6串1并與3串2并檢波器串連接方式對比分析

聶明濤，占春啟，郎文立，梁順利，張健宸

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 河北 涿州 072750)

0 引 言

東方地球物理公司中東某項目部于2021年9月中旬中標后，合同要求4個月內(nèi)開始生產(chǎn)采集工作,甲方合同要求施工隊伍配備5.5萬串全新SG-10(6串1并)檢波器。海外項目采集設備新購周期較長，無法滿足甲方按期開工的要求，而當時項目部正好有3萬串SG-10(6串2并)新檢波器，進行檢波器串的現(xiàn)場改裝成為保證按期開工的最佳方案。

為了提高采集原始單炮資料信噪比，地震勘探一般采用組合檢波進行數(shù)據(jù)采集工作。檢波器組合圖形、組合基距、組內(nèi)距、組合高差、檢波器數(shù)量等都對采集資料信噪比有直接影響。同樣是單串6只組合方式，6串1并與3串2并兩種不同連接方式檢波器串的綜合性能及其對采集資料的影響引發(fā)筆者思考，進而開展了改裝工作和野外試驗進行分析驗證。

1 改裝工作量對比

對現(xiàn)有檢波器串進行改裝，一是合理利用現(xiàn)有資源，避免設備資源閑置浪費；二是縮短設備到位周期，促成項目的快速啟動。檢波器改裝電路圖如圖1所示。

圖1 檢波器改裝電路圖

圖1(a)是項目實際執(zhí)行的將SG-10(6串2并)檢波器串改裝成兩串6串1并檢波器電路圖。改裝時將中間第6只和第7只檢波器拆開，摘除中間部分三芯線，然后將第6只檢波器的雙邊防水帽換成單邊防水帽，組成第1串檢波器；將第7只檢波器上連接一個含10 m饋線的檢波器接頭插頭，組成第2串檢波器。改裝后檢波器全部按照廠家出廠要求進行SGT和防水等測試。

圖1(b)是改裝成兩串3串2并檢波器串的改裝電路，從圖上可以看出，由于需要將串聯(lián)改為并聯(lián)，第3和第10只檢波器均需要打開防水帽，重新連接電路；第4只檢波器需要外接檢波器插頭需要打開防水帽，第9只檢波器需要將雙邊防水帽改為單邊防水帽。因為需要打開防水帽檢波器數(shù)量翻倍，改裝工作量增加，而且新組裝檢波器存在漏電測試不合格導致重新返工的概率也會增加。

所以，從改裝工作量角度而言，將SG-10(6串2并)改裝成2串6串1并檢波器串為優(yōu)方案。

2 測試指標分析

檢波器串組合施工的主要目的是利用有效波和干擾波的方向特性差異，通過設計一定組合圖形的多只檢波器達到壓制規(guī)則干擾和隨機干擾，提高采集資料信噪比。但是，當組合檢波器數(shù)量、組合圖形、組合基距等參數(shù)均一致的情況下，要搞清楚兩種組合檢波器對地震信號的響應和拾取資料信噪比的差異，首先需要搞清楚兩種組合測試指標的差異。

檢波器性能指標中很重要的一項是靈敏度，靈敏度是輸出電壓與地面震動速度之間的比值，檢波器串的靈敏度可以用下式表達：

Qsp=n×Q

(1)

式(1)中：Qsp為檢波器串組合靈敏度；Q為單只檢波器的靈敏度；n為串聯(lián)檢波器的個數(shù)。

由式(1)可知，并聯(lián)檢波器不改變串組合的靈敏度。

根據(jù)電阻串并聯(lián)計算原理，組合后檢波器串的電阻，可以用下式表達：

Rsp=(n/m) ×R

(2)

式(2)中：Rsp為檢波器串組合等效電阻值；R為單只檢波器的阻值；n為串聯(lián)檢波器數(shù)量；m為并聯(lián)檢波器組數(shù)。阻抗計算方法與電阻計算一致。

采用Sercel公司SGT-II 400系列檢波器測試儀對檢波器進行測試，主要測試項目包括靈敏度、自然頻率、阻尼系數(shù)、直流電阻、諧波畸變、交流阻抗、噪音、漏電等。改裝的6串1并和3串2并檢波器串的主要性能參數(shù)對比見表1。

表1 不同連接方式檢波器串性能指標

3 組合效應分析

3.1 組合響應能量

組合檢波中，每個檢波器在接收地表震動時都通過切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢，檢波器的串聯(lián)或并聯(lián)問題實際上可以認為是含源線路的串聯(lián)或并聯(lián)問題。若干含源線路串聯(lián)的情況比較簡單，等效電源電動勢等于各電動勢的代數(shù)和，串聯(lián)電阻等于各電阻之和。幾個含源二端網(wǎng)絡的并聯(lián), 等效電源的電動勢等于各二端網(wǎng)絡電動勢除以該線路電阻值然后相加, 再乘并聯(lián)線路的電阻[5]。

