幾種主流地震勘探儀器性能分析探討

甘志強(qiáng)

（東方地球物理公司裝備服務(wù)處儀器服務(wù)中心 河北 涿州）

0 引言

當(dāng)前，在石油天然氣勘探的各種物探方法中，地震勘探已經(jīng)成為一種最有效的方法被業(yè)界所接受。地震勘探儀器是地震勘探的關(guān)鍵設(shè)備，用于完成對野外地震數(shù)據(jù)的采集和記錄。從20世紀(jì)30年代誕生第一代模擬光點(diǎn)記錄儀開始，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、存儲(chǔ)技術(shù)、傳感技術(shù)以及地震勘探等技術(shù)的不斷發(fā)展，地震勘探儀器大致經(jīng)過了模擬磁帶記錄地震儀器，多道集中式數(shù)字地震儀器和遙測地震儀器幾個(gè)發(fā)展階段[1，2]，至今已發(fā)展到全數(shù)字遙測地震儀器。其中使用較多的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有Scorpion、428XL和AriesII等。本文在深入探討當(dāng)代地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，從技術(shù)性能、物理特性以及軟件系統(tǒng)特點(diǎn)三個(gè)方面對上述幾種典型代表儀器進(jìn)行對比分析，旨在更加合理高效地應(yīng)用它們。

1 當(dāng)代有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的新技術(shù)

圖1 －模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理示意圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸和控制技術(shù)

數(shù)據(jù)傳輸和控制技術(shù)是地震數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]，地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制方式直接決定著地震勘探施工的效率和地震儀器的擴(kuò)展?jié)摿ΑｋS著電子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，局域網(wǎng)通信技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用到地震勘探領(lǐng)域中。

局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork，LAN）是一種將特定區(qū)域內(nèi)的各種設(shè)備互連在一起的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。目前常見的局域網(wǎng)類型有：以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌網(wǎng)（Token Ring）、FDDI網(wǎng)以及異步傳輸模式網(wǎng)（ATM）等幾類，其中以太網(wǎng)是最為常用的局域網(wǎng)組網(wǎng)方式，也是目前地震儀器中廣泛使用的方式之一。以太網(wǎng)采用基帶（Base Band）信號調(diào)變方式，信號編碼采用曼徹斯特（Manchester）編碼方式，其基本特征是采用一種稱為載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）的通信媒體存取方法。常見的以太網(wǎng)是傳輸速率為10Mbps的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，更新的IEEE802.3系列標(biāo)準(zhǔn)則支持快速以太網(wǎng)（100Mbps）、千兆以太網(wǎng)（1000Mbps）和目前只能使用光纖作為傳輸介質(zhì)的10G以太網(wǎng)。

目前局域網(wǎng)使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和環(huán)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)前的地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)大都采用了兩種結(jié)構(gòu)——總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在野外地震數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)使用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是因?yàn)榭偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布線不僅具有站點(diǎn)（端口用戶）失效、增刪不影響全網(wǎng)工作的特點(diǎn)，還具有費(fèi)用低廉、要求簡單、擴(kuò)充容易的優(yōu)點(diǎn)；在中央控制記錄系統(tǒng)（儀器車）中使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便于集中控制、易于維護(hù)，從而滿足地震數(shù)據(jù)的并行處理。TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議）是支持尋址、路由和流量控制等功能的協(xié)議組，而TCP/IP底層物理網(wǎng)絡(luò)多數(shù)使用以太網(wǎng)，因此，以太網(wǎng)+TCP/IP成為使用最為廣泛的一種技術(shù)，在地震勘探儀器中也廣泛應(yīng)用。

2 儀器性能分析

2.1 采集能力

隨著地震勘探技術(shù)的不斷發(fā)展，帶道能力和數(shù)據(jù)傳輸速率逐漸成為衡量儀器好壞的重要指標(biāo)。此外，由于不同探區(qū)的地質(zhì)條件不一定相同，為了滿足各種采集要求，地震勘探儀器還應(yīng)支持不同的采集因素。在野外地震數(shù)據(jù)采集過程中，若采集因素選取恰當(dāng)，則地震儀器的工作狀態(tài)就能夠與有效地震信號的振幅、頻率特征相匹配，從而獲得保真效果好的地震數(shù)據(jù)，因此，采集因素也是確定儀器優(yōu)劣的重要參數(shù)。幾種主流儀器采集參數(shù)見表1。

