地震勘探仪器原理

地震勘探仪器原理地院地球物理系二零一三年九月

参考教材地震勘探仪器原理

袁子龙、狄帮让、肖忠祥

石油工业出版社(2006-05出版)

地震勘探仪器原理

孙传友，潘正良编著

石油大学出版社

1996-12地震勘探仪器原理刘仲一主编石油工业出版社1986

地震勘探仪器原理（物探仪器专业用）

吕郊石油大学出版社1997年10月第1版

主要章节第一章绪论第二章震源第三章地震检波器第四章地震数据采集第五章 地震数据传输第六章 地震数据记录第一章绪论第一节地震勘探技术地震勘探是地球物理勘探中最重要、解决油气勘探问题最有效的一种方法。从地震勘探在第一次世界大战中的应用现在不到一百年，地震勘探技术已经有了飞速发展。从折射波法到反射波法、从单次剖面到多次覆盖、从模拟磁带到数字磁带、从普通叠加到偏移归位、从二维地震勘探到三维地震勘探，甚至到现在的四维地震勘探、从单分量地震勘探到多波多分量地震勘探，地震勘探技术得到不断的发展，而且地震技术的应用也已经从传统的勘探领域进入到开发领域，一切发展的前提是地震采集技术的长足发展。地震勘探技术是一个系统工程，从地震资料的采集、室内处理到地震资料的解释三个环节紧密相连。地震勘探技术三大环节

野外数据采集室内资料处理地震资料解释这三大环节中，地震勘探成功的关键很大程度上取决于地震采集技术。如果地震采集技术不过关，无论采用多么先进的处理软件和方法，都不可能无中生有的处理处理想的地震剖面，得到正确的地质信息。但是由于仪器设备制造工艺、野外采集的复杂性等因素的影响，地震采集技术的研究与发展处于相对缓慢的状态。地震勘探应该说可以分为两大勘探领域----陆地和海洋。对陆上勘探来讲，由于地表条件不同，可分为平原、山地、沙漠、黄土塬和滩浅海勘探；海洋主要指深海勘探。不管是哪一领域，尽管要采用不同的勘探设备、技术和方法，但对地震勘探本身来说，万变还是不离其中的，仍然分为采集、处理、解释三大环节。一、地震采集

地震资料的采集技术涉及众多内容，大致可分为采集设计、采集方法、装备制造和项目管理。进一步可细分为采集设计、采集技术、质量控制、基础资料管理、信息技术、HSE、测量、装备制造等。但要真正解决地震勘探的采集问题，还要涉及地震波的传播理论，主要是近地表非弹性介质的地震响应、噪声的影响等。1、采集设计

为了完成地质任务，要求所使用的观测系统各方位角的炮检距分布，覆盖次数分布，最小炮检距、最大炮检距分布合理，有利于地质体的正确成像；要求具有足够的排列长度，以保证对深层的勘探效果，确保三维地震勘探资料适应中长期对深层目标勘探的需要。实际上这就是我们常说的施工设计，也就是指导野外施工队伍的标准文件。采集设计需要对基础地球物理采集参数进行论证，包括纵、横向分辨率，面元和道距大小，最小和最大炮检距，非纵距，覆盖次数等，每个参数的应用范围都有一定的假设条件，各个参数的成立条件及相互联系，又相互制约。所以，一般情况下，设计观测系统是要限制最大非纵距，尤其是在断层发育、地质构造复杂、地层倾角变化大的地区，应使最大非纵距尽可能的小一些。炮检距分布取决于炮点分布、最大炮检距、最小炮检距、覆盖次数及非纵距分布，在窄排列片中炮检距的分布比较均匀，并且纵向覆盖次数越大，炮检距分布越均匀。方位角的分布主要受横向覆盖次数和排列非纵距的影响。方位角分布和炮检距分布是一对矛盾，在实际设计时应根据目标有所侧重。设计观测系统是还要考虑偏移成像、速度分析、反褶积等对面元属性的要求。

一个三维地震采集的观测系统的设计是一个复杂的综合分析论证的工作过程，一般难以完全做到面面俱到。就三维设计而言，采集成本主要与满足信噪比要求的覆盖次数大小和满足分辨率要求的反射面元大小有关，这两个因素一旦确定，地震采集成本就会基本上得到控制，因为三位观测系统使用的道数也就会随之基本上受控。在此基础上，最大炮检距的变化是决定整个设计覆盖次数变化的关键，其在有效接收范围内的减少或增加，即是选择窄方位、宽方位还是全方位观测系统，改变采集成本变化的主要因素。在面元大小、覆盖次数、最大炮检距3个采集因素基本明确，采集成本基本受控的前提下，就可针对不同的地质任务要求选择三维观测系统。2、地震波的激发与接收

