【19.02】宽频地震采集技术的 进步与应用 (下)
时间:2019-03-19 11:27
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震源激发了宽频地震信号,能不能被检波器有效接收才是问题的关键。 目前,陆上采集生产中使用的检波器主要分模拟检波器和数字检波器两种。不管是常规的模拟检波器、5Hz 的低频检波器,还是数字检波器,它们都有接收低频信息的能力,只不过各自的动态范围、本底噪声不同,造成接收低频有效信号的能力有差别。数字检波器技术模拟检波器的特点:本底噪声在低于其共振频率时会急剧增大,而数字检波器,虽然没有共振频率的约束,但是其内部的机械和电子噪声使其在低频端的本底噪声比模拟检波器还要大,较强的仪器噪音限制了两种检波器在极低频率(小于 2Hz)下记录微弱信号的能力。
从图 1a(以模拟检波器(SG10+FDU)和数字检波器(DSU428)为例)可见,数字检波器 DSU428 在 90Hz 以上时本底噪声才低于模拟检波器。这 种 强 仪 器 噪 音 大 大 影 响了高频段信号的信噪比,只有减小仪器噪音水平才能提高接收高频信号的能力,提高高频段的信噪比。仪器噪音包括电子噪音和机 械 噪 音。 数 字 检 波 器 是 基 于MEMS 技 术 的 加 速 度 传 感 器,首先通过改变电极梳的位置,改进密封 MEMS 的封装包等一系列措施,消除来自于位置传感器的电子噪音;其次通过最大限度地去除应用到 MEMS 电极上控制信号的幅值和相位噪声,消除来自于闭环电路上激发装置的电子 噪 音; 最 后 通 过 进 一 步 净 化MEMS 所处的真空来降低粒子的布朗运动产生的噪音,并且修改机械设计 , 消除影响系统稳定性的干扰振动。
通过以上的技术改进,新型数字检波器(DSU508)在不增加功耗的情况下,仪器噪声大幅度降低,如图 1 所示在 90Hz 左右的地方,噪音水平从图 1(a) 的 41ng/ 降低到图 1(b) 的 10ng/ ,噪音水平至少降低了 10dB,则仪器的动态范围相应增加了 +10dB,可见新型数字检波器的本底噪声在整个频带范围内都要低于模拟检波器,这就提高了数字检波器记录宽频地震信号的能力。采集技术的进步机 械 和 电 子 设 备 制 造 上 的技 术 改 进 对 于 拓 展 频 带 是 重 要的, 但 不 可 否 认 的 是 要 记 录 到80~120Hz(与地表条件有关)以上的高频信息仍然面临着巨大的挑战,所以在采集时采用合理的设计方案,要考虑如何提高经地层吸收已经很微弱的高频信号的信噪比,来采集尽量宽频的地震有效信号,那么高密度单点采集就是其中的一种选择。
三维地震采集测试对比。上述两条二维测试线都是在同一时间使用两种检波器采集,由笔者统一处理的结果。对于三维采集也有类似的对比研究工作。2008年,在准格尔盆地车排子 Che89工区做过三维高密度数字检波器的采集,该工区与模拟检波器采集 工 区 Che28 有 很 大 的 重 合 区域。图 2 显示的就是两个工区重合剖面的结果对比。从对比图上可以看出数字检波器的成像在分辨率、信噪比、频带宽度和波组关系方面都有很大程度的改进与提高。对比两种采集方式,除了检波器不同外,观测系统也有较大差异。
单只数字检波器代替检波器串组合,道间距由 50m 加密到 20m,道密度提高 10 倍。最终的偏移结果证明高密度、数字单点检波器接收在这个地区非常适合的。高密度可控震源单点激发。大量的实际数据表明,单点接收地震采集技术有很多优势,在高覆盖次数的基础上,消除检波器组合带来的静校正误差和组合降频效应,保护高频信息,有效拓宽资料频带,保幅性更好。同样对于炮点来说,加密单点激发的炮点密度也使地震信息具备以上这些优势。震 源 台 数 减 少 至 一 台 势 必对资料的信噪比有很大的影响,可 以 通 过 增 加 地 面 出 力 的 大 小来 弥 补 震 源 台 数 减 少 对 资 料 信噪 比 的 影 响,80,000lbf 出 力的 大 容 量 超 重 型 可 控 震 源( 如Nomad90)就是通过增大地面出力(GF)来提高资料信噪比的。现在这种超重型震源单点激发的项目主要应用在中东和北非。
由于这种震源具有低频有效能量更大,同时不会丢失高频能量的特点,加上单台采集的高效性,使得这种超重型可控震源在这些地区的应用越来越广泛。高密度采集并不意味着道密度越高越好,因为达到一定的覆盖次数以后,信噪比就不会再有很大的提高,并且随着道密度增加,施工成本也会攀升。因此,在制定野外采集方案时,一定要根据工区的实际情况,采用合理的设计方案。
总之,宽带地震技术依赖于设备的改进、新型采集技术和创新性的处理流程组合。对陆上地震来说,频带拓宽的进步主要表现在频带于低频端的扩展。机械和液压系统设计改进后的可控震源可以使激发扫描信号范围达到1~250Hz 及以上,数字检波器的配合使用更增强了接收高低频微弱信号的能力。陆上拓展高频仍面临不小的挑战,由于高频信号经低降速带的吸收衰减后已经非常微弱。为了提高高频端的信噪比,在某些条件具备的地区则可以采用单点激发、单点接收、高密度采集的方式,消除由于炮、检点组合所引起的组内静校正或各向异性所造成的高频信号的损失。通过加密空间采样来改善近地 表 模 型 和 地 表 一 致 性 处 理 的效果,采用高覆盖、小面元采样来提高成像的信噪比并消除采集脚印,只有仔细考虑采集设备选择、现场采集方案设计和成像处理模块的选择,才会消除整个地震勘探中限制频带宽度的薄弱环节,得到真正的高质量宽频地震数据。