石油物探  2018, Vol. 57 Issue (6): 823-830  DOI: 10.3969/j.issn.1000-1441.2018.06.004
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吴学兵. 面向宽频采集的新型检波器研发与应用[J]. 石油物探, 2018, 57(6): 823-830. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1441.2018.06.004.
WU Xuebing. Development of a novel accelerometer sensor for broadband seismic acquisition[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2018, 57(6): 823-830. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1441.2018.06.004.

基金项目

中国石化集团公司科研计划项目(JP14039)资助

作者简介

吴学兵(1969—), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事物探采集装备和方法研究工作。Email:596992253@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-09-30
改回日期:2018-06-08
面向宽频采集的新型检波器研发与应用
吴学兵1,2     
1. 中国科学院声学研究所, 北京 100090;
2. 中石化地球物理公司装备管理中心, 江苏南京 211100
摘要:拓宽地震信号频带范围, 实现宽频地震采集, 是提高地震分辨率和成像精度的关键, 用于宽频地震采集的检波器要求具有单点单支、频带宽、灵敏度高、保真度高、理想的幅频相频响应等特性。基于现有电磁式动圈检波器和MEMS数字检波器工作原理和实际应用效果分析, 结合两种检波器的技术优势, 开展了新型检波器的设计和研发, 并对新型检波器进行了特性参数实验室测试, 验证了新型检波器的宽频特性。将新型检波器与自然频率为10 Hz和5 Hz的动圈检波器以及MEMS数字检波器进行了地震数据采集对比和数据处理分析, 结果表明, 新型检波器具有频带宽的优势, 获得的剖面层间信息更为丰富, 地震分辨率和成像精度明显提高, 具有很好的应用前景。
关键词宽频采集    动圈检波器    数字检波器    加速度检波器    速度检波器    幅频响应    相频响应    
Development of a novel accelerometer sensor for broadband seismic acquisition
WU Xuebing1,2     
1. Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100090, China;
2. Equipment Department of Sinopec Geophysical Corporation, Nanjing 211100, China
Foundation item: This research is financially supported by the 2014 Science and Technology Development Programs of Sinopec (Grant No.JP14039)
Abstract: Improved seismic resolution and imaging accuracy require the acquisition of a broader seismic bandwidth.Geophones, therefore, need to evolve toward high fidelity sensors that are sensitive across a broad frequency band, and yield ideal amplitude and phase responses to meet the demand for broadband seismic acquisition.By combining the advantages of existing electromagnetic moving-coil geophones and microelectromechanical system (MEMS)-based digital geophones, a novel accelerometer sensor is designed.The proposed geophone outperformed three types of industry geophones over a broad frequency band:MEMS-based digital geophone and moving-coil geophones with 10-Hz, 5-Hz natural frequency.Field data analysis indicated the novel geophone could obtain a wider frequency band and potentially provide more abundant stratigraphic information, which would improve seismic resolution and imaging accuracy.There are a range of future applications for these novel geophones, including oil and gas exploration, micro-seismic monitoring, and engineering seismology, that present potential application prospects.
Keywords: broadband seismic acquisition    moving-coil geophone    digital geophone    accelerometer sensor    velocimeter sensor    amplitude response    phase response    

随着国内陆上油气勘探程度的不断提高, 勘探目标越来越复杂, 已经从早期的简单、大型构造油气藏发展到目前的复杂、隐蔽型油气藏[1], 此类油藏对地震勘探的分辨率和成像精度要求越来越高, “高密度、宽频带、宽方位、单点、超大道数”采集成为物探技术的发展方向[2]。宽频地震采集包括地震波的宽频激发技术、宽频接收技术和合理的观测系统设计。宽频勘探不仅涉及到宽频采集技术, 还涉及到针对性的资料处理技术, 是一项系统工程。“宽频带、单点、高密度、大道数”的地震采集趋势, 要求地震检波器具有“单点单支、频带宽、灵敏度高、保真度高、使用方便”等性能指标与之相适应[3]。地震检波器作为宽频信号接收的重要环节和最前端设备, 还要求具备幅频相频响应线性化等特性。电磁式检波器自20世纪30年代问世以来, 一直主导着地震勘探行业市场。自20世纪60年代后期开始, 该检波器得到不断改进和完善, 其灵敏度、可靠性和一致性不断提升, 失真度不断降低[4]。目前仍在广泛使用的动圈检波器即电磁式检波器, 主要基于电磁感应原理, 地面振动引起线圈与磁铁产生相对位移, 使得内部磁通量发生变化, 从而产生感应电压, 该电压与线圈相对磁铁的运动速度成正比, 检测的是速度信号。这种动圈检波器受工作原理、材料、制造工艺等制约, 已经接近它的性能极限。如动圈检波器工作在谐振频率以上时, 其幅频响应在谐振频率以下存在12 dB/Oct的衰减, 使得目前地震勘探更为关注的10 Hz以下低频地震信号衰减严重。另外, 动圈检波器内部弹簧从静止到拉伸存在一定的非线性失真, 使其有效带宽相对较窄(10~200 Hz)、失真度相对较高(-62 dB)、动态范围相对小(< 60 dB), 一定程度上影响了地震数据采集质量的进一步提高[5]

