适用于陆上石油勘探的地震检波器

魏 继 东

(中国石化石油工程地球物理公司胜利分公司，山东东营 257100)

·采集技术·

适用于陆上石油勘探的地震检波器

魏 继 东*

(中国石化石油工程地球物理公司胜利分公司，山东东营 257100)

陆上石油勘探中采用过多种基于不同工作原理的检波器(如动圈式模拟检波器、MEMS数字检波器、涡流检波器、电化学检波器及光纤检波器等)，而实际地震数据采集中多年来一直是动圈式模拟检波器(如SM-4、20DX等)占据主导地位。通过分析地震采集阶段信号、噪声的特性以及地震检波器的性能指标及其与地球物理特征之间的关系，提出了检波器类型对比试验的设计原则、采集阶段初步评估地震资料的方法。认为在当前去噪能力下(即通过后续压噪手段、仍难以将机械属性的环境噪声、原生噪声及次生噪声衰减到与电噪声属性的本底噪声相当的水平)，对于垂直分量而言，以20DX为代表的动圈式检波器仍是数据合格、费用合理、施工方便的高效率检波器； 同时指出了某些新型检波器存在的不足及今后陆用检波器的发展方向。

检波器 地震勘探 动圈式检波器 陆上

1 引言

从地质期望角度而言，我们希望识别数千米以下数米尺度的、具有工业价值的构造或者岩性油气藏单元。与达成这一目标所需要的反射信息相比，陆上反射波法地震勘探由人工震源激发的反射波具有主频低(吸收衰减)、信噪比低(环境噪声、原生噪声、次生噪声、电噪声影响)的特点。同时，受技术手段的限制，对由震源激发的地面地震波机械振动的检测只能通过具有机电转换能力的检波器进行。所以，以上因素决定了陆上石油地震检波存在三个基本现实，即主频低、信噪比低、由检波器间接测量。前二者是地震勘探面临的“客观存在”，第三点则反映了人类当前的“主观能力”。

自从20世纪30年代推出现今普遍采用的动圈式模拟检波器以来[1]，基于不同的工作原理，涌现了大量不同类型的检波器，比如MEMS数字检波器、涡流加速度检波器、电化学检波器、光纤检波器等等。尽管每次随着不同类型检波器的出现，均会相应地进行一些试验、试生产，但是当前野外施工中占据主导地位的，仍然是动圈式模拟检波器，比如SM-4、20DX等。为什么某些看似具有“指标优势”的检波器却始终没有取代传统动圈式检波器的主导地位呢？作者认为，对于这一问题的回答，需要厘清三个方面的问题： ①地震采集阶段信号与噪声的比较特性； ②地震检波器的指标参数对地震数据的影响； ③检波器选型试验的设计与资料比对方法。

2 采集阶段信号与噪声的特性比较

在反射波法石油勘探中，信号是指有利于目标地质体识别的有效反射信号，噪声则是对有效反射信号识别具有干扰作用的非有效信号。噪声与信号的定义是相对的，在某些情况下，二者可互换[2]。

对于陆上地震勘探来说，在地震采集(地震信号由震源激发到被磁带记录)阶段，影响地震信号振幅、频率等特征的因素主要包括爆炸子波、大地吸收衰减、组合效应、组内时差、检波器—大地耦合、检波器及地震仪的性能、参数等。

根据噪声的出现规律，可将噪声分为规则噪声和随机噪声两类。前者包括面波、折射波、声波等源自炮点的原生噪声以及非源自炮点的次生噪声、具有相干性的环境噪声；后者包括风吹草动等引起的频带宽、速度多变的环境噪声及耦合噪声、电噪声等[1]。但若从与检波器的关系来看，被记录到磁带上的噪声可划分为以下两类。

(1)与检波器无关的噪声。指即使检波器不存在，也独立客观存在的噪声。如表现为地面振动的环境噪声、源自炮点的原生噪声、由震源激发的次生噪声等(图1a)。

(2)与检波器有关的噪声。这种噪声决定于检波器、地震仪的性能参数以及检波器与地表介质之间的耦合关系。可更细致地划分为： ①机械噪声，包括检波器滤波效应、寄生振荡、耦合效应等，决定于检波器以及检波器—大地耦合系统的机械特性； ②电噪声，主要指地震仪前置放大器等产生的噪声以及有源检波器元器件产生的噪声；这两类可归属为物理噪声； ③数学噪声，主要指采样噪声以及各种数学运算产生的噪声，比较微弱(图1b)。图1c代表经过地震检波系统改造后、记录到磁带上的数据，是信号与各种噪声的累加。

