地震檢波器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化探索

羅福龍

(東方地球物理勘探有限責(zé)任公司裝備服務(wù)處 河北 涿州 072751)

0 引 言

地震檢波器[1]是石油和天然氣勘探必不可少的地震信號(hào)傳感裝置[2]，其綜合技術(shù)性能直接關(guān)系到地震勘探項(xiàng)目的收益和資料品質(zhì)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)勘探市場的地震檢波器總量在2 000萬只以上(折合資產(chǎn)原值超過10億元人民幣)，而且每年還有200萬只以上的新增或補(bǔ)充量。在技術(shù)方面，為保真地接收微米級(jí)位移的寬頻地震信號(hào)，地震檢波器總是及時(shí)采用國際先進(jìn)的工藝和材料，使之成為頂級(jí)精密的傳感裝置。所以，無論是作用、數(shù)量、價(jià)值還是技術(shù)，地震檢波器都是野外地震數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵要素。

由于地震檢波器具有用量大、消耗多、加工制造難度相對(duì)低等特點(diǎn)，所以國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了眾多的制造企業(yè)，并推出了上百種規(guī)格型號(hào)的產(chǎn)品。在眾多的地震檢波器產(chǎn)品中，按原理分有電磁式、壓電式、光電式、機(jī)電式等大類；按輸出量所正比的物理量分有位移型、速度型、加速度型等；按可傳感的矢量分有單分量、雙分量、三分量、四分量等；按響應(yīng)頻帶范圍分有常規(guī)類、低頻類、高頻類、寬頻類[3]等等。實(shí)際應(yīng)用效果證明，各種類型的產(chǎn)品在地震信號(hào)接收能力方面大同小異，但因技術(shù)參數(shù)、規(guī)格型號(hào)、工作方式等存在明顯差異，導(dǎo)致互相之間沒有兼容和互換性。這應(yīng)該就是當(dāng)前地震檢波器技術(shù)的基本狀況。

根據(jù)地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展[4]需求，結(jié)合近幾年的實(shí)際應(yīng)用效果和用戶的直觀感受，可以看到現(xiàn)行技術(shù)狀態(tài)的地震檢波器很難適應(yīng)高密度、高效率、寬頻帶、寬方位、低成本地震數(shù)據(jù)采集要求。尤其是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的隨意性、技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)的離散性、部件材料規(guī)格的多樣性等，導(dǎo)致兼容混用難、備件材料統(tǒng)一難、配置選型難、質(zhì)量控制[5]難等一系列的問題。

雖然當(dāng)前地震檢波器存在諸多影響其發(fā)展和使用的技術(shù)問題，但通過系統(tǒng)分析和追根溯源可以看出，本質(zhì)問題就是缺少符合地球物理勘探技術(shù)發(fā)展規(guī)律且又能統(tǒng)領(lǐng)地震檢波器關(guān)鍵技術(shù)的頂層設(shè)計(jì)。也就是說，解決當(dāng)前地震檢波器問題的根本出路在于相關(guān)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。由此可見，以滿足物探技術(shù)發(fā)展需求為指針，在充分調(diào)查研究基礎(chǔ)上，探索適合地震檢波器良性發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 現(xiàn)狀分析

雖然標(biāo)準(zhǔn)化是解決當(dāng)前地震檢波器技術(shù)問題的根本出路之一，但標(biāo)準(zhǔn)化什么內(nèi)容、如何標(biāo)準(zhǔn)化卻需要詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作支撐才能做到有的放矢。為此，有必要事先明確標(biāo)準(zhǔn)化的具體目標(biāo)和技術(shù)要素。本著解決問題在于事先落實(shí)問題根源的路線，在此先就當(dāng)前地震檢波器存在的主要問題進(jìn)行分析。

如前所述，當(dāng)前地震檢波器的主要問題是品種型號(hào)多、部件材料不統(tǒng)一、部分技術(shù)指標(biāo)[6]不能客觀反映信號(hào)響應(yīng)能力、參數(shù)不一致等。那么現(xiàn)實(shí)中這些問題有怎樣的具體表現(xiàn)形式？帶來的副作用又是什么？為此有必要對(duì)地震檢波器的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行客觀的量化分析?？紤]到電磁感應(yīng)式速度型地震檢波器是當(dāng)前地震勘探最常用(總量占90%以上)的類型，下面就以此類型地震檢波器為例，以列表統(tǒng)計(jì)方式量化展示當(dāng)前地震檢波器普遍存在的問題要素。

