基于弹性波动力学的检波器耦合系统研究硕士学位论文

魏继东．对３种典型检波器及其数据的几点看法[J．石油物探,２０２４６３１１３８㊀Ｇ１４８W E I J i d o n g ．D i s c u s s i o n s o n t h r e e t y p i c a l s e i s m i c s e n s o r sa n dt h e i rd a t a [J ]．G e o p h y s i c a lP r o s p e c t i n g fo rP e t r o l e u m ,２０２４,６３(１):１３８㊀Ｇ１４８收稿日期:２０２２Ｇ０５Ｇ０６.作者简介:魏继东(１９７４ ),男,高级工程师,博士,现从事地震信号接收与处理方面的研究工作.E m a i l :５６３０６４９４９＠q q．c o m 基金项目:中石化石油工程技术服务股份有限公司 多通道节点仪器研发与应用 (S G ２１Ｇ０８K )资助.T h i s r e s e a r c h i s f i n a n c i a l l y s u p p o r t e db y t h eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y P r o j e c t o f S i n o p e cG e o p h y s c i a l C o m p a n y (G r a n tN o ．S G ２１Ｇ０８K )．对３种典型检波器及其数据的几点看法魏继东(中石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司,山东东营２５７１００)摘要:动圈式检波器与压电式检波器是当前石油地震勘探中应用最为广泛的两类检波器,典型代表包括动圈式速度检波器㊁水中压电式压力检波器以及陆上压电式加速度检波器.分析了３种检波器的物理结构㊁力学模型㊁等效电路以及传输函数,实际数据证明动圈式检波器拾取的地表振动速度与陆地压电检波器拾取的地表振动加速度在主要频带内是等效的,但后者一致性稍差.水中压电式检波器(简称水检)是压力型检波器,不是加速度型检波器,其与动圈式速度检波器或者M E M S 加速度检波器(简称陆检)是组成双检海底电缆(O B C )与海底节点(O B N )施工㊁采用双检合并技术消除水层鸣震的装备基础.当前双检合并技术的几个假设前提,如地震波场是平面波场,检波器距离海底非常近但二者并不接触,不考虑耦合效应,不考虑检波系统的机电效应等,在实际生产中并不满足.因此,提高双检合并技术的实用性需要对以上假设条件进行更深入的研究并采取相应的工程措施.考虑到检波器的主要功能是 忠实地记录大地振动 ,野外经由电路提频的做法不应提倡.此外,对比了容易混淆的两种检波器分类方法并清晰地展示了检波器的分类标准及其对数据的影响.关键词:压电式检波器;动圈式检波器;传输函数;双检合并中图分类号:P ６３１文献标识码:A文章编号:１０００Ｇ１４４１(２０２４)０１Ｇ０１３８Ｇ１１D O I :１０．１２４３１/i s s n ．１０００Ｇ１４４１．２０２４．６３．０１．０１２D i s c u s s i o n s o n t h r e e t y pi c a l s e i s m i c s e n s o r s a n d t h e i r d a t a W E I J i d o n g(S h e n g l iB r a n c h ,S i n o p e cG e o p h y s i c a lC o m p a n y ,D o n g y i n g ２５７１００,C h i n a )A b s t r a c t :M o v i n g c o i l g e o p h o n e a n d p i e z o e l e c t r i c s e n s o r (i n c l u d i n gp i e z o e l e c t r i c p r e s s u r e h y d r o ph o n e s u s e d i nw a t e r a n d p i e z o e l e c t r i c a c Ｇc e l e r o m e t e r s u s e d o n l a n d ,L P )a r e t h e t w om o s tw i d e l y e m p l o y e d t y p e so f s e n s o r s i n g e o p h y s i c a l p r o s p e c t i n g ．At a b l e c o n s i s t i n g o f t h e p h y s i c a l s t r u c t u r e s ,m a t h e m a t i c a lm o d e l s ,a n d t r a n s f e r f u n c t i o n s o f t h e s e t w o s e n s o r t y p e s i s e s t a b l i s h e d f o r c o m p a r i s o n ．