地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (6): 2655-2662   PDF    
陆用压电单点检波器研发与应用
尚新民1, 朱军2, 关键1, 王胜阁1, 刘立平1, 张光德3     
1. 中国石化胜利油田分公司物探研究院, 山东东营 257022
2. 山东长安特易光电技术有限公司, 山东东营 257022
3. 中国石化地球物理公司胜利分公司, 山东东营 257086
摘要:目前地震勘探中广泛使用动圈式检波器组合接收地震数据,动圈检波器动态范围只有60 dB、灵敏度低、响应频率范围窄,不能同时检测深层低频地震信号和分辨率所需要的高频信号,使得24位地震仪器120 dB动态范围的指标不能真正发挥作用.检波器组合造成的叠加效应也会在一定程度上降低频率、模糊地震反射特征,已经不能满足当前高精度勘探开发的需求.研究团队经过多年技术攻关,先后攻克了压电陶瓷一致性与抗冲击能力差、低频响应差、电池长期供电等技术难关,自主研发了陆用压电单点检波器,具有频带宽、动态范围大、灵敏度高、兼容性好等优势,技术指标达到或接近了DSU、GAC等国外数字检波器的水平.在实验室测试及多个区块对比实验的基础上,实现了产品定型与工业化生产,在胜利油田东风港三维首次使用了陆用压电检波器进行地震生产,取得了良好的应用效果,对推动东部老油区单点高密度地震技术的进步具有积极的示范作用.
关键词陆用压电检波器    高精度地震    单点接收    频带宽度    动态范围    
Development and application of single-point land piezoelectric sensor
SHANG Xin-min1 , ZHU Jun2 , GUAN Jian1 , WANG Sheng-ge1 , LIU Li-ping1 , ZHANG Guang-de3     
1. Geophysical Research Institute of Shengli Oilfield, Sinopec, Shandong Dongying 257022, China
2. CATY photoelectric technique Company Limited, Shandong Dongying 257022, China
3. Shengli branch of geophysical corporation, Sinopec, Shandong Dongying 257086, China
Abstract: At present, the traditional moving-coil geophone has disadvantages of lower sensitivity and limited frequency response, 60 dB dynamic range, which cannot match the 120 dB dynamic range of 24-bit seismic instrument. The stacking effect caused by geophone array can also decrease the frequency and fuzzy seismic reflection to a certain extent, which can not meet the current demand of high-precision exploration anymore. After years of research on problems of piezoelectric ceramic consistency and impact resistance, low frequency response and battery life, we developed single-point land piezoelectric sensor with features of wide frequency band, large dynamic range, high sensitivity and good compatibility. The technical indicators measure up to or close to digital detector like DSU, GAC. On the basis of laboratory and field test, the DFG survey acquisition was carried out on single-point sensor for the first time. The subsequent application achieved good results which offered a good demonstration to promote the progress of single point high density seismic technology in oilfield of east China.
Key words: piezoelectric sensor     high precision seismic     single geophone     frequency band     dynamic range    
0 引言

地震勘探野外采集包括3个主要的环节:激发、接收与观测方式.地震接收系统主要由三个部分构成,即检波器(接收)、采集站(传输)、地震仪(存储),地震仪已历经4次升级:光点地震仪→模拟地震仪→16位数字地震仪→24位数字地震仪,采集站与地震仪同步升级,二者动态范围均≥120 dB.检波器是油气勘探必不可少的地震波传感部件,其技术水平和性能质量直接关系到地震数据的保真效果.因此,检波器不仅是实现地震波到电信号传感的核心部件,也是保障地震数据品质的基础装置.地震勘探中常用的动圈检波器,是一个简单的多线圈无源系统,通过电磁感应原理,它能把模拟速度信号转换成电压信号,从20世纪50年代至今,其原理结构未变,动态范围仅有60 dB,由此构成的采集接收系统仅能达到60 dB的效果,使整个采集系统造成了很大的浪费(韩晓泉,2013).由此可见,检波器已成为地震采集系统的瓶颈.