地震波的激发与接收是地震勘探成功的关键。对陆上地震勘探来讲，近年在地震资料的野外采集方面有不少的发展，主要表现在地震波的激发与接收两个方面。例如，目前野外施工措施可概括为“四高”：高定位精度、高空间采样、高时间采样率、高覆盖次数；“两组合”：组合检波、组合激发；“两埋实”：检波器挖坑埋实、激发井埋实（闷井）；“两均匀”：反射点方位角分布均匀、炮检距分布均匀；“两优化”：优化采集参数、优化试验方案；“一措施”：干扰严重时不放炮。在地震震源、激发方式、检波器技术和地震波接收方式等方面不断出现新的研究成果，大力推动了地震勘探技术的发展，为地震资料质量的提高提供了坚实的基础。激发震源的研制，主要围绕如何提高高频信号的能量，并且充分利用炸药的激发能量，减弱表层干扰波的能量和对地表设施的破坏作用。

激发方式的研究是地震勘探的重要组成部分，包括激发的井深、药量、组合激发、激发条件等方面的试验研究工作。接收技术的研究主要包括地震仪器技术、地震检波器技术和野外使用检波器组合等方面的技术。3、质量监控与评价常规质量监控序列包括2个主要阶段：（1）观测系统和坐标系统的控制及它们与地震数据的一致性。（2）通过少量的纵测线、横测线甚至时间切片的初步叠加对整个地震质量进行控制。目前对于质量监控，出现了第三个阶段，目的是要计算一些强健的属性，他们将以不同的模式，如炮点、检波器、面元、炮检距等，帮助对地震质量进行全面定量化控制。下面是一个简单的流程：第一阶段

SPS野外数据第二阶段标记观测系统控制处理初叠加第三阶段属性计算数据库存储以选定模式排序或分析作二维或三维图件ADＳ辅助数据标准文件４、野外队伍施工这是在观测系统确定之后资料采集的具体实施过程，由野外工作队伍完成，队伍组成一般包括：测量：确定排列走向，标定检波点、炮点位置； 排列：按照测量位置埋设检波器；钻井：按炮点位置打井，布设炸药；爆炸：逐一对炮点实施爆炸；仪器：对整个采集过程实施控制，记录原始资料；施工：制定每天的工作计划，解决现场出现的技术问题；现场处理：对每天的原始资料进行有限的处理，发现问题，及时指导野外工作。

三维观测系统的设计涉及到多种技术，在近年的SEG年会及物探技术研讨会上不断有关于采集设计的新思路、新方法。下面以胜利油田的一个工区三维施工设计为例，介绍具体设计过程（陈１２工区为例）二、地震资料处理这是在室内由大型的计算机配上丰富的专用处理软件来完成的。对地震资料的处理一般分为常规处理和特殊处理，常规处理是针对地质条件不是很复杂，野外资料品质较高，勘探目的没有特殊要求地区的处理，主要借助目前国内外较成熟的处理软件完成；特殊处理主要是针对特殊勘探目的的处理，一般没有太成熟的技术，需要研究人员自行研究解决。常用的处理软件有：ＯＭＥＧＡ、ＧＥＯＤＥＰＴＨ、ＶＩＥＭＳ、ＣＧＧＧＥＯＣＬＵＳＴＥＲ、ＦＯＣＵＳ、ＧＲＩＳＹＳ、ＧＥＯＱＵＥＳＴ、ＶＩＰ及ＥＣＬＩＰＥＳ、ＧＲＯＦＲＡＭＥ、ＬＡＮＤＭＡＲＫ、ＬＣＴ等等；所用的技术有：多次波消除、静校正、地震成像、ＡＶＯ分析技术、地震属性技术、地震各向异性与多波勘探、地震资料并行处理等技术，得到的是整个工区的地震处理剖面，这个剖面就可提供给解释人员进行地震资料的解释。沾化凹陷陈家庄凸起三、地震资料的解释

