采集系统再认识.ppt

地震数据采集系统再认识,东方地球物理公司装备事业部,2005年6月26日,引言,长期以来地球物理界都公认，主要包括地震勘探仪器和地震检波器的地震数据采集系统，是影响地震数据接收质量和野外施工成效的决定因素。那么究竟有那些关健要素在起作用？是仪器性能还是使用技巧？带着这些问题我们来尝试性探讨如何更完整地认识和更有效地应用地震数据采集系统，目的是想从另一个侧面为地震勘探主体提供我们应有服务。,主要内容,衡量地震勘探仪器质量的关健要素现有地震勘探仪器的综合特性分析影响地震勘探仪器使用效果因素分析地震检波器技术及应用认识与建议,衡量地震勘探仪器质量的关健要素,一是决定地震数据采集质量的主要技术特性，主要包括系统噪声、谐波失真、动态范围、频率响应等。这是功能性要素也是最核心的要素。二是单位时间接收地震数据的能力，主要是指系统的二维和三维实时地震道采集容量。它由系统的硬件和软件特性共同决定，涉及到传输通道数、数传速率、数据压缩率和记录速度等。三是系统的每个地震道平均价格（包括采购价格和租赁价格）。,衡量地震勘探仪器质量的关健要素,四是系统的一般物理特性，主要包括：工作温度、环境温度、单道平均重量、单道平均尺寸、系统功耗、抗拉强度等。五是系统的可靠性和工作速度，包括故障率、稳定性和查排列、建排列速度等。六是系统的使用成本和环境适应性，包括维修成本、支持成本以及适应复杂恶劣环境的能力等。七是系统的辅助功能和操作便利性，包括现场质量控制功能、辅助数据支持功能、灵活的显示或记录功能、生产管理功能以及采用的操作系统和人机友好程度等。,现有地震勘探仪器的综合特性分析,一是主要技术特性分析：现有的仪器都是采用技术的24位A/D型，系统噪声、谐波失真、动态范围、频率响应等都不相上下，也即所采集地震数据的质量是一致的。主流仪器的特性比较如表所示。,现有地震勘探仪器的综合特性分析,二是系统的实时道容量能力分析：由于所采用的传输率、物理线对、调制技术、记录速度等各不相同，使得各种仪器的带道能力也不尽相同，具体如表所示。,现有地震勘探仪器的综合特性分析,三是系统的道平均价格比较：受采购时间和规模以及商务谈判等影响，不同类型或时期的仪器采购价格有所不同，因此没有绝对可比性，租赁价格如表所示。,现有地震勘探仪器的综合特性分析,四是系统的一般物理属性比较：总体上各种仪器的工作温度、环境温度、平均功耗、抗拉强度等都相差无几，区别主要在尺寸和重量上，具体如表所示。,现有地震勘探仪器的综合特性分析,五是系统的可靠性和工作速度分析：不同仪器厂商同一时期内采用的都是类同的工艺材料技术、计算机技术、电子工程技术、加工制造技术等，系统的主要差异取决于软件技术。所以从硬件性能上看，同期仪器的可靠性和工作速度总体是相当的。但由于仪器的关键技术越来越多地体现在软件上，仪器的可靠性和工件速度也越来越多地受软件影响，这也就是目前在用仪器存在差异的主要原因。应该说明的是这些差异通过人的工作质量是可以得到调整的。,现有地震勘探仪器的综合特性分析,六是系统的使用成本、环境适应性、辅助功能和操作便利性分析：使用成本除与仪器相关外，与作业环境、使用方法、人的素质等也相关，就仪器而言使用成本大同小异。东方公司主要以陆上型仪器为主，基本上都能适应陆上各种作业环境（如山地、浅滩、沙漠）。操作便利性和辅助功能有一定差异，目前多用UNIX和WINDOWS两种操作系统，其人机友好性各有千秋，而辅助功能除与仪器配置相关外，还取决合同选择的附件，总体上是各种仪器间具有一定的优势互补性。,影响地震勘探仪器使用效果因素分析,在采集资料质量保证的前题下，人们总是追求地震勘探仪器的应用效果最佳，特别是追求生产效率最高。