基于MEMS(micro electro mechanical system)原理的数字检波器面世已近20年, 此类检波器在技术指标上较动圈式检波器有明显的提升。MEMS传感器由两对固定电极和一块可移动的质量块电极构成, 可移动的质量块电极和固定电极之间形成了一个电容器, 当外部振动迫使质量块移动时, 通过反馈电容变化而调整的控制电压就迫使质量块保持不动。控制电压反馈的是外力的变化, 因此, MEMS检波器检测的是加速度信号[6-11], 且工作在谐振频率以下, 从幅频和相频响应来看, 有效频带宽(3~500 Hz)、失真度低(< -90 dB)、动态范围大(> 120 dB)。但由于MEMS数字检波器输出的是数字信号, 与现有地震仪器系统(从检波器输出、采集站端输入的是模拟信号)不兼容, 需要有专门的采集系统与之配套; 同时, 这种数字检波器价格昂贵、前端MEMS传感器野外耐用性差, 使用中故障率高, 因此其推广应用受到制约。近年来国内外陆续推出了高灵敏度、低自然频率的单支动圈检波器。该检波器对内部弹性系统进行了改进, 自然频率从10 Hz降低到5 Hz, 通带宽度为5~160 Hz, 一定程度上拓宽了低频端信号采集带宽。但这种低频检波器受芯体质量、弹性结构和材料的制约, 降低自然频率后频率允差增大, 故障率也随之增高, 导致其使用寿命缩短, 影响了推广应用。除了电磁检波器技术改造外, 围绕宽频采集需求, 国内很多厂家和科研院所开展了各类新型检波器的研发, 并进行了大量的野外采集试验, 如MEMS宽带电化学地震检波器[12]、光纤激光微地震检波器[13]、干涉型光纤地震检波器[14]、基于弹性薄壁管的光纤光栅高频加速度检波器[15]等。这些新型检波器一定程度上具备了宽频采集性能, 但距离油气勘探大道数、严酷条件下的大规模商业化应用尚存在一定距离。

本文结合动圈检波器技术成熟、MEMS检波器闭环控制实现拓频的优势, 设计和开发了一种基于反馈控制的新型检波器, 并通过实验室振动测试[16]和野外地震数据采集试验[17], 验证了该新型检波器的特性参数和采集性能[18-21], 获得了较高品质的地震资料。

1 基本构成及传感原理

常规地震检波器(如20DX-10)、5 Hz低频检波器都属于开环结构, 基于MEMS技术的数字检波器是闭环控制结构。本文所设计的新型检波器(图 1)则由双线圈机芯、闭环反馈电路、供电系统三部分构成, 其中, 供电系统由高性能锂电池和太阳能充电器组成, 双线圈机芯由传感线圈和控制线圈组成。其基本工作原理是外部振动引起传感线圈切割磁力线相对运动产生感应电压后, 闭环反馈电路产生的电磁力施加在控制线圈上, 抑制了传感线圈的非线性位移, 将常规检波器线圈毫米级的位移降低到微米级, 从而大大降低了检波器的非线性位移。这样一方面能大大降低检波器的非线性失真, 另一方面可以拓宽检波器采集的带宽。该检波器反馈的是运动的加速度, 因此是一种加速度型检波器。新型检波器设计为传感和控制双线圈结构并加入反馈控制之后成为闭环控制结构。与开环结构检波器相比, 闭环结构的检波器可以有效降低线圈的非线性位移、拓宽信号带宽, 使得该检波器比常规检波器失真度更低、有效带宽更宽、动态范围更大。

图 1 新型检波器内部结构
2 技术指标测试

根据常规地震检波器测试技术指标, 考虑到新型检波器为加速度型, 对新型检波器的灵敏度、带宽、噪声等特性参数进行了测试, 并根据测试结果绘制了幅频和相频响应曲线, 计算了动态范围。