随着地震勘探程度的日益提高和油气勘探目标类型的日益复杂，隐蔽性油藏和复杂断块油藏的勘探占据主导地位，所以进行高分辨率的地震解释是地震解释工作的主要研究方向。高分辨率的地震解释的目的就是充分利用地质、钻井、测井、测试分析等各种资料，充分发挥高分辨率地震资料和信噪比高的优势，采用各种地震解释技术手段和技术方法，最大限度的刻画出地下地质目标，最准确地反映出地下地质情况，为隐蔽性油藏和复杂断块油藏的勘探提供最可靠的资料。这一阶段涉及的主要技术包括：高分辨率地震资料解释基础研究，细分为：地震资料分辨率能力分析；高分辨率地震资料极性分析；储层地震反射特征分析等；高分辨率层位识别和标定技术包括：高质量合成地震记录技术；高精度速度参数技术分析；应用ＶＳＰ资料对比层位；三维空间综合标定技术等。

高分辨率地震反演技术：这是一门集物探、测井、地质、计算机等多学科的综合地球物理勘探技术，代表了地球物理技术发展的一个合理趋势。目前，高分辨率地震反演主要借助于不同的反演软件系统，如：加拿大的Ｓtrata软件、俄罗斯PARM软件、荷兰Jason软件等，充分利用测井资料，结合地震资料，实现信号重构，正确认识地层结构和进行储层描述。高分辨率地震反演主要的3种实现方法是：稀疏脉冲法（如Jason）、共轭剃度算法（如Strata）、全局优化的退火模拟算法（如Isis）；高分辨率多井约束地震反演等；

高分辨率地震属性分析技术包括：地震属性的提取和优化；利用属性进行储层预测和构造精解释、断层解释；研究储层地震相等；地震属性分析技术目前国内外处于发展阶段，瞬时振幅、相位频率、相干体分析波阻抗反演等属性体在满足特定条件的情况下，对于岩性变化有一定的检测能力。地震属性技术对于地震解释性处理、构造解释成图、地层解释、岩性预测和油藏监测等发挥了重要作用，同时促进了地震勘探方法在油田勘探开发中的应用，为油田增储上产也起到了重要作用。

一般来说，通过地震勘探的三个阶段的工作后，结合其它资料，就可以进行井位确定，储量计算，为决策部门提供井位建议。下面将这一阶段的工作归纳看一下：134井合成记录与地震记录叠合图樊135-博14连井剖面樊135樊136通47博14T2T4T6T7樊斜21—樊137连井地震剖面层位标定T2T4T6T7编制反射层构造图博兴洼陷T4反射层构造图博兴洼陷南坡T7构造樊134樊137樊136反演技术流程图建立初始模型提取子波约束稀疏脉冲反演道合并有效厚度地震资料测井资料

地质分析资料输出反演阻抗体模型反演提取地震特征建立初始模型地震资料测井资料

地质分析资料模型反演建立初始模型地震资料测井资料

T4以下顺层切片储层的描述和预测T4顺层切片T4下25ms顺层切片樊128砂体分析(反演)樊137樊128樊8樊128砂体樊128-5

樊128砂体分析樊133樊128-1樊128井区沙三中砂体顶面构造图

储层的描述和预测樊128井区沙三中砂体厚度图

樊136地震剖面樊136EW197

樊136东预测砂体建议井

樊136东预测砂体建议井砂体有利圈闭面积2.1km2，高点埋深2680米，砂层平均厚度12米，预测石油地质储量120万吨，建议井位一口。樊136东预测砂体构造图

通47井北东预测砂体建议井

通47井北东预测砂体建议井通47井北东沙四段砂体顶面构造图储层的描述和预测砂体顶面构造图

砂体有利圈闭面积2.2k，高点埋深3060米，砂层平均厚度10米，预测石油地质储量150万吨，建议井位一口。砂体厚度图建议井通47井北东沙四段砂体厚度图高35—-设计井1—设计井2—高89井油藏剖面设计井高890油层:6米/4层油水同层：5.5米/1层试油：12.1t/d油层:7.5米/4层试油：5.25t/d

从以上地震勘探技术的三个环节的简单介绍中,我们可以了解到,地震勘探成功的关键很大程度上取决于地震采集技术。如果地震采集技术不过关,无论采用多么先进的处理软件和方法,都不可能无中生有的处理出理想的地震剖面,得到正确的地质信息。而采集技术中仪器设备的技术对野外采集的影响又至关重要。第二节地震勘探仪器

