２Ｏ１Ｏ年２月 物 探 装 备 第２Ｏ卷第１期 ・专论与综述・ 可控震源低频信号激发技术的最新进展 陶知非 苏振华 赵永林 马 磊 摘 要 （东方地球物理公司，河北涿州０７２７５０） 陶知非，苏振华，赵永林，马磊．可控震源低频信号激发技术的最新进展．物探装备，２０１０，２０（１）：１～５ 常规可控震源扫描信号的低频极限频率普遍在６Ｈｚ左右，低频可控震源是指能够用于激发信号的最低频率低 于５Ｈｚ的可控震源。低频信号由于其所具有的波长属性，具备了对一些高速地质体良好的穿透性、其频带宽度对 地质目标分辨率与信噪比的改善具有重要的意义，目前只有可控震源可以很好地满足未来地震勘探的激发需要， 因此，低频可控震源成为制约低频地震勘探的重要因素。目前研究人员初步解决了制约低频信号激发的一系列问 题，使Ｋｚ一２８Ｉ Ｆ成功地实现了井下３Ｈｚ信号的激发。 关键词 低频信号 可控震源 激发技术 ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔａｏ Ｚｈｉ￣ｉ，Ｓｕ Ｚｈｅｎｈｕａ，Ｚｈａｏ Ｙｏｎｇｌｉｎ ａｎｄ Ｍａ Ｌｅｉ．Ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｓｅｉｓｍｉｃ．ＥＧＰ， ２０１０，２０（１）：１～５ Ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｒ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｉｓ ａｒｏｕｎｄ ６ Ｈｚ，ｔｈｅ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｃａｎ ｓｗｅｅｐ ｆｒｏｍ ５ Ｈｚ ｏｒ ｌｏｗｅｒ．Ｗｉｔｈ ｌｏｎｇｅｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｔｓ ｃａｎ ｐｅｎｅｔｒａｔｅ ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｌａｙｅｒｓ，ｔｈｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｋｅｙ ｆａｃｔｏｒ ｔＯ ｉｍｐｒｏｖｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓ／Ｎ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｕｎｉｑｕｅ ｓｏｕｒｃｅ ｔｈａｔ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ ｌａｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒａｔｏｒ ｂｅｃａｍｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔ ｆａｃｔｏｒ ｆｏｒ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｅｉｓｍｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔｌｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｅｏｐｌｅ ｓｏｌｖｅｄ ｓｅｒｉｏｕｓ ｋｎｏｔｓ ｆｏｒ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ ３ Ｈｚ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｎ ｄｏｗｎｈｏ１ｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｗｉｔｈ ＫＺ一２８Ｉ Ｆ ｖ．ｈｒａｔｏｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｗｅｅｐ，ｖｉｂｒａｔｏｒ，ｓｏｕｒｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 可控震源使用的最低频率为５Ｈｚ＿２］。 ０ 引言 低频可控震源是指能够用于激发信号最低频率 低于５Ｈｚ，并且具有一定下传能量的可控震源。