地震檢波器技術(shù)發(fā)展思考*

羅福龍

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 河北 涿州 072751)

0 引 言

地震檢波器(以下簡稱檢波器)是油氣地震勘探必不可少的地震信號傳感部件，其性能質(zhì)量和技術(shù)水平不僅直接關(guān)系到地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)，而且還直接關(guān)系到油氣地震勘探的綜合成效[1]。因此，檢波器技術(shù)的發(fā)展不僅是地震勘探技術(shù)發(fā)展的重要支撐，同時也是實現(xiàn)高品質(zhì)、高精度、高效益地震數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵所在。

檢波器技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖然在新工藝、新材料、新方法等方面有所進步，在地震信號響應(yīng)性能上也獲得了更寬的接收頻帶、更大的動態(tài)范圍、更好的保真效果等，但與地球物理勘探技術(shù)發(fā)展帶來的需求相比，發(fā)展的速度仍然顯得緩慢和滯后[2]。特別是隨著當前高精度、高密度、寬頻帶油氣地震勘探技術(shù)的普及，面對迫切需要一致性更高、靈敏度更高、保真度更高、分辨率更高、響應(yīng)頻帶更寬的地震信號傳感器這一新常態(tài)，時下的檢波器技術(shù)更顯得薄弱和落后。所以，大力發(fā)展檢波器技術(shù)已經(jīng)成為新時期油氣勘探的必然要求。

檢波器技術(shù)應(yīng)該向什么方向發(fā)展、重點發(fā)展什么內(nèi)容、如何發(fā)展就成為當前應(yīng)該定位、策劃和研究的主要任務(wù)。為此，本文以地球物理勘探技術(shù)需求為指針，以國際成熟且先進的工藝和材料技術(shù)為依托，從現(xiàn)狀和問題分析出發(fā)，系統(tǒng)地探討今后檢波器技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)。希望以此能為檢波器技術(shù)的創(chuàng)新和換代起到拋磚引玉的作用。

1 現(xiàn)狀與問題分析

為了全面探索檢波器技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，準確把握檢波器技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，事先做好檢波器技術(shù)現(xiàn)狀的調(diào)查分析，特別是當前面臨的關(guān)鍵問題就顯得尤其必要和重要。

據(jù)不完全統(tǒng)計，全球范圍內(nèi)目前用于油氣地震勘探的檢波器超過100種，其中又以電磁感應(yīng)原理的模擬檢波器為絕對主體(占總量的90%以上)。為直觀展示檢波器的現(xiàn)狀，表1統(tǒng)計了部分目前國內(nèi)市場可提供的電磁感應(yīng)原理陸用檢波器及其主要技術(shù)參數(shù)。

表1 部分國內(nèi)電磁感應(yīng)原理檢波器主要技術(shù)參數(shù)

表1 列出的都是電磁感應(yīng)原理檢波器，實際上油氣地震勘探市場上不僅有電磁感應(yīng)原理檢波器，還有壓電式、光柵式、MEMS等原理檢波器，只是就目前市場擁有量而言電磁感應(yīng)原理檢波器的占比應(yīng)該超過90%，所以除特殊說明外，下述的分析研究都是基于電磁感應(yīng)原理檢波器進行。

雖然表1僅統(tǒng)計了20多種檢波器的主要技術(shù)參數(shù)，但也能基本反映當前檢波器的技術(shù)概況。從表1列出的信息可以看到，檢波器的品種型號多且雜、指標參數(shù)多樣化且精度各異、相同自然頻率卻有不相同的阻尼和靈敏度、失真和橫向固有頻率差異明顯，等等。

另外，在結(jié)構(gòu)方式上，過去大多以串并聯(lián)構(gòu)成的檢波器串作為工作單元，便于組合壓制噪聲，但當前正在快速發(fā)展高靈敏度的單只檢波器為工作單元，因為單只不僅方便野外作業(yè)，而且也有利于地震信號相位保真。

回顧近幾十年來檢波器的發(fā)展，雖然技術(shù)參數(shù)、指標、特性等得到持續(xù)優(yōu)化和提升，但關(guān)鍵技術(shù)并沒有多少突破。這就致使檢波器的技術(shù)與追求高精度、高密度、寬頻帶的勘探技術(shù)不匹配，特別是在信號保真能力、抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)能力等方面還遠不能滿足精細化勘探的需求[3]。以上陳述就是檢波器技術(shù)的大致現(xiàn)狀。