图1 磁带数据中信号与噪声的影响因素(振幅谱)

有效反射信号强度较噪声强度的分贝数被称为信号的动态范围。根据笔者调查，山东东营HJ地区冬季微风夜晚最浅目的层反射波较环境噪声的动态范围大约为40dB，更深目的层则更小，部分文献[3，4]也印证了这个量级。同时，震源激发后会产生次生噪声，使得有效信号较噪声的动态范围变得更小。在复杂地表区，无论环境噪声还是次生噪声都较普通地表更为强烈。信号较环境噪声的动态范围经过后续处理后会有一定程度的提高。

对于陆上石油勘探而言，由人工震源激发的反射波信号较噪声具有下列两个特点。

(1)主频低。油气藏单元一般埋藏较深，大多在数百米至数千米以下，反射波双程旅行时多在1s以上。由于吸收、衰减等因素影响，高频衰减严重，最高频率多在150～200Hz以下；在低降速带较厚、目的层较深地区，反射波主频更低。

(2)信噪比低。基于同样的原因，反射波振幅在传播过程中大幅度衰减，环境噪声、原生噪声及次生噪声的强度变得相对较高。

Davis[5]认为，接收系统设计中所采用的主要参数均来自对噪声的研究，而噪声是由信号来定义的。因此，无论是接收设备的硬件性能指标参数设计，还是震源激发、观测系统、地面接收等参数的选择，均基于对石油勘探中信号与噪声特性的认识。对信号(尤其是弱小信号)的突显和和对噪声的压制，贯穿地震勘探的每一个环节，是很多技术、施工手段的出发点与最终目的[2]。

3 检波器指标参数对地震数据的影响

对地震勘探野外采集来说，受当前技术手段的限制，无法直接测量到震源带来的大地振动，所以只好将具有机电转换能力的检波器置入地面、间接测量大地机械振动，所以检波器本身的性能指标对于保证地震数据的质量具有重要意义。

文献[6]曾经对两种典型检波器(动圈式模拟检波器20DX和MEMS数字检波器DSU3，表1)的性能指标对地震数据的影响做过讨论，本文在此基础上做更深入的分析、探讨。

表1 DSU3数字检波器与20DX模拟检波器的性能比较[7]

3.1 跟踪物理量

根据跟踪物理量的不同，可将检波器分为位移型检波器、速度型检波器和加速度型检波器三类。石油勘探中多为速度型或者加速度型。

速度型检波器的典型代表是动圈式检波器，如SM-4或20DX。在MEMS数字检波器出现之前，绝大多数石油勘探的地震数据都是由动圈式检波器采集的。相应地，很多处理手段的假设条件以及研究结论，都是建立在速度域数据基础上的，如雷克子波、随机噪声、信噪比计算公式等，都是基于数据的速度域特征[8，9]。

当前加速度型检波器的典型代表是MEMS数字检波器，比如DSU和Vectorseis。在MEMS检波器被引进中国之初，很多文献及实际数据处理都将其输出的数据与动圈式检波器数据进行直接比较，没有注意到二者跟踪物理量的不同，所以均得出了“MEMS检波器主频高而信噪比稍低”的结论[7，10-16]。造成这一现象的根本原因是地震信号占据低频端而加速度数据具有高频提升的特点，并不是MEMS检波器的本来属性。将加速度型检波器数据较速度型检波器数据的主频提高、频带拓展归因于检波器本身是不正确的，其实本质是跟踪物理量不同或者量纲不同，与检波器本身无关。近年来，绝大多数业内人士趋向认同此观点，因此对MEMS等加速度检波器的看法也更加客观了[6，17-22]。

文献[23]表明：在机电比相对较高的前提下，经检波器反褶积补偿动圈式检波器的低频损失以后，以上两类典型检波器拾取的速度或者加速度在陆上石油勘探的频带和能量范围内相互转换后具有高度一致性。因为二者的差异仅仅是其跟踪物理量(速度/加速度)的不同，它们表征的地表振动的物理存在并没有本质的差异。同时，由检波器反褶积补偿动圈式检波器的低频成分或者将MEMS数字检波器积分为速度后，低频端(1～10Hz)数据得到了加强，这对于全波形反演、速度分析、深层成像等领域具有重要意义[24-27]。另外，可对以前用动圈式模拟检波器采集的地震数据先做检波器反褶积、补偿低频成分，再重新进行后续处理、解释，可望获得新的认识和勘探成果。