常 规可控震源扫描信号的低频极限频率普遍在６Ｈｚ左 右，而低频可控震源的低频极限频率则远低于６ＨＺ。 西方地球物理公司（Ｓｃｈｌｕｍｂｅｒｇｅｒ—Ｗｅｓｔｅｒｎ— 实际上，是油气勘探中复杂地质问题所带来的 挑战与地震数据处理方法的进步，使地球物理工作 者再次想到了低频信号在解决这些复杂问题时的技 术优势： ・提高垂向分辨率； ・改善地震采集数据的信噪比； ・改善深部地质目标的成像质量； Ｇｅｏｃｏ）在２００６年推出了基于最大位移扫描（ＭＤ Ｓｗｅｅｐ）的信号设计技术，通过加强、改善可控震源 ・实现全波场反演； ・高速／高阻／高吸收特征地层下的成像研究； 近地表反演及复杂地区的速度建模； 非烃类盆地研究。 低频扫描信号的能量，提高低频有效信号下传口］。 ２００８年专门为西方地球物理公司设计的可控震源 能够使用的最低频率为４Ｈｚ，在２００９年欧洲地球物 理年会上，法国Ｓｅｒｃｅｌ公司宣称其ＮＯＭＡＤ ９Ｏ型 ・・而地震数据处理方面的进步主要来自于对地表 源去噪能力的改善，进一步促进了低频地震数据采 ＊基金项目：国家重大科技专项２００８ＺＸ０５０１ ９子课题 ＊＊陶知非，１ ９６２年出生，教授级高工。１ ９８３年毕业于国防科技大学自动控制系，现就职于中国石油东方地球物理公司，主要从事可控 震源的应用与国产可控震源的设计工作，研究方向：町控震源激发信号的控制与信号设计。 ２ 物 探 装 备 集的尝试。众所周知，可控震源是地表源，传统可控 震源采用组合与基于萨拉斯模型（Ｓａｌｌａｓ，１９８４）的相 关技术进行压噪，由于相关的参考信号并非来自实 际数据，因此，期待的零相位克劳德（Ｃｌａｕｄｅｒ Ｗａｖｅ— ｌｅｔ）子波实际上是一个混合相位的结果，所以去噪 的效果受到。而新的地震数据处理方法则是采 用了反褶积技术，通过对近地表与震源特征信号修 正后的叠加，较好地解决了子波不一致的问题，使得 超高次（５００次以上）的叠加去噪效果更明显，这一 技术进步对低频信号的应用尤为重要。 一些新的接收技术的发展，也使得采集低频数 据更具备了可实现性，如：三分量数字地震检波器 的应用与使用成本的可接受性。但是，由于受到激 发源的，低频激发对绝大多数地球物理Ｔ作者 而言依然还是一种期待。 低频信号激发的技术难点 既然低频应用有那么广泛的技术需求，低频信 号激发究竟有哪些技术困难？ 由于安保、环保的制约及未来高密度地震数据 采集技术的巨大市场潜力，炸药已经不再是优选的 激发源，特别是在激发低频时所采用的大药量方法 不再能得到使用许可，因此，非炸药激发源成为低频 激发的唯一选择。研究中曾经使用２０ｋｇ炸药与国 产新研制的低频可控震源进行过对比，结论是：低频 震源的频率成分更丰富。 图１所示的是几种低频非炸药震源激发的能量 关系曲线，其中最大的激发能级来自于油气勘探用 的大吨位液压可控震源，最低的激发能级来自落重 震源，中间的激发能级来自专门设计的用于天然地 震的可控震源。从激发信号的频谱上看，天然地震 用的震源频率最低，而油气勘探用的液压可控震源 激发的频率最高。 采用液压伺服控制技术可控震源是目前陆上使 用最多的非炸药激发源，由于其作业的安全性、灵活 性及高作业效率而受到用户的青睐。但是，目前可 控震源在激发低频的过程中一部分受到了来自机械 结构方面的制约，这些约束条件实际上是来自液压 系统流量的。 （１）常规可控震源的低频极限频率一旦低于 ６Ｈｚ，则会带来振动系统机械行程的增加，同时也意 【羽１ 低频信号的激发能量 味着对液压系统流量要求的增加和功率的增加； （２）更困难的是可控震源在同时增加低频与高 频的平衡设计上，因为两者在机械结构的设计上是 相互矛盾的，难以满足同时改善两个方向频率的要 求，而地球物理勘探技术针对地下地质目标分辨率 的改善恰恰要求信号必须向低频与高频两个方向的 拓展； （３）低频振动极易引发各种机械噪音，对机械 结构也是严厉的考验。 机械问题是最古老的顽疾，机械谐振问题可以 说是所有运动系统中最普遍的问题，这些问题从系 统的安装到响应的调整都会出现。谐振的原因主要 是振动传递过程中的耦合问题，谐振通常有高频与 低频两种表现形式，高频谐振主要是高频噪音，而低 频谐振则是影响低频信号品质的主要因素。 图２是业界经常引述的可控震源的萨拉斯模 型，从模型中可以看 振动信号在下传的过程中存 在几个严重的非线性环节，因此，改善耦合条件成为 解决谐振最主要的手段。 