T h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d f i e l d e x p e r i m e n t d a t a s h o w e d t h a t t h e v e l o c i t y m e a s u r e d b y m o v i n g c o i l g e o p h o n e a n d t h e a c c e l e r a t i o n b y L P a c c e l e r o m e t e r a r e e q u i v a Ｇl e n t a c r o s s t h em a j o r f r e q u e n c y b a n d s i n t e r m s o f r e p r e s e n t i n g g r o u n dm o v e m e n t ．R e g a r d i n g h y d r o ph o n e ,i t i s e s s e n t i a l t o u n d e r s t a n d t h a t i t i s p r e s s u r e Ｇt y p e d e t e c t o r ,n o t a na c c e l e r o m e t e r ．B a s e do nt h e f u n d a m e n t a l so f s e i s m i cw a v ed y n a m i c sa n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ,o u t p u t o f p r e s s u r e Ｇt y p e h y d r o p h o n e i s p r o p o r t i o n a l t o t h e v e l o c i t y o f w a t e r p a r t i c l e s f o r t h e u p Ｇg o i n g w a v e f i e l d a n d a Ｇ１８０ʎph a s e d i f f e r e n c e i s e x h i b Ｇi t e d f o r t h e d o w n Ｇg o i n g w a v e f i e l d ．T h i s r e l a t i o n s h i p f o r m s t h e b a s i c p r i n c i p l e s f o r d u a l Ｇs e n s o r s u m m a t i o n t e c h n o l o g y ．T h i s t e c h n o l o g y r e l i e s o n s e v e r a l a s s u m p t i o n s ,s u c h a s a p l a n ew a v e f i e l d ,t h e s e n s o r b e i n g v e r y c l o s e t o t h e s e a f l o o r b u tw i t h o u t d i r e c t c o n t a c t (a v o i d i n g s e n s o r Ｇg r o u n d c o u p l i n g e f f e c t s ),a n dw i t h o u t i n v o l v e m e n t o f t h e s e n s i n g s y s t e m．T h e a u t h o r q u e s t i o n s t h e s e a s s u m p t i o n s a n d a r g u e s t h a tm o r e e f Ｇf e c t i v e a t t e n u a t i o n o f w a t e r c o l u m n r e v e r b e r a t i o n b y t h i s t e c h n o l o g y r e q u i r e s a d d i t i o n a l e f f o r t s t h e o r e t i c a l l y ,e x p e r i m e n t a l l y a n d o pe r a t i o n a l Ｇl y ．M e a n w h i l e ,t h em a i nf u n c t i o n o f s e n s o r i s s i m p l y t o f o l l o w t h em o v e m e n t o f t h eg r o u n d f a i th f u l l y ,ci r c u i t Ｇb a s e d e n h a n c e m e n t o f h i g h f r e Ｇq u e n c i e s i n t h e f i e l dm a y r e d u c e t h e S /Nr a t i o a n d r e s o l u t i o n a n d s h o u l d n o t b e p r o m o t e d ．F i n a l l y,t h e c l a s s i f i c a t i o n o f s e n s o r s b a s e d o n d i f Ｇf e r e n t s t a n d a r d s h a s b e e n c l a r i f i e d,c o n t r i b u t i ng t o am o r e th o r o u g hu n d e r s t a n di n g o f t h e n a t u r e o f s e n s o r s a n d a l s o i t s o u t p u t d a t a．