隨著油氣勘探對(duì)地震探測(cè)的要求不斷提高，寬頻數(shù)據(jù)的采集仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面與寬頻、寬方位、高密度采集技術(shù)要求相當(dāng)數(shù)量的震源激發(fā)，提高震源激發(fā)效率非常重要。另一方面為了采集到高頻地震信號(hào)，高頻信號(hào)的激發(fā)和接收至關(guān)重要。除了震源激發(fā)因素外，有助于獲取高頻信號(hào)的數(shù)字檢波器的儀器性能也十分重要。針對(duì)上述問(wèn)題，重點(diǎn)分析可控震源在拓展低頻、提高采集效率方面的技術(shù)進(jìn)步以及在提高接收高頻信號(hào)能力方面采取的應(yīng)對(duì)措施，并結(jié)合分析新型數(shù)字檢波器的性能指標(biāo)，從激發(fā)和接收設(shè)備兩方面介紹實(shí)現(xiàn)寬頻地震采集的裝備進(jìn)步，對(duì)高密度采集技術(shù)中數(shù)字檢波器與模擬檢波器的應(yīng)用實(shí)例開(kāi)展對(duì)比，介紹高密度單點(diǎn)接收在成像方面的進(jìn)步。
 
震源技術(shù)
 
地下實(shí)際的沉積不是一個(gè)個(gè)“孤立”的層，砂巖、泥巖、灰?guī)r等各種巖性的沉積是千變?nèi)f化的，沒(méi)有足夠的頻寬不能準(zhǔn)確來(lái)描述，不同的頻率有不同的作用[1]。為了提高地震勘探的分辨率就需要把頻帶拓展得足夠?qū)挘鹪醋鰹榈卣鹦盘?hào)產(chǎn)生的源頭首先就必須要具備這種能力。
 
高效拓展低頻技術(shù)的可控震源。對(duì)于可控震源來(lái)說(shuō)，重錘質(zhì)量、重錘及閥沖程、最大泵量及閥流量、靜載壓重等機(jī)械和液壓參數(shù)都限制了掃描信號(hào)向低頻端拓展[3]。常規(guī)可控震源線性掃描信號(hào)的頻帶寬度一般限制在三個(gè)倍頻程范圍內(nèi)，通常是10～80Hz，所以對(duì)于常規(guī)可控震源，低頻信號(hào)的拓展只能采用低頻駐留掃描的方法，通過(guò)增加低頻掃描時(shí)間來(lái)彌補(bǔ)低頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)不足的問(wèn)題，但是掃描時(shí)間的加長(zhǎng)降低了施工效率。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Nomad震源系列改變制約激發(fā)低頻信號(hào)的機(jī)械及液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，改進(jìn)振動(dòng)器和電子控制裝置的性能，比如加大重錘沖程、增加重錘質(zhì)量、提高液壓、增大重錘與平板的質(zhì)量比使之達(dá)到業(yè)界最大值、將外置氣囊狀儲(chǔ)能器內(nèi)置到重錘里面成活塞式儲(chǔ)能器，這一系列改進(jìn)的目的是拓寬低頻激發(fā)的能力，大幅提高工作效率。改進(jìn)后的Nomad震源所激發(fā)的信號(hào)頻率范圍在合理的驅(qū)動(dòng)力下可以達(dá)到1-250Hz及以上。圖1是Nomad 震源在激發(fā)相同的掃描信號(hào)時(shí)不同型號(hào)的震源發(fā)送相同掃描信號(hào)的時(shí)間對(duì)比(圖1d)，Nomad65需要的掃描時(shí)間是20s（圖1a），Nomad65Neo需要的掃描時(shí)間是13s（圖1b），Nomad90需要的掃描時(shí)間則只需7s（圖1c），可見(jiàn)對(duì)于這個(gè)相同的掃描信號(hào)（圖1d），Nomad90只需Nomad65掃描時(shí)間的35%，這無(wú)疑大大提高了生產(chǎn)效率。
 
圖1不同震源激發(fā)1-72Hz的掃描信號(hào)所用掃描時(shí)間的對(duì)比
 
影響可控震源所激發(fā)掃描信號(hào)的高頻段的因素。影響掃描信號(hào)高頻段的因素同樣也包括機(jī)械和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比如平板的硬度、平板與地表的耦合、重錘和平板之間的相位差、以及伺服閥的帶寬等因素[5]，這已經(jīng)通過(guò)設(shè)計(jì)更穩(wěn)定的液壓和更剛性的平板緩解了這些因素對(duì)激發(fā)高頻信號(hào)的限制。
 
除震源設(shè)備本身的影響之外，地表?xiàng)l件對(duì)掃描信號(hào)高頻段的影響也非常大。不同的地表對(duì)應(yīng)不同的截止頻率，堅(jiān)硬的地表是90-120 Hz，沙土地表60-80Hz，松軟地表20-40Hz。
如果做升頻掃描，當(dāng)震源激發(fā)的信號(hào)達(dá)到一定頻率時(shí)，重錘和平板開(kāi)始產(chǎn)生相位差，在掃描信號(hào)到達(dá)地表的截止頻率時(shí)，相位差達(dá)到90⁰。可控震源發(fā)送信號(hào)（地面力）的大小是由重錘和平板各自的出力所決定：GF = Massmass * Accmass + Massbaseplate *Accbaseplate^[4]（Mass和Acc分別為重錘和平板對(duì)應(yīng)的質(zhì)量和加速度）。當(dāng)重錘和平板的相位差大于90⁰時(shí)，平板的振動(dòng)方向開(kāi)始與重錘方向相反，這會(huì)造成地面力小于重錘出力（圖2）。當(dāng)重錘和平板之間的相位差達(dá)到180⁰時(shí)，地面力降到最低。為了彌補(bǔ)掃描信號(hào)在高頻段因振動(dòng)的重錘和平板之間的相位差造成的能量損失，新一代Nomad可控震源對(duì)高頻信號(hào)的激發(fā)做了特殊的技術(shù)改進(jìn)。
 
圖2 不同頻率段，地面力信號(hào)（綠色）與重錘（紅色）和平板（藍(lán)色）信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（左）低頻段（相位差0°左右）；（中）中間頻段（相位差-90°左右）；（右）高頻段 （重錘加速度到達(dá)最大值時(shí)，地面力開(kāi)始下降）
 
新型可控震源被設(shè)計(jì)成靜載壓重（HDW）小于最大峰值出力（HPF），通過(guò)改變震源在高頻段振動(dòng)時(shí)重錘和平板之間的相位差，來(lái)增大地面出力。圖3展示了采用相同的掃描信號(hào)，當(dāng)靜載壓重（HDW）是80000lbf，而最大峰值出力（HPF）分別為80000lbf和90000lbf時(shí)，激發(fā)的掃描信號(hào)與先導(dǎo)掃描信號(hào)（Reference）之間的頻譜對(duì)比。從振幅譜上可以看到，當(dāng)最大峰值出力（HPF）大于靜載壓重（HDW）時(shí)，掃描信號(hào)在高頻段的能量得到了有效提高。Nomad90為大容量重型震源設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步使其可以激發(fā)穩(wěn)定的高頻到達(dá)150-250Hz的掃描信號(hào)。