ｌ重锤 ｌ 乏 Ｉｉ 平板 等效质量 Ｋｓ毒 ［丰］ ｊｊ Ｊ 地下 Ｉ 图２可控震源的Ｓａｌｌａｓ模型 第２Ｏ卷第１期 陶知非等：可控震源低频信号激发技术的最新进展 而通过可控震源振动器产生的输出力向下传递 的公式可用下式表示： Ｍ…Ａ 一（Ｍ ＋Ｍ ）Ａ ＋Ｋ Ｖ ＋Ｋ Ｘ 式中：Ｍ 重锤质量； 重锤运动加速度； Ｍ． ．平板质量； Ｍ ——捕捉质量； Ａ 平板运动加速度； Ｋ 大地的阻尼（粘性）系数； 平板运动速度； Ｋ 大地的刚（弹）性系数； Ｘ ——平板运动位移。 Ｋ 是近地表（大地）的弹性系数，Ｋ 越大，则刚 性越大。除弹性特征参数外，还有与速度有关的阻 尼Ｋ ，也是引起相位问题的核心因素。 与低频可控震源激发相关的机械系统所面临 的另外一个问题是振动器活塞杆的行程，其中的 核心问题是涉及可控震源液压系统的最大排量 需求。 常规可控震源使用低频信号引发的问题见图 ３。注意图３中的深灰色曲线，在低频段与中间段都 陶３ 常规可控震源使用低频信号引发的问题 图４更换伺服阀后，与图３比较中段振幅有所改善 出现了振幅的异常。在更换了较大伺服阀后，振幅 异常在中段有所改善，见图４所示。 为了进一步改善低频段的振幅，试验初期，研究 人员尝试增大液压系统的排量，深灰色信号的振幅 虽然得到一定程度的改善，但低频振幅的改善并不 明显，见图５所示。 图５增大液压系统的排量后的低频振幅 上面的试验说明，单纯从液压出发来对低频信 号进行改善是非常困难的。 为了改善低频信号的品质，改善隔振也是重要 的途径。图６表示的是一个典型的隔振试验，包括 了刚性系统、空气弹簧及主动隔振系统 ｊ。在这个 系统试验中，同样表明了低频信号若想实现有效的 隔离有多么困难。 ／ ／＼ ’～ 、～～、 …一 ＼ 、、 Ａｉｒ Ｓｙｓｔｅｍ 、 ’ ｎ —・－－。— ——Ｒ—ＡＭＳｉｇｉｄ Ａｃ Ｓｙｔｓｉｖｔｅｅｍ Ｓ ｙｓｔｅｍ —— 二 图６隔振试验 作为可控震源低频信号的激发，还必须解决 有效信号的下传问题，这也是所有问题中最难实 现的。 图７所示的结果引自美国德州大学ＮＥＥＳ项 目组试验，在井中约６０ｍ深处接收到的低频信号。 从井中地震检波器的接收效果分析，当信号 低于３ Ｈｚ后，已经很难分辨了，因此，低频信号 的下传是另外一个影响低频信号应用的技术瓶颈 问题。 ４ 物 探 装 备 图７ 井下地震检波器接收到的５Ｈｚ（左）及３Ｈｚ（右）信号（深灰色），浅灰色信号为地面发射信号 台，其中３０多台出口到其它国家，近１００台工作在 国际项目中，国产大吨位可控震源已经占东方地球 ２ 国产低频震源激发的低频信号 传统的可控震源可以实现的最低激发频率是 ５．６Ｈｚ或是普遍的６Ｈｚ，这也是目前可控震源在做 性能及频带宽度测试时普遍采用７Ｈｚ的原因。可 控震源最低激发频率是可控震源设计中一个决定性 的重要技术指标，后续的系统动力需求、车架结构与 强度设计、液压系统设计及振动器结构设计都是依 物理公司震源总数的近三分之一，该型国产大震源 激发的信号品质、作业效率及可靠性已经非同日而 语了。 最近两年，研究人员加大了在低频信号激发方 面的研究力度，通过前期的预研究，目前已经形成了 具有自主专利结构的隔振设计、长行程活塞结构，并 且在工厂内的可控震源上完成了提高低频输出信号 响应的液压系统的试验及平板结构实验，取得了大 量具有重要指导性意义的数据，形成了最终的低频 可控震源设计，研究过程中形成的一些新发专利正 在申报中。 当前的主要研究包括： ・平板建模与有限元分析； ・据这个参数展开的，因此，传统可控震源的激发信号 突破这个低频门槛是非常困难的。 实际上，目前也只有西方地球物理公司通过改 善扫描信号的设计方法实现了改善输出低频信号的 目的，并没有从可控震源设计结构上突破，也就是 说，现在传统的可控震源在实现低频信号激发上是 有缺陷的！ 液压系统设计与响应分析； 综合改善耦合效果的试验； ・国内的研究人员从２００７年起就关注了国际上 ・井下（２０００ｍ）地震数据采集与分析。 为了改善平板的刚度，对振动平板加载进行了 有限元分析，因为在整个系统中任一环节的刚度系 数的降低都会引起整个系统刚度显著地下降，因此， 改善刚度不是单一环节能达到的问题，而是从整个 系统全面地考虑。 关于地球物理勘探对低频激发信号的需求，并且在 具体低频信号的实现问题上，认为采用基于低畸变 技术设计的国产大吨位可控震源ＫＺ一２８完全能够 实现低频信号的激发。 