一种地震子波原理测试地震检波器的方法与流程

1.本发明涉及地球物理勘探领域，特别涉及油气勘探用地震检波器的地震子波传感品质测试技术。


背景技术：

2.近几十年的地下矿物发现和探明手段证明，地震勘探是寻找地下矿藏特别是油气资源的最有效方法。所以，油气地震勘探技术得到了长足的发展，目前正在兴起的是高精度、高密度、宽频带地震勘探技术。
3.油气地震勘探最关键的是地震子波的传感、采集和记录，其中地震子波传感又是关键中的关键。通常，地震子波的传感都是借助地震检波器完成，因此地震检波器的性能直接关系到地震勘探的成效。那么，最大程度地保证地震检波器的技术性能便是保证地震勘探成效的前提。
4.为了保证地震检波器的地震子波传感技术性能，通常依靠的是地震检波器参数指标的测试。对于普遍应用(占总量90％以上)的电磁感应原理速度型地震检波器，这些参数指标一般包括自然频率、灵敏度、阻尼系数、失真度、电阻等。近几十年来一直是通过周期性测试这些参数指标来控制地震检波器的综合技术性能。虽然这种传统测试方法，总体上能够反映地震检波器的固有特性，但却不能直接反映传感地震子波的量化品质。例如，自然频率不能直接反映地震子波的频带、灵敏度不能直接反映地震子波的振幅、阻尼系数不能直接反映地震子波的相位等。加之地震检波器总是配套地震仪器工作，所以脱离地震仪器测试地震检波器得到的结果也不能代表实际工作性能。因此，就导致传统的地震检波器测试结果不能直接反映传感地震子波的品质，显然不利于传感地震子波的质量保证和提升，也不利于当前高精度、高密度、宽频带地震勘探技术的实施。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种地震子波原理测试地震检波器的方法，以解决传统的地震检波器因测试结果不能直接反映传感地震子波的品质，而不利于传感地震子波的质量保证和提升，也不利于当前高精度、高密度、宽频带地震勘探技术的实施等技术问题。
6.为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术如下方案。
7.一种地震子波原理测试地震检波器的方法，包括：
8.创建一处超安静的环境，即确保安放地震检波器环境的震动加速度小于0.2μg；创建一个能够包容采集站、地震检波器操作的电磁完全屏蔽的空间；
9.通过制作一个安放地震检波器的工装，确保地震检波器的自由轴与地面垂直，配套地震检波器的工装还有隔振环；
10.选择一台具有线性相位滤波、0db前放增益、0.25ms采样间隔、地震检波器脉冲测试功能，且等效输入噪声小于1μv、谐波畸变小于0.0003％、可响应最低频率不大于0.6hz、样点分辨率24位(含符号位)的单站单道模式地震仪器，作为地震子波信号发生器和地震检
波器响应输出记录器，操作时地震检波器的输出接到采集站的输入；将800至1200ω的0.1％精度以上的电阻连接到参考道采集站输入，在地震仪器上按设定方式启动地震检波器脉冲测试并进行记录；
11.以电阻道的脉冲响应作为参考标准，比较地震检波器的脉冲响应相位，进而求取地震检波器的相位延迟、衰减时间、平衡恢复时间；从频率、相位、幅度、时间各个方面量化脉冲响应的波形特征，由此量化地震检波器传感地震子波的质量；
12.通过比较地震检波器和电阻的脉冲电压响应波形来量化地震检波器传感地震子波的相位特性，通过分析脉冲电压响应波形来量化地震检波器传感地震子波的衰减时间和恢复平衡时间；具体为读取地震检波器和电阻响应的峰值时刻，前者者减去后者的差，即为匹配地震仪器时地震检波器的相位延迟；读取地震检波器响应的峰值时刻与紧随其后的次峰值时刻，后者减去前者的差，即为匹配地震仪器时地震检波器的衰减时间；读取地震检波器响应波形完全恢复到平衡，0值上下均衡波动状态的时刻，恢复到平衡状态的时刻减去峰值出现时刻，即为匹配地震仪器时地震检波器的平衡恢复时间；