K e y w o r d s:p i e z o e l e c t r i c s e n s o r,m o v i n g c o i l g e o p h o n e,t r a n s f e r f u n c t i o n,d u a l s e n s o r s u mm a t i o n㊀㊀动圈式速度检波器与水中压电检波器分别是当前陆地石油勘探与海洋石油勘探最重要的采集设备,二者基于不同的物理原理,目的都是将由震源激发的地震波场(弹性波㊁声波)表达为可以计算㊁分析的数据,进而反演地下介质的空间和物性特征,确定油气藏等地下矿藏的分布范围㊁地质储量㊁开采难度等要素,为其后的油气田开发指明方向.压电陶瓷作为水中压电检波器普遍采用的机电转换材料,采用不同于水中压电检波器的外形㊁数量并与质量块结合(此时压电陶瓷既作为机电转换元件,又作为类似于弹簧的弹性元件),得到的输出电压在一定频带内与输入振动的加速度成正比,可被用于陆地地表振动的检测,被称为 陆地压电检波器 .动圈式检波器㊁水中压电检波器和陆地压电检波器具有各自不同的物理结构㊁力学模型㊁等效电路以及传输函数,充分理解３种检波器输出数据的物理意涵以及数据意义,对于确保后续处理方法的物理合理性以及数学有效性具有重要意义.其中,动圈式检波器与陆地压电式检波器可以用弹簧质量块阻尼(kＧmＧc)单自由度振动模型进行描述,主要利用弹簧质量系统的强迫振动特性来进行振动测量,属于惯性式检波器.当前部分文献[１Ｇ３]主要关注不同类型检波器的机电构成以及传输函数的推导与表达,对于不同类型检波器输出的数据的地球物理意义论述较少.本文意图在厘清不同类型检波器机电构成以及传输函数等数理特征的基础上,检视部分与检波器类型有关的数据计算过程的物理合理性,初步探讨不同类型检波器数据对后续处理成果信噪比㊁分辨率等的影响.１㊀３种检波器的物理结构与数学模型１．１㊀动圈式检波器动圈式检波器是在用检波器类型中历史最为悠久的石油勘探用检波器[４].动圈式检波器输出的电压与地表振动速度在主要频带内成正比,所以被称为 速度型 检波器,其物理结构㊁等效电路㊁传输函数等见表１[５].动圈式检波器的系统特性既取决于质量块的重量㊁弹簧的弹性系数,也取决于线圈磁通㊁磁电转换系数等电磁参数.所以,动圈式检波器在地震勘探有效频带内的系统特性(自然频率㊁阻尼等)取决于 材料㊁外形㊁电㊁磁 等多种因素(表１).表１㊀３种检波器的属性对比序号系统属性动圈式检波器水中压电检波器陆地压电检波器１物理结构２等效电路３传输函数H(ω)＝ω２n－ω２＋２ξωωn j＋ω２n H(ω)＝ω２n－ω２＋２ξωωn j＋ω２n未见诸文献４物理属性机械㊁电㊁磁电机械㊁电㊁磁５㊀输出电压正比于地表(水体)振动的物理量(通频带)速度压力加速度㊀注:H为频率响应,ωn为谐振频率,ω为频率,j为虚数单位,ξ为阻尼系数,无量纲.９３１第１期魏继东．对３种典型检波器及其数据的几点看法１．２㊀水中压电检波器当沿着一定方向对某些电介质施力使之变形时,介质内部会产生极化现象,同时在它的两个表面产生符号相反的电荷(作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变).去除外力后,电介质又会恢复不带电的状态,这种现象称为压电效应.具有压电效应的物质很多,如天然石英晶体㊁人工制造的压电陶瓷㊁锆钛酸铅等.水中压电检波器即是根据压电陶瓷元件的压电效应制造的传感器[５Ｇ６].水中压电检波器(水检)的自然频率取决于压电片的物性以及外形,通常非常高,可以达１０４H z甚至更高的量级,所以海洋勘探时水检在远低于其自然频率以下的频带工作[６].在实际应用中,由于压电陶瓷元件具有很高的输出阻抗,而地震仪的输入阻抗低得多,所以长期以来广泛使用变压器耦合进行阻抗匹配,被称为 变压器耦合式压电检波器 [５].为了减少导线间的漏电作用,变压器一般靠近压电陶瓷元件.在单独的水中检波器中,变压器通常置于检波器内,而拖缆通常是一道检波器组合共用一个变压器.水中压电检波器的物理结构㊁等效电路等参见表１[５].因为压电陶瓷本身的自然频率远高于地震勘探的有效频带,所以影响水中压电系统特性的主要因素是变压器以及分流电阻,其作用可用L C R振荡电路进行描述,后者具有高通滤波的作用.需要说明的是,这种高通滤波特性由附加电路带来,与压电陶瓷的自然频率关系不大.另外一种水检为 带电荷放大器的压电检波器 ,利用电荷放大器来提供低输出阻抗,并对压电检波器产生的信号进行放大[５].因为附加电路的存在,水中压电检波器同样存在类似动圈式检波器的自然频率㊁阻尼等概念,在自然频率以下以一定的速率衰减.但是,这种衰减是由纯电路因素导致的,与动圈式检波器 机械＋电磁 因素导致的低频衰减不同.水中压电检波器通常采用与动圈式检波器大致相同的自然频率(如１０,１５H z)以及阻尼系数(比如０．７０７),这一点为双检合并技术的应用提供了便利(具有相同的高通滤波效应).１．３㊀陆地压电检波器基于压电材料的压电效应,２０世纪６０至７０年代美国有公司采用压电陶瓷作为机电转换元件,在多个压电陶瓷片上附加一个质量块(表１),当检波器振动时,质量块对压电晶体产生压力,从而在压电晶体两端产生电压,将地表振动转换为电信号.近年来国内公司在该设计基础上进行了改良,生产了多款陆地压电检波器[７Ｇ９].较美国公司产品而言,国内陆地压电检波器没有 积分放大电路 ,所以前者是速度型检波器,后者是加速度型检波器.陆地压电检波器受压电材料机电转换系数的限制,产生的电信号比较微弱,必须通过放大器进行放大后才能被地震仪接收,所以陆地压电检波器采用了变压器设计,以实现与地震仪的阻抗匹配以及信号放大,但是这种设计带来了额外的电噪声,缩小了地震数据的有效动态范围.陆地压电检波器准确的传输函数未见诸于文献(表１),从实际数据来看,陆地压电检波器存在与动圈式检波器类似的高通滤波作用.