吳學(xué)兵

(1.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所,北京100090;2.中石化地球物理公司裝備管理中心,江蘇南京211100)

隨著國(guó)內(nèi)陸上油氣勘探程度的不斷提高,勘探目標(biāo)越來(lái)越復(fù)雜,已經(jīng)從早期的簡(jiǎn)單、大型構(gòu)造油氣藏發(fā)展到目前的復(fù)雜、隱蔽型油氣藏[1],此類(lèi)油藏對(duì)地震勘探的分辨率和成像精度要求越來(lái)越高,“高密度、寬頻帶、寬方位、單點(diǎn)、超大道數(shù)”采集成為物探技術(shù)的發(fā)展方向[2]。寬頻地震采集包括地震波的寬頻激發(fā)技術(shù)、寬頻接收技術(shù)和合理的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。寬頻勘探不僅涉及到寬頻采集技術(shù),還涉及到針對(duì)性的資料處理技術(shù),是一項(xiàng)系統(tǒng)工程?！皩掝l帶、單點(diǎn)、高密度、大道數(shù)”的地震采集趨勢(shì),要求地震檢波器具有“單點(diǎn)單支、頻帶寬、靈敏度高、保真度高、使用方便”等性能指標(biāo)與之相適應(yīng)[3]。地震檢波器作為寬頻信號(hào)接收的重要環(huán)節(jié)和最前端設(shè)備,還要求具備幅頻相頻響應(yīng)線性化等特性。電磁式檢波器自20世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái),一直主導(dǎo)著地震勘探行業(yè)市場(chǎng)。自20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始,該檢波器得到不斷改進(jìn)和完善,其靈敏度、可靠性和一致性不斷提升,失真度不斷降低[4]。目前仍在廣泛使用的動(dòng)圈檢波器即電磁式檢波器,主要基于電磁感應(yīng)原理,地面振動(dòng)引起線圈與磁鐵產(chǎn)生相對(duì)位移,使得內(nèi)部磁通量發(fā)生變化,從而產(chǎn)生感應(yīng)電壓,該電壓與線圈相對(duì)磁鐵的運(yùn)動(dòng)速度成正比,檢測(cè)的是速度信號(hào)。這種動(dòng)圈檢波器受工作原理、材料、制造工藝等制約,已經(jīng)接近它的性能極限。如動(dòng)圈檢波器工作在諧振頻率以上時(shí),其幅頻響應(yīng)在諧振頻率以下存在12dB/Oct的衰減,使得目前地震勘探更為關(guān)注的10Hz以下低頻地震信號(hào)衰減嚴(yán)重。另外,動(dòng)圈檢波器內(nèi)部彈簧從靜止到拉伸存在一定的非線性失真,使其有效帶寬相對(duì)較窄(10～200Hz)、失真度相對(duì)較高(-62dB)、動(dòng)態(tài)范圍相對(duì)小(<60dB),一定程度上影響了地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的進(jìn)一步提高[5]。