常用地震檢波器名稱型號(hào)舉例見表1。

表1 常用地震檢波器名稱型號(hào)舉例

從表1列舉的產(chǎn)品名稱可知，僅國內(nèi)兩個(gè)廠家的10 Hz自然頻率地震檢波器就超過10種，若將市面上可供應(yīng)的所有10 Hz自然頻率地震檢波器統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，其品種超過50個(gè)。實(shí)際上這些10 Hz自然頻率的地震檢波器，核心技術(shù)要素基本一致，無論是綜合特性還是地震信號(hào)響應(yīng)效果都是大同小異，但產(chǎn)品名稱卻沒有體現(xiàn)關(guān)鍵要素，這就給用戶選型配置帶來不必要的困惑。所以，規(guī)范地震檢波器的命名和標(biāo)識(shí)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

常用地震檢波器技術(shù)指標(biāo)舉例見表2。

表2 常用地震檢波器技術(shù)指標(biāo)舉例

從表2可直觀看出，除自然頻率都是10 Hz外，所列產(chǎn)品的其它技術(shù)指標(biāo)(如阻尼比、靈敏度等)和允許誤差卻有明顯差異。這就意味著這些產(chǎn)品的地震信號(hào)響應(yīng)特性，特別是相位響應(yīng)特性存在一定差異，實(shí)際應(yīng)用時(shí)就不能隨意混合。顯然這種狀態(tài)不利于資源共享和降低勘探成本。常用地震檢波器不同頻點(diǎn)的實(shí)測失真度見表3。

表3 常用地震檢波器不同頻點(diǎn)的實(shí)測失真度 %

注：樣品是同一廠商不同名稱的10 Hz自然頻率地震檢波器，標(biāo)稱失真度均<0.1%。

從表3可清楚地看到，測試信號(hào)頻率在10 Hz到100 Hz之間時(shí)失真度小且都能滿足標(biāo)稱指標(biāo)，當(dāng)測試信號(hào)頻率低于10 Hz或高于100 Hz時(shí)失真度逐漸變大且大多不能滿足標(biāo)稱指標(biāo)。這就說明現(xiàn)行以單頻點(diǎn)定義的失真度指標(biāo)并不能客觀反映地震檢波器在工作頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)保真效果，也就不能全面反映檢波器的真實(shí)性能，所以在有效帶寬內(nèi)用平均失真或分段失真來衡量地震檢波器的保真能力更為合理。

常用地震檢波器部件材料尺寸舉例見表4。

表4 常用地震檢波器部件材料尺寸舉例

從表4可以看出，常用地震檢波器的部件材料尺寸是多樣化的，實(shí)際工作中不能做到兼容和統(tǒng)一配置，這也無形地增加了制造和使用成本。為增強(qiáng)材料和部件的通用性，有必要將其尺寸規(guī)范到更少更合理的范圍。

常用地震檢波器芯體常規(guī)物理特性舉例見表5。

表5 常用地震檢波器芯體常規(guī)物理特性舉例

從表5可以看到，常用地震檢波器芯體的常規(guī)物理特性也具多樣化。這就進(jìn)一步說明當(dāng)前的地震檢波器參數(shù)缺少一致性和通用性，以及制定統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的必要性和緊迫性。

上述5個(gè)表的內(nèi)容從不同側(cè)面量化展示了當(dāng)前地震檢波器的現(xiàn)狀，且總體反映了應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化的具體內(nèi)容。對(duì)照物探技術(shù)發(fā)展帶來新需求，并結(jié)合生產(chǎn)應(yīng)用中的實(shí)際情況，可將當(dāng)前地震檢波器突出的問題及其帶來的危害歸結(jié)如下：

1)品種型號(hào)多且特性差異大，導(dǎo)致選型困難且無法混合使用；

2)不同產(chǎn)品采用的部件和材料尺寸不統(tǒng)一，導(dǎo)致維修備件不通用；

3)不同產(chǎn)品的響應(yīng)指標(biāo)和參數(shù)不一致，導(dǎo)致互不兼容且很難相互比較；

4)不同產(chǎn)品的常規(guī)物理特性參差不齊，導(dǎo)致適用范圍不明確、不具體；

5)失真度等技術(shù)指標(biāo)測定方法不合理，導(dǎo)致固有技術(shù)特性不能客觀體現(xiàn)；

6)缺失衡量綜合響應(yīng)性能的技術(shù)參數(shù)，導(dǎo)致地震信號(hào)響應(yīng)能力很難量化；

7)缺少能統(tǒng)領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致地震檢波器設(shè)計(jì)和選型無據(jù)可依。