發(fā)展的目標之一就是解決當前存在的問題，所以準確地找到不適應(yīng)油氣勘探需求的關(guān)鍵問題也是推動檢波器技術(shù)進步的基礎(chǔ)要素。透過當前的技術(shù)現(xiàn)狀并結(jié)合實際應(yīng)用的效果，可將檢波器存在的主要問題大致歸納為：一是品種型號又多又雜，導(dǎo)致市場混亂、用戶選型困難且互換共用性差，造成重復(fù)投入和資源浪費[4]。二是技術(shù)參數(shù)和指標設(shè)置不夠全面，不能客觀真實反映檢波器的固有性能。例如，傳統(tǒng)的失真指標定義為特定頻率(一般在自然頻率附近)下檢波器響應(yīng)輸出的諧波畸變，反映的僅是一個頻率點的保真效果，不能反映整個工作頻帶內(nèi)檢波器的保真效果。又如，當前沒有對檢波器的抗干擾(如雷電感應(yīng))能力進行規(guī)范，致使實際應(yīng)用時不能依據(jù)指標選擇抗干擾能力強的檢波器[5]。三是傳統(tǒng)技術(shù)指標的精度還不適應(yīng)地球物理勘探技術(shù)發(fā)展需求，當下普遍開展的是高精度勘探，這就要求檢波器的技術(shù)指標具有高度一致性，進而實現(xiàn)響應(yīng)信號的高度“聚焦”。四是響應(yīng)頻帶還不夠?qū)?，當下熱門的是寬頻勘探尤其是低頻(2 Hz以下)勘探，這就要求檢波器有寬泛的響應(yīng)頻帶尤其是良好的低頻響應(yīng)能力，但現(xiàn)時的檢波器很難保真地響應(yīng)2 Hz以下的地震信號，所以擴展檢波器的響應(yīng)頻帶也是勢在必行[6]。五是環(huán)境溫度適應(yīng)性不夠，檢波器通常只在室溫(20 ℃左右)條件下能達到設(shè)計的技術(shù)指標，低溫或高溫條件下檢波器的技術(shù)指標都會發(fā)生明顯變化，顯然不利于在極端溫度條件下保真響應(yīng)地震信號。六是檢波器技術(shù)的發(fā)展缺少統(tǒng)一的頂層設(shè)計，多數(shù)新產(chǎn)品是廠商為獲利而研發(fā)，沒有密切聯(lián)系地球物理技術(shù)發(fā)展的需求。

2 需求分析

明確了當前檢波器的主要問題，只是總體把握了檢波器技術(shù)進步和發(fā)展的一方面內(nèi)容，但要進步到什么程度、發(fā)展成什么樣子，還要取決于地球物理勘探技術(shù)發(fā)展帶來的新需求。那么，為探索檢波器技術(shù)發(fā)展的具體方向和量化目標，透過物探技術(shù)發(fā)展給地震數(shù)據(jù)采集帶來的新變化映射出檢波器發(fā)展的新要求就顯得十分必要。

從本質(zhì)目標上看，物探技術(shù)的創(chuàng)新重點是圍繞獲取時間更精確、位置更準確、保真效果更好、地質(zhì)信息更豐富的地震數(shù)據(jù)而展開，為此發(fā)展了以寬頻、寬方位、高密度、高覆蓋、高效率地震數(shù)據(jù)采集等為代表的先進勘探技術(shù)和方法。反映到檢波器上就是如何實現(xiàn)寬頻、保真、靈敏、聚焦地接收地震信號。為了精細化地刻畫出物探技術(shù)進步對檢波器提出的新需求，表2按照一一對應(yīng)關(guān)系列出了追求目標及需要改進的內(nèi)容和約束指標。

表2 物探技術(shù)進步對檢波器提出的需求要點

從表2可見，當前檢波器的技術(shù)水平還遠不能滿足物探技術(shù)進步帶來的新需求。今后的檢波器不僅要在地震信號響應(yīng)的線性度、保真度、動態(tài)范圍、頻帶范圍等方面的技術(shù)指標上努力提高，而且還要在溫度適應(yīng)性、抗干擾能力、標準化程度等方面實現(xiàn)全新的突破。

除此以外，為滿足高效率低成本地震勘探作業(yè)的需要，還要求檢波器具有造價低、壽命長、使用便利(允許傾角大、重量輕、適合機械化作業(yè)等)、耦合效果好等特點?！包c”接收方式因施工簡單、信息“原味”而越來越普及，所以發(fā)展寬頻高靈敏度單點式檢波器也是一項剛性需求。以上內(nèi)容應(yīng)該是地震勘探技術(shù)發(fā)展給檢波器提出的總體要求。