基于MEMS(micro electro mechanical system)原理的數(shù)字檢波器面世已近20年,此類(lèi)檢波器在技術(shù)指標(biāo)上較動(dòng)圈式檢波器有明顯的提升。MEMS 傳感器由兩對(duì)固定電極和一塊可移動(dòng)的質(zhì)量塊電極構(gòu)成,可移動(dòng)的質(zhì)量塊電極和固定電極之間形成了一個(gè)電容器,當(dāng)外部振動(dòng)迫使質(zhì)量塊移動(dòng)時(shí),通過(guò)反饋電容變化而調(diào)整的控制電壓就迫使質(zhì)量塊保持不動(dòng)?？刂齐妷悍答伒氖峭饬Φ淖兓?因此,MEMS檢波器檢測(cè)的是加速度信號(hào)[6-11],且工作在諧振頻率以下,從幅頻和相頻響應(yīng)來(lái)看,有效頻帶寬(3～500Hz)、失真度低(<-90dB)、動(dòng)態(tài)范圍大(>120dB)。但由于MEMS數(shù)字檢波器輸出的是數(shù)字信號(hào),與現(xiàn)有地震儀器系統(tǒng)(從檢波器輸出、采集站端輸入的是模擬信號(hào))不兼容,需要有專(zhuān)門(mén)的采集系統(tǒng)與之配套;同時(shí),這種數(shù)字檢波器價(jià)格昂貴、前端MEMS傳感器野外耐用性差,使用中故障率高,因此其推廣應(yīng)用受到制約。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外陸續(xù)推出了高靈敏度、低自然頻率的單支動(dòng)圈檢波器。該檢波器對(duì)內(nèi)部彈性系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),自然頻率從10Hz降低到5Hz,通帶寬度為5～160Hz,一定程度上拓寬了低頻端信號(hào)采集帶寬。但這種低頻檢波器受芯體質(zhì)量、彈性結(jié)構(gòu)和材料的制約,降低自然頻率后頻率允差增大,故障率也隨之增高,導(dǎo)致其使用壽命縮短,影響了推廣應(yīng)用。除了電磁檢波器技術(shù)改造外,圍繞寬頻采集需求,國(guó)內(nèi)很多廠家和科研院所開(kāi)展了各類(lèi)新型檢波器的研發(fā),并進(jìn)行了大量的野外采集試驗(yàn),如MEMS寬帶電化學(xué)地震檢波器[12]、光纖激光微地震檢波器[13]、干涉型光纖地震檢波器[14]、基于彈性薄壁管的光纖光柵高頻加速度檢波器[15]等。這些新型檢波器一定程度上具備了寬頻采集性能,但距離油氣勘探大道數(shù)、嚴(yán)酷條件下的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚存在一定距離。

本文結(jié)合動(dòng)圈檢波器技術(shù)成熟、MEMS檢波器閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)拓頻的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種基于反饋控制的新型檢波器,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)測(cè)試[16]和野外地震數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)[17],驗(yàn)證了該新型檢波器的特性參數(shù)和采集性能[18-21],獲得了較高品質(zhì)的地震資料。

1 基本構(gòu)成及傳感原理

常規(guī)地震檢波器(如20DX-10)、5Hz低頻檢波器都屬于開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu),基于MEMS技術(shù)的數(shù)字檢波器是閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的新型檢波器(圖1)則由雙線圈機(jī)芯、閉環(huán)反饋電路、供電系統(tǒng)三部分構(gòu)成,其中,供電系統(tǒng)由高性能鋰電池和太陽(yáng)能充電器組成,雙線圈機(jī)芯由傳感線圈和控制線圈組成。其基本工作原理是外部振動(dòng)引起傳感線圈切割磁力線相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓后,閉環(huán)反饋電路產(chǎn)生的電磁力施加在控制線圈上,抑制了傳感線圈的非線性位移,將常規(guī)檢波器線圈毫米級(jí)的位移降低到微米級(jí),從而大大降低了檢波器的非線性位移。這樣一方面能大大降低檢波器的非線性失真,另一方面可以拓寬檢波器采集的帶寬。該檢波器反饋的是運(yùn)動(dòng)的加速度,因此是一種加速度型檢波器。新型檢波器設(shè)計(jì)為傳感和控制雙線圈結(jié)構(gòu)并加入反饋控制之后成為閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。與開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)檢波器相比,閉環(huán)結(jié)構(gòu)的檢波器可以有效降低線圈的非線性位移、拓寬信號(hào)帶寬,使得該檢波器比常規(guī)檢波器失真度更低、有效帶寬更寬、動(dòng)態(tài)范圍更大。

圖1 新型檢波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

根據(jù)常規(guī)地震檢波器測(cè)試技術(shù)指標(biāo),考慮到新型檢波器為加速度型,對(duì)新型檢波器的靈敏度、帶寬、噪聲等特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,并根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制了幅頻和相頻響應(yīng)曲線,計(jì)算了動(dòng)態(tài)范圍。

1) 頻寬測(cè)試。利用國(guó)家儀器儀表質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)測(cè)試臺(tái)(型號(hào)B&K4808;量程5Hz～10KHz;精確度±1.5%)進(jìn)行了頻寬測(cè)試。受振動(dòng)臺(tái)量程限制,從5Hz到300Hz進(jìn)行了單頻點(diǎn)逐點(diǎn)測(cè)試,振動(dòng)條件為1ms-2(1g=9.8ms-2)。將測(cè)得的檢波器各個(gè)頻點(diǎn)的幅值繪制成幅頻響應(yīng)曲線,如圖2所示。可以看出,在5～300Hz之間靈敏度曲線是平直的。