为了提高可控震源的激发信号频带宽度和激发 信噪比，研究人员从ＫＺ一２８型大吨位可控震源设 计之初就开始讨论如何解决拓展频带的问题，进一 步释放可控震源的激发潜力，这与目前的技术需求 十分吻合。还有重要的一点就是国产ＫＺ ２８型大 吨位可控震源自投入使用开始，已经生产了２００多 为了提高系统的稳定性，还要适当增加系统的 阻尼。而增加刚性的措施往往会降低系统的阻尼， 因此，一个平衡的设计对改善信号的品质至关重要。 在解决完上述问题后，国产新的低频可控震源 ＫＺ一２８ＬＦ（图８）完成了以下技术设计： 第２Ｏ卷第１期 陶知非等：可控震源低频信号激发技术的最新进展 （１）振动器机械结构的设计完全能满足３Ｈｚ低 频极限频率下系统最大行程的要求； （２）在没有增加发动机动力的条件下，液压系 统的瞬时最大流量增加了一倍； （３）液压系统的流量转换与行车系统采用自动 ３结束语 低频信号由于其所具有的波长属性，具备了对 一些高速地质体良好的穿透性、其频带宽度对地质 目标分辨率与信噪比的改善具有重要的意义，而低 方式，并进行了安全的冗余设计； （４）信号传递过程中的非线性效应与对地质量 的捕捉能力明显改善。 频信息也是弹性波全波场反演中的重要组成部分， 目前只有可控震源所具备的频率可控性及能量的可 积累性可以很好地满足激发需要。 Ｋｚ一２８型可控震源具备了低畸变激发的技术 优势，同时激发能量大，信号下传性能好，也是自主 设计的产品，因此成为改装的基型。在低频振动器 的设计中，研究人员解决了一系列关键的技术难题， 使ＫＺ一２８ＬＦ成功地实现了３Ｈｚ信号的激发，也使 国产大吨位低频可控震源ＫＺ一２８Ｉ Ｆ成为目前国 际上唯一能够激发如此低频的地震信号源，中油集 团东方地球物理公司成为率先掌握低频可控震源设 图８ ＫＺ一２８Ｉ Ｆ低频可控震源 计与应用技术的先行者。 感谢：在项目研究期间，荣幸地得到了东方地 球物理公司张汝杰同志在数据分析与处理方面的帮 助，在此表示诚挚的谢意。 参 考 文 献 １ Ｃｌａｕｄｉｏ Ｂａｇａｎｉｎｉ ｅｔ ａ１．Ｌｏｗ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｉｂｒｏｓｅｉｓ ｄａｔｅ ｗｉｔｈ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｗｅｅｐｓ．Ｔｈｅ Ｉ ｅａｄｉｎｇ Ｅｄｇｅ，２００８ ２ 频率（Ｈｚ） Ｄｅｎｉｓ Ｍｏｕｇｅｎｏｔ．ＳＥＲＣＥＩ ，Ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ １ｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎ— ｃｉｅｓ．Ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉ０ｎ ｉｎ ＥＡＧＥ．２００ ９ 图９ ２Ｈｚ起始频率的测试结果 ３ Ｇｅｏｒｇｅ Ｅｌｌｉｓ，Ｋｏｌｌｍｏｒｇｅｎ．Ｈｏｗ ｔＯ ｗｏｒｋ ｗｉｔｈ ｍｅｃｈａｎｉｃａ１ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｉｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ— ｉｎｇ．２０００ 图９是采用２Ｈｚ起始频率测试的一组信号，黑 色是标准（参考）信号，浅灰色是检测信号。从测试 的结果看，低频信号的跟随性已经小于３ｄＢ了。 收稿日期：２００９—１０—２１ 广 告 目 次 封面与前插页广告：法国Ｓｅｒｅｅｌ公司…封１；美国ＩＯＮ地球物理集团公司…封４；河北赛赛尔俊峰物探装备有限公司…封２； 美国０Ｙ０ ＧＥ０ｓＰＡｃＥ公司…封３；美国ＯＹＯ ＧＥ０ｓＰＡｃＥ公司…前插１；任丘市华北油田格瑞特勘探设备有限公司…前插２。 中插页广告：美国ＯＹＯ ＧＥＯＳＰＡＣＥ公司…中插１；保定宏业石油物探机械制造有限责任公司…中插２；两安森舍电子科 技有限责任公司…中插３；涿州昌迪石油仪器有限公司…中插４；天津市多波数传科技发展有限公司…中插５；北京东方达恒 科技发展有限公司…中插６；美国ＦＡＩＲＦＩＥＬＤ公司…中捅７；北京鹏联科技发展有限公司…中插８；北京达因瑞康科技有限责 任公司…中插９；中油油气勘探软件国家工程研究中心有限公司…中插１０；中油油气勘探软件国家工程研究中心有限公司… 中插１１；保定北奥石油物探特种车辆制造有限公司…中插１２。