至于到底是速度表征还是加速度表征更有利于石油地震勘探，需要由后续处理、解释阶段的勘探效果来验证。

3.2 绝对动态范围

在AD转换器、前置放大器等硬件因素确定的情况下，可以采集到的地震信号的动态范围是确定的，即电噪声～AD转换器最大量程，所有超过这个范围的信号都不能被识别或者接收(此表述未考虑处理对信噪比的提高作用)。因为该范围不会随着输入信号强度的变化而变化，所以作者将其称为“绝对”动态范围[6]。

在现今超过120dB绝对动态范围的机电背景下，前置放大器为主的电噪声已经不是主要矛盾，因为与检波器无关的机械噪声的强度非常大，是电噪声的十几倍甚至几十倍(图2显示中国东部平原地区冬天夜晚微风天气时环境噪声与电噪声的对比)，并且往往具有相干性(尽管有时以随机形式表现出来)及空变与时变的特征，很难完全衰减。只有在处理阶段有能力大幅度衰减机械噪声的前提下，降低电噪声对信噪比的促进作用才能显现出来，这在现阶段是不现实的。所以一味地强调降低电噪声对提高数据信噪比的帮助并不大，如文献[28]提到DSU508将本底噪声降低了-10dB(较DSU428)。就检波器的机电转换性能来讲，这确实是一个大的进步，但是对实际地震数据信噪比的促进作用非常有限。同时，电噪声在主要频段(如DSU的10～200Hz， FDU的3～200Hz)往往接近于白噪，仅靠统计性的叠加效应就可大幅度衰减。比如100次叠加，即可将电噪声衰减至原强度的1/10以下。

图2 环境噪声、DSU428电噪声和新低噪声模型的功率谱密度(PSD, 1m2·s-4·Hz-1=0dB)

当然，降低电噪声会对提高极低频(1～3Hz及以下)弱信号的机电比有利，但在多次覆盖的情况下，由普通炸药或可控震源激发的极低频信号可具有较高的机电比，不会对低频恢复造成太大影响。

文献[28]提到了电噪声的另一特点：越靠近低频端(1～10Hz)，本底噪声越大，这是因为本底噪声往往具有1/f规律(电噪声强度与频率成反比)造成的。在这种情况下，因为DSU本身是加速度型检波器(意味着低频机械信号较弱)，加之电子器件1/f噪声的存在，就会使DSU系列检波器的低频接收能力降低(机电比低)。但是据笔者的研究[23]表明，对于以石油勘探为目标的机械信号，DSU系列是可以满足要求的。但是对于天然地震中的极低频以及新低噪声模型(NLNM)水平的振动，则无法检测(图2)。

同时，对于有源检波器而言，其输入到模数转换器件之前的模拟信号经过了外设电路的改造，在此过程中就产生了电噪声，进而也就存在一个检波器自身的绝对动态范围。由于制造工艺方面的原因，有源检波器的动态范围很难超过现有地震仪的动态范围(大约130dB)。如果有源检波器的动态范围很小，即电噪声水平很高，就很难输出高保真的机械信号、忠实地再现地面振动特性。

比如对于图3左图中有源检波器A而言，其输出模拟信号的动态范围略小于地震仪的动态范围，在这种情况下几乎能够充分利用地震仪的动态范围，是最理想的一种情况；对于图3右图中有源检波器B而言，由于各种原因导致其输出原始模拟信号的动态范围远小于130dB(电噪声太强)，此时即使将地震仪增益设置为12dB，从地震记录上也会出现超调现象、让人误以为其输出数据的动态范围很大，但是因为其输出模拟信号的本底电噪声是固定的，所以对于微弱信号的识别能力并没有随着增益由0调整为12dB而提高(尽管此时地震仪的电噪声水平降低了)，数据的实际动态范围仍然很小。在无源检波器情况下能够识别的微弱信号，在用有源检波器B接收时，就变得不可识别。 所以，有源检波器输出模拟信号的动态范围应该在110～130dB，如果太小，就会浪费地震仪的动态范围，降低对微弱信号的识别能力。