1) 频宽测试。利用国家仪器仪表质量监督检验中心标准的振动测试台(型号B&K4808;量程5 Hz~10 KHz; 精确度±1.5%)进行了频宽测试。受振动台量程限制, 从5 Hz到300 Hz进行了单频点逐点测试, 振动条件为1 ms-2(1 g=9.8 ms-2)。将测得的检波器各个频点的幅值绘制成幅频响应曲线, 如图 2所示。可以看出, 在5~300 Hz之间灵敏度曲线是平直的。

图 2 新型检波器幅频响应

2) 低频测试。利用低频测试振动台(量程0.2~ 200.0 Hz), 从0.2 Hz到10.0 Hz进行了不同频点下的扫频测试, 结果如图 3所示。分析测试结果可见, 新型检波器低频端响应的有效带宽达到了0.6 Hz。

图 3 新型检波器不同频点下的扫频测试(0.2~10.0 Hz) a 相频响应; b 幅频响应

3) 幅频和相频测试。利用振动台进行了幅频和相频测试, 结果如图 4所示。在1~240 Hz范围内幅频响应起伏小于±0.1 dB, 在1~300 Hz范围内相位非线性小于15°。

图 4 新型检波器幅频和相频测试 a 幅频响应; b 相频响应

4) 灵敏度测试。用单一频点(31.25 Hz)测试了10只检波器的灵敏度, 结果如图 5所示。分析测试结果可见, 新型检波器灵敏度为10 V/g; 10只宽频检波器灵敏度误差范围为±3%, 一致性高于动圈检波器灵敏度误差为±5%的要求。

图 5 新型检波器灵敏度测试

5) 谐波失真测试。在低频测试振动台上完成了谐波失真测试。在10 Hz频点以500 mV正弦波信号为激励信号, 测得谐波失真结果如图 6所示。经过计算(排除振动台本身的谐波失真), 新型检波器总谐波失真为-82 dB, 远优于动圈检波器(> -54 dB)。

图 6 新型检波器谐波失真测试

6) 噪声测试。在某地震台观测站静音硐室利用超低频振动台进行了噪声测试。采集参数为:采样率500 sps; 增益30 dB。测试结果见图 7, 幅度测算参照(code/232)×(5 V/32)。

图 7 新型检波器噪声曲线

新型检波器噪声的峰值为(±2.5×106/232)×(5/32)=±90.9 μV; 噪声的有效值通常为噪声峰值的1/(6.0~6.6), 即90.9×2/6.6=28.0 μV。

7) 动态范围计算。新型检波器的瞬时动态范围定义为信号最大输出(有效值)和最低噪声(有效值)之比的常用对数与20的乘积, 用分贝(dB)表示。DR=20 lg[(2.5/1.414×106)/(90.9×2/6.6)]=96 dB。

综合分析以上测试结果, 新型检波器的主要特性参数指标如下:通带宽度1~300 Hz; 灵敏度10 V/g; 谐波失真-82 dB(受测量方法的限制); 本底噪声为28 μV, 动态范围为96 dB。说明新型检波器在频带宽度和保真度方面优于常规动圈检波器。

3 野外采集试验与对比分析

根据地震检波器工作原理的不同, 设计并开展了新型检波器与同类型加速度检波器——MEMS数字检波器、不同类型速度检波器——10 Hz和5 Hz动圈检波器的野外采集对比试验。采用炸药震源激发方式, 接收排列为间距1 m的4个平行排列, 分别为480道5 Hz检波器、新型检波器、MEMS数字检波器和10 Hz检波器, 道间距20 m。试验区勘探目的层深度一般在1.3~2.2 s。

3.1 与数字检波器对比

图 8对比了新型检波器与数字检波器的原始单炮解编记录, 其2~8 Hz滤波记录如图 9所示, 浅中深层频谱对比结果如图 10所示。

图 8 新型检波器和数字检波器单炮解编记录对比 a 数字检波器; b 新型检波器
图 9 新型检波器和数字检波器单炮2~8 Hz滤波记录 a 数字检波器; b 新型检波器
图 10 新型检波器单炮记录频谱分析

从单炮解编记录和2~8 Hz滤波记录来看, 两种检波器采集的记录基本一致, 波组特征相似。从单炮记录频谱来看, 两者浅、中、深层频谱曲线基本重合, 频谱特征一致。对比结果说明新型检波器与MEMS数字检波器具有相似的宽频特性:低频响应好、主频高、频带宽。

3.2 与速度检波器对比

图 11对比了新型检波器与5 Hz, 10 Hz速度检波器的单炮记录, 其2~8 Hz滤波记录如图 12所示。

图 11 三种检波器单炮记录解编对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
图 12 三种检波器单炮2~8 Hz滤波记录 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器

