油氣地震勘探記錄儀的分類及發展*

殷 文,李獻民

(1.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區,新疆 克拉瑪依 834000；2.中石油新疆油田勘探事業部,新疆 克拉瑪依 834000)

1 概述

在石油勘探中地球物理勘探的地位相當重要。其中,地震勘探環節在油氣勘探中成效最顯著,具有無可替代的重要作用。地震勘探是利用巖石的彈性差異來進行礦產勘查,通過人工激發地震波,研究地震波在地下不同地層中傳播的規律,以查明地下的地質構造。這其中地震工作所涉及的設備尤為關鍵,地震采集儀器設備經歷了一個不平凡的發展歷程。

在油氣地震勘探的工作環節中,地震勘探儀器是地球物理勘探開發的核心裝備,主要負責對檢波器采集的地震信號進行放大、過濾雜波、進行模數轉換,將地震信號由原始的模擬信號轉換為后期更易進行處理、解釋的數字信號,這直接關系地球物理勘探時采集數據質量、效率及成本。因此,隨著勘探力度的加強,從二維勘探到三維勘探、從常規勘探到高精度、高密度勘探,對地震勘探儀器的要求也越來越高[1]。

地震勘探儀器是一個時代科技的體現,是集當下世界先進的科學技術為一體的電子設備,基礎工業技術的發展和進步是地震勘探儀器發展的依托。以滿足用戶需求為目標,在地震勘探儀器已經成熟實用的技術基礎上,依托先進的基礎工業等技術成果,解決地震勘探儀器潛在的不足是地震勘探儀器的發展路線[2]。本文重點闡述了油氣地震勘探過程中不同代地震記錄儀的發展歷程、不同分類、性能指標、代表產品、性能的優勢和局限性等方面的內容。

2 地震勘探記錄儀的類型

地震勘探儀器與檢波器的發展是基本同時進行的,而且對檢波器的兼容性很強,可以與不同的檢波器一起使用。如今地震勘探儀器已經經歷了模擬光電記錄、模擬磁帶記錄、數字磁帶記錄、遙測數字、24 位A/D 型遙測數字五代,正處在第五代(24 位遙測地震儀器時代)向第六代(全數字遙測地震儀時代)發展的過渡階段。

2.1 模擬光電記錄地震儀器

從20 世紀30 年代初期,蘇聯人在機械式天然地震儀基礎上采用電子管技術研發出了第一代地震勘探儀器,這一代地震儀器一直發展到50 年代末期,經歷了大約30 年,這30 余年也是地震勘探發展的初期。

光點地震記錄儀器是采用光點記錄,以模擬波形光點感光照相紙記錄作為地震勘探的生產資料,成品記錄是在照相紙上每道記錄1 個反射地震信號。該類儀器采集的地震數據特點是動態范圍小；增益量少；頻寬窄。除此之外,模擬光點記錄地震儀器的主要缺點還有：體積質量大,難搬運；操作復雜；記錄道數少；抗干擾差；只能做二維勘探,不能做多次覆蓋；記錄不能做回放處理；采用自動增益控制,產生的畸變大,不能恢復原始數據。

2.2 模擬磁帶記錄地震儀器

20 世紀50 年代,法國公司率先將晶體管技術運用到了地震勘探儀器中,從此,地震勘探儀器的發展跨進了第二代——模擬磁帶記錄地震儀器,一直到60 年代末,是六代儀器經歷時間最短的一代。在國內,是從20 世紀60 年代中期到80 年代初。

模擬磁帶記錄儀器是以磁帶作為介質,在上一代的基礎上發展來的儀器,所得的原始地震數據資料為模擬磁帶記錄和熱敏紙模擬波形地震記錄。剛開始是直接記錄在磁帶上的,但由于直接記錄的動態范圍較小,就改成經調制后再記錄。相比于模擬光點記錄地震儀,這代儀器的體積、耗電量、質量減少,接受道數、頻帶寬度、動態范圍都相對增多,而且還可以做回放處理,實現多次疊加,但是由于回放轉錄一次信噪比降低6dB,就限制了多次覆蓋的次數。模擬磁帶記錄儀器產生的地震資料是可以用回放儀進行處理的,相比于前一代只能手工進行處理,效率增加了許多,但資料處理的速度仍然較低,質量也不高。

這代記錄儀主要不足之處有：儀器記錄精度較低、記錄動態范圍仍然較小、地震道數少、多次覆蓋次數受限、地震資料處理速度低和質量差等。模擬磁帶記錄儀器主要解決了模擬光點記錄儀不能回放的問題,主要問題還沒有解決,所以還是只適用于地質條件簡單的地區。