表1 幾種主流儀器支持采集參數(shù)[5～8]

2.2 技術(shù)性能

當(dāng)前，地震勘探數(shù)據(jù)采集的有效地震波信號動(dòng)態(tài)范圍在120dB左右，頻率帶寬在5Hz～500Hz或高頻部分稍高（視分辨率而定），這就要求地震勘探儀器必須具有低畸變、低噪聲、高動(dòng)態(tài)、高頻率響應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，并且這些技術(shù)指標(biāo)不隨時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境和條件的變化而變化[2～4]。

為準(zhǔn)確合理地衡量地震儀器的工作性能，地球物理勘探專家們提出以下幾種技術(shù)指標(biāo)：動(dòng)態(tài)范圍、諧波失真、道間串音、共模抑制比、等效輸入噪聲和差模輸入阻抗等。各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表2。

（1）動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍指的是在系統(tǒng)畸變允許范圍內(nèi)，可檢測的最大信號與最小信號（信號均方根值與噪聲相等）的比值，通常用分貝（dB）形式表示。

（2）諧波失真。諧波失真指的是電信號系統(tǒng)響應(yīng)外部激勵(lì)時(shí)而產(chǎn)生寄生頻率信號的比重。它反映系統(tǒng)對輸入信號的保真能力，并決定系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，一般要求地震波諧波失真小于0.005%。

（3）串音隔離。道間串音指的是共用電纜或采集電路的模擬地震道信號之間相互感應(yīng)的程度，一般用“有效信號”與“感應(yīng)信號”的比值（dB）表示。單個(gè)模擬地震道不存在串音，且采集站內(nèi)地震道間“串音”也很小，多數(shù)地震儀器串音隔離能力達(dá)90dB以上。

（4）共模抑制比。地震勘探數(shù)據(jù)采集通常在野外作業(yè)，遭受共模干擾的機(jī)會(huì)相當(dāng)頻繁，所以地震儀器在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮響應(yīng)“差模”地震信號，并阻止共模干擾信號。儀器系統(tǒng)的共模抑制比是指在“共模”信號輸入下，折合到輸入端的輸出電壓與輸入電壓之比，通常用分貝（dB）表示，反映系統(tǒng)中模擬電路的對稱性和一致性。

（5）等效輸入噪聲。由整個(gè)數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)引起的噪聲，折合到輸入端，作為等效輸入噪聲。在多道應(yīng)用的情況下，給出“絕對最大”噪聲電平作為等效輸入噪聲指標(biāo)。

（6）差模輸入阻抗。系統(tǒng)正常工作時(shí)，兩輸入端的電壓變化量與輸入端電流變化量的比值，包括輸入電阻和輸入電容，但在低頻時(shí)僅考慮輸入電阻，通常用dB表示。一般情況下，為了使地震波信號電壓盡可能大地傳輸?shù)讲杉ǖ狼爸梅糯笃鞯妮斎攵?，要求前放電路要有適當(dāng)高的差模輸入阻抗。一般檢波器的輸出阻抗在500左右，考慮到阻抗匹配的問題，前放電路的差模輸入電阻應(yīng)為20 k左右（共模輸入電阻只有差模輸入電阻的25%）。

2.3 物理特性

隨著地震勘探形式的不斷嚴(yán)峻，勘探地表?xiàng)l件和環(huán)境也日趨復(fù)雜，為了滿足不同探區(qū)的要求，地震勘探儀器的地面電子設(shè)備不僅要具有良好的技術(shù)性能，還應(yīng)具有很好的物理特性，表3給出了幾種主流儀器的物理特性參數(shù)。