3 發(fā)展路線思考

人類發(fā)展史證明，快速有序的發(fā)展通常需要科學(xué)的總體技術(shù)設(shè)計和技術(shù)路線規(guī)劃，檢波器技術(shù)的發(fā)展自然也需要總體設(shè)計和路線規(guī)劃。為此，下面將從分析以往檢波器技術(shù)發(fā)展相對滯后的原因出發(fā)，系統(tǒng)思考今后檢波器技術(shù)的發(fā)展路線。

立足當下探索未來，在討論未來發(fā)展路線之前有必要事先總結(jié)過去發(fā)展路線的曲折。系統(tǒng)地看，導(dǎo)致檢波器技術(shù)發(fā)展與地球物理勘探技術(shù)發(fā)展不協(xié)調(diào)、不同步、不配套的原因眾多，但歸根結(jié)底大致有如下幾項關(guān)鍵原因。一是檢波器依托的材料、工藝、設(shè)計等技術(shù)許多年來一直沒有實質(zhì)性的突破，致使檢波器技術(shù)進步緩慢。二是設(shè)計制造與勘探需求沒有緊密結(jié)合，多數(shù)情況廠商在開發(fā)新型檢波器時是以獲利為前提，沒有充分地研究地球物理勘探技術(shù)的發(fā)展需求，致使研制的產(chǎn)品與需要的產(chǎn)品不完全一致。三是缺少長遠規(guī)劃和系統(tǒng)設(shè)計，同時還缺少具有引領(lǐng)作用的基礎(chǔ)通用技術(shù)標準，致使檢波器的發(fā)展粗獷且無標可依[7]。四是缺少原理和方法創(chuàng)新，多數(shù)時候僅在已有技術(shù)上進行優(yōu)化和改進，極少有本質(zhì)上的突破，導(dǎo)致檢波器的核心技術(shù)基本不變。五是設(shè)計研究創(chuàng)新人才分散沒有形成合力，雖然檢波器技術(shù)的研究力量一直在積累，但這些力量都是零星分散在不同的廠商或單位當中，致使很多研究重復(fù)且低水平。六是行業(yè)內(nèi)缺少權(quán)威的檢測和評價機構(gòu)，致使產(chǎn)品性能良莠不齊且優(yōu)劣難辨。

發(fā)展的目標在于解決當前問題和滿足未來需求，通過前面的討論基本明確了地球物理勘探技術(shù)發(fā)展給檢波器提出的新需求，也精準找到了檢波器以往發(fā)展固有的問題及其主要原因。那么，檢波器的發(fā)展路線就應(yīng)該定位在有效地解決問題和充分地滿足需求之上。根據(jù)這一定位結(jié)合以往的成功經(jīng)驗，可將檢波器技術(shù)的發(fā)展路線概括為：一是提煉地球物理勘探技術(shù)發(fā)展給檢波器帶來的量化需求，為研究設(shè)計全新的檢波器提供具體目標。二是以地球物理勘探技術(shù)發(fā)展需求為指引，以綜合技術(shù)性能國際先進為前提，為檢波器技術(shù)發(fā)展策劃頂層設(shè)計并制定相應(yīng)基礎(chǔ)通用技術(shù)標準，引導(dǎo)檢波器技術(shù)良性發(fā)展。三是創(chuàng)新選擇和研究全新的材料和工藝，只有材料和工藝方面取得突破，檢波器的技術(shù)才可能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。四是針對性地增設(shè)能客觀反映檢波器性能的指標參數(shù)，特別是涉及到信號頻帶、相位保真、抗干擾能力、溫度適應(yīng)性等方面的指標參數(shù)，進而更全面地保障地震信號傳感效果。五是提高傳統(tǒng)指標參數(shù)的精度和匹配性，特別是提高低頻弱小信號的保真識別能力，增強與地震儀器協(xié)同工作參數(shù)的匹配性，為高精度采集地震信號提供條件[8]。六是研制高保真、高靈敏度、高分辨率、寬頻帶單點接收檢波器，為低成本、機械化、高效率、高品質(zhì)實施地震信號采集提供支撐。七是創(chuàng)新設(shè)計理念和加工制作方法，在體積、重量、強度、壽命、成本等方面取得突破性進展，提高檢波器的性價比。八是在行業(yè)內(nèi)建立權(quán)威的檢波器性能測試與評價機構(gòu)，統(tǒng)一平臺量化檢波器的指標參數(shù)，規(guī)范檢波器技術(shù)性能的測試方法和評價手段[9]。