考虑到新型检波器是加速度型检波器, 而5 Hz, 10 Hz检波器是速度型检波器, 2种类型检波器表征的物理量不同[8], 具有不同的频谱特征, 直接进行频谱对比有失客观性, 因此专门做了一段采集对比试验, 以评估三种检波器的实际采集能力。三种检波器采集的资料经过处理后得到的叠加剖面(覆盖次数为16次)如图 13所示, 图 14为剖面频谱对比结果, 新型检波器频宽达到0~76 Hz, 5 Hz检波器频宽为0~55 Hz, 10 Hz检波器频宽为2~55 Hz, 可见新型检波器采集的剖面具有频带宽的优势。图 15对比了剖面细节, 可见新型检波器采集的剖面分辨率更高、波组连续性更好、层间信息更为丰富, 验证了新型检波器频带宽的优势。

图 13 三种检波器采集数据叠加剖面对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
图 14 三种检波器采集数据叠加剖面频宽对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
图 15 三种检波器采集数据叠加剖面细节对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
4 结论

设计开发了新型检波器并对其进行了技术指标、采集性能、适用性等多方面的测试、评估和对比分析, 形成以下认识。

1) 新型检波器通过闭环控制设计, 降低了检波器的失真度, 拓宽了信号采集的频宽, 具有加速度检波器的特性。

2) 新型检波器通带宽度为1~300 Hz、谐波失真为-82 dB, 具有频带宽、失真度低的特性, 下一步需继续改进以降低本底噪声。

3) 新型检波器采集的资料层间信息更丰富、成像精度更高, 有利于提高地震资料纵向分辨率和地震成像精度。

综合分析认为, 新型检波器具有单支、保真度高、频带宽、与现有地震仪器兼容的优势, 是实现宽频、单点单震源、高密度3D采集可选用理想检波器之一。

参考文献
[1]
李燕燕, 赵殿栋, 于世焕, 等. 中国石化陆上地震采集技术现状与发展趋势[J]. 石油物探, 2013, 52(4): 363-370.
LI Y Y, ZHAO D D, YU S H, et al. Status and trend on land seismic acquisition technique of SINOPEC[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2013, 52(4): 363-370. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2013.04.005
[2]
王炳章, 王丹, 陈伟. 油气地震勘探技术发展趋势和发展水平[J]. 中外能源, 2011, 16(5): 46-55.
WANG B Z, WANG D, CHEN W. Trends and development level of petroleum seismic exploration technology[J]. Sino-Global Energy, 2011, 16(5): 46-55.
[3]
郭念民, 陈猛, 崔永福, 等. 碳酸盐岩储层单点高密度采集三维地震勘探实例[J]. 石油物探, 2016, 55(6): 771-780.
GUO N M, CHEN M, CUI Y F, et al. The application of single-point high-density seismic acquisition for carbonate reservoir 3D seismic exploration[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2016, 55(6): 771-780. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.06.001
[4]
MEUNIER J. Seismic acquisition from yesterday to tomorrow[J]. Expanded Abstracts of 81st Annual Internat SEG Mtg, 2011, 50-51.
[5]
杨海. 常用检波器原理浅谈[J]. 物探装备, 2001, 11(4): 281-282.
YANG H. Brief introduction of geophone in common use[J]. Equipment for Geophysical Prospecting, 2001, 11(4): 281-282. DOI:10.3969/j.issn.1671-0657.2001.04.014
[6]
MOUGENOT D, CHEREPOVSKIY A, JUNJIE L. MEMS-based accelerometers:expectations and practical achievements[J]. First Break, 2011, 29(2): 85-90.
[7]
MOUGENOT D.Digital accelerometers: how they have impacted the seismic industry in 10 year?[EB/OL].[2017-09-01]http://www.sercel.com/products/Lists/ProductPublication/Digital%20accelerometers%20~%20impact%20in%20the%20seismic%20industry%20in%2010%20years_2009.pdf
[8]
LAINE J, MOUGENOT D.Benefits of MEMS based seismic accelerometers for oil exploration[C]//Transducers 2007—2007 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference.Lyon: IEEE, 2007: 1473-1477
[9]
孟宝文, 王全收. System Four数字传感器工作与测试原理分析[J]. 物探装备, 2007, 17(增刊): 1-6.
MENG B W, WANG Q S. Work principle of System Four VectorSeis and test principle[J]. Equipment for Geophysical Prospecting, 2007, 17(S1): 1-6.
[10]
[11]
郭建, 马国庆, 宗遐龄, 等. 基于微机电系统的数字检波器及其应用[J]. 石油物探, 2005, 44(4): 348-351.
GUO J, MA G Q, ZONG X L, et al. Performance and application of digital geophones based on MEMS[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2005, 44(4): 348-351. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2005.04.010
[12]
何文涛, 陈德勇, 王军波, 等. MEMS宽带电化学地震检波器[J]. 光学精密工程, 2015, 23(2): 444-451.