13.以地震子波原理测试的地震检波器响应数据为对象，进行频谱分析，获得如振幅谱，此振幅谱即为匹配地震仪器时地震检波器的幅频特性曲线；
14.地震检波器最低频率分辨能力和最小信号分辨能力测试的实施步骤是：在超安静环境下测试地震检波器的输出，那么输出信号的均方根值就是地震检波器的本底噪声，即均方根值除以灵敏度，即为匹配地震仪器时地震检波器的最小信号分辨能力；经由灵敏度将此值转换为地震检波器的运动速度便是可分辨的最小震动信号；最低频率分辨能力从脉冲响应结果获取，做法是对地震检波器的脉冲响应测试结果进行频谱分析，并局部放大振幅谱的低频段，考虑到地震仪器通常的低频响应极限都具有最低的振幅，所以以最低振幅值对应的频率为参考背景，去寻找大于最低振幅值2db的点，2db预示着幅度是背景的1.25倍以上，通常高出背景2db以上的信号视为完全可分辨，此点对应的频率就是相应地震检波器可分辨的最低频率；
15.在超静环境下测试地震检波器获得的本底噪声为下限，以地震仪器的最大允许输入信号幅度(均方根值)为上限，最大允许输入信号幅度与本底噪声之比，即为匹配地震仪器时地震检波器的动态范围；
16.以地震子波原理测试地震检波器获得的可分辨最低频率为下限，以地震检波器的假频为上限，可分辨最低频率到假频点的区间，即为匹配地震仪器时地震检波器的响应频带。
17.通过算法和相应的处理程序，将地震子波原理测试地震检波器的结果转换为量化数值，算法相应的处理程序包括均方根值计算、波形显示、频谱分析、直流成分剔除、相关、叠加、滤波、谐波计算；其水平(x)轴和纵向轴(y)可以任意放大和缩小，光标所在位置自动显示水平轴和纵向轴的数值，频率显示精度达到1μhz，时间显示精度达到1μs、电压显示精度达到1μv。
18.本发明与现有方法和技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
19.1、本发明提供的地震检波器传感地震子波品质的测试方法，能够直接量化地震检波器响应地震子波的时间、相位、最低频率、动态、频带、最小幅度等特性(传统的地震检波器性能测试方法无法直接反映地震子波的响应品质)，从源头上确保了高精度、高密度、宽
频带地震勘探的需求，并为研究技术更先进、指标更精细、性能更完美的新型地震检波器提供量化验证手段。
20.2、本发明提供的地震检波器测试空间环境和操作场地，比传统测试方法更为严格和可靠，测试结果更为纯洁和真实。
21.3、本发明提供的地震检波器测试方法严谨缜密，测试结果具有唯一性，同时测试是在匹配地震仪器下进行，测试结果直接反映实际工作状态下的地震检波器技术性能。
22.4、本发明提供的地震检波器传感地震子波品质的测试方法，首创直接测量地震检波器响应地震子波的相位延迟，且可精确到μs(算法实现程序的功能，通过在时间轴上移动光标定位可显示小数点后6位)，为确认地震子波叠加带来的相位“聚集”程度提供依据。
23.5、本发明提供的地震检波器传感地震子波品质的测试方法，首创定义脉冲响应最大峰值到后一个次峰值的时间差为响应地震子波的衰减时间(此时间内地震子波能量衰减90％以上)，直接将衰减时间用μs精度量化表示，为确定地震检波器可达到的空间分辨率提供依据。
24.6、本发明提供的地震检波器传感地震子波品质的测试方法，首创直接测量地震检波器响应地震子波恢复到平衡状态的衰减长度，为研究高分辨率、大动态范围的地震检波器提供参考指标。