目前地震勘探中一般使用动圈检波器组合进行接收,多个检波器组合的目的是提高灵敏度与接收信号的信噪比,但是组合叠加效应也会在一定程度上降低频率,模糊地震反射特征,造成道间资料不一致性(张智等,2009).正演模拟结果与生产实践均证明,检波器组合基距及地表高程、近地表速度变化可造成地震资料频率降低5~10 Hz.因此,组合检波器已不适合当前勘探开发对地震分辨率的要求,单点高密度地震技术是下一步的发展方向.

国外单点高密度地震技术发展与应用较早,WesternGeco公司于2001年推出了Q-land技术,I/O公司2001年推出的三分量MEMS数字检波器VectorSeis,法国Sercel公司的DSU(MEMS)数字检波器,均能满足单点采集的要求(韩晓泉,2013).2009年,WesternGeco公司推出了新一代陆地地震系统-UniQ系统,该系统采用的GAC检波器是一种宽频、高保真的单道加速度检波器(刘欣欣等,2009刘振武等,2009胡莲莲等,2010刘颖,2010陶知非等,2013曾然等,2014),2013年以来,利用UniQ系统在川中公山庙工区、鄂尔多斯黄土塬工区、准噶尔盆地南缘霍尔果斯背斜等多个国内工区进行了单点高密度地震勘探,取得了很好的应用效果.

胜利油田早在2005年,在垦71地区使用DSU3数字检波器进行了三分量地震实验,采用10 m×10 m面元,覆盖次数180次,炮道密度180万道;2009年在罗家地区,使用DSU3检波器开展了单点高密度地震攻关,采用6.25 m×6.25 m面元,覆盖次数140次,炮道密度达到了358.4万道.罗家高密度资料与动圈检波器接收的老资料相比,单点检波器接收原始资料频带拓宽了40 Hz,处理地震剖面频带拓宽了20 Hz.但是由于DSU3检波器埋置要求高、兼容性差、过障碍能力差、引进价格高等原因,没有大规模投入生产应用(甘志强等,2013魏继东,2013).因此,研发一种技术指标先进、经济实用的国产单点检波器是推进陆上高密度地震技术进步的关键.

1 陆用压电检波器研发与测试

地震勘探检波器属于振动传感器,主要用于检测各种振动信号,并把振动的机械信号转换成电信号的装置,它们具有相同的工作原理,即是一个单自由度的振动系统,根据感应振动信号的物理量不同,传感器可分为位移、速度和加速度等3种类型.在地震勘探中常用的检波器主要是速度检波器和加速度检波器两类,其中最常使用的是速度检波器,但最好的应该是加速度检波器(吕公河,2009).

动圈检波器为速度型检波器,速度型检波器检测地表振动的速度,DSU(MEMS)检波器、GAC检波器与海洋地震勘探使用的压电检波器(水听器)等均为加速度型检波器,加速度检波器检测地表振动的加速度(任立刚等,2015).从原理上分析,随着频率增大,加速度检波器较速度检波器振幅提高的优势愈加明显,从而达到高分辨率采集的目的.

1.1 陆用压电检波器研发

水下压电检波器是一种压电式压力传感器,通常用于测量压力的变化量.水下压电检波器放入水中后,水的深度压力已成为一个定值,而且基本不发生变化.这个定值压力通过力学系统上的压力“窗口”传给压电器件,使得压电器件产生一个定量形变.当用高压气枪发出很强的激励振动信号之后,地层的反射信号是通过力学系统上的压力“窗口”传给压电器件,压电器件把振动的机械信号转换成电信号输出(杨恕等,2013).水下压电检波器正常工作的两个必要条件:一是有足够的水压;二是有振动的信号.如果压电检波器能够在陆上使用,必将能够大幅提高陆上地震资料分辨率,但是,水压的变化是水下压电检波器工作的基本条件,在陆上如何实现压力的变化是技术突破的关键.