HE W T, CHEN D Y, WANG J B, et al. MEMS based broadband electrochemical seismometer[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(2): 444-451.
[13]
张发祥, 吴学兵, 李淑娟, 等. 光纤激光微地震检波器研究及应用展望[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(5): 2456-2460.
ZHANG F X, WU X B, LI S J, et al. Fiber laser microseismic geophone research and application prospects[J]. Progress in Geophysics, 2014, 29(5): 2456-2460.
[14]
吴学兵, 刘英明, 高侃. 干涉型光纤地震检波器研发及效果分析[J]. 石油物探, 2016, 55(2): 303-308.
WU X B, LIU Y M, GAO K. Development and application effect analysis of fiber interometric geophone[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2016, 55(2): 303-308. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2016.02.017
[15]
禹大宽, 刘钦朋, 高宏, 等. 基于弹性薄壁管的光纤光栅高频加速度检波器[J]. 光通信研究, 2016, 195(3): 50-52.
YU D K, LIU Q P, GAO H, et al. FBG micro-seismic sensor with high resonant frequency based on elastic light-walls tube[J]. Study on Optical Communications, 2016, 195(3): 50-52.
[16]
吕公河. 地震勘探检波器原理和特性及有关问题分析[J]. 石油物探, 2009, 48(6): 531-543.
LV G H. Seismic geophone principle and the analysis of relevant issues[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2009, 48(6): 531-543. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2009.06.001
[17]
魏继东. 地震检波器性能指标与地球物理效果分析[J]. 石油物探, 2013, 52(3): 265-274.
WEI J D. An analysis on the performance indexes and geophysical effect of geophones[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2013, 52(3): 265-274. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2013.03.007
[18]
于世焕, 赵殿栋, 于晨. 数字检波器单点地震采集与组合接收对比试验[J]. 石油物探, 2012, 51(3): 264-270.
YU S H, ZHAO D D, Yu C. Comparative experiment on digital geophone single point and array receiving in the seismic acquisition[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2012, 51(3): 264-270. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2012.03.009
[19]
曹双兰, 林君, 杨泓渊, 等. 用于深部探测的地震检波器低频拓展技术[J]. 地球物理学进展, 2012, 27(5): 1904-1911.
CAO S L, LIN J, YANG H Y, et al. Low-frequency expansion technologies applied in deep seismic exploration geophones[J]. Progress in Geophysics, 2012, 27(5): 1904-1911.
[20]
刘俊杰, 丹·穆基诺. 高密度地震勘探的激发和接收技术探讨[J]. 中国煤炭地质, 2010, 22(8): 25-28.
LIU J J, MOUGENOT D. A discussion on high density seismic prospecting shot and receiving technologies[J]. Coal Geology of China, 2010, 22(8): 25-28. DOI:10.3969/j.issn.1674-1803.2010.08.07
[21]
李忠雄, 尹吴海, 蒋华中, 等. 羌塘盆地高密度高覆盖宽线采集技术试验[J]. 石油物探, 2017, 56(5): 626-636.
LI Z X, YIN W H, JIANG H Z, et al. Acquisition technique test of high-density and high-fold wide line profiling seismic survey in Qiangtang Basin[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum,, 2017, 56(5): 626-636. DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2017.05.002
图 1 新型检波器内部结构
图 2 新型检波器幅频响应
图 3 新型检波器不同频点下的扫频测试(0.2~10.0 Hz) a 相频响应; b 幅频响应
图 4 新型检波器幅频和相频测试 a 幅频响应; b 相频响应
图 5 新型检波器灵敏度测试
图 6 新型检波器谐波失真测试
图 7 新型检波器噪声曲线
图 8 新型检波器和数字检波器单炮解编记录对比 a 数字检波器; b 新型检波器
图 9 新型检波器和数字检波器单炮2~8 Hz滤波记录 a 数字检波器; b 新型检波器
图 10 新型检波器单炮记录频谱分析
图 11 三种检波器单炮记录解编对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
图 12 三种检波器单炮2~8 Hz滤波记录 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
图 13 三种检波器采集数据叠加剖面对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
图 14 三种检波器采集数据叠加剖面频宽对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
图 15 三种检波器采集数据叠加剖面细节对比 a 5 Hz检波器; b 新型检波器; c 10 Hz检波器
面向宽频采集的新型检波器研发与应用
吴学兵