25.7、本发明提供的地震检波器传感地震子波品质的测试方法，首创直接测量地震检波器响应地震子波的最低可分辨频率，且可精确到μhz(算法实现程序的功能，通过在频率轴上移动光标定位可显示小数点后6位)，为宽频(低频)勘探选择地震检波器提供量化依据。
26.8、本发明提供的地震检波器本底噪声测试方法，首创直接测量地震检波器的最小信号分辨能力(经过灵敏度换算所得)，反映地震检波器对来自深层弱小地震波的接收能力，并为研究低噪声地震检波器提供参考指标。
27.9、本发明提供的地震检波器测试方法，能够依据直接测量的最低可分辨频率和本底噪声，首创换算出地震检波器的响应频带范围(最低可分辨频率到假频点的区间)和动态范围(地震仪器最大允许输入与本底噪声之比)，为选择适合高精度、高密度、宽频带地震勘探的地震检波器提供依据。
28.10、本发明提供的地震检波器测试方法，通过首创量化测试地震检波器的相位、频率、本底噪声等多项参数，为研制技术先进、性能优越、精度超高等的新型地震检波器提供验证手段。
29.11、本发明提供的地震检波器测试方法与传统的方法相结合，为全面、客观、真实、量化测试地震检波器的技术性能提供了完整解决方案，结束了以往地震检波器选型没有依据、地震子波响应品质不能量化、响应频带等技术特性无法测试的历史，为满足高精度、高密度、宽频带地震勘探提供保障。
附图说明
30.图1-1是地震检波器的脉冲响应波形。
31.图1-2是电阻的脉冲响应波形。
32.图2是经过局部放大的地震检波器脉冲响应振幅谱。
33.图3是地震检波器和电阻的背景噪声对比。
34.图4是地震检波器和电阻的脉冲响应主体波形对比。
35.图5是地震检波器脉冲响应恢复过程展示。
36.图6是地震检波器脉冲响应的振幅谱。
37.图7是地震检波器脉冲响应的低频端振幅谱。
38.图8是一种地震子波原理测试地震检波器方法的原理示意图。
具体实施方式
39.本发明采用的实施方案(参见图8，图中，n是大于1的任意自然数)是：创建一处超安静的环境(如利用大山中深入地表数百米的山洞，或设法在深埋地下基岩上浇筑刚性水泥柱到地面，水泥柱与地表岩层空气隔离)，确保安放地震检波器环境的震动加速度小于0.2μg；创建一个能够包容采集站、地震检波器等操作的电磁完全屏蔽的空间，确保测试空间环境无任何电磁场干扰；制作一个能平、稳、正、直、紧安放地震检波器的工装，确保地震检波器的自由轴与地面垂直，配套地震检波器的工装还有海绵隔振环，地震检波器的输出线(带屏蔽)经由隔振环接入采集站，确保外部振动不能经传输线引入到地震检波器；选择一台具有线性相位滤波、0db前放增益、0.25ms采样间隔、地震检波器脉冲测试功能，且等效输入噪声小于1μv、谐波畸变小于0.0003％、可响应最低频率不大于0.6hz、样点分辨率24位的单站单道模式地震仪器(如508
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或节点单元)，作为地震子波信号发生器和地震检波器响应输出记录器，操作时地震检波器的输出接到采集站的输入；将1000ω(可以略大或略小)高精度(0.1％)电阻连接到参考道采集站输入，在地震仪器上按设定方式启动地震检波器脉冲测试并进行记录；以电阻道的脉冲响应作为参考标准，比较电阻和地震检波器的地震子波响应波形，读取电阻响应的峰值时刻与地震检波器响应的峰值时刻差(参见图4)，即为匹配地震仪器时地震检波器(响应地震子波)的相位延迟。
