地震仪器技术现状、发展方向及存在问题概述

地震仪器技术现状、发展方向及存在问题概述

张庆

中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处仪器服务中心河北省涿州市072750

摘要：近年来，我国逐渐进入到大数据时代，大数据时代的石油地球物理勘探已全面进入“两宽一高”勘探时期，来自于宽频带、宽方位、高精度的数据采集记录，全地表、低成本、健康与安全环保的更高要求以及短作业周期的野外施工作业等多方面需求的升级，对地球物理勘探开发核心装备———地震数据采集记录系统提出了新的要求。本文从社会发展、物探技术发展的角度，分析了地震仪器技术现状、发展方向及存在问题。

关键词：两宽一高；地震仪器；有线传输；无线传输；地震数据本地存储

引言

地震仪器是油气勘探的关键设备，其勘探能力直接决定着野外地震数据采集的效率和质量。目前，业内常用的地震仪器大致可以概括为3类，即节点仪器、无线仪器以及有线遥测仪器，每种仪器都有各自的优缺点和适用范围，可独立使用，也可借助相关软硬件平台实现在同一项目的无缝联合采集，从而满足不同甲方和施工地表条件下的勘探需求。不同的地震仪器涉及数据的种类、量级不尽相同，如何在大数据背景下低成本、高效率和高质量地完成地震数据采集作业任务已经成为一个亟待解决的棘手问题。

1地震仪器标准化现状

（1）各地震仪器生产厂家自成体系，阻碍了地震仪器统一技术平台的建立，导致地震仪器不能健康有序发展。（2）不同地震仪器具备不同的功能和性能指标，使用户无法对不同种地震仪器技术水平做出准确评价，为合理选用地震仪器带来困难。（3）地震仪器输出数据格式的不统一，为现场质控和后期资料处理带来不便，影响生产效率。（4）用户缺乏客观、公正的地震仪器检验方法和验收手段，目前只能依赖生产厂家提供的仪器检测方法，且不同仪器产品的技术指标量值也不相同，如果检测结果失准，将会直接影响采集地震数据的质量。

2地震仪器大数据带来的挑战

相比于通常提到的计算机信息处理中的大数据，地震仪器大数据是一个特殊的概念，有其独特的特征和处理需求。在现场采集作业时，需要对多种不同类型、不同数据格式或编码方式的海量数据进行处理、信息挖掘和综合分析，使得地震仪器大数据时代的地震仪器作业面临更多的挑战。（1）海量生产资源的高效管理。随着“两宽一高”物探技术的规模化应用，野外地震勘探采集动用的资源愈发庞大，以国内某常规三维采集项目为例，项目满覆盖面积397km2，观测系统为44L*2S*220R正交，道距25米，线距100米，炮点距50米，炮线距125米，使用6台可控震源，有线采集设备3万道。如此大的采集规模，在低成本、高效率、高质量地震勘探的要求下，地震仪器作业面临着设备技术状态管理、排列动态管理、可控震源扫描属性数据的实时监控等方面的挑战。（2）高效、精准的现场质量控制。一方面，基于地震仪器主机激发控制的各种高效地震数据采集施工方法的规模化应用，使得传统以人工监控、回放纸质为主的质量控制方式转向了以质控软件为主、人工分析为辅的方式，但10万道以上的超大规模地震勘探会对质量分析准确度和实时性提出了新的要求；另外一方面，像ISS、独立激发等新的作业方法，以及节点仪器等新型地震采集系统的应用，也为现场地震数据质量控制带来新的课题。（3）地震数据的快速存取和安全管理。在野外地震数据采集作业时，会涉及大量地震数据（包括单炮记录和中间数据）的拷贝和转移。在地震勘探大数据时代，野外采集道密度和激发炮点密度均有大幅度的提高，每日生产炮数会是以往的几倍，单炮记录万道，甚至数万道，都会对地震数据的存取速率和安全管理提出新的要求。（4）多类型数据的综合信息分析与评价。地震仪器作业是囊括采集排列管理、炮点激发控制、数据采集记录、现场质量控制的综合性的过程，需要对不同格式或编码方式的数据进行及时的准确的综合分析和评价，从而确保采集数据的质量和勘探施工的效率。因此，地震仪器是汇集和处理多种信息或工作任务的一体化平台，超大规模的地震数据采集必会对其软硬件性能带来新的挑战。