2.3 數字磁帶記錄地震儀器

20 世紀60 年代初,集成電路問世。20 世紀70 年代初,法國Sercel 公司將集成電路技術運用到地震勘探儀器的制作中,地震勘探儀器的發展就進入了第三代。這一時代一直到80 年代初結束,是地震勘探儀器發展輝煌的一代[3]。

數字磁帶記錄地震儀器利用了瞬時浮點增益控制放大技術、模數轉換技術、數字磁記錄技術、集成電路等新技術將檢波器采集到的地震信號經過前置放大、增益控制、模數轉換后以數字信號的形式記錄到磁帶中,得到的地震勘探原始資料為數字磁帶記錄和模擬波形地震記錄。該類儀器提高了動態范圍、頻帶寬度、精度、接受道數,從而提高了地震勘探的精度和地震勘探的質量,可做深層和薄層地震勘探。

這代記錄儀主要不足之處有：集中式數字地震儀動態范圍理論上可以達到168dB,但是考慮儀器噪聲等實際因素的影響,儀器的動態范圍一般不會超過120dB,而且瞬時動態范圍低于100dB[4],到了中深層就更低了,這遠遠不能滿足高分辨率地震勘探的需求；當IFP 的調整時間確定后,常規IFP 式地震記錄儀難以同時滿足較高的高截止頻率和較高的道數需求。

2.4 遙測數字地震儀器

20 世紀60 年代末期,大規模集成電路問世。20 世紀80 年代,美國GUS 公司、法國Sercel 公司先后運用大規模集成電路制造出新一代地震勘探儀器。從此,地震勘探儀器的發展就進入了第四代,一直到90 年代初,共經歷了10 余年。

遙測數字地震儀器沒有采集站和檢波器之間的大線電纜,使用放在檢波點上的采集站將檢波器輸出的模擬信號轉變成為數字信號后向中央控制記錄處傳送。在數字地震儀器上,所有道的模擬信號是分時地通過幾個浮點放大器和模數轉換器,無法提高數據采集的效率,而遙測數字地震儀的每個采集站只對幾道信號進行處理,將信號變成數字信號進行傳輸,來減少干擾[5]。

2.5 遙測數字地震儀器

20 世紀70 年代后期,超大規模集成電路誕生。20 世紀90 年代初,美國I/O 公司使用超大規模集成電路技術率先推出了24 位A/D 型遙測數字地震儀器,宣告了以傳統IFP+14 位ADC 位核心的第四代遙測地震儀器時代的結束和第五代24 位A/D 型遙測數字地震儀器的開始[3]。

24 位A/D 型遙測數字地震儀器采用高分辨率24 位A/D 轉換器,在體系結構、前端采集站、數據傳輸等方面與遙測數字地震儀器有很大區別。該類儀器電路結構簡單,減少了前端采集站的模擬大線和模擬多路轉換開關及模擬濾波器,儀器的體積和功耗大大降低。采用24 位A/D 轉換器,提高了瞬時動態范圍,減少畸變[4],記錄頻帶又有大幅度提升,采集能力得到進一步提高。

市場上主要的24 位遙測數字地震儀器也可以分成有線遙測地震儀器、無線遙測地震儀器、存儲式數據回放遙測地震儀器三類。在這三類地震儀器中,有線遙測地震儀器占據了市場大部分份額。無線遙測地震儀器一般用于特殊地表條件,也占據一定市場份額。而存儲式數據回收遙測地震儀器是一種沒有大線、沒有地震數據傳輸、主機只對采集站發收發炮等命令的特殊類型地震儀器,在我國使用較少[3]。

2.6 全數字地震儀器

2002 年,由于地震檢波器發展到了數字檢波器階段,發生了革命性的變化,地震儀器也應相應發生變化,因此,地震勘探儀器的發展跨入了第六代——全數字地震儀器時代。

這是一種以數字檢波器為核心的地震勘探儀器,整個接受系統的動態范圍可以達到90dB 以上,真正實現全數字化,不怕電磁干擾,具有萬道以上實時采集能力[6]。

它的主要特點有[7]：采用MEMS 數字檢波器,解決了高頻信號接受問題；檢波器直接輸出數字信號,大幅提高了信號保真度；采用新工藝使得儀器的集成度更高、體積更小、功耗更小。

3 地震記錄儀發展歷程

1914 年德國礦業測量員LudgerMintrop 用機械地震儀檢測德國鹽丘,此時的機械檢波器不是電磁檢波器。1921年Mintrop 成立的Seismos 公司標志著地震勘探工業的誕生。1929 年GRC 公司在德州Andrews 采用地震儀器車開展油氣勘探工作；1959 年CGG 公司在撒哈拉的24 道模擬地震儀；1961 年誕生了第一臺數字地震儀(GSI)；1968 年SERCEL 公司生產了24 道數字地震儀。