由表１可见,动圈式检波器是 速度型 检波器,其输出数据在一定频带内与地表振动的速度呈线性关系;水中压电检波器是 压力型 检波器,其输出数据在一定频带内与周围介质的压力成正比;陆地压电检波器是 加速度型 检波器,其输出数据与地表振动的加速度在一定频带内成正比(不加积分电路的情况下).２㊀动圈式检波器与陆地压电检波器对地表振动的等效表征㊀㊀检波器的主要功能是 忠实地记录大地振动 .对于振动表征而言,如果不考虑振动的直流分量,位移㊁速度㊁加速度是等效的.但是,因为目前无法直接测量机械振动,必须经由机电转换和模数转换等,才能实现机械振动的位移㊁速度或者加速度表达,这样会不可避免地产生系统噪声(机械㊁电磁㊁数学),如本底噪声会对地震数据高低频两端的保真度产生影响.但是,对于成熟的工业用检波器而言,地震信号的主要频段都是可靠的[１０Ｇ１１].图１对比了３种检波器(相距２０c m)的振幅谱.由图１可见,陆地压电检波器(L P)的振幅谱(蓝色)与动圈式５H z检波器的振幅谱(绿色)在主要频带内具有高度一致性.红色振幅谱来自S e r c e l公司生产的D S U３检波器,因为理论上该检波器的振幅谱没有低频衰减,所以低频较动圈式５H z检波器以及陆地压电检波器更强,理论测试结果与实际结果相符.此外,动圈式５H z检波器经过检波器反褶积[１２]后,低频端与D S U３检波器的振幅谱高度一致.陆地压电检波器的低频衰减无明确的公式表示,故无法通过确０４１石㊀油㊀物㊀探第６３卷图１㊀３种类型检波器就近(２０c m )放置时地震数据反褶积前(a )㊁后(b)的振幅谱定性反褶积进行低频补偿.为了测试图１中动圈式５H z 检波器㊁陆地压电(L P )检波器的一致性,对其进行了微型盒子波试验[１３],将两种检波器分别选用１６个并记录单炮记录(图２).由图２可知,尽管输入信号强度逐渐降低(初至中深层深层环境噪声),但动圈式５H z 检波器的输出数据始终保持了极高的一致性.并且,因为该数据经２０~８０H z 滤波处理(远离动圈式５H z 检波器的低频滤波效应范围),所以认为动圈式５H z 检波器所接收到的地震波形是可靠的.与此同时,L P检波器(第２道反道)在信号最强(初至)时与５H z 检波器之间的一致性较高,其自身１６个检波器相互间的一致性也较高.但是,随着输入信号强度的下降,１６个陆地压电检波器相互间的一致性及其与５H z检波器之间的一致性逐渐降低.在输入信号一致的情况下,这种不一致性是由于检波器自身机电性能(比如本底噪声高㊁陶瓷片一致性差)以及更大的外形与重量带来更强的耦合效应导致的.这种不一致性在一定程度上会掩盖有效信号,降低地震数据对弱信号的表达能力.对于地震数据处理来说,这种由检波器导致的不一致性会被误认为是地下介质的不一致性导致的,进而导致数据假象.图２㊀各１６个动圈式５H z 检波器和陆地压电(L P )检波器的单炮记录对比１４１第１期魏继东．对３种典型检波器及其数据的几点看法３㊀双检合并消除鸣震干扰自１９８９年B A R R等[１４]提出通过双检合并消除水层鸣震干扰和具有工业应用意义的海底电缆设计以来,双检(水检㊁陆检)数据采集㊁处理技术得到了长足的发展,很多学者从不同角度提出了各种压制水中鸣震(w a t e rc o l u m nr e v e r b e r a t i o n)的方法[１５Ｇ１７].该技术的基本理论依据如下:对上行波而言,水㊁陆检接收到的子波极性相同㊁下行波极性相反,二者合并后,可以衰减除一次波以外㊁在海水自由表面与海底之间往返传播的多次波(图３a).对水陆检数据进行适当的运算[１６,１８],可以实现上㊁下波场分离(图３b).水㊁陆检接收到的上行波极性相同而下行波极性相反,是因为两类检波器拾取压力㊁速度两个物理量并表达为电压的物理机制不同.陆检是感受速度的检波器(M E M S检波器感受加速度需要将数据积分并切除１~２H z以下的低频),其输出电压在一定频带内与水体质点的速度成正比.水检是感受压力的检波器,其输出电压在一定频带内与压力成正比.同时,水㊁陆检输出数据的正㊁负号也有着不同的物理含义.对陆检而言,其数据的正㊁负号分别代表质点速度的不同方向;对水检而言,其正㊁负号代表水体的膨胀与压缩,质点速度的上㊁下以及水体的胀㊁缩首先经机电转换表现为电压的正㊁负,然后再经模数转换表现为数字的正㊁负.按照惯例,速度向下为正㊁向上为负,水体的膨胀为正㊁压缩为负.当然这种惯例是人为设定㊁约定俗成的,便于更改[１９].地震 波场 如果用压力或者速度来表征的话,因其代表作用是一样的,故二者可以相互推算.但是,因为实践中检波器只能放置在三维空间中的某些点(理想化的质点)上,并且上行波与下行波相互混叠,所以无法对单个检波器的数据直接进行压力与速度之间的相互推算.根据地震波动力学的相关原理,必须将同一类检波器布置在不同的空间位置,加入空间参量,或者在同一个空间位置上同时布置压力和速度检波器,才能实现地震波场在该空间位置上的完整表达[２０Ｇ２１].水陆检数据表征上行波极性相同而下行波极性相反,本质上是单一类型检波器对波场表征的不完备导致的,这一点恰恰为双检合并㊁波场分离提供了可能(图３a㊁图３b).由文献[１４,１９]可知,我们可以基于以下假设,利用双检合并技术压制鸣震干扰.３．１㊀地震波场是平面波场在平面波场的假设下,由波动方程㊁牛顿第二定律以及胡克定律可以推知地震波场中的压力与速度存在以下关系[１４,２２Ｇ２５](假设一维):P＝ρc v(上行波)－ρc v(下行波){(１)式中:P为压力,单位P a;ρ为水体密度,单位k g/m３; c为水体速度,单位m/s;v为水体质点的振动速度,单位m/s.由(１)式可见,理想化情况下,将水检检测到的压力P与被标定后的陆检数据ρc v相加,上行波得到加强(２P),下行波得到抵消(－ρc v＋ρc v＝０),这是双检合并消除鸣震干扰的基本原理.