2) 低頻測(cè)試。利用低頻測(cè)試振動(dòng)臺(tái)(量程0.2～200.0Hz),從0.2Hz到10.0Hz進(jìn)行了不同頻點(diǎn)下的掃頻測(cè)試,結(jié)果如圖3所示。分析測(cè)試結(jié)果可見(jiàn),新型檢波器低頻端響應(yīng)的有效帶寬達(dá)到了0.6Hz。

3) 幅頻和相頻測(cè)試。利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了幅頻和相頻測(cè)試,結(jié)果如圖4所示。在1～240Hz范圍內(nèi)幅頻響應(yīng)起伏小于±0.1dB,在1～300Hz范圍內(nèi)相位非線性小于15°。

圖2 新型檢波器幅頻響應(yīng)

圖3 新型檢波器不同頻點(diǎn)下的掃頻測(cè)試(0.2～10.0Hz)a 相頻響應(yīng); b 幅頻響應(yīng)

圖4 新型檢波器幅頻和相頻測(cè)試a 幅頻響應(yīng); b 相頻響應(yīng)

4) 靈敏度測(cè)試。用單一頻點(diǎn)(31.25Hz)測(cè)試了10只檢波器的靈敏度,結(jié)果如圖5所示。分析測(cè)試結(jié)果可見(jiàn),新型檢波器靈敏度為10V/g;10只寬頻檢波器靈敏度誤差范圍為±3%,一致性高于動(dòng)圈檢波器靈敏度誤差為±5%的要求。

圖5 新型檢波器靈敏度測(cè)試

5) 諧波失真測(cè)試。在低頻測(cè)試振動(dòng)臺(tái)上完成了諧波失真測(cè)試。在10Hz頻點(diǎn)以500mV正弦波信號(hào)為激勵(lì)信號(hào),測(cè)得諧波失真結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過(guò)計(jì)算(排除振動(dòng)臺(tái)本身的諧波失真),新型檢波器總諧波失真為-82dB,遠(yuǎn)優(yōu)于動(dòng)圈檢波器(>-54dB)。

6) 噪聲測(cè)試。在某地震臺(tái)觀測(cè)站靜音硐室利用超低頻振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了噪聲測(cè)試。采集參數(shù)為:采樣率500sps;增益30dB。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7,幅度測(cè)算參照(code/232)×(5V/32)。

新型檢波器噪聲的峰值為(±2.5×106/232)×(5/32)=±90.9μV;噪聲的有效值通常為噪聲峰值的1/(6.0～6.6),即90.9×2/6.6=28.0μV。

7) 動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算。新型檢波器的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍定義為信號(hào)最大輸出(有效值)和最低噪聲(有效值)之比的常用對(duì)數(shù)與20的乘積,用分貝(dB)表示。DR=20lg[(2.5/1.414×106)/(90.9×2/6.6)]=96dB。

圖6 新型檢波器諧波失真測(cè)試

圖7 新型檢波器噪聲曲線

綜合分析以上測(cè)試結(jié)果,新型檢波器的主要特性參數(shù)指標(biāo)如下:通帶寬度1～300Hz;靈敏度10V/g;諧波失真-82dB(受測(cè)量方法的限制);本底噪聲為28μV,動(dòng)態(tài)范圍為96dB。說(shuō)明新型檢波器在頻帶寬度和保真度方面優(yōu)于常規(guī)動(dòng)圈檢波器。

3 野外采集試驗(yàn)與對(duì)比分析

根據(jù)地震檢波器工作原理的不同,設(shè)計(jì)并開(kāi)展了新型檢波器與同類(lèi)型加速度檢波器——MEMS數(shù)字檢波器、不同類(lèi)型速度檢波器——10Hz和5Hz動(dòng)圈檢波器的野外采集對(duì)比試驗(yàn)。采用炸藥震源激發(fā)方式,接收排列為間距1m的4個(gè)平行排列,分別為480道5Hz檢波器、新型檢波器、MEMS數(shù)字檢波器和10Hz檢波器,道間距20m。試驗(yàn)區(qū)勘探目的層深度一般在1.3～2.2s。

