB,但是考虑仪器噪声等实际因素的影响,仪器的动态范围一般不会超过120dB,而且瞬时动态范围低于100dB[4],到了中深层就更低了,这远远不能满足高分辨率地震勘探的需求；当IFP 的调整时间确定后,常规IFP 式地震记录仪难以同时满足较高的高截止频率和较高的道数需求。
2.4 遥测数字地震仪器
20 世纪60 年代末期,大规模集成电路问世。20 世纪80 年代,美国GUS 公司、法国Sercel 公司先后运用大规模集成电路制造出新一代地震勘探仪器。从此,地震勘探仪器的发展就进入了第四代,一直到90 年代初,共经历了10 余年。
遥测数字地震仪器没有采集站和检波器之间的大线电缆,使用放在检波点上的采集站将检波器输出的模拟信号转变成为数字信号后向中央控制记录处传送。在数字地震仪器上,所有道的模拟信号是分时地通过几个浮点放大器和模数转换器,无法提高数据采集的效率,而遥测数字地震仪的每个采集站只对几道信号进行处理,将信号变成数字信号进行传输,来减少干扰[5]。
2.5 遥测数字地震仪器
20 世纪70 年代后期,超大规模集成电路诞生。20 世纪90 年代初,美国I/O 公司使用超大规模集成电路技术率先推出了24 位A/D 型遥测数字地震仪器,宣告了以传统IFP+14 位ADC 位核心的第四代遥测地震仪器时代的结束和第五代24 位A/D 型遥测数字地震仪器的开始[3]。
24 位A/D 型遥测数字地震仪器采用高分辨率24 位A/D 转换器,在体系结构、前端采集站、数据传输等方面与遥测数字地震仪器有很大区别。该类仪器电路结构简单,减少了前端采集站的模拟大线和模拟多路转换开关及模拟滤波器,仪器的体积和功耗大大降低。采用24 位A/D 转换器,提高了瞬时动态范围,减少畸变[4],记录频带又有大幅度提升,采集能力得到进一步提高。
市场上主要的24 位遥测数字地震仪器也可以分成有线遥测地震仪器、无线遥测地震仪器、存储式数据回放遥测地震仪器三类。在这三类地震仪器中,有线遥测地震仪器占据了市场大部分份额。无线遥测地震仪器一般用于特殊地表条件,也占据一定市场份额。而存储式数据回收遥测地震仪器是一种没有大线、没有地震数据传输、主机只对采集站发收发炮等命令的特殊类型地震仪器,在我国使用较少[3]。
2.6 全数字地震仪器
2002 年,由于地震检波器发展到了数字检波器阶段,发生了革命性的变化,地震仪器也应相应发生变化,因此,地震勘探仪器的发展跨入了第六代——全数字地震仪器时代。
这是一种以数字检波器为核心的地震勘探仪器,整个接受系统的动态范围可以达到90dB 以上,真正实现全数字化,不怕电磁干扰,具有万道以上实时采集能力[6]。
它的主要特点有[7]：采用MEMS 数字检波器,解决了高频信号接受问题；检波器直接输出数字信号,大幅提高了信号保真度；采用新工艺使得仪器的集成度更高、体积更小、功耗更小。
3 地震记录仪发展历程
1914 年德国矿业测量员LudgerMintrop 用机械地震仪检测德国盐丘,此时的机械检波器不是电磁检波器。1921年Mintrop 成立的Seismos 公司标志着地震勘探工业的诞生。1929 年GRC 公司在德州Andrews 采用地震仪器车开展油气勘探工作；1959 年CGG 公司在撒哈拉的24 道模拟地震仪；1961 年诞生了第一台数字地震仪(GSI)；1968 年SERCEL 公司生产了24 道数字地震仪。