部分文献[４,２６Ｇ２８]将水中压力型检波器等同于加速度型检波器,缘于对水检所应用的牛顿第二定律的误解,认为水中压力型检波器拾取的是 力 信号,所以根据牛顿第二定律:f＝m a(２)式中:f为压力,单位N;m为水检的质量,单位k g;a 为水检的加速度,单位m/s２,可以推断水检输出的数据正比于加速度.但是就水检的工作原理而言,水检输出电信号与水检周围水体的 压力 (更准确而言是压强)而不是 力 成正比, 压力 的单位为P a(根据相应灵敏度换算后), 力 的单位为N.水检适用于牛顿第二定律的形式为(假设一维):ρ∂v∂t＝－∂P∂z(３)式中:t为时间,单位s;z为距离,单位m.(３)式表达的是水体在无检波器情况下质点振动速度v与压力P的关系.在介入检波器的情况下,水体与检波器之间产生了耦合效应,主要影响信号高频端的保真度[２９Ｇ３０].因此,认为水检等同于加速度检波器㊁应该将速度型动圈式陆检微分为加速度后再与水检进行合并的做法不符合地震波动力学原理,在此基础上发展的数学去鸣震方法缺乏物理合理性.将速度检波器微分为加速度后,子波波形会发生改变(图３c),无论如何选择标量标定算子,都很难将鸣震干扰的速度和压力分量抵消,并且会形成新的干扰波.因此,尽管对野外实际而言,很多陆检记录的主频低于水检主频,２４１石㊀油㊀物㊀探第６３卷但是这种差异并不是两种检波器跟踪物理量(速度/压力)不同导致的.将单个地震子波表达为速度或者压力并不会导致主频上的差异,导致主频差异另有原因.图３㊀双检合并消除鸣震(a )㊁上下波场分离(b )以及动圈式速度微分后与水检的波形比较(c)㊀㊀平面波场是双检合并消除水层鸣震的物理前提.在地震波场远离震源或者反射面时,可以将地震波近似为平面波场[３１].但是,对于O B C /O B N 技术来说,检波器恰恰位于反射面附近,所以其速度与压力关系是否符合(１)式,进而使得双检合并取得理想效果,缺乏足够的理论与实践证明.目前,没有文献记载在现实中测量到速度与压力在这种微观(海底与电缆之间的距离)㊁临界(入射波与反射波㊁透射波同时对检波器产生影响)㊁大尺度(电缆的长度与视波长的量级相当甚至更大)条件下的理想关系.３．２㊀检波器距离海底非常近由文献[１４]可知,在海底水固界面法向应力㊁位移连续且切应力消失的情况下,其平面弹性波的解析解如图４a 所示.在该文献中,假设检波器位于水中且距离海底非常近(远远小于地震波长)但又不与海底接触,这样就可以忽略海底入射波A １㊁海底反射纵波A ２以及反射横波B ２的影响,而只考虑透射纵波A ᶄ１(图４b 的t １)及其后续引发的在水体中往复传播的鸣震干扰(图４b 的t ２,t ３, ).在这种假设条件下,可以将由海面下行的海底入射波(鬼波,g h o s t )与由海底上行的反射波(微屈多次波,P e g Ｇl e g )时差视为０(此处定义入㊁反射波的标准是基于置于海底检波器),即几乎同时发生.比如,对于压力波场而言,海底入射(－１)和海底反射(－K r )同时发生在t ２时刻,且二者之间的关系符合反射定律(图４a ).在这种理想情况下,经过适当标定后可以消除除一次波以外的由海水自由表面反射到海底的干扰波(gh o s t )以及由海底反射回海面的波(p e g Ｇl e g )[２０,３０,３２],而不是仅仅衰减下行波[２４,３３].之所以可以达到这样的目的,是因为海底入射波的振幅要大于反射波的振幅(１＞K r ),在二者反相时,极性取决于入射波,在二者同相时,极性仍然取决于入射波.所以二者叠加后的子波极性取决于入射波(即下行波),而水陆检的下行波极性相反.３．３㊀不考虑与海底以及海水的藕合效应在海底介质非常软㊁横波速度很小的情况下,海底与检波器之间的耦合效应对地震数据的影响非常大,难以忽视[３４Ｇ３８].文献[３５]认为海底电缆垂直方向z 与i n Ｇl i n e 方向x 与海底耦合得较好,c r o s s Ｇl i n e 方向y 耦合得较差.由于O B C 外形的限制,其长度(千米级)大于地震波长(十米级百米级),所以无法用单自由度振动系统对其进行数学描述,电缆与海底之间的耦合关系尚不能用明确的数学模型表示.并且,因为海底电缆位于海床之上,并非完全直线,同时地表起伏等导致耦合情况变化较大,所以很难将陆检的i n Ｇl i n e 方向x 输出等同于海底的x 方向振动.海底节点仪(O B N )的外形更小㊁较横波波长(与耦合效果密切相关)更接近于 质点 的假设.海底节３４１第１期魏继东．对３种典型检波器及其数据的几点看法图４㊀地震波在海底的分裂(a)与双检合并消除鸣震的时域算子(b)点仪同时与海底和海水接触,其传输函数[３７Ｇ３８]较陆地[３９Ｇ４０]更为复杂.文献[１４]和文献[１９]提出采用标量算子来校正水陆检之间的数据差异.但是由于耦合等原因的影响,一个标量算子并不能完全代表水陆检之间的数据差异.文献[３６]采用依赖于频率的算子来校正二者之间的差异,取得了较好的效果.如果检波器中立地漂浮于水体中(即平均密度与水体相当)且非常接近海底,尽管仍然存在与海水耦合,会对高频振动产生衰减[３０],但更满足文献[１４]所假设的条件.不过这样又会导致横波无法正常接收.３．４㊀不考虑检波系统的机电效应图４仅从理想的地震波动力学的角度考虑了波场在海底的分裂与传播,除了与海底㊁海水的耦合因素以外,没有考虑检波器在拾取地震波(弹性波㊁声波)时的机电效应.文献[３０]和文献[４１]提到导致检波器效应的主要因素是不依赖于频率的标量 灵敏度,理由并不充分.灵敏度是标量,由此导致的差异很容易处理,双检地震检波系统涉及的机电因素并不仅仅包括机电转换系数(灵敏度)这一单一因素(表１).