表2 當(dāng)代主流地震儀器主要技術(shù)指標(biāo)一覽表[5～8]

表3 當(dāng)代主流地震儀器地面電子設(shè)備物理特性指標(biāo)[5～8]

3 系統(tǒng)軟件性能及數(shù)據(jù)記錄格式分析

3.1 排列實(shí)時(shí)監(jiān)控

地震勘探通常要求野外采集時(shí)能夠?qū)ε帕羞M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別是對野外排列的干擾和放炮質(zhì)量的控制。Scorpion系統(tǒng)可以給出單個(gè)炮點(diǎn)所需排列的實(shí)時(shí)噪聲或放炮質(zhì)量的監(jiān)控結(jié)果，且可以根據(jù)現(xiàn)場施工需要，隨時(shí)切換監(jiān)控炮點(diǎn)，保證采集地震資料的質(zhì)量。428XL系統(tǒng)能夠?qū)θ帕谢騿蝹€(gè)炮點(diǎn)排列進(jìn)行監(jiān)控。AriesII系統(tǒng)能夠以圖形和數(shù)值的形式給出當(dāng)前激活排列的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果，有利于地震資料質(zhì)量的控制。

3.2 排列管理

Scorpion采用交叉站定位排列，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，通過File|Import|Snakes|SkipGaps導(dǎo)入相關(guān)文件或者采用Domain|SkipGaps和Domain|Snakes來完成排列空道、繞道以及蛇行排列的布設(shè)，滿足各種地形的施工需要。AriesII可通過jump按鈕完成空道、繞道以及蛇行排列的設(shè)置。428XL采用交叉站、FDU或者電源站完成排列定位，并可通過采用Detour完成繞道和蛇行排列的定義，mute實(shí)現(xiàn)空道的設(shè)置，在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，每日要檢查Spread窗口相關(guān)設(shè)置。

3.3 輔助數(shù)據(jù)支持

Scorpion、AriesII以及428XL系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的輔助數(shù)據(jù)支持能力，最明顯的表現(xiàn)就是能夠輸出電子班報(bào)和SPS文件，為生產(chǎn)質(zhì)量控制和加快地震數(shù)據(jù)處理速度和自動(dòng)化處理程度提供了必需的輔助數(shù)據(jù)。

4 資料質(zhì)量監(jiān)控和支持記錄格式

4.1 資料質(zhì)量監(jiān)控

資料的質(zhì)量監(jiān)控方式有兩種：繪圖儀回放記錄和儀器自有的質(zhì)量監(jiān)控軟件。

Scorpion儀器可以按采集道方式回放，按時(shí)序方式顯示地震資料，從而實(shí)現(xiàn)通過繪圖儀方式的資料監(jiān)控，目前該儀器系統(tǒng)支持V12繪圖儀，回放處理方式有Defloat、NormIndiv、NormAll、AGC、TAR，其中TAR方式能夠反映資料的真實(shí)品質(zhì)。428XL系統(tǒng)可以按采集道或按測線回放地震資料，回放處理方式有AGC、GeographicAGC、TimeExponent、Normalization以及None等。AriesII同樣也支持V12和V24繪圖儀，回放處理方式有AGC、Exponential、Mean、Fix Gain和Linear Scaling。

資料的質(zhì)量監(jiān)控軟件是另外一種重要的QC工具。Seis-QC是Scorpion自帶的集成式地震資料質(zhì)量監(jiān)控軟件，通過該軟件可以對每一炮記錄進(jìn)行顯示分析。用戶可以根據(jù)需要選取任意一段炮點(diǎn)接收道進(jìn)行頻率或能量等參數(shù)的分析，并可以查看單炮記錄的頭段或單個(gè)地震道的真值，從而方便了地震資料的質(zhì)量監(jiān)控。428XL自帶的eSQC-Pro系統(tǒng)可以通過地震數(shù)據(jù)的圖形化顯示，并可按照用戶選定的項(xiàng)目進(jìn)行分析，將分析結(jié)果以圖形方式顯示的同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，從而完成不正常地震道、地震道屬性、單炮初至、信噪比、F/K等方面的分析。Aries屏幕繪圖分析軟件（AVP）能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行屏幕顯示，并可按照分析選項(xiàng)設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的分析，提供的信息可以判斷單炮地震采集數(shù)據(jù)是否滿足參數(shù)要求，可以監(jiān)控采集排列質(zhì)量、檢波器和激發(fā)源狀況。該QC系統(tǒng)具備均方根噪音（RMSNoise）、顯示記錄幅度的大小、頻譜能量分析、頻率振幅分析以及FK分析等功能。