图3 有源检波器动态范围应略小于地震仪动态范围

3.3 相对动态范围

包括20DX在内的多数模拟动圈式检波器的谐波失真在-60dB左右，而数字检波器DSU的谐波失真则为-90dB，相应地20DX的动态范围为60dB，DSU的动态范围为90dB(均指检波器自身的动态范围)。但是应该看到，尽管与前述绝对动态范围都属动态范围的范畴，并且单位都是dB，但是由谐波失真定义的检波器自身动态范围与由AD转换器转换位数、电噪声水平所定义的绝对动态范围有着很大的差异，其计算公式、决定因素、物理含义均完全不同；如果根据检波器的动态范围60dB远远小于地震仪绝对动态范围130dB就认为前者限制了后者发挥作用，是片面的。所以，为了与由AD转换器转换位数、电噪声水平定义的绝对动态范围相区别，作者将由谐波失真定义的动态范围称为相对动态范围，因为这个动态范围是随着输入信号的强度而浮动的，并非固定不变[6]。

对于石油勘探而言，动圈式检波器-60dB的谐波畸变即60dB的相对动态范围目前是适用的，新型MEMS数字检波器-90dB的谐波畸变即90dB的相对动态范围仅具有实验室意义，不会表现出明显的信噪比改善。这一方面是因为相对动态范围是随着输入信号的幅度而变化的，另外一方面仍然是因为与检波器无关的机械噪声的强度太大了[6]。

3.4 检波器灵敏度与前放增益

从机电转换角度来讲，提高信号输入幅度可采取提高检波器灵敏度或地震仪前放增益两种方式。

针对不同的检波器，其灵敏度的单位是不同的。比如动圈式速度检波器的灵敏度单位是V/m/s，MEMS数字加速度检波器的灵敏度单位是mV/m/s2。在这种情况下要比较灵敏度的高低，一方面要看其最强信号与A/D转换器最大量程的差距，距离越小，灵敏度越高；另一方面要看电噪声的水平，电噪声水平越低而灵敏度越高，保真度(机电比)越高。

比如，有的检波器在地震仪适用12dB增益的情况下出现超调现象，并不代表其灵敏度就较其他检波器更高，灵敏度高低的衡量应该基于相同增益。同时，如果灵敏度的提高是由外设电路实现的，就会不可避免地带来附加的电噪声。如果为了充分利用动态范围而通过外设电路将灵敏度提高n倍，但随之而来的是电噪声提高了等于或者大于n倍，这种灵敏度提升是没有意义的。很多有源检波器均存在这个问题。

所以，基于无源检波器的灵敏度提高或者地震仪适当加大增益等措施是有意义的，有助于提高高、低频两端弱信号的机电比[23]，提高信号保真度。从施工便利的角度来讲，检波器串联或者提高增益(比如东部强信号地区用“单点检波器+12dB增益”，西部弱信号地区用“单点检波器+24dB增益”)更具有操作性。

当然，也不必追求过高的机电比，比如机电比为100/1或1000/1几乎是无区别的，此时去噪的主要矛盾是机械噪声、不再是电噪声。

有文献提出用低灵敏度的高频部分与高灵敏度检波器的高频部分求取匹配滤波算子，然后将进行匹配滤波后的低灵敏度检波器高频部分与其低频部分进行数据重构，以提高数据主频[29]。这种方式相当于在数据的不同频段进行不等权组合，已经偏离了地表振动这一源头数据的频率属性，看似提高了主频，实际没有物理意义，产生了人为的畸变。

提高灵敏度的确有利于弱信号的拾取以及数学恢复，但是在野外记录以及初叠加剖面上难以体现(如单个20DX和一串20DX的初叠加剖面是相似的)，须经后续数学、物理属性分析才能展现出来。

3.5 振幅和相位响应

检波器的振幅和相位响应主要与检波器的主频、阻尼以及寄生振荡频率有关。

动圈式检波器(比如20DX)与MEMS数字检波器(比如DSU)具有不同的滤波响应以及各自明确的数学表达式。20DX的主频为10Hz，DSU的主频则超过1000Hz。对于石油勘探的频段而言，前者振幅、相位在低频段有较大畸变，后者的振幅、相位畸变都很小。但是，因为动圈式检波器频率响应是已知的，所以经过“检波器反褶积”对振幅、相位进行补偿后，二者在石油勘探的主要频段内具有高度一致性[23]。