3地震仪器的发展方向

地震仪器的发展受成熟先进技术的支持，电子、通讯、制造、测试、数据采集等技术的发展推动着地震仪器的发展，尤其是嵌入式技术的发展直接带动地震仪器地面设备的升级换代，基础技术发展对地震仪器技术问题的解决直接体现在：（1）计算机技术：海量数据存储管理（包括ＱＣ、转储）。（2）嵌入式技术：地面设备的智能化、小型化、稳定性、功耗等性能指标，缩短产品的开发进程、降低研发和制造成本。（3）通讯技术（包括移动通讯、有线通讯）：百万个采集点与激发同步，大道数的同步、管理、采集及便利性（使用、管理）和效率。（4）电子技术：多功能、智能、高精度、低功耗和低成本。（5）先进制造技术：稳定性、可靠性、小体积等环保和高效要求。

4目前地震仪器发展存在的问题

4.1地震数据存储与管理

高密度高效采集对于地震数据的存储与管理主要有数据存取速率和安全性两个方面的需求。在数据存取速率方面，主要考虑现场数据写入性能，现有的主流地震仪器大都支持磁带、磁盘和NAS等存储媒介，在数据安全管理方面，除了使用的NAS盘、磁盘阵列使用RAID结构实现数据的安全保护以外，在用的G3i、428XL、508XT仪器均支持同时向多个存储媒介同时输出采集的地震数据，以实现数据的备份。

4.2地震信号的记录能力方面

地震信号的记录能力主要是与影响地震数据采集质量或精度方面的性能指标相关联，主要体现在任何扩展有效记录频带、降低信号畸变水平和提高信号记录精度。可进一步划分为地震信号传感（或转换）环节、地震检波器部分和地震信号数字记录环节、采集站的数字化记录通路即仪器部分。就地震仪器而言，目前地震仪器普遍采用Δ－Σ技术的24位或32位模／数转换器，简化地震信号调理电路，降低仪器本身噪声，使地震仪器的动态范围达到了120ｄＢ以上。相对来讲数据采集的性能指标水平较高，考虑到电子产品制作工艺及地球物理勘探中地震信号的特征，特别是考虑地球对高频信号的快速衰减及高次数叠加的勘探方法，可以通过对有效信号的放大来相对降低地震仪器的噪声水平，充分利用24位ＡＤＣ的特点，达到提高记录精度并且扩展频宽的目的。但如何兼顾高频小信号和低频大信号是目前地震仪器攻关的课题。就检波器而言，目前物探行业5Ｈｚ等低频检波器与10Ｈｚ高精度检波器相比，存在灵敏度低、容差大、假频低、使用寿命短、故障率高等问题。限于结构的原因，再往低频扩展恐难适应大道数采集所需的高精度、稳定性和低成本等的要求。而采用普通动圈式检波器进行本地数字化的加速度检波器（例如ＧＡＣ检波器）而言，往低频扩展的宽度有限，而且只能单点采集作业，存在目前单点采集所遇到的问题（例如信噪比问题）。数字反馈结构的ＭＥＭＥ数字检波器理论上频率可以到ＤＣ，但目前同样存在只适用于单点采集、畸变指标大于－100ｄＢ、稳定性和故障率欠佳等问题。

结束语

综上所述，地震仪器的发展动力来自于物探技术的发展和社会基础技术发展的推动，也来自于对物探技术推动的愿望，并且受全球经济状况的影响。然而，地震仪器更新换代的根本却来自于技术的创新。社会基础学科或相关领域发展起来的技术都有其特定的应用条件和解决问题的针对性和局限性。只有深入了解市场、了解需求、分析问题并且结合相关前沿技术的跟踪和研究，才能开拓物探装备新的未来。

参考文献：

［1］孙传友，高光贵．遥测地震仪器原理［M］．北京：石油工业出版社，1992：12－113．

［2］易碧金．地震数据采集站原理与测试［M］．北京：电子工业出版社，2010：140－175．

［3］王喜双．物探监督［M］．北京：石油工业出版社，2012：116－161．

［4］苏振华．地震数据采集系统基础［M］．北京：电子工业出版社，2012：183－200．