不同水陆检的自然频率㊁阻尼系数㊁允差以及地震仪的本底噪声等都会对双检合并的效果产生影响.文献[４２]和文献[４３]中水陆检数据的能量差异是跟踪物理量㊁灵敏度㊁记录格式差异导致的,并不意味着压力代表的地震波机械能与振动速度所代表的机械能存在极大差异.当然,水检对横波波场没有响应,陆检可以接收横波㊁S c h o l t e波等,它们所表征的物理能量存在差异,但应该在同一个量级.４㊀检波器对地表振动的记录与改造检波器的功能是在震源激发地震子波后,忠实地记录大地产生的振动.因此,检波器输出数据应该 忠于 大地振动本身.除了检波器以及地震仪本底噪声㊁机电转换㊁藕合效应等因素使得地震数据较地表振动存在较大畸变以外,还存在若干环节会影响地表振动的准确表达.４．１㊀动圈式检波器的高通滤波效应由前面的分析可知,地表振动转换为动圈式检波器质量块相对振动的过程中,会产生低频衰减(－１２d B/O c t).只要衰减后的低频信号高于本底噪声,这种低频衰减就可以通过确定性反褶积来恢复,在一定程度上再现地表振动的低频特征,代表了 更真实的地表振动 [１２](图１b).４．２㊀加速度域处理地震数据目前陆上石油勘探中主要存在速度型㊁加速度型两类检波器.其中,M E M S检波器㊁陆地压电检波器及涡流检波器在主要频带内与地表加速度成正比.由于自２０世纪３０年代以来动圈式速度检波器一直占据主导地位,很多处理软件默认输入数据为速度或者其线性等价数据,所以国内外多数油气勘探公司将加速度数据积分为速度㊁切除低频后再进行处理[４４Ｇ４７],以便保持后续有关计算的物理合理性.比如,已知平面S质点振动速度法向分量振动速度为v n的情况下,可以利用瑞雷积分[４８]求取任意一点A的频域压力波场P A:４４１石㊀油㊀物㊀探第６３卷P A＝jωρ２πʏS v n e－j K r ræèçöø÷d S(４)式中:j为虚数;ω为圆频率;r为A点到S平面上某点的距离;v n为平面S上质点的法向振动速度;ρ为密度;K r为波数.如果将加速度检波器采集数据直接输入处理系统,求取的值与该点压力场的微分成正比(比例系数决定于检波器灵敏度等检波系统因素),不代表该点的压力波场.此外,分别用速度和加速度表征地震子波,因为由波前扩散和大地吸收引起的振幅衰减速率不同[４９],所以速度㊁加速度的动力学特征(频率㊁振幅㊁相位)存在较大差异,如果不将加速度数据积分为速度而直接输入处理系统的话,处理后的剖面视觉分辨率看似增加了(同相轴更多),但是实际地震分辨率㊁特别是深层的分辨率与信噪比会降低,同时会产生相位错动,进而影响解释精度.４．３㊀经电路频谱整形或者微分文献[５０]至文献[５５]主张在野外利用电路提高地震仪模数转换之前高频端的电压值,或通过电路将速度信号微分为加速度信号,或采用加速度检波器接收,以期提高高频信号的 可记录性 进而提高分辨率.以上野外电路提频㊁整形㊁微分或者直接利用加速度检波器接收理论上存在两个优势:①使高频端信号远离本底噪声,机电比[１２]更高;这就使得原先部分低于本底噪声的高频信号得以高出本底噪声从而被更准确地计入二进制数字,为后续利用数学方法提取高频信号预留了可能性;②在一定程度上弥补大地滤波效应带来的高频损失.但是,以上措施也存在明显的不足:①高频端的地震信号很弱㊁环境噪声很强,所以即使提升了高频端的机电比[１１Ｇ１２],如果不能有效衰减高频端的机械噪声,就很难将野外提频的优势显现出来,甚至会降低信噪比;②野外提频在一定程度上可以补偿大地吸收衰减作用,但是这种补偿相较实际的大地吸收而言,远远不够.野外提频或整形是由电路实现的,一旦设定后就难以改动㊁不够灵活.在保证机电比的情况下,完全可以通过后续数学方法,如反Q滤波进行提频,去噪后提频的效果会更好.所以,检波器只要在多次覆盖背景下在主要频段(１~２００H z)[１１]保证一定的机电比(比如＞１０),就可以通过数学方法保真地恢复其所表征的地表振动(位移/速度/加速度).在检波器灵敏度合理(如无源速度检波器８０~１２０V/m/s)㊁地震仪或者节点仪采用２４位A D转换(有效动态范围＞１２０d B)的情况下,不必采用野外提频㊁频谱整形或者微分的处理方式来 提高高频信号的可记录性 .如果在野外进行了以上改造,也应该在室内用数学方法将电增益去掉.所以,检波器只要能够最大限度保真地记录大地振动就是合格的检波器,经过电路频谱整形[５３]㊁ 截频当做通频用 (高低截＋高增益)[５２]㊁ 兵分两路 (高低频分开记录)[５５]以及将速度检波器输出经电路微分[５６]再进行模数转换的做法,在提高高频端机电比的同时,降低了低频端㊁特别是极低频端的机电比,同时对检波器接收到的㊁默认为速度量纲的波形进行了较大改造㊁不再线性于地表振动的速度表达.如果后期没有通过数学方法消除电增益,会将信噪比更低的高频端反应到时域波形,使得子波旁瓣增加,降低分辨率和信噪比,因为 信噪比的提高最终体现在时域 [５７].５㊀检波器的分类从检波器输出电压与被检测地表振动之间的关系来看,检波器通常包括位移型㊁速度型㊁加速度型３类.但是,类型的划分可以更详细地分为两种情况:基于 质弹阻模型 的单自由度振动系统中 质量块相对位移与地表振动 的关系,以及地震检波系统中 输出电压与地表振动 之间的机电转换关系.前者可以简称为基于 机机转换 (分类Ⅰ),后者简称为 机电转换 (分类Ⅱ).两种分类系统下,３种类型检波器分别具有不同的定义[１Ｇ２](图５).图５㊀两种检波器分类系统的对比[１Ｇ２]根据单自由度振动系统的特点,当被测频率远大于系统自然频率的时候,质量块的相对位移D m与大地振动的位移D g成正比,该检波器称为位移型检波器;当被测频率与系统自然频率接近的时候,D m与D g的一次微分(速度)成正比,该检波器称为速度检５４１第１期魏继东．对３种典型检波器及其数据的几点看法。