40.从频率、相位、幅度、时间等各个方面量化脉冲响应的波形特征，由此量化地震检波器传感地震子波的质量；在超静环境下测试地震检波器的本底噪声，并由此换算出地震检波器的动态范围和可分辨最小震动；按照设计的算法开发相应的处理程序；参考有关地震检波器的行业技术标准，以满足物探技术需求为前提，结合地震检波器的实际技术水平制定测试结果判定规则。
41.根据电磁感应原理速度型地震检波器的工作机理可知，地震检波器的输入和输出关系是可逆的，也即地震检波器接收地震子波迫使惯性体运动会输出相应波形(轨迹)的电压，反过来输入等同波形的电压也会迫使惯性体完成相应的运动。假设地震检波器接收地震子波是一个完全线性的过程，那么输入地震子波的形态(运动轨迹)就和输出电压的波形完全一样。这是理想的目标，实际上地震检波器不能做到完全线性，输入波形和输出波形的总是存在差异，且差异越小品质越高，反之品质越差。这便是地震子波法测试地震检波器性能的基本原理。地震仪器的脉冲测试激励信号形似地震子波，为使脉冲测试激励信号充分地逼真地震子波，进行过各种参数条件下的实际测试，最终效果证明，地震仪器设置为0.25ms采样间隔、0db前放增益、线性相位滤波、50％到75％的满标值驱动幅度时，生成的脉冲测试激励信号具有地震子波的广泛代表性。考虑到纯电阻的电流和电压特性是完全线性的，如果同样的脉冲电压(相当于地震子波)同时施加在地震检波器和电阻上，那么施加在
电阻上的电压信号波形就是电阻两端的电压波形，而地震检波器的输出信号波形就是脉冲电压的响应波形，两者的脉冲电压响应输出波形如图1所示。因此，可以通过比较地震检波器和电阻的脉冲电压响应波形来量化地震检波器传感地震子波的相位特性，还可以通过分析脉冲电压响应波形来量化地震检波器传感地震子波的衰减时间和恢复平衡时间等。参见图1-1、1-2。
42.本发明给出的地震检波器最低频率分辨能力和最小信号分辨能力测试方法相对简单。实施步骤是：在超安静(震动加速度小于0.2μg且无电磁场干扰)环境下测试地震检波器的输出，那么输出信号的均方根值就是地震检波器的本底噪声，经由灵敏度(用别的方法测量)将此值转换为地震检波器的运动速度便是可分辨的最小震动信号。最低频率分辨能力从脉冲响应结果获取，做法是对地震检波器的脉冲响应测试结果进行频谱分析，经过局部放大的低频段振幅谱如图2所示。考虑到地震仪器通常的低频响应极限都具有最低的振幅，所以以最低振幅值(一般用db表示)对应的频率(一般为0.5hz左右)为参考背景，去寻找大于最低振幅值2db的点(2db预示着幅度是背景的1.25倍以上，通常高出背景2db以上的信号视为完全可分辨)，此点对应的频率就是相应地震检波器可分辨的最低频率(图2中约为2hz)。
43.图2中0.5hz(不同的地震仪器略有差异)以低的响应波形是地震仪器的固有反应，不是地震仪器和地震检波器的真实响应，所以背景振幅选择应该在地震仪器固有反应之后。
44.所述算法程序的开发是将地震子波原理测试地震检波器结果转换为量化数值的工具。所开发的算法程序具有均方根值计算、波形显示、频谱分析、直流成分剔除、相关、叠加、滤波、谐波计算等功能。水平(x)轴和纵向轴(y)可以任意放大和缩小，光标所在位置自动显示水平轴和纵向轴的数值，频率显示精度达到1μhz，时间显示精度达到1μs、电压显示精度达到1μv。
45.根据地震勘探技术需求、地震检波器技术水平、相关行业技术标准技术要求制定测试结果的判定规则，本规则与地震勘探技术需求、地震检波器实际技术水平、行业技术标准的技术要求保持协调一致。
46.一种地震子波原理测试地震检波器的方法的实现，包括下述实施步骤：
47.一种采用上述原理设计的地震检波器的地震子波传感品质测试方法和技术，具体操作时包括下述步骤：
