第4讲地震检波器及其新技术
光纤微地震检波器技术讲义
二、光纤微地震检波器技术
US Seismic Systems, Inc. (USSI，美国) 前 身 ： Litton’s (now NG) Fiber Optic
Strategic Business，光纤声呐阵（LWWAA system）
二、光纤微地震检波器技术
抗电磁干扰与信号串扰能力强
全光光纤检波器从检波器探头到信号传输均以光纤为载体，无电 磁干扰影响，各通道信号串扰小，尤其在野外石油勘探作业中优 势明显
前端没有电子设备，防水，耐腐蚀，耐高温高压
井下无电子设备，信号传输全部在光纤中进行 探头也由光纤制作而成，前端不需要供电，可在恶劣环境中应用
一、非常规油气及开发现状
水力压裂技术是目前世界上非常规油气田开发和老油田增产所应用最为广泛 且最为有效的技术措施。－－－－－通过对产油井注水，使得地层涨裂，产生连 通裂缝，改善储层，释放天然气和石油。
一、非常规油气及开发现状-
微地震监测技术
微地震监测，利用水力压裂作业时引起的地下岩层裂缝或错断所产生的地震 波（微地震），进行水力压裂裂缝属性监测的方法。
光纤微地震检波器技术
20一、非常规油气及开发现状
什么是非常规油气？ 在油气藏特征与成藏机理方面有别于常规油气藏、采用传统开采技术通常不 能获得经济产量的油气藏。非常规油气包括致密油气、页岩油气、煤层气、 天然气水合物、水溶气、重油(超重油)、天然沥青(油砂)、油页岩等。
压裂产生地震信号微弱，对接收地震信号的检波器提出较高要求，通常需要 高灵敏度的检波器，并布放在井下，对微地震信号进行采集。
二、光纤微地震检波器技术
为什么采用光纤技术？
地震勘探方法与技术新进展——第四章 多波地震勘探
•
第三节 多波地震资料采集
•
多波地震资料采集比单一纵波采集要复杂的多。震
源设备、检波器、观测系统均要有特殊的要求。下面分
别简要概述。
• 一、采集设备
• ⑴首先要产生纵波、横波的震源设备。纵波震源设备 一般比较容易，横波的震源设备一般要产生剪切力，有 专门的产生横波的震源设备，设备笨重、昂贵、野外施 工困难。
（4-1）
• 式中λ为拉梅常数，μ为切变模量，vp为纵波速度。
地震勘探中多年来是利用纵波进行勘探，由于纵波的特点，只需用一个垂直
分量的检波器记录即可（见图4-1（a））；另一种是介质中质点振动的方向
与波传播的方向相互垂直的横波，其传播速度vs= (μ/ρ)1/2
（4-2）
式中，vs横波速度。有两种横波，一种是在射线平面以内传播的SH横波，一
• 二、地震各向异性
•
多年来应用的地震勘探理论都是建立在各
向同性、均匀、完全弹性介质的假设基础上，
各相同性是指假设介质的弹性参数与波的传播
方向无关。实际上，介质的弹性参数与波的传
播方向有关，包括波传播的速度、振幅、偏振
特性等，具有这种性质的介质叫各项异性介质。
实际介质中存在着广泛的各项异性性质，油气
勘探和开发中也是如此。
1．各项异性分类
波的传播速度与与波的传播方向有关，
这叫速度各项异性。在各向异性介质中， 例如波沿着地层水平方向传播速度与沿 着地层垂直方向传播方向传播速度不同。 在地震勘探中，常见的各项异性介质可 简化为两种，一种是横向各相同性（简 称TI介质），它具有一个垂直对称轴， 在垂直于对称轴的平面内，介质是各向 同性的，见图4-3（a）,例如周期性的保 护层就属于此类。另一种是方位各向异 性（简称为EDA介质）它是由平行的垂 直裂隙或定向的孔隙所引起的，具有水 平的无限次旋转轴的介质。见图4-3 （b）,还有其它的复杂的各项异性介质， 见图4-3（c）、(d)。
地震检波器技术及应用 (1)
式中"8" 为振动物体的绝对位移’85 为惯性 体 的 绝 对位移’89 为惯性体与 振 动 体 #即 检 波 器 壳 体$之 间 的相对位移’5 为惯性体 的 质 量’7 为 惯 性 体 的 阻 尼 系数’, 为惯性体的弹性系数&
图 !! 电 磁 感 应 式 检 波 器 的 幅 频 特 性 曲 线