问题是有那些因素在制约仪器的应用效果呢？根据以往的实际经验，我们认为主要有如下几方面的因素在影响地震勘探仪器的使用效果：。一是仪器的固有特性。虽然东方公司现有的仪器在地震资料采集的质量上总体一致，但由于各自的结构与技术上的差异特别是软件技术上的差异，客观上也在影响仪器的应用效果。通过掌握和合理利用仪器的固有特性，人们可以把这一影响降至最小。二是不恰当地配置仪器工作参数。仪器的工作质量与所选择的工作参数息息相关，例如过大的前放增益就,影响地震勘探仪器使用效果因素分析,可能导致大信号失真，进而损失地震信号的有效动态，因此合理地选配仪器工作参数也是发挥仪器效能的重要保证。三是使用者的技能和生产组织效率。同样的仪器和同样的作业条件，当使用者的技能或生产组织效率不够时，可能严重影响生产的效率。因此发挥好仪器的作用还必须努力提高使用者的技能和生产组织效率。四是不合适的使用方法和环境。使用方法不当或使用环境不宜，不仅生产效率低而且还容易损毁设备。五是设备的完好率。设备的完好率不仅影响可参与生产的设备数量，更重要是可能增加排列故障时间，因此保持设备完好率也是一项生产效率的保证。,地震检波器技术及应用,地震检波器是野外地震数据采集最为关键的装备之一，其性能直接关系到采集数据的质量及地质效果，因此地震检波器的技术和应用一直倍受广大物探工作者的关注。目前，地震勘探检波器种类繁多且技术特性参差不齐，这就给地震检波器的选型和应用带来了不便，甚至使人们产生认识误区。为此，下面将从地震检波器的原理出发，通过对地震检波器技术参数的论述，各种检波器性能指标的对比分析，对地震检波器的综合技术进行尝试性探讨和研究，并在此基础上就地震检波器的选型和应用提出一些粗浅的认识与建议。,地震检波器原理和特性,地震检波器实质就是将机械的振动信号转换为电信号的传感装置，按工作原理主要可以分为电磁感应式、压电陶瓷式、微电子机械及光纤等，目前应用最多、最普及的是电磁感应结构式检波器。几种目前常用检波器的原理和特性如下。一是电磁感应式检波器（包括速度型和加速度型）。其典型的速度幅频特性曲线如下。,地震检波器原理和特性,二是超级检波器（高精度检波器）。超级检波器的原理和结构与电磁感应式检波器完全一致，区别主要在于检波器的制造工艺和器件材料，实质上超级检波器就是传统检波器的改进型。相对常规检波器而言，超级检波器具有更高的技术指标、更好的一致性。,三是数字传感器（检波器）。数字检波器和传统检波器在原理和功能上完全不同，传统意义上的地震检波器是以电磁感应方式将地震信号转换为模拟电信号输出，而数字检波器是以重力平衡方式（MEMS技术）将地震信号的直接转换为高精度的数字信号。,地震检波器技术指标,衡量地震检波器性能指标的参数有许多，主要参数包括自然频率、阻尼系数、灵敏度、谐波失真、容差等，相关参数包括直流电阻、阻抗、假频、噪声、漏电、极性以及悬体质量、线圈最大位移、允许倾斜角度、体积和重量等。下面着重介绍地震检波器主要技术参数的物理意义及其对地震数据采集效果的影响。一是自然频率：也称固有频率或共振频率，它由检波器弹性系统的结构和材料决定。二是灵敏度：它是检波器对激励（振动）响应的敏感程度，大小取决于线圈总长度和磁场强度。三是失真度（畸变）：它是输出信号谐波分量总和有效值与基波分量有效值之比的百分比。,地震检波器技术指标,四是阻尼和阻尼系数：阻尼是促使惯性体由振动状态恢复到静止状态的能力，而且阻尼大恢复得就快，反之就慢。阻尼系数是指检波器并联衰减电阻后惯性体振动衰减快慢的相对比值，一般把惯性体回到平衡位置而不再向相反方向有任何偏移时的阻尼值为临界阻尼，习惯上定义临界阻尼为1或100%，其它的阻尼值都表示为临界阻尼的百分比。