檢波器串組合響應電壓見下式：

Us=U1+U2+U3+U4+……Un-1+Un

(3)

Up=(1/m)(U1+U2+U3+U4+……Un-1+Un)

(4)

式中：Us、Up是檢波器串組合響應電壓；n是串聯(lián)檢波器數(shù)量；m是并聯(lián)檢波器組數(shù)；U是個單只檢波器產(chǎn)生感應電動勢，因為組合中各只檢波器性能一樣，U1=U2=…=Un=U。由式(3)、式(4)可知，6串1并檢波器串響應電壓為6U，3串2并檢波器串響應電壓為3U。

3.2 組合響應信噪比

所以，串聯(lián)通過提高有效信號強度提高信噪比，并聯(lián)通過降低干擾信號強度提高信噪比。根據(jù)上述組合響應信噪比估算，當檢波器數(shù)量，組合圖形和組合基距相同時，6串1并和3串2并兩種不同的內(nèi)部連接方式采集資料信噪比相同[6-9]。但是實際生產(chǎn)組合應用中，由于組合對地震資料信噪比改變是動態(tài)的，在資料整體信號強度較弱地區(qū)，建議采用靈敏度較高的6只串聯(lián)組合方式；在整體信號強度較強地區(qū)，建議采用靈敏度相對低一些的3串2并組合方式。下文中我們采用野外試驗進行6串1并和3串2并兩種不同內(nèi)部連接方式采集資料分析對比與結論驗證。

4 試驗驗證

實際生產(chǎn)采集數(shù)據(jù)是驗證理論分析結論正確性的最好方式。安排專門野外試驗采集原始數(shù)據(jù)，并通過軟件對6串1并和3串2并兩種連接方式的采集資料進行分析對比。

4.1 對比方案

試驗采用INVOA-380震源1.5～120 Hz自定義掃描方式激發(fā)，炮點距25 m，采用SG-10 6串1并和3串2并各1串檢波器鋪設在距離25 m的兩個檢波點上，組合圖形采用甲方合同指定的沿檢波線方向線性組合，組內(nèi)距1.5 m，抽取距離這兩道最近的炮排形成共檢波點道集數(shù)據(jù)，進行資料分析對比。

4.2 數(shù)據(jù)對比

圖2是抽取的兩種檢波器串采集的共檢波點道集數(shù)據(jù)，圖3是道集數(shù)據(jù)的局部放大，圖4是兩種因素整個道集頻譜整體歸一化(a)和dB歸一化(b)顯示，圖5是兩種因素目的層和初至前(背景噪音)兩個時窗能量對比分析，圖6是整個共檢波點道集信噪比、目的層信噪比(3 s)和深層信噪比(5 s)3個位置不同時窗的信噪比譜對比。

圖2 不同檢波器串采集資料對比(共檢波點道集)

圖3 不同檢波器串采集資料對比(共檢波點道集，局部放大)

圖4 不同檢波器串采集資料頻譜分析

圖5 不同檢波器串采集資料能量對比分析

圖6 不同檢波器串信噪比譜對比

4.3 對比結論

1)從共檢波點道集數(shù)據(jù)記錄面貌上看(圖2)，兩種檢波器組內(nèi)連接方式單炮品質(zhì)基本相當。

2)由于6串1并靈敏度是3串2并靈敏度的兩倍，道集整體歸一化頻譜(圖4)和不同時窗上能量對比(圖5)可以看出，6串1并是3串2并檢波器串能量的兩倍。

3)通過圖4(b)dB歸一化頻譜對比，通過道集間能量均衡后，兩種檢波器串采集資料頻譜基本一致。

4)通過圖6整個道集以及不同深度時窗信噪比曲線對比，兩種因素采集資料信噪比基本相當,但是3串2并利于拾取低頻信號，6串1并有利于拾取高頻信號[10-11]。

由于野外試驗時，兩種不同連接方式檢波器串鋪設在相鄰兩道檢波點上，雖采用相同的組合圖形，并由專人現(xiàn)場進行檢波器埋置，但是也不能完全排除耦合差異對試驗結果帶來的影響，但是試驗數(shù)據(jù)能夠滿足定性對比兩種因素采集資料優(yōu)劣。

5 結束語

1)通過指標測試和實際資料對比，6串1并能夠拾取較強的地震信號。

2)采用6串1并和3串2并不同組合連接方式，采集資料信噪比差異不大；但是，3串2并在低頻具有明顯優(yōu)勢，6串1并在高頻段優(yōu)勢明顯。

3)綜合改裝工作量、性能指標和實際資料對比，試驗所在地區(qū)適合采用6串1并連接方式。

4)實際生產(chǎn)項目采用哪種連接方式，需要結合所在地區(qū)資料整體資料品質(zhì)和信號強度，建議進行不同組合方式試驗對比。