通過對(duì)現(xiàn)狀的系統(tǒng)分析，總體明確了當(dāng)前地震檢波器問題的實(shí)質(zhì)和危害。找到了問題的癥結(jié)只是落實(shí)了標(biāo)準(zhǔn)化的具體內(nèi)容，欲確立標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)定位和量化指標(biāo)還需落實(shí)地球物理勘探技術(shù)發(fā)展對(duì)地震檢波器提出的量化需求。為此，下面將從當(dāng)今地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)新特點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)地分析物探技術(shù)發(fā)展對(duì)地震檢波器提出的技術(shù)和特性要求。

2 需求分析

本質(zhì)上，地震檢波器技術(shù)就是服務(wù)和從屬地球物理技術(shù)，所以地震檢波器應(yīng)具備什么樣的特性，朝著什么方向發(fā)展，主要取決于地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)地震檢波器帶來的需求。宏觀上看，地球物理勘探技術(shù)總體是朝著寬頻、寬方位、高密度、高效率、低成本等方向發(fā)展，相應(yīng)地就要求地震檢波器具有寬頻帶、高保真、低噪聲、大動(dòng)態(tài)、低造價(jià)等特性。根據(jù)這些發(fā)展方向和具體要求，結(jié)合近幾年國內(nèi)外地震數(shù)據(jù)采集工程選擇地震檢波器的原則，可將地震檢波器技術(shù)發(fā)展要素大致歸納為如下幾個(gè)方面：

1)技術(shù)指標(biāo)高(如一致性好、動(dòng)態(tài)大、分辨率高等)；

2)寬泛的地震信號(hào)響應(yīng)頻帶，尤其低頻信號(hào)響應(yīng)能力要強(qiáng)；

3)良好的信號(hào)保真能力(如畸變低、噪聲低、線性度好等)；

4)較高的靈敏度，單只可取代單串；

5)良好的環(huán)境適應(yīng)性(如工作溫度范圍大、防水能力好、適應(yīng)各種地表等)；

6)兼容互換性好(如響應(yīng)特性一致、部件材料規(guī)格統(tǒng)一等)；

7)抗干擾能力強(qiáng)(如正交分量隔離性好、假頻高、抗電磁干擾等)；

8)技術(shù)檢測簡單快捷(如可用地震儀器批量檢測)；

9)布設(shè)簡單(如適合機(jī)械化操作、重量輕、體積小、允許傾角大等)；

10)堅(jiān)固耐用(如性能穩(wěn)定可靠、生命周期長等)；

11)成本低廉(如購置價(jià)格低、維護(hù)支持成本低等)。

以上由地球物理勘探技術(shù)發(fā)展賦予地震檢波器發(fā)展的要素應(yīng)該是今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)地震檢波器技術(shù)追求的基本目標(biāo)，也應(yīng)該是地震檢波器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。有了這些需求要素，就為地震檢波器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方案探索提供了具體依據(jù)和量化指標(biāo)。

3 標(biāo)準(zhǔn)化方案探索

明確了地震檢波器技術(shù)的當(dāng)前問題和發(fā)展需求，也就明確了地震檢波器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的具體目標(biāo)和任務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)化方案探索的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)明確的具體任務(wù)和目標(biāo)來規(guī)范和量化地震檢波器的基本特性，進(jìn)而更好地滿足地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展需求，并有效解決當(dāng)前地震檢波器普遍存在的突出問題。為此，下面將從技術(shù)路線、基本原則、實(shí)施細(xì)則、量化要素等入手，創(chuàng)新性地探討地震檢波器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施方案和具體做法。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)本著滿足發(fā)展需求同時(shí)兼顧當(dāng)前現(xiàn)狀，并最大限度地統(tǒng)一和規(guī)范地震檢波器技術(shù)為原則，制定出具有足夠先進(jìn)性、普適性、包容性、實(shí)用性、操作性和生命力的技術(shù)條款，同時(shí)盡量以數(shù)值形式來量化技術(shù)條款的內(nèi)容。為增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，在此地震檢波器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化路線的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的有關(guān)實(shí)施要素和細(xì)則。

不同的地球物理勘探市場對(duì)地震檢波器技術(shù)的需求也不盡一致，常規(guī)的勘探市場用大眾化技術(shù)的地震檢波器就可以滿足，對(duì)于高端或特殊的勘探市場就需要用技術(shù)性能先進(jìn)或獨(dú)特的地震檢波器。為匹配勘探市場的需求，細(xì)則上可將地震檢波器技術(shù)也分為3個(gè)層級(jí)，分別是能滿足常規(guī)勘探市場的普通級(jí)、能滿足當(dāng)前高端勘探市場的先進(jìn)級(jí)和能滿足未來高端勘探市場的領(lǐng)先級(jí)。那么在進(jìn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)就可以按此方式劃分等級(jí)，一方面兼顧了當(dāng)前普遍在用的地震檢波器，另一方面又為今后發(fā)展留足了空間。