声波方程数值模拟实验报告实验题目：声波方程数值模拟实验目的：（1）理解声波方程的物理意义，掌握通过有限差分对其进行数值模拟的方法。

（2）体会不同的初始条件对模拟结果的影响，找到使得干扰波最小的最佳初始条件。

（3）通过模拟人工合成的地震记录，体会地震勘探基本原理和方法，验证地震波传播能量波形变化趋势。

（4）学会从地震记录中初步判断出哪些是地震波、反射波、透射波以及多次波，了解各波形的不同之处。

（5）熟悉matlab 及c-free 等软件的使用，掌握利用三维数组进行程序编译和实现的方法。

实验设备：硬件设备：英特尔® 酷睿™ i3，4GB 内存，U 盘（2GB ）软件设备：windows7（旗舰版），matlab2010a ，c-free3.5实验原理1、震源函数：雷克子波雷克子波是地震子波中的一种。

由震源激发、经地下传播并被人们在地面或井中接收到的地震波通常是一个短的脉冲振动，称该振动为振动子波。

它可以理解为有确定起始时间和有限能量，在很短时间内衰减的一个信号。

地震子波其振动的一个根本属性是振动的非周期性。

因此，它的动力学参数应有别于描述周期振动的振幅、频率、相位等参数，而用振幅谱、相位谱等概念来描述。

方程表达式为: ()()ft e t s t f πγπ2cos 22/2-= 2、声波方程的有限差分法数值模拟对于二维速度-深度模型，地下介质中地震波的传播规律可以近似地用声波的方程描：)()(2222222t S zu x u v t u +∂∂+∂∂=∂∂ （2） V （x ，z ）是介质在点（x , z ）处的纵波速度，u 为描述速度位或者压力的波场，s （t ）为震源函数。

为求上式的数值解，必须将此式离散化，用差商代替微商。

把空间模型网格化，如下图：（1）对空间微分采用四阶精度差分格式，时间微分采用二阶精度差分格式，得：}25][34][121{2,,1,1,2,22221,,1,k j i k j i k j i k j i k j i k j i kj i k j i u u u u u h t v u u u -+++-∆∆+-=+-+--+)(**)(*)(00j j i i t s --+δδ （3） 式中),(j i v 为介质速度的空间离散值，h ∆是空间离散步长，t ∆为时间离散步长，s （t ）为震源函数，)(*)(00j j i i --δδ确定震源位置。

双检检波器耦合技术在浅海勘探中的应用【摘要】对于海上高精度三维地震勘探，双检检波器是将单一的高灵敏度磁电式检波器和海洋压电检波器两种检波器合二为一的检波器组合模式，它在浅海的耦合方式一直是有效地消除多次波，压制虚反射，进而提高地震资料解释精度获取高品质三维资料的关键。

笔者研制了多种类型的耦合器，并在埕岛东油田进行耦合器与双检设备捆绑的试验，确定出了最佳的耦合方案，在实际应用中取得了较好的效果。

【关键词】高分辨率地震资料品质双检检波器耦合器埕岛东油田高分辨地震勘探只有采集到高质量的数据，才能得到高质量、高分辨的地震资料。

在数据采集这一环节中，作为数据采集通道的双检检波器是近年广泛使用的传感器。

它将高灵敏度磁电式检波器和海洋压电检波器合二为一，即将陆检检波和水检检波结合在一起，滤除影响资料解释的干扰波成分，从而来提高地震资料的采集品质。

在浅海海域勘探中，检波器合理的耦合方式能有效地消除水层混响、鸣震等多次波，较好地压制虚反射，进而提高采集精度。

以往压电检波器主要采用配重铁与压电的捆绑方式来提高检波器的耦合效果，但在实践中双检检波器应用该方法的效果不甚理想。

由于针对双检检波器在浅海勘探中的耦合方式的实验优选工作相对较少，笔者对此在胜利探区埕岛东油田的三维勘探中进行了深入的研究和试验工作，取得了较好的效果。

1 耦合器的设计原则在地震采集过程中，检波器的耦合是整个过程的重要环节，它将直接影响到数据采集的质量。

以往在海域采用采用配重铁与压电检波器的捆绑来保证检波点位置的准确。

而在使用双检检波器时，由于必须保证与海底介质的密切耦合。

因此，原有的配重铁捆绑式的耦合模式以及不能满足要求，必须对搭载双检检波器的耦合器进行优化设计，以期达到最佳的耦合效果。

耦合器的优选设计需要遵循以及原则：检波器的位置精度为了保证检波器在海底不随潮水的涨落发生位移变化，设计耦合器时，需增加耦合器的重量，通过耦合器的自身重量来确保检波器投放后的位置精度。

分类号： P315.3 单位代码： 10335密级：公开学号： 21338038硕士学位论文中文论文题目：基于弹性波动力学的检波器耦合系统研究英文论文题目： Research on Geophone CouplingSystem Based on Elastics Theory申请人姓名：陈高翔指导教师：田钢专业名称：地质资源与地质工程研究方向：检波器耦合所在学院：地球科学学院论文提交日期基于弹性波动力学的检波器耦合系统研究论文作者签名:指导教师签名:论文评阅人1：评阅人2：评阅人3：评阅人4：评阅人5：答辩委员会主席：委员1：委员2：委员3：委员4：委员5：答辩日期：Research on Geophone Coupling System Based on Elastics TheoryAuthor’s signature:Supervisor’ s signature:External Reviewers:Examining Committee Chairperson:Examining Committee Members:Date of oral defence：浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。

本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日回望过去的三年时光，有太多人与事需要我铭记与致谢。

第23卷第7期 V ol.23 No.7 工 程 力 学 2006年 7 月 July 2006 ENGINEERING MECHANICS13———————————————收稿日期：2004-10-28；修改日期：2004-12-21基金项目：国家教育部博士点科研基金资助项目(98000321)；清华大学基础研究基金资助项目(2000年度)；作者简介：∗范让林(1970)，男，湖南澧县人，博士，从事动态系统CAE 与振动噪声控制研究(E-mail: fanrl@)；吕振华(1961)，男，宁夏中卫人，教授，博士，从事汽车设计理论、机械振动分析与控制、动态系统CAE 、数字化设计技术等研究。

文章编号：1000-4750(2006)07-0013-06刚体-弹性支承系统振动解耦评价方法分析∗范让林，吕振华(清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)摘 要：刚体-弹性支承系统多自由度振动的耦合程度评价方法是进行系统固有振动解耦设计的重要基础。

对已有的基于耦合刚度、基于振型向量和基于系统动能分布的三种模态振动解耦评价方法进行了系统的分析，指出了各种方法的特点和不足之处，进而采用系统广义惯性力或广义弹性力做功的概念，提出了基于系统振动模态示功向量的振动解耦程度评价方法，具有物理意义准确、量纲统一的优点，适于评价具有不同类型振动响应量的模态振动的解耦程度，是对原有基于系统动能分布的评价方法的完善和推广。