动圈式检波器的寄生振荡频率多为其自然频率的10～15倍以上，所以在多数情况下不必考虑。

就动圈式检波器而言，自然频率太低或太高都不应被提倡。若自然频率太低(如2.0、4.5Hz)，一方面会使得寄生振荡频率进入勘探频段，另一方面会导致费用提高、设备寿命降低；若自然频率太高(如40、60、100Hz)，数据低频部分会被大大衰减，机电比大大降低，信号畸变严重，即使经过检波器反褶积等处理，仍难以恢复低频(1～10Hz)段。

文献[30]提出用“低频检波器的低频部分+高频检波器的高频部分”进行数据重构，以便拓宽数据频带。实际上，二者频带上的视觉差异主要是由于振幅谱显示时采用最大值作为0dB以及灵敏度不同导致的，高频段归一化后可看到高频检波器缺失低频部分，而低频检波器包含了高频检波器的所有信息(图4)。另外文献[31]提出用“速度检波器的低频部分+加速度检波器的高频部分”进行拓频，因为速度与加速度有着完全不同的物理含义，合并后数据完全偏离了地面振动这一数据源头，失去了其原有的物理意义。文献[32，33]曾经尝试用“高低频联测”的方式进行低频恢复，即以低频检波器的低频部分作为约束、恢复高频检波器的被机械衰减的低频部分，这从理论上是可行的。但是在实践中，往往会因为两种检波器在空间位置、跟踪物理量、耦合响应、电噪声、环境噪声等方面的差异，使得校正算子难以保持稳定。

图4 低频检波器包含高频检波器信息

综上所述，10Hz动圈式检波器是一个数据、工程意义均较理想的检波器(须配合检波器反褶积以恢复低频)。

3.6 耦合效应

在石油地震勘探中，震源被激发后，反射波传播到地下反射界面后再反射回地表，带来地表介质的振动。受当前技术条件限制，无法直接测量大地振动，只能用检波器置于地表介质间接测量地表的振动。检波器与大地之间的柔性接触，构成了一个振动系统，被称为检波器—大地耦合振动系统。

借助测耦检波器技术(专利号：ZL 2015 2 0258826.8)，可以测得不同检波器类型、不同耦合情况下的检波器—大地耦合响应。图5为东营HJ地区普通泥质地表下测得的DSU和20DX的耦合效应。由图5可见，在低频部分，两类检波器的耦合效应基本一致； 但在160Hz以上，数字检波器DSU的耦合效应要远高于模拟检波器20DX(即放大系数更大)。也就是说，在输入相同机械振动(环境噪声+地震信号)时，数字检波器的高频响应会更强，但这是一种高频畸变，而非高频提升。

图5 据实际试验数据拟合的两类检波器放大系数曲线

在检波器—大地耦合响应方面，作者的主要认识包括[34]：

(1)在检波器被稳固埋置的情况下，用单自由度有阻尼的振动系统可以描述耦合介质具有一定厚度时的检波器—大地耦合响应；耦合响应的改善，可表现为耦合固有主频与耦合阻尼比的增加；

(2)耦合响应降低了地震信号的信噪比和分辨率，通过耦合反褶积可改善数据，提高信号保真度；

(3)挖坑埋置具有降低高频段耦合噪声的作用；

(4)耦合响应的高频放大作用以及不一致性，使得检波器自身优秀性能指标的作用降低了，在某些情况下难以转化为高质量的地球物理数据；

(5)更小、更轻便、更利于耦合的设计有利于降低检波器—大地耦合系统的非线性响应。

3.7 允差

检波器各特性参数的实际值与标称值之间可接受的误差比率范围称为允差。通常在用的多数动圈式模拟检波器的允差为5%，而允差为2.5%的检波器则被称为超级检波器或者高精度检波器。模拟数据和实际数据的计算结果[23]证明，在当前地震勘探背景(多次覆盖、强噪声、耦合条件差异大且极弱信号识别能力有限)下，高精度/超级检波器在组合叠加后不会表现为明显的、可感知的更高质量数据。