早在2000年,北京大学赵鸿儒教授就提出了将压电技术用于陆上宽频带油气勘探的想法,并为此应用技术建立了数学模型和物理模型,同时提出了自己的技术构思.这一构思的基本思想是:在压电陶瓷上置一质量块,当地震波使检波器产生垂直位移时,由于质量块处于自由落体状态,其重量会发生变化,使压电片产生不同程度的弯曲变形,将机械能转换为电能.按照这一构思,国内多个研究团队开展了陆用压电检波器研究,虽成功研制出了样机并进行了野外采集实验,但是没有形成工业化产品(刘升虎和邢亚敏,2007曹磊和韩立国,2008杜克相等,2009).

压电技术应用于陆上地震勘探主要存在以下困难:压电陶瓷片一致性差、抗冲击能力差的问题;压电检波器高频响应好,低频响应差的问题;有源检波器长时供电问题等.本文作者之一朱军带领的团队,经过十三年的技术攻关,先后攻克了压电陶瓷一致性与抗冲击能力差、低频响应差、电池长期供电等技术难关.针对压电陶瓷片离散度较大的问题,通过从结构设计上、工艺上多次尝试,基本上解决了一致性差的问题.压电陶瓷片是脆性材料,受到较强的冲击时特别易发生裂纹、破碎,而石油物探的作业人员和环境又无法做到轻拿轻放,经过多年的攻关,基本解决了压电检波器抗冲击的问题,产品跌落次数可达到≥3000次.压电晶体是一种宽频带的机电转换元件,特别对高频响应较其他类型的机电转换模式而言优势较大,而对略显不足的低频端,通过对结构、材料、工艺等方面的优化,基本弥补了这些不足,实现了宽频带接收.有源检波器长时供电问题一直是围绕着这类产品大规模工业化应用的一个瓶颈,另外,石油物探对电源的要求还包括防水、抗冲击、适应高低温环境、防雷电等.历经数年攻关,基本解决了对电源的各种要求,所研发的电源具有体积小、防水好、抗雷击强、高低温性能好、连续24小时供电可达2年以上.

在以上攻关的基础上,成功研发了LHKJ-1A型陆用压电检波器.其基本结构主要包括:检波器内部有两个压电机芯和一个高精度匹配的电路,在2个压电陶瓷片上加有一个质量块,其工作原理符合牛顿第二定理.当检波器震动时,质量块对压电晶体产生惯性压力,从而在压电晶体两端产生电压(图 1).

图 1 LHKJ-1A型陆用压电检波器结构图与实物照片 (a)检波器内部结构图;(b)检波器实物照片. Figure 1 Structure view and photo of LHKJ-1A land piezoelectric sensor (a)Internal structure view; (b)Picture of sensor.

陆用压电检波器的机电转换过程是:力学系统是安装和固定压电器件的支架部分,该系统直接与外界接触,当受到外力作用时,支架和压电器件仪器随被检测物体振动,与压电器件固结在一起的惯性体也随压电器件同步运动,并使压电器件产生微小的形变,这种微小的形变使得压电器件产生电荷输出,而匹配电子电路将电荷放大并转换为电压输出.这种检波器由于运动产生的形变很小,因此响应速度很快,对高频的接收能力是其一大优势,它的结构中没有任何可动部件,因此不存在假频和谐波失真问题.陆用压电检波器的出现突破了地震接收技术瓶颈,动态范围达到了110 dB,从接收方面完善了整个采集系统,实现了高分辨率采集.

1.2 实验室测试对比

陆用压电检波器研发过程中,先后开展了室内定量分析、工程地震仪锤击分析等实验室分析测试,测试内容包括主要技术参数分析;复频特性曲线分析;瞬时冲击时、频特性分析;有效信号提取能力分析等.