并列举两例来说明所提方法的有效性及其物理概念的严密性。

关键词：汽车；振动解耦；评价方法；动力总成；刚体振动；弹性支承 中图分类号：TB123; O321; TH113 文献标识码：AEV ALUATION APPROACHES OF VIBRATION-MODE UNCOUPLING FOR MULTI-DOF RIGID-BODY WITH ELASTIC MOUNTING SYSTEM*FAN Rang-lin , LU Zhen-hua(Department of Automotive Engineering and State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Abstract: The evaluation of vibration-mode uncoupling degree is a fundamental issue for vibration isolation design of multi-degree-of-freedom rigid-body-elastic-mounting system. Three conventional evaluation approaches, i.e., the coupling-stiffness-based method, the vibration-mode-shape-vector-based method and the kinetic- energy-distribution-based method, are analyzed, and the deficiencies of conventional methods are pointed out. Using the concepts of the work which is done by the generalized inertia forces or by the spring rebound forces, the kinetic-energy-distribution-based method is modified to a modal-work-index-based method. The modified method is clearer in physical concept and is consistent in units for evaluation quantities, the modal-work is an appropriate measure to decouple the rigid mode and is applicable to vibration systems with different types of generalized coordinates, such as translational and rotational displacements. The modified method is an effective remedy and extension to the kinetic-energy-distribution-based method. Two examples are illustrated to exhibit the efficiency of the newly raised measure and its precision of the physical concepts.Key words: automotive; vibration uncoupling; evaluation approach; power plant; rigid-body vibration; elasticmounting system多自由度刚体-弹性支承系统的振动解耦是获得良好隔振性能的基本方法，振动解耦程度的评价是振动解耦设计的基本问题。

基于EI-Fatti弹性波阻抗反演的流体识别杨童【摘要】通过EI-Fatti弹性波阻抗反演直接得到了纵波阻抗、横波阻抗和密度数据,并以三类AVO模型进行反射系数试算,满足了流体识别对反演精度较高的要求.同时,采用基于EI-Fatti弹性波阻抗的两个流体识别因子对三类AVO模型进行对比分析,表明两种流体识别因子对于不同类型的AVO模型的流体识别效果是不同的.在实际资料中,利用弹性波阻抗反演产生较多弹性参数的优势,将这些弹性参数与储层参数进行交会和相关分析,分别定性和定量地对储层进行流体识别,从而达到了有效区分高饱含气和低饱含气储层的目的.%EI-Fatti elastic impedance inversion can directly yield P-wave impedance, S-wave impedance and density data. The tentative calculation of reflection coefficients of three AVO models shows that the inversion method meets the requirements of inversion precision. Meanwhile, based on EI-Fatti elastic impedance of two fluid factors, the three AVO models were comparatively studied, and the results show that the two fluid factors show different fluid identification effects for different AVO models. Meanwhile, through the intersection and correlation analysis of elastic parameters and reservoir parameters, qualitative and quantitative fluid identification can be carried out, so the gas reservoir can be distinguished from the fizz reservoir in actual data.【期刊名称】《物探与化探》【年(卷),期】2012(036)003【总页数】7页(P360-366)【关键词】弹性波阻抗;AVO模型;流体识别【作者】杨童【作者单位】英得赛斯科技(北京)有限公司,北京100028【正文语种】中文【中图分类】P631.445目前国内外大多数油田都已经进入开发阶段的中后期，传统的叠后地震反演只能解决部分地质问题的弊端越加凸显。

弹性波和电磁波的多普勒效应有何异同?_弹性波法在锚杆锚固质量检测的应用论文1基本检测原理1．1锚杆长度检测原理通过在锚杆露出端激振产生瞬时弹性波，弹性波到达锚杆底部，因锚杆与周围环境存在机械阻抗，弹性波产生反射，反射波可以通过锚杆激振端设置的传感器捕捉。

通过分析软件，在时域波形上，可以看到弹性波的激振时间和反射波的达到时间，从而可以确定锚杆长度，即(C为弹性波在锚杆杆体的传播速度)。

时域波形也通过傅里叶变换可以转化到频域上，在频域上频率最低，幅值最大为反射波频率，也可以确定锚杆长度，即L=C/2f。

这里需要指出，上述方法的应用必须要求可以得到明确的反射波信号。

所以锚杆长度的检测准确度跟反射波的提取和杂波的过滤有密切关系。

1．2锚杆注浆密实度检测原理在锚杆全长范围内，若存在注浆不密实区域，锚杆与所注浆体之间的机械阻抗会发生变化，其界面也会产生弹性波发射，通过其反射波信号位置可以确定注浆不密实区域，根据反射波信号强弱可以确定注浆密实度情况。

一般来说，锚杆全长范围内反射波越多，说明注浆不密实区域越多，注浆密实度较低;反射波强度越大，注浆密实度也较低。

另外，通过杆底反射波的幅值大小可以判断注浆密实度情况。

弹性波在锚杆中传播时，其能量随锚杆长度增加逐渐减弱，若注浆密实，弹性波较容易从锚杆与注浆截面逸散，到达杆底部能量会减弱，从时域波形中可以看到底部反射波幅值较小。

反之，注浆不密实，弹性波在锚杆与注浆截面处不易逸散，底部反射波能量较强，反射波幅值较大。

2试验研究在实验室中，我们对5米和9米两种长度的锚杆进行了无注浆情况下的长度检测。

我们采用了国产“SBA－HTF锚索(杆)灌浆密实度检测仪”进行数据采集分析。

3实际工程在沪昆高铁长昆段本人参与了部分隧道围岩和边坡支护锚杆锚固质量的抽检工作，利用“SBA－HTF锚索(杆)灌浆密实度检测仪”对所抽检的锚杆进行了长度和注浆密实度的数据采集和分析。

通过采集的波形图和最终的分析对比，检测效果到达了预期的效果。