3.8 对电磁干扰的响应与数字化

文献[7]认为，应用MEMS技术的数字检波器DSU不再有任何连接到地震道的电感线圈，所以也就不再受任何电磁干扰信号的影响；但是，实践证明这个结论并不全面。笔者曾经在一个试验中发现部分DSU检波器也存在某种“高频干扰”(试验中采用了36个数字检波器与36个模拟检波器进行对比)，并且这种高频干扰的幅度非常大。在总数同为36个的检波器集合中，存在高频干扰数字检波器较模拟检波器要高得多(DSU：12～13个，20DX：2～3个)。在不同的时间、地点以同样的方法进行了同样的试验，这种高频干扰却没有出现。因此，这种高频干扰可能是外界干扰与检波器内部因素相互作用的结果，并且是与电磁干扰而非机械干扰相关的噪声； 部分野外地震采集中出现的工频干扰也进一步证实了以上猜测。以上现象进一步说明了DSU检波器难以对电磁干扰完全“免疫”，并且这种干扰无疑会对地震弱信号的接收产生影响。当然，DSU减少模拟电路比重的做法无疑会有助于减小电磁干扰，但显然不能完全消除电磁干扰[6]。

因此，在检波器内部进行数字化有助于减少天电、工频干扰，但这并不能带来数据根本性的改变，因为任何数字信号最初都来源于模拟信号。

因此笔者认为，在当前去噪能力下，检波器数字化并不能带来地震数据根本性的变革，进而体现出较模拟数据更大的优势。数字化的主要意义是工程意义，不是数据意义。藉由检波器的数字化，进而可实现： ①“小型化”，其目的是衰减耦合效应，降低埋置难度[21，34，35]； ②“无缆化”，旨在通过无线传输(检波器→采集站)避免由沉重的外接电缆引起的耦合响应畸变(外接电缆使得耦合响应不再服从单自由度机械振动系统的数学描述)[21，34，35]； ③“自动化”，其目的在于在以上“三化”基础上实现检波器由人工埋置向机械埋置转变，在确保耦合质量的基础上，提高施工效率、减少用工总量、节约生产成本。

3.9 矢量保真度

更高的矢量保真度在处理阶段拥有优势，但其应用效果方面的结论尚不统一。笔者认为其原因仍是噪声强度。在信噪比较低地区，矢量保真度提高的优势被噪声的影响淹没了[6]。

3.10 非线性噪声

提高制造工艺水平会有效降低非线性噪声。

3.11 地震仪因素

包括前放增益、采样噪声、高低截止频率等，影响较小。

3.12 组合方式

检波器选型问题往往伴随着组合形式的讨论。当前有一种呼声，认为可以用一种“好的单点检波器”代替某种“不好的已有检波器组合”。笔者认为，如果不考虑检波器滤波效应以及寄生振荡(前者可以补偿[23]，后者多超出了地震勘探的主要频带范围)，改进检波器性能主要压制的是电噪声，即机电转换过程中产生的噪声。而具有相干或者随机特征的环境噪声、原生以及次生噪声属于“与检波器无关的机械噪声”(图1)，其强度为电噪声的十几倍甚至几十倍(图2)，即使没有检波器的存在，它也是客观存在的，不会因为检波器性能的改善而得到衰减，必须通过检波器的方向性效应或者统计性效应以及后续的处理手段进行衰减，无法通过提高检波器性能(即降低电噪声。当前施工中占据主导地位的20DX+FDU采集单元的电噪声已经非常低)来达到衰减机械噪声、减少检波器数量的目的(无法压制具有空间特征的机械噪声)。

所以，如果某种检波器的电噪声较20DX+FDU组合稍高或者稍低，数据表现并不会有太大的差异。因为目前的去噪能力有限，去噪的主要矛盾是强度大、频带宽、具有相干特征的机械噪声，而不是由检波器、地震仪所决定的电噪声。

所以，“用某一种指标稍好的检波器(单个)可代替多个某种指标稍差的检波器(比如20DX)”是不现实的，是个“伪命题”。即使在某些地区经由此种检波器、普通采样密度的情况下达成了地质目标，也只能说明一个问题：单个20DX+低频补偿可以取得基本等同的接收效果(此类地区往往次生噪声较弱)。

组合还是单点主要取决于组合压噪能力，参看文献[36-43]。

另外，关于组合方式的认识还包括以下几点。

(1)10～12个检波器是当前野外施工的适宜选择，可兼顾数据(压噪)与工程(施工方便)的需要[37]。

(2)单点采集具有频带宽、室内自由组合的优势，可以有效地提高地震资料的分辨率。但是，在有些地区并不能完全摒弃野外组合，特别是在次生干扰非常严重、信噪比较低的地区，单纯依靠室内手段难以达到有效衰减次生干扰的目的。