3.1 與數(shù)字檢波器對(duì)比

圖8對(duì)比了新型檢波器與數(shù)字檢波器的原始單炮解編記錄,其2～8Hz濾波記錄如圖9所示,淺中深層頻譜對(duì)比結(jié)果如圖10所示。

圖8 新型檢波器和數(shù)字檢波器單炮解編記錄對(duì)比a 數(shù)字檢波器; b 新型檢波器

圖9 新型檢波器和數(shù)字檢波器單炮2～8Hz濾波記錄a 數(shù)字檢波器; b 新型檢波器

從單炮解編記錄和2～8Hz濾波記錄來(lái)看,兩種檢波器采集的記錄基本一致,波組特征相似。從單炮記錄頻譜來(lái)看,兩者淺、中、深層頻譜曲線基本重合,頻譜特征一致。對(duì)比結(jié)果說(shuō)明新型檢波器與MEMS數(shù)字檢波器具有相似的寬頻特性:低頻響應(yīng)好、主頻高、頻帶寬。

3.2 與速度檢波器對(duì)比

圖11對(duì)比了新型檢波器與5Hz,10Hz速度檢波器的單炮記錄,其2～8Hz濾波記錄如圖12所示。

考慮到新型檢波器是加速度型檢波器,而5Hz,10Hz檢波器是速度型檢波器,2種類(lèi)型檢波器表征的物理量不同[8],具有不同的頻譜特征,直接進(jìn)行頻譜對(duì)比有失客觀性,因此專(zhuān)門(mén)做了一段采集對(duì)比試驗(yàn),以評(píng)估三種檢波器的實(shí)際采集能力。三種檢波器采集的資料經(jīng)過(guò)處理后得到的疊加剖面(覆蓋次數(shù)為16次)如圖13所示,圖14為剖面頻譜對(duì)比結(jié)果,新型檢波器頻寬達(dá)到0～76Hz,5Hz檢波器頻寬為0～55Hz,10Hz檢波器頻寬為2～55Hz,可見(jiàn)新型檢波器采集的剖面具有頻帶寬的優(yōu)勢(shì)。圖15對(duì)比了剖面細(xì)節(jié),可見(jiàn)新型檢波器采集的剖面分辨率更高、波組連續(xù)性更好、層間信息更為豐富,驗(yàn)證了新型檢波器頻帶寬的優(yōu)勢(shì)。

圖10 新型檢波器單炮記錄頻譜分析

圖11 三種檢波器單炮記錄解編對(duì)比a 5Hz檢波器; b 新型檢波器; c 10Hz檢波器

圖12 三種檢波器單炮2～8Hz濾波記錄a 5Hz檢波器; b 新型檢波器; c 10Hz檢波器

圖13 三種檢波器采集數(shù)據(jù)疊加剖面對(duì)比a 5Hz檢波器; b 新型檢波器; c 10Hz檢波器

圖14 三種檢波器采集數(shù)據(jù)疊加剖面頻寬對(duì)比a 5Hz檢波器; b 新型檢波器; c 10Hz檢波器

圖15 三種檢波器采集數(shù)據(jù)疊加剖面細(xì)節(jié)對(duì)比a 5Hz檢波器; b 新型檢波器; c 10Hz檢波器

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型檢波器并對(duì)其進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)、采集性能、適用性等多方面的測(cè)試、評(píng)估和對(duì)比分析,形成以下認(rèn)識(shí)。

1) 新型檢波器通過(guò)閉環(huán)控制設(shè)計(jì),降低了檢波器的失真度,拓寬了信號(hào)采集的頻寬,具有加速度檢波器的特性。

2) 新型檢波器通帶寬度為1～300Hz、諧波失真為-82dB,具有頻帶寬、失真度低的特性,下一步需繼續(xù)改進(jìn)以降低本底噪聲。

3) 新型檢波器采集的資料層間信息更豐富、成像精度更高,有利于提高地震資料縱向分辨率和地震成像精度。

綜合分析認(rèn)為,新型檢波器具有單支、保真度高、頻帶寬、與現(xiàn)有地震儀器兼容的優(yōu)勢(shì),是實(shí)現(xiàn)寬頻、單點(diǎn)單震源、高密度3D采集可選用理想檢波器之一。