4.2 記錄格式

記錄格式就是地震儀器將采集的地震數(shù)據(jù)和其他輔助信息保存的編排關(guān)系。Scorpion系統(tǒng)采用的記錄格式為SEG-Y。AriesII的記錄格式是SEG-D或SEGY格式。428XL系統(tǒng)記錄格式為SEG-D。SEG-D和SEG-Y都是電氣電子工程師協(xié)會(huì)公布的標(biāo)準(zhǔn)格式，采用這兩種格式一方面有利于保證數(shù)據(jù)的原始性和真實(shí)性，另一方面為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了解碼路徑和可靠算法。

5 結(jié)論

地震儀器的發(fā)展以物探技術(shù)的進(jìn)步為動(dòng)力，而物探技術(shù)的實(shí)現(xiàn)又需要依賴于地震勘探儀器。在當(dāng)前的野外地震數(shù)據(jù)采集過程中，地震勘探儀器野外地面設(shè)備的數(shù)傳穩(wěn)定性、電源供電時(shí)間以及主機(jī)的帶道能力是影響生產(chǎn)效率比較關(guān)鍵的因素。Scorpion系統(tǒng)在使用全新的模擬采集單元后，降低了地面設(shè)備的整體功耗，又增加了超級高能脈沖保護(hù)，不會(huì)因?yàn)殪o電和高能脈沖而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。同時(shí)，該系統(tǒng)通過采用四個(gè)以太網(wǎng)和一個(gè)千兆骨干網(wǎng)絡(luò)的方式，使得傳輸率、數(shù)據(jù)量以及穩(wěn)定性得到了很大地提高，可支持平臺(tái)處理超大道數(shù)作業(yè)、高采樣率以及復(fù)雜的震源掃描方案。AriesII系統(tǒng)采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，對地震數(shù)據(jù)在傳輸過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)無差錯(cuò)檢測與回傳恢復(fù)，保證了地震數(shù)據(jù)的真實(shí)性與完整性，它具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)傳輸三種傳輸方式，可通過合理選擇高切頻率和不同數(shù)據(jù)傳輸方式來提高系統(tǒng)的帶道能力。428XL系統(tǒng)使用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，使得交叉站在進(jìn)行路由的同時(shí)具有糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)暫存的能力，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)帶道能力也有了很大提高。通過上述分析，我們可以發(fā)現(xiàn)每種儀器都有自身的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)工區(qū)的實(shí)際情況并結(jié)合觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇儀器類型，全面發(fā)揮其優(yōu)勢，從而能夠高質(zhì)量高效率地完成采集任務(wù)。

[1]王文良.地震勘探儀器的發(fā)展、時(shí)代劃分及技術(shù)特征[J].石油儀器，2004，18（1）

[2]羅福龍.地震勘探儀器技術(shù)發(fā)展綜述[J].石油儀器，2005，19（2）

[3]夏 穎，祝彩霞，孫靈群.地震勘探儀器在高密度采集中的應(yīng)用[J].物探裝備，2008，18（1）

[4]袁子龍，韓 剛，于 玲，等.地震勘探儀器主要技術(shù)性能分析及改進(jìn)探討[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（6）

[5]I0N公司.Scorpionoperationmanua1.2007（資料）

[6]ARAM公司.Ariesuser'smanua1.2006（資料）

[7]Sercel公司.428XI培訓(xùn)手冊2006（資料）

[8]Sercel公司.428XL用戶手冊（第三卷）.2006（資料）