(3)随着软硬件技术高速发展、地震仪带道能力大幅提升、数据处理能力快速增长，“单点不组合+高采样密度”是今后发展的方向。

综上所述，地震检波器更好的性能指标肯定有助于提高数据质量，但是更高的性能指标并不能保证更好的地球物理效果。复杂地质条件导致的地震信号自身的差异、采集阶段的信噪比以及处理阶段的噪声衰减能力起决定性作用。电学性能指标的提高必须在原始信噪比较高、去噪能力持续改进的前提下才能显现作用。在地震勘探其他环节不衔接的情况下，单纯追求非常小的失真或者非常大的动态范围等电学指标的提高，往往难以表现为地震数据质量的系统性进步[6]。

4 检波器的选型与资料对比方法

如果主要目的在于确定“适于工业应用的检波器类型”，按照科学实验中“唯一变量”的原则，结合勘探现实，应该采取以下步骤。

(1)研究不同类型检波器的性能指标参数。优良的性能指标是保证数据记录质量的基础。

(2)野外单点对单点试验，即单个检波器与单个检波器比较，二者相距20～30cm是合理的距离。在这个范围内，耦合响应较小，地震信号、机械噪声的相似度较高，具有可比性。如果距离太大，可比性就会变差。

(3)如果想检验某一种新型检波器，应取两种以上成熟检波器作为标准检波器，如20DX、DSU系列。

(4)将不同类型检波器(速度型、加速度型)校正到一个域，即将量纲统一为速度或者加速度(过程中主要涉及到检波器的灵敏度以及微积分计算)。

(5)根据步骤(1)中提供的检波器频率响应校正低频，参照文献[23]。

(6)在单道、单炮、剖面等不同层面上进行信噪比、能量、子波等数学物理数据属性比较，不要仅根据单炮或者剖面的“面貌”下结论。

评价一个检波器的好坏，不可避免地要涉及到评价指标的选择。当前在野外采集阶段评价记录剖面的时候，常采用频率扫描等五种方式或指标，但是，对于检波器选型试验中的资料对比而言： ①频率扫描，对于不在同一个域(速度/加速度)的数据来说，频率扫描的结果对比没有意义，因为数据基础不同； ②频谱分析，现在普遍采用的三种显示方式(Raw Power，Percent，dB)的情况下，会出现误导、错误，需要根据不同的试验内容，调整显示方式，或采用更具有针对性的显示方式； ③信噪比，从原理上讲，“加速度检波器输出数据较速度检波器数据的信噪比低”的现象是由地震信号占据低频段这一特性决定的，与检波器类型没有任何关系，也不是评判一个检波器好坏的依据；信噪比指标仅仅是一个非量化指标，在数值非常接近的时候，其参考意义有限，不应被作为一个绝对的标准；用加速度、速度检波器输出数据进行直接的信噪比比较是不合理的； ④能量，能量对比在不同施工因素(包括工区、构造、低降速带、增益、灵敏度、记录格式等)的情况下没有可比性，没有参考意义； ⑤子波，同样地，在没有可比性的前提下，采集分析软件中基于自相关理论的子波分析的表征作用是相对的、有限的。

(7)得到数据处理特别是地质综合解释人员的认可。无论在地震采集、数据处理阶段展现多大的优势，提高地质解释效果才是最终目的。

5 对几种典型检波器的初步认识

在石油地震勘探中，检波器的作用是以尽量小的失真产生地面振动单分量或者多分量的电模拟，完整地反映地震波的动力学特征。在这种间接测量过程中，有两个环节上产生了误差：大地振动与检波器外壳振动之间的差异——耦合效应； 检波器外壳振动与地震数据之间的差异——机电效应。所以，检波器的设计与制造必须最大限度地减小耦合效应带来的耦合噪声以及机电效应带来的电噪声，尽量真实地记录大地振动。“复原”地面振动是真正的目标，能真实记录地表振动的就是“好”检波器。

评价检波器的重要标准是看高低频两端(从对比的角度来讲，高机电比的中频段应该是一样的)，低频端与机械滤波响应以及地震仪动态范围有关，高频端与耦合响应以及地震仪的动态范围有关。

基于对陆地石油勘探中信号噪声的相对特征以及检波器性能参数方面的研究，获得以下认识。

(1)MEMS(如DSU，Vectorseis)数字检波器是“严谨”、“可靠”的检波器。今后该类型检波器改进的重点是大幅降低产品成本、深入研究速度域低频信息强化后的数据处理及石油地质意义、缩小体积以提高耦合能力等方面。该类型检波器的主要优势在速度域的低频、而不是加速度域的高频。