根據(jù)上述討論形成的認(rèn)識(shí)及以往地震檢波器標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容可知，地震檢波器技術(shù)應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化的具體要素主要是地震信號(hào)響應(yīng)指標(biāo)、常規(guī)物理特性參數(shù)、組成部件與材料規(guī)格、名稱型號(hào)等。所以，就可以按照3個(gè)層級(jí)定位對(duì)地震檢波器技術(shù)從以上要素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。為簡捷起見，下面以列表形式進(jìn)行具體論述。

地震檢波器常規(guī)技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方案見表6。

表6中以常用的5 Hz和10 Hz自然頻率地震檢波器為例，列出了常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的參考值，其它自然頻率的地震檢波器也可同理規(guī)范。

地震檢波器地震信號(hào)響應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方案見表7。

表6 地震檢波器常規(guī)技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方案

表7 地震檢波器地震信號(hào)響應(yīng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方案

表中以常用的5 Hz和10 Hz自然頻率地震檢波器為例，從地球物理技術(shù)需求角度細(xì)分了地震檢波器應(yīng)有的地震信號(hào)響應(yīng)性能參數(shù)，并根據(jù)地震檢波器技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢列出了相應(yīng)參考值，其它自然頻率的地震檢波器也可同理規(guī)范。以往的地震檢波器標(biāo)準(zhǔn)沒有地震信號(hào)響應(yīng)指標(biāo)，致使很難量化其響應(yīng)能力，也就很難根據(jù)勘探任務(wù)匹配最佳技術(shù)的地震檢波器。為了適應(yīng)地球物理勘探技術(shù)向精細(xì)化發(fā)展需要，增加地震信號(hào)響應(yīng)指標(biāo)參數(shù)有利于引導(dǎo)地震檢波器的技術(shù)發(fā)展，也有利于綜合評(píng)估地震檢波器的技術(shù)性能。

地震檢波器常規(guī)物理特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方案見表8。

表8 地震檢波器常規(guī)物理特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方案

注: 滿足接觸電阻不大于0.05 mΩ。

地震檢波器組成部件材料規(guī)格和特性標(biāo)準(zhǔn)化方案見表9。

地震檢波器名稱和標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)化方案見表10。

表9 地震檢波器組成部件材料規(guī)格和特性標(biāo)準(zhǔn)化方案

表10 地震檢波器名稱和標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)化方案

這里僅就電磁式速度型地震檢波器的關(guān)鍵性能如何標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了探索，實(shí)際上市場還有其它類型的地震檢波器，需要標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容也還有外形、尺寸、重量、壽命、抗干擾能力等。由于其它類型的地震檢波器用量相對(duì)少，而且外形、尺寸、重量、壽命、抗干擾能力等對(duì)地震檢波器技術(shù)和應(yīng)用效果直接影響較小，加之不易量化規(guī)范，所以此處不做更多類型及外形、重量等的標(biāo)準(zhǔn)化探討。

4 結(jié)束語

探索地震檢波器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)在于通過規(guī)范關(guān)鍵技術(shù)要素，解決當(dāng)前地震檢波器普遍存在的問題，為新產(chǎn)品研發(fā)提供頂層設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高發(fā)展質(zhì)量、增強(qiáng)應(yīng)用效果、降低勘探成本，以便更好地滿足地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展需求。標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)質(zhì)在于規(guī)范、統(tǒng)一地震檢波器的設(shè)計(jì)制造和操作應(yīng)用技術(shù)，具體做法是將地震檢波器的地震信號(hào)響應(yīng)指標(biāo)、常規(guī)物理特性等分3個(gè)技術(shù)層級(jí)進(jìn)行量化，并對(duì)部件材料規(guī)格、名稱、標(biāo)識(shí)等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)。文章的初衷是想找出影響地震檢波器技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用成效的問題，探索解決問題的技術(shù)方法，并希望借此能為地震檢波器技術(shù)的良性發(fā)展提供借鑒和思考。

在此文的資料收集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過程中得到了易碧金、趙汀、甘志強(qiáng)、池蛟、喬順剛、余正杰、王延勝等同行的支持和幫助，特此聲明并表示感謝。