48.步骤1：按照设计的实施方案和技术要求创建测试地震检波器地震子波传感品质的超净测试环境。
49.步骤2：按照设计的实施方案和技术要求创建测试地震检波器地震子波传感品质的电磁屏蔽测试环境。
50.步骤3：按照设计的实施方案和技术要求配置适合生成最佳地震子波并记录地震检波器响应的地震仪器。
51.步骤4：按照设计的实施方案和技术要求制作地震检波器测试工装和配套的隔振环。
52.步骤5：按照设计的实施方案和技术要求开发(或选择)符合算法规则的测试数据处理程序。
53.步骤6：按照设计的实施方案和技术要求制定满足物探技术需求、符合地震检波器技术实际、与地震检波器相关技术标准协调一致的测试结果判定规则。
54.步骤7：对参加测试的地震检波器按传统方法进行自然频率、灵敏度、阻尼系数、电阻、失真(或通带失真)、假频等指标参数测试，且结果合格。
55.步骤8：对参加测试的地震仪器进行年检验测试，且结果合格。
56.步骤9：按照设计的实施方案和技术要求完成被测地震检波器的安放以及与地震仪器采集站的连接，并将精度不低于0.1％的1000ω电阻连接到参考道(采集站)输入。
57.步骤10：地震仪器设置为0.5ms采样间隔、0db前放增益、6s记录长度、线性相位滤波，进行背景噪声采集和记录。
58.步骤11：应用符合算法要求的软件处理测试数据，生成如图3所示(图3中，一道为参考电阻的噪声波形，均方根值0.55μv，二道为地震检波器的噪声波形，均方根值12.36μv)的背景噪声波形并得到相应的均方根值。据此计算地震检波器的最小信号分辨能力(均方根值除以灵敏度)和动态范围(地震仪器的最大允许输入除以均方根值)。
59.步骤12：地震仪器设置为0.25ms采样间隔、0db前放增益、6s记录长度、线性相位滤波、50％到75％的满标值驱动幅度，启动地震检波器脉冲测试，记录地震检波器脉冲响应。
60.步骤13：应用符合算法要求的软件处理脉冲测试响应数据，并进行波形显示，生成如图4(在图4中，上方为电阻脉冲响应的主体波形，下方为地震检波器脉冲响应的主体波形)所示的脉冲响应主体(局部)波形。
61.从图中分别精准读取地震检波器和电阻脉冲响应峰值对应的时间值，用地震检波器对应的时间减去电阻对应的时间就是地震检波器的地震子波相位延迟(有时可能为负值)。
62.步骤14：精准读取地震检波器脉冲响应峰值之后下一个次峰值(90％以上的能量都集中在下一个次峰值前)对应的时间值，用下一个次峰值对应的时间减去峰值对应的时间，得到地震检波器的地震子波衰减时间(预示此时间后地震检波器可以有效响应下一个地震子波)。
63.步骤15：如图5所示，计算(读取)地震检波器的脉冲响应从峰值完全恢复到零平衡状态的时间，也即地震检波器的地震子波延续时长(预示此时间后地震子波的影响完全结束)，通常称之为地震检波器的平衡恢复时间。
64.步骤16：应用符合算法要求的软件处理脉冲测试数据，并进行频谱分析，生成如图6所示的脉冲响应振幅谱。
65.对图6所示的振幅谱低频端进行局部放大，得到如图7所示的地震检波器脉冲响应局部(0hz到5hz)振幅谱。
66.从图中读取正常响应(0.5hz后)的最小振幅值(图中约为43.5db),并以此为起点读取增加2db(图中约为45.5db)时对应的频率(图中约为2.6hz)。这就是地震检波器可分辨的最低频率。
67.步骤17：地震检波器响应频带的确定。地震检波器的地震波响应频带通常定义为最低可分辨频率到假频点的区间(假频点由其他测试方法确定)。
68.步骤18：按照设计的测试结果评判规则和标准，对地震子波法测量的地震检波器传感地震子波的品质进行判定，形成相关的综合报告。