我國地震記錄儀的發展經歷了四個階段：二十世紀五十年代電子管光電照相記錄地震儀(動態范圍為25dB 左右),首次利用石油地震勘探發現了大慶長垣油田,電子管技術為地震勘探發展的第一階段；六十年代半導體器件構成的模擬磁帶記錄地震儀(動態范圍為45dB 左右)發現了大港、遼河、勝利等油田,模擬技術為地震勘探發展的第二階段；七八十年代數字磁帶記錄地震儀(動態范圍達90dB),1980 年開始了第一次三維數字地震勘探,數字技術為地震勘探發展的第三階段；九十年代后大規模集成電路記錄地震儀(動態范圍達120dB),數據傳輸方面出現了網絡遙測技術,遙測技術為地震勘探發展的第四階段。目前制約整個地震數據采集環節的關鍵在于地震檢波器和地震信號傳輸電纜,而不是地震數據記錄系統本身,我國是地震檢波器生產和使用最多的國家。

雖然國內地震勘探儀器市場長期普遍使用進口的儀器,但是跟隨國外先進技術,并自主研發的腳步卻從未停止過,在各個時期都成功研發的有相應類型地震勘探儀器[6]。

解放前,我國基本上沒有地震勘探,解放后才慢慢發展起來。1951 年成立第一個地震隊,在西北地區使用CC-26-51 凸型地震儀進行勘探。1957 年西安儀器廠研制出了DZ57-1 型模擬光點地震儀。雖然模擬光點地震儀被人們戲稱為“調不完的儀器”,且由于技術受限,只使用于地質比較簡單的地區,但是它們依舊為我國甩掉“貧油國”的帽子和發現克拉瑪依、大慶、勝利、玉門等油田做出了巨大貢獻[8]。

1966 年底,西安石油儀器廠研制出模擬磁帶地震記錄儀DZ661,次年通過石油部級鑒定。在尋找大港、遼河、中原、江蘇等油田中做出了巨大貢獻。模擬磁帶記錄儀主要解決了模擬光點記錄儀不能回放的問題,主要問題還沒有解決,所以還是只適用于地質條件簡單的地區。

1974 年起,石油部多次從美國和法國引進多臺數字地震儀器。1975 年,物探局儀器廠研制出24 道SCD-2 型瞬時浮點數字地震儀器。同年,西安儀器廠也研制出48 道SDZ-751A 數字地震儀器。1980 年,西安石油儀器廠研制出SK-8000 數字地震儀器。經過近十年的發展,我國的地震隊淘汰了模擬磁帶地震儀器,全部開始使用數字地震儀。至此,我國地震勘探儀器發展開始飛速發展起來了。這一代儀器在復雜斷塊和深層油氣藏的發現發揮了巨大作用。

1986 年,國內集中式數字地震儀器淘汰,出現遙測式地震儀,這類儀器的采集站最多可以采集8 道檢波器地震信號,但是國內一般都是用6 道的采集站。1988 年,國外開始大規模生產遙測式地震儀器。1990 年,西安石油勘探儀器總廠研制出YKZ-480 遙測數控地震儀,具有簡練,體積小性能穩定,操作方便的特點[9]。1991 年,物探局研制的SK-1004 型遙測數控地震儀通過國家級鑒定,填補了國內空白,達到了國外80 年代后期同類產品的先進水平[10]。但受限于年代的限制,SK-1004 采用的還是80 年代中后期的技術。1992 年,小型便攜的遙測地震儀SK-1005 樣機推出并進行考核性試實驗[11]。1996 年,物探局研制出國內第一個24 位儀器SK-1006,在塔克拉瑪干沙漠腹地和邊緣進行試驗,得到良好的記錄。

2000 年,物探局首次提出GPS 授時儀器概念,并在2002 年研制出相應的儀器設備。2009 年,東方地球物理公司自主研制出ES109 儀器,這是一款具有萬道以上的帶道能力和先進的網絡遙測技術的地震儀器,和國際上使用的主流儀器性能相當。2012 年,東方地球物理公司研制的G3i儀器,2013 年,在吐哈盆地順利完成全球陸上首次使用1.5Hz 低頻可控震源的工業化勘探,開創了中亞地區地震數據采集的記錄。

4 結論及認識

地震勘探儀器的發展不能只看重指標,而忽略發展的本質,在考慮儀器的指標的同時,還要根據用戶需求和實際生產體驗來考慮儀器的一些軟參數,如功耗低、輕便易攜、穩定性高、易操作。

同時,地震儀器在近一個世紀的發展中,受到的影響是來自于各個方面的,主要的還是受限于當時的基礎工業與理論。在考慮地球物理勘探開發技術需求的同時,也應該結合多學科先進的技術方法和理論。