但需要特别注意的是，以MEMS为代表的各类加速度检波器输出的数据较速度检波器输出的数据呈现出来的更高主频是一种“伪高频”(数学高频)，并不代表其所表征的地表机械振动的主频真的被提高了(物理高频)，本质是由表征数据的量纲(加速度/速度)差异导致的。比如将1m高的桌子表达为100cm(单位不同)，数值增加了，但并不意味着桌子物理高度的增加。这一点在很多处理剖面中被认为是加速度检波器较速度检波器的重大进步，是错误的。就像认为100cm>1m一样，是没有认清数据所对应的量纲以及所代表的物理意义所导致的。

如果用加速度检波器接收的剖面质量确有进步的话，其主要原因是极高的空间采样密度、更合理的观测系统属性以及处理手段的改进。

当然，如果加速度数据较速度数据对地下介质的空间、物性特征具有更好的表征作用，则另当别论。但是，加速度表征不一定意味着一定要采用加速度型检波器，因为对于成熟的速度/加速度检波器而言，其数据经由微积分在陆上石油勘探的兴趣频带(1～200Hz)范围内是可以互换的。所以，到底是速度表征还是加速度表征更有利于石油勘探，仍有待从地震数据的地球物理属性角度进行更多的理论分析、试验验证，不能经由简单的生产结果比对进行判断。

(2)在当前去噪能力下，20DX等动圈式检波器串仍然是高效率检波器：数据合格(合理的机电比)，施工方便，费用合理。同时经由检波器反褶积可以有效补偿该类检波器的低频衰减，取得与MEMS数字检波器相当的数据质量[23]；也可以改进为测耦检波器，使检波器具有独立测量耦合响应的能力，在加强现场耦合质量监控的同时，消除耦合效应、提高高频弱信号的同相性。

即使对于高密度采集而言，一串动圈式检波器的极小面积组合(检波器分散在1～2m以内)+低频补偿也是较好的选择(检波器“开会”会因为小线的干扰产生耦合畸变以及额外的噪声干扰)。因为目前多数施工单位拥有大量此类检波器，可以在仅增加少量生产成本的情况下，实现非常高的空间采样密度。这种采集方式可被称为“基于动圈式检波器串和低频补偿的高密度采集”。

(3)高灵敏度或者高增益是有意义的，但是必须以机电比的提高为前提，检波器串可较方便地实现这一目的。经由外设电路提高检波器灵敏度的方式必须以机电比的提高为前提，否则只会降低微弱信号识别能力。当前很多新型检波器的努力方向都是改进其机电效能，之所以没有取代20DX在采集中的主导地位，其根本原因是石油勘探中“与检波器无关的机械噪声”太强了，由提高灵敏度凸显出来的微弱信号被强烈的机械噪声淹没了。

(4)低频检波器、高频检波器、高精度(超级)检波器不会表现出明显的数据优势(相对于20DX+低频补偿)。

6 结束语

(1)应科学合理地设计检波器选型试验，充分做好理论研究、模拟，再进行点试验，进而做规模试验。不宜在未厘清机理或对比不合理的情况下，开展大规模试验或采集施工，造成资源的浪费。

(2)检波器选型试验涉及到机电、采集、处理等诸多环节，宜仔细梳理、系统地看问题，在严谨的数学、物理、地质属性分析基础上，根据最终的地质解释效果做出判断。特别是不能只凭采集阶段数据的“面貌”就草率地下结论。

(3)经由外设电路提高检波器灵敏度的方式必须以机电比的提高为前提，否则只会降低对微弱信号的识别能力。

(4)数字化、小型化、无缆化、自动化是检波器的发展方向。

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*山东省东营市中国石化石油工程地球物理公司胜利分公司，257100。 Email：563064949@qq.com

本文于2016年9月13日收到，最终修改稿于2017年9月24日收到。

1000-7210(2017)06-1127-10

魏继东.适用于陆上石油勘探的地震检波器.石油地球物理勘探，2017,52(6):1127-1136.

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.001

(本文编辑：朱汉东)

魏继东 高级工程师，1974年生；2008年获中国海洋大学海洋地球物理学博士学位； 2008～2011年在中国石化胜利油田做博士后研究； 2012年为英国Imperial College London 访问学者； 发表论文多篇、专著1部(《 石油勘探地震检波》)； 现在中国石化地球物理公司胜利分公司从事地震数据采集及信号处理方法研究。