复频特性曲线是幅频和相频曲线的统称,从静态测试的复频特性曲线来看,在5~400 Hz范围内,陆用压电检波器的幅频和相频曲线均是一条平直的直线,与数字检波器幅频和相频特性基本一致(单刚义等,2009).有效信号提取能力分析是输入10 Hz、20 Hz直到200 Hz等标准信号,分别测试不同检波器的响应信号,从测试结果来看,10 Hz动圈检波器在80 Hz以下响应较好,60 Hz动圈检波器在自然频率附近响应较好,低频端与高频端响应很差,陆用压电检波器在高低频端均有较好响应.图 2是瞬时冲击时、频特性分析实验结果,即使用标准余弦信号进行瞬时冲击时,不同检波器震动响应与对应频谱.可以看出,陆用压电检波器波形保持最好,响应频带最宽;10 Hz动圈检波器波形保持较好,响应频带最窄,60 Hz动圈检波器波形保持最差,虽然频带较宽但是缺乏低频.

图 2 室内标准余弦信号模拟采集频谱分析 (a)标准余弦信号及频谱;(b)陆用压电检波器记录信号与频谱;(c)10 Hz动圈检波器记录信号与频谱;(d)60 Hz动圈检波器记录信号与频谱. Figure 2 Spectrum of standard cosine signal simulation in laboratory (a) Standard cosine signal and corresponding spectrum; (b) Record and spectrum of land piezoelectric sensor; (c)Record and spectrum of 10 Hz moving-coil geophone; (d)Record and spectrum of 60 Hz moving-coil geophone.
1.3 地震采集对比实验

在陆用压电检波器研发过程中,先后在国内多个地区或油田进行了地震实验对比.特别是2013年后,以胜利油田为生产及主测试基地,先后在盘河、肖庄北等多个区块进行了生产实验对比,包括东部平原区、水网区、西部沙漠区、南方山地区等不同地表条件实验,苏1井沙漠区近50℃高温及布尔津-30℃低温等不同气候条件实验,二维(宽线)对比、三维束线对比及稳定性、兼容性实验等(表 1).根据生产实验结果对检波器进行了多次改进,为检波器的最终定型与大规模生产奠定了基础.

表 1 陆用压电检波器与其他检波器对比实验方案 Table 1 The comparison among different sensors

在盘河地区进行了多种检波器综合对比实验,包括10 Hz动圈检波器、28 Hz动圈检波器、60 Hz动圈检波器、超级检波器、高灵敏度检波器、DSU数字检波器、陆用压电检波器等7种单点检波器,以及36个20DX检波器组合、18个超级检波器组合、4个高灵敏度检波器组合等,实验采用平行排列二维接收,道距12.5 m,炮点距50 m,共180炮.

图 3~图 5分别是陆用压电单点检波器与DSU数字检波器、20DX检波器组合接收原始单炮、频谱分析与叠加效果对比,从原始单炮与频谱分析对比来看,陆用压电检波器与DSU数字检波器接收地震资料特征基本一致,较20DX检波器组合接收资料频带展宽40 Hz左右(表 2).从处理后的叠加剖面分析,陆用压电接收地震剖面与DSU数字接收地震剖面特征相近,反射特征清楚,同相轴一致性好,垂向分辨率明显高于20DX组合接收叠加效果.

图 3 盘河地区不同检波器接收原始单炮对比 (a)DSU数字检波器记录;(b)陆用压电单个检波器记录;(c)36个20DX组合检波器记录. Figure 3 Record comparison among different geophones in PANHE survey (a)Record of DSU; (b)Record of single land piezoelectric sensor; (c)Record of 20DX geophone array.

图 4 盘河工区不同检波器接收原始单炮频谱对比 (红色:20DX检波器组合;绿色:陆用压电检波器;蓝色:DSU数字检波器) Figure 4 Frequency spectrum comparison among record by different geophones in PANHE survey (Red curve is geophone of 20DX; Green curve means land piezoelectric sensor; Blue curve indicates DSU digital sensor)

图 5 盘河工区不同检波器接收叠加剖面对比 (a)DSU数字检波器;(b)陆用压电单点检波器;(c)36个20DX组合. Figure 5 Stack section comparison among different geophones in PANHE survey (a)Section of DSU sensor; (b)Section of land piezoelectric sensor; (c)Section of 20DX sensor array.