我国地震记录仪的发展经历了四个阶段：二十世纪五十年代电子管光电照相记录地震仪(动态范围为25dB 左右),首次利用石油地震勘探发现了大庆长垣油田,电子管技术为地震勘探发展的第一阶段；六十年代半导体器件构成的模拟磁带记录地震仪(动态范围为45dB 左右)发现了大港、辽河、胜利等油田,模拟技术为地震勘探发展的第二阶段；七八十年代数字磁带记录地震仪(动态范围达90dB),1980 年开始了第一次三维数字地震勘探,数字技术为地震勘探发展的第三阶段；九十年代后大规模集成电路记录地震仪(动态范围达120dB),数据传输方面出现了网络遥测技术,遥测技术为地震勘探发展的第四阶段。目前制约整个地震数据采集环节的关键在于地震检波器和地震信号传输电缆,而不是地震数据记录系统本身,我国是地震检波器生产和使用最多的国家。
虽然国内地震勘探仪器市场长期普遍使用进口的仪器,但是跟随国外先进技术,并自主研发的脚步却从未停止过,在各个时期都成功研发的有相应类型地震勘探仪器[6]。
解放前,我国基本上没有地震勘探,解放后才慢慢发展起来。1951 年成立第一个地震队,在西北地区使用CC-26-51 凸型地震仪进行勘探。1957 年西安仪器厂研制出了DZ57-1 型模拟光点地震仪。虽然模拟光点地震仪被人们戏称为“调不完的仪器”,且由于技术受限,只使用于地质比较简单的地区,但是它们依旧为我国甩掉“贫油国”的帽子和发现克拉玛依、大庆、胜利、玉门等油田做出了巨大贡献[8]。
1966 年底,西安石油仪器厂研制出模拟磁带地震记录仪DZ661,次年通过石油部级鉴定。在寻找大港、辽河、中原、江苏等油田中做出了巨大贡献。模拟磁带记录仪主要解决了模拟光点记录仪不能回放的问题,主要问题还没有解决,所以还是只适用于地质条件简单的地区。
1974 年起,石油部多次从美国和法国引进多台数字地震仪器。1975 年,物探局仪器厂研制出24 道SCD-2 型瞬时浮点数字地震仪器。同年,西安仪器厂也研制出48 道SDZ-751A 数字地震仪器。1980 年,西安石油仪器厂研制出SK-8000 数字地震仪器。经过近十年的发展,我国的地震队淘汰了模拟磁带地震仪器,全部开始使用数字地震仪。至此,我国地震勘探仪器发展开始飞速发展起来了。这一代仪器在复杂断块和深层油气藏的发现发挥了巨大作用。
1986 年,国内集中式数字地震仪器淘汰,出现遥测式地震仪,这类仪器的采集站最多可以采集8 道检波器地震信号,但是国内一般都是用6 道的采集站。1988 年,国外开始大规模生产遥测式地震仪器。1990 年,西安石油勘探仪器总厂研制出YKZ-480 遥测数控地震仪,具有简练,体积小性能稳定,操作方便的特点[9]。1991 年,物探局研制的SK-1004 型遥测数控地震仪通过国家级鉴定,填补了国内空白,达到了国外80 年代后期同类产品的先进水平[10]。但受限于年代的限制,SK-1004 采用的还是80 年代中后期的技术。1992 年,小型便携的遥测地震仪SK-1005 样机推出并进行考核性试实验[11]。1996 年,物探局研制出国内第一个24 位仪器SK-1006,在塔克拉玛干沙漠腹地和边缘进行试验,得到良好的记录。
2000 年,物探局首次提出GPS 授时仪器概念,并在2002 年研制出相应的仪器设备。2009 年,东方地球物理公司自主研制出ES109 仪器,这是一款具有万道以上的带道能力和先进的网络遥测技术的地震仪器,和国际上使用的主流仪器性能相当。2012 年,东方地球物理公司研制的G3i仪器,2013 年,在吐哈盆地顺利完成全球陆上首次使用1.5Hz 低频可控震源的工业化勘探,开创了中亚地区地震数据采集的记录。
4 结论及认识
地震勘探仪器的发展不能只看重指标,而忽略发展的本质,在考虑仪器的指标的同时,还要根据用户需求和实际生产体验来考虑仪器的一些软参数,如功耗低、轻便易携、稳定性高、易操作。
同时,地震仪器在近一个世纪的发展中,受到的影响是来自于各个方面的,主要的还是受限于当时的基础工业与理论。在考虑地球物理勘探开发技术需求的同时,也应该结合多学科先进的技术方法和理论。