4 未來特性展望

通常，技術(shù)發(fā)展的結(jié)果可以用相應(yīng)的特性來體現(xiàn)，那么檢波器技術(shù)的發(fā)展在特性上又有什么樣的表現(xiàn)？相應(yīng)的指標參數(shù)會有什么樣的取值？常規(guī)物理性能又會有什么樣的改觀？作為對未來檢波器特性的設(shè)想，也作為檢波器技術(shù)發(fā)展目標的預(yù)測，下面就檢波器技術(shù)發(fā)展可能給檢波器特性帶來的變化進行展望。

檢波器的本質(zhì)功能是完整保真地傳感地震信息，關(guān)鍵特性自然就體現(xiàn)在響應(yīng)地震信號的能力上。為表述和理解上的便利，下面將從綜合響應(yīng)特性、環(huán)境適應(yīng)特性、常規(guī)物理特性等幾個方面來探討未來檢波器的量化特征。

綜合響應(yīng)特性是指直接影響地震信號傳感效果的指標參數(shù)，既包括自然頻率、阻尼系數(shù)、一致性(參數(shù)波動率)、失真度、靈敏度、假頻等傳統(tǒng)項目，也包括通帶失真、響應(yīng)頻帶、動態(tài)范圍等新增項目。為了展現(xiàn)時間和空間上的變化軌跡，下面將以單點檢波器為例按過去型、現(xiàn)在型、正開發(fā)型、未來型產(chǎn)品分類和對比方式來展示未來檢波器的綜合響應(yīng)量化特性，對比的具體內(nèi)容見表3?？紤]到油氣勘探可能應(yīng)用的檢波器大多為5 Hz或10 Hz自然頻率，所以表中展示的內(nèi)容也以5 Hz和10 Hz自然頻率為代表(其中2.5 Hz自然頻率僅是對未來產(chǎn)品性能的設(shè)想)。

表3 未來檢波器的綜合響應(yīng)特性

環(huán)境適應(yīng)特性是指與環(huán)境條件密切相關(guān)的指標參數(shù)，包括允許傾角、抗干擾能力、溫度系數(shù)等。為了展現(xiàn)技術(shù)遞進關(guān)系，下面也以單點檢波器為例按過去型、現(xiàn)在型、正開發(fā)型、未來型產(chǎn)品分類和對比方式來展示未來檢波器的環(huán)境適應(yīng)特性，對比的具體內(nèi)容見表4。表中的內(nèi)阻占比實際是指與地震儀器的阻抗匹配關(guān)系。

表4 未來檢波器的環(huán)境適應(yīng)特性

常規(guī)物理特性是指不直接影響地震信號接收效果只影響操作效果的特性，主要包括壽命、絕緣電阻、工作溫度、重量、強度等。為了展現(xiàn)技術(shù)遞進關(guān)系，下面仍以單點檢波器為例按過去型、現(xiàn)在型、正開發(fā)型、未來型產(chǎn)品分類和對比方式來展示未來檢波器的常規(guī)物理特性，對比的具體內(nèi)容見表5。

在表中的特性中有幾項是過去沒有定義過的指標參數(shù)，如通帶失真、共模抑制比、工頻干擾敏感度、溫度系數(shù)、內(nèi)阻占比。增設(shè)這些項目是為了更好地滿足高精度地震勘探需求，如通帶失真是衡量檢波器在整個響應(yīng)頻帶內(nèi)的信號保真效果而設(shè)定的，共模抑制比和工頻干擾敏感度是衡量檢波器抗拒雷電等電磁干擾的能力而設(shè)定的，溫度系數(shù)是衡量檢波器指標參數(shù)隨溫度而變化的程度而設(shè)定的。

總而言之，為適應(yīng)精細化油氣勘探的需求，檢波器的技術(shù)特性將進一步細化和充實，特別是涉及到相位、頻率、振幅等保真效果方面的指標參數(shù)會進一步得到優(yōu)化，此外在抗干擾能力和溫度適應(yīng)性等方面也會推出相應(yīng)的約束指標。發(fā)展技術(shù)更加先進、頻帶更寬、性價比更高、聚焦和保真效果更好的檢波器是大勢所趨。

5 結(jié)束語

檢波器是地震數(shù)據(jù)采集的重要部件，其性能品質(zhì)直接關(guān)系到油氣勘探的綜合成效，因此不斷創(chuàng)新和發(fā)展檢波器技術(shù)將是永恒的主題，也是獲取更高品質(zhì)地震資料的必由之路。這里對檢波器技術(shù)發(fā)展的探討重點在于理清需求和路線，目的是為研究設(shè)計出國際先進的檢波器提供服務(wù)，進而為檢波器技術(shù)進入良性快速發(fā)展軌道提供借鑒。同時，希望借此喚起有關(guān)技術(shù)工作者對檢波器技術(shù)發(fā)展的關(guān)注和討論，并起到拋磚引玉的作用。