表 2 盘河工区不同检波器接收资料频率对比(分析时窗:1000~2000 ms) Table 2 Frequency comparison of data among different sensors in PANHE survey
1.4 陆用压电检波器技术指标对比

从实验室测试与野外地震实验效果分析,陆用压电检波器具有采集频带宽、动态范围大、灵敏度高、失真度低、兼容性好、环境气候适应性强等特点,达到了国外数字检波器技术指标(表 3).与DSU(MEMS)数字检波器相比,陆用压电检波器采用标准接口与采集站连接,兼容性好,能与20DX等其他检波器混合使用;防水性好,密封性≥0.1 MPa,可在小于10 m水深使用;连续抗跌落次数≥3000次,适应野外较为粗放的施工模式;检波器尾椎可拆卸,可在城区等硬化路面上使用水泥或石膏快速固定,过障碍能力强;具有良好的温度适应性:-40 ℃~80 ℃,高温、低温气候条件的生产实验表明适用于不同季节及气候条件;能够适应平原、水网、沙漠、山地等地表条件,环境适应性好.

表 3 不同检波器主要技术参数对比 Table 3 Technical parameter comparison of sensors
2 陆用压电检波器应用

在大量生产实验的基础上,2015年,陆用压电检波器最终定型并投入工业化生产,建立了年产150000道检波器生产线,目前已生产LHKJ-1A型检波器60000道.

2016年,在胜利油田东风港地区首次使用陆用压电检波器进行了三维高精度地震采集.东风港三维构造位置位于济阳坳陷车镇凹陷车西洼陷的南斜坡,含油层系为沙一段、沙二段、沙三段、沙四段和古生界,油藏埋深在1700~3600 m.工区属于典型的东部冲积平原近地表,地势平坦,整体以农田、水域、乡镇村庄、油田设施为主.本次地震项目为二次高精度地震采集,地质任务主要是落实主要目的层沙二段、沙三段、沙四上亚段多级断层结构,中浅层能够识别10 m以上断层;提高沙三段、沙四上亚段储层的地震分辨率.

2.1 东风港二维实验线对比

东风港三维地震勘探正式施工之前,首先对陆用压电单点检波器与18个超级检波器组合进行了二维宽线对比实验,图 6~图 7是原始单炮及主要目的层段频谱对比,陆用压电检波器资料虽然信噪比稍低,但是反射振幅强,反射信息保真;超级检波器组合接收资料信噪比高,但是由于组合带来的混波效应,反射信号保真度差.从频谱上分析,以-18 dB作为优势频带,超级检波器组合接收资料中沙三段优势频带范围为2~60 Hz,陆用压电检波器接收资料中沙三段优势频带范围为3~97 Hz,优势频带拓宽了约35 Hz.

图 6 东风港工区不同检波器原始单炮对比 (a)陆用压电单点检波器接收;(b)18个超级检波器组合接收. Figure 6 Record comparison between different geophones in DFG survey (a)Record of land piezoelectric sensor; (b)Record of 18 improved 20DX sensor.

图 7 东风港工区不同检波器接收原始资料频谱对比 (蓝色:超级检波器组合;红色:陆用压电单点) Figure 7 Frequency spectrum comparison of record by different geophones in DFG survey (Blue curve is array of improved 20DX sensor; Red curve means land piezoelectric sensor)
2.2 东风港三维高精度地震应用效果

东风港地区已全部被三维地震所覆盖,老地震资料采集于20世纪90年代,覆盖次数低,一般为20~40次,面元网格大,从20 m×100 m、25 m×50 m到25 m×25 m不等(表 4).由于老资料面元网格大、覆盖次数低等原因,虽然经过多次目标处理,但地震成像精度与分辨率仍不能满足现今勘探开发的需求.经过多次技术论证,胜利油田决定在该区实施高精度地震,技术人员在明确地质任务的基础上,建立了本区主要目的层三维模型,开展了以目标层照明与正演为主的参数论证工作,在多个采集方案对比的基础上,最终确定采用表 4所示的高精度三维地震方案.与车41(1993年)、车26(1996年)等老三维相比,东风港三维采用了单点、小面元、高覆盖、宽方位、高密度进行采集(王海等,2009杨贵祥等,2011),炮道密度达到了100万道以上.