地震勘探装备很多,涉及的范围很广。其中直接用于野外地震数据采集的专用设备，称之为地震勘探仪器。地震勘探仪器的任务：是在地表激发地震波并把返回地表的地震波接收和记录下来。因此，地震勘探仪器应包括震源、检波器、地震仪三部分。其中，震源激发地震波，检波器接收地震波并把它转换为电信号，地震仪对地震电信号进行放大、滤波再把它记录下来成为野外地震记录。

野外采集的最终成果，是地震勘探仪器产生的野外地震记录，这是地震勘探的资料处理和资料解释的原始依据和工作基础。地震勘探仪器本身性能好坏和使用是否得当，直接影响地震记录质量，也就必然影响到后期资料处理和资料解释工作，最终势必影响地震勘探效果。

所以，地震勘探仪器是地震勘探装备中最基础的设备，也是最关键最重要的设备。地震勘探仪器原理历来是地震勘探这门学科中一个不可分割的内容。

地震勘探仪器的三大部分是互相联系缺一不可的，比较而言，地震仪的结构最复杂。地震仪实际上是一种记录地震信号的电子仪器，从“微观”上看，它采用的元器件和基本电子电路与一般的电子仪器没有多大区别，但从“宏观”上看，它的整体组成框图和工作原理与一般的电子仪器相比却大不相同，其本质区别在于地震仪是电子技术与地震勘探技术相结合的产物。1、地震勘探对地震仪器的基本要求

地震仪把返回地表的地震波记录下来，作为勘探工作者推断地下地质情况的依据，为了保证这种推断的准确、细致，就要求地震仪尽可能真实地把地震波的各种特征如实的记录下来，既不丢失有用的信息也不增添任何不需要的成分，这是衡量地震仪性能好坏的标准，也是设计和制造地震仪的基本要求。也就是说，要制造出优良的地震仪，一定要完全了解地震波。1）地震波的形成如果把某工区地层看成是一个系统，把震源激发产生的激发波看成这个系统的输入信号，那么到达地面的地震波就是这个系统的输出。这个信号系统要受到多个因素的影响：震源效应：震源及其激发条件对激发波波形的影响。地层效应：地震波在地层中传播时受到的各种影响。到达地面的地震波波形可以认为是“震源效应”和“地层效应”共同作用的结果。影响地震波振幅、频率特征的“地层效应”主要有以下三种：（1）波前扩散指地震波从震源向四面八方传播，其散布的面积即波前面的面积随传播距离的增加而增大的现象。在均匀介质中，这种波前扩散为球面扩散。设在半径为r1和r2的波前面上，地震波振幅分别为A1和A2，则

A2/A1=r1/r2

即地震波的振幅与其传播距离成反比。（2）吸收效应地震波在介质中传播时，其总能量部分地逐渐被介质吸收，一般认为，在均匀介质中吸收效应使地震波的振幅呈指数衰减。设地震波的频率为f，速度为V，起始振幅为A0，经过时间t传播d距离后，由于吸收效应，振幅将变为At：β---吸收衰减常数吸收衰减为：α---吸收系数。结论：对于同一种岩石，同一频率的地震波在地下旅行的时间越长，其振幅越小。在旅行时间相同的情况下，地震波的高频成分比低频成分衰减快。因此，浅层反射波到达地面是振幅强，主频高，深层反射波到达地面时，振幅弱，主频低。（3）反射和透射

地震波在遇到不同地层分界面时，会产生反射和透射。在多个分界面时，将产生多个反射和透射。假设界面上下地层密度分别为ρ1和ρ2，地震波速度分别为V1和V2。入射波振幅是A0，反射波振幅是A1，透射波振幅为A2，反射系数为R，则地震波法向入射到界面上时有

反射系数是反射波法勘探中的重要参数，反射系数的大小取决于界面两侧的岩性。岩性差异越大，反射系数的绝对值越大，反射振幅越强。2、地震波的特征1）有效波和干扰波有效波：能够解决某一特定地质任务的一类波。干扰波：一切妨碍分辨有效波的其它波。在折射波地震勘探时，折射波是有效波，在反射波法勘探时，折射波是干扰波。有效波和干扰波是相对的。现在的地震勘探主要用的是反射波法，“一次反射”波（简称反射波）是有效波。2）反射波的运动学特征与反射波到达时间有关的特征，如到达时间、速度等，称为运动学特征。3）动力学特征地震波的波形特征称为动力学特征，它包括振幅特征和频率特征。（1）振幅范围地震信号的振幅范围称为地震信号的动态范围：计算过程：设检波点离震源距离是x，最深目的层深度为h，令离震源距离R0处地震波的初始振幅为