五是容差：容差表示同种型号的个体检波器互相之间技术指标的相对差异，一般用百分比表示。虽然它不是检波器本身的技术参数，但却直接影响地震数据的采集效果，因为随着地震采集技术的发展，地震道所使用的地震检波器的个数越来越多，如果检波器之间的一致性不强，不同检波器接收同一信号的结果就会有不同的输出，进行叠加就会产生失真，这将降低地震数据采集质量和保真度。,地震检波器性能对比分析,两种常用检波器的主要特性对比如下：,地震检波器性能对比分析,相对传统的模拟检波器言，数字传感器在技术特性上主要有以下几点实质性的进步：1、直接以电信号平衡重力变化原理来感应地震波信号。2、幅度与相位频率特性曲线在500Hz内都是平坦直线。3、信号失真度低于0.003%，即瞬时动态在90dB之上。4、传感器直接输出24位一个样点的数字信号。5、能自动识别和校正垂直地心方向的倾斜角度。数字传感器感应的是重力的变化，它不再有模拟检波器的机电结构和电磁感应机理，所以不怕任何工业频率和雷电干扰。,地震检波器自然频率探讨,随着地震勘探向着高分辨率、宽频带接收发展，便要求接收系统既能充分响应高频信号又能有效响应低频信号，体现在振幅谱上就是主频部分不宜太突出，做谱平衡能得到适当的频谱比值。这就要求检波器应该有足够宽的频带，这也是多数情况下选用10Hz自然频率检波器的原因。但在特殊地区有时为了突出较高频信号并有意压制低频大信号(如高分辨率勘探)，就应适当选择自然频率高（如35Hz）的检波器。目前有8、10、12、14、28、30、35、40、60Hz等各种自然频率的检波器，这并不是增加了用户的选择，相反是增加了用户的负担，因为这样就不利于检波器的互换通用、备件材料供应以及应用选型。从石油地震勘探的需求来看，我们认为只保留10Hz、35Hz（或左右）两种自然频率的检波器就足够了。,认识与建议,1、当代地震勘探仪器采用的都是技术的24位ADC，其核心技术指标都大同小异，也即所有仪器的地震资料采集效果总体一样。2、地震勘探仪器的应用效果不仅取决于仪器的固有特性，也取决于组织管理效率、设备完好率、使用者的技能素质、使用方法和使用参数或环境等。3、就地震数据采集质量言，东方公司现有各种地震勘探仪器都能满足勘探需求，实际应用时只要根据数据流量（包括采样率、接收道数等）合理选择相应类型的仪器即可。,认识与建议,4、在众多的检波器中，传统的检波器总体处在同一技术水准，相比之下超级检波器和新型的加速度检波器的接收能力更强，真正具有划时代意义的是数字检波器，只有数字检波器的技术性能接近地震仪器水平。5、应选用失真度低、灵敏度高、容差范围小的超级速度或加速度型检波器。当然最好的选择还是数字检波器，因为只有数字的性能是最优的且基本与地震勘探仪器性能相匹配。6、不同原理检波器的技术和性能指标也各不相同，有些指标甚至相差上百倍，但受反射地震波固有属性影响，它们的勘探效果并不象技术指标那样差异悬殊，相反所采集的地震资料总是大同小异，所以对于普通的勘探选用那种检波器都能完成勘探目标。,认识与建议,7、石油地震勘探行业只保留10Hz和35Hz两种自然频率且串内组合方式采用3*3或5*2的检波器就可以满足各种勘探目的的需要。因为3*3的组合方式是一种平衡对称的结构，此时能获得最佳的综合性能。8、模拟地震检波器最难突破的技术指标是失真度，其关键原因就在于电磁感应式检波器的原理结构，这也是模拟检波器走向末日的根源。数字传感器（检波器）采用了全新的MEMS技术，各项技术指标都有质的突破，尤其是失真度能控制在0.003%之内。选择数字传感器进行地震勘探是今后的发展方向，它不仅可以提高勘探精度并防范工频干扰，也可以减化劳动强度提高生产效率。,