表 4 东风港三维新老观测系统参数对比 Table 4 Geometry parameter comparison in DFG survey

东风港三维满次面积124 km2,共采集地震数据22610炮.从施工效果来看,陆用压电单点检波器工作稳定,坏道率低,检波器埋置做到了精细施工,检波点位置精度从米级提高到了厘米级.在激发方面,对每一炮进行了最佳岩性层逐点井深设计,保证激发出宽频地震信号,适当提高了激发药量,弥补了单点检波器压制干扰能力弱与信噪比的缺憾.与之前组合接收相比,单点接收收放线施工人员与运载设备减少了一半,检波器人工搬运与挖坑埋置劳动量大幅降低,施工效率提高了20%以上,全区有效生产29天,平均日产810炮,最高日产1139炮.

图 8是东风港三维新、老单炮对比,单点检波器接收资料虽然信噪比稍低,但能量整体较为均衡,保真度高,干扰波影响较弱,主要目的层段1300~1900 ms老资料优势频带7~65 Hz,新资料优势频带8~107 Hz,频带拓宽了近40 Hz.

图 8 东风港三维新老单炮对比 (a)东风港三维(2016);(b)车26三维(1999). Figure 8 Record comparison between different geophones in DFG survey (a)Shot from DFG survey(2016); (b)Legacy record(1999).

针对东风港地震资料单点接收,资料保真度高,高密度观测,信息丰富,宽频带、宽方位的特点,处理中采用了以保幅、保真处理为主线的地震资料处理技术,主要包括:利用高密度的初至信息,精细反演近地表模型,消除近地表时差影响;利用小道距、高密度采样波场构建十字交叉道集,通过三维正交子集规则噪声分离技术实现保幅的面波噪声压制;根据单点地震资料宽频带的特点(徐海等,2012),采用叠前地表一致性反褶积与叠前、叠后吸收衰减补偿处理技术,小幅逐步拓宽频带;充分利用宽方位信息,开展各向异性精细速度建模与叠前成像处理,最终得到了高精度成像地震剖面.

图 9是新、老叠前时间偏移剖面对比,单点采集地震剖面横向小断层断点、断面清楚,成像精度大幅提高.与老资料相比,偏移剖面频率提高了20 Hz以上,垂向地震分辨率明显提高,有利于沙三段、沙四段薄层追踪与解释.

图 9 东风港三维新老地震资料偏移效果对比 (a)2010年重新处理老剖面;(b)2016年陆用压电单点地震剖面. Figure 9 Migration comparison between 20DX geophone and single-point land piezoelectric sensor data (a)Legacy data processed in 2010;(b)Data from single-point land piezoelectric sensor in 2016.
3 结论

自主研发的陆用压电单点检波器正式投入生产应用,提高了我国在地震装备领域的核心竞争力.与常规检波器组合接收的地震资料相比,陆用压电单点检波器接收的地震资料一致性好,更加真实地保持了地下反射特征,大幅提高了地震成像精度与分辨率,单点地震代表了高精度地震技术的发展方向,对东部老油田具有积极的示范作用.在同等施工条件下,与组合接收方式相比,单点接收可以大幅减少施工人员,提高施工效率,降低生产成本.在投资不变或略有增加的情况下,使用单点检波器可以进一步增加炮道密度,得到成像精度更高的地震资料.

致谢 感谢审稿专家提出的宝贵修改意见和编辑部老师的帮助,胜利油田物探研究院芮拥军、柳光华、石林光、李强等在陆用压电单点检波器实验与分析过程中做了大量工作,在此一并表示感谢.
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