目前的电磁感应式检波器可以看作是由质量体 5%弹簧, 和 阻 尼7 构 成 的 单 自 由 度 振 动 系 统& 其 典型结构如图 % 所 示"它 主 要 由 线 架%悬 浮 弹 簧%磁 钢 %磁 靴 及 弹 簧 片 组 成 & 线 圈 通 过 弹 簧 片 或 悬 浮 弹 簧 与外壳相连"且位于磁钢与外 壳 间 的 磁 场 之 中"构 成 与磁钢%外壳作相对运动的惯性体"外壳与大地耦合&
从特 性 曲 线 图 中 可 以 看 出!检 波 器 的 固 有 频 率 :" 是个分界点$
# 当振动频 率 低 于 检 波 器 的 固 有 频 率 :" 时! 传感器的灵敏度随 频 率 减 少 而 快 速 下 降 %速 度 型 检 波 器 以%!2T&/8:衰 减 !加 速 度 型 检 波 器 按%H2T&/8: 衰 减 ’(
!H !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!物!探!装!备
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来 计 算 的 !其 特 性 曲 线 如 图 !"图 ’"图 # 所 示 #
图 ’! 速 度 型 和 加 速 度 型 检 波 器 的 幅 频 特 性 曲 线
图 #! 磁 感 应 式 检 波 器 的 相 位 响 应 特 性 曲 线
!!地震检波器是野外地震数据采集最为关键的设备之一"其性能直接关系到 采 集 数 据 的 质 量 及 地 质 效 果"因 此" 地震检波器的技术和应用一直倍受广 大 物 探 工 作 者 的 关 注% 目 前"地 震 勘 探 检 波 器 种 类 繁 多 且 技 术 特 性 参 差 不 齐"这就给地震检波器的选型和应用带来了不便"甚至使人们产生认识误区%本 文 从 地 震 检 波 器 的 原 理 出 发"通 过 对地震检波器技术参数的论述和各种检波器性能指 标 的 对 比 分 析"对 地 震 检 波 器 的 综 合 技 术 进 行 了 探 讨 和 研 究 " 并在此基础上就地震检波器的选型和应用提出了独特的认识与建议%
地震检波器及其发展趋势
原理及优缺点：压阻式的地震检波器是利用特定半导体的导电性质来工作的，该类型的地震检波器灵敏度高，可以测量微小的地震波变化。其测量灵敏度受到测量原件的收缩性能的影响较大，压阻式地震检波器体积小，携带操作方便，但是该类型的地震检波器性能受到温度的影响较大。
五、新型检波器
背景：目前，地震勘探中大量使用的地震检波器仍然是模拟检波器，随着数字检波器的广泛使用，人们发现数字检波器能最大程度地弥补模拟检波器的缺陷，大大地提高地震采集资料的品质。在国外的勘探市场上，国外数字检波器的实验阶段已经结束，正在逐渐大规模的推广应用，数字检波器将在未来世界石油勘探中起重要作用。目前，国内数字检波器的应用还限制在很小的范围之内。
（3）力学模型和灵敏度分析：
六、国内检波器发展
1．70年代以前：模拟纪录，道数少，频带窄（14-60Hz）、低灵敏度（3-5v/m/s）、动态范围小（30dB）、型号单一2．80年代中期：地震仪器实现了数字化，计算机数据处理技术也相继发展，更重要的是三维地震勘探、高分辨率地震勘探的出现，地震勘探领域扩大到山地、戈壁、沙漠、滩海及海上，地震检波器在性能及型号上发生了较大的变化。一大批高性能技术指标的检波器相继出现，检波器的灵敏度、自然频率、失真系数、假频等技术指标都得到较大改进，更加适用于地震勘探的需求。3．9O年代：国内部分检波器生产厂家，引进了国外的检波器生产线，经过消化吸收，其检波器技术水平达到了国际发达国家水平。随着高精度地震勘探的推广，检波器向三高（高保真、高灵敏度、高分辨）方向发展，检波器的型号和品种也越来越多，例如：不同型号超级检波器、涡流检波器、高性能压电检波器等。4.21世纪始：随着传感器技术、电子技术、计算机技术、数据传输技术等技术的发展。现在高分辨地震数据采集，要求采集的地震数据达到高精确度、高信噪比、高矢量保真度，因此这个阶段相继出现了精度更高的检波器。新型检波器发展的特点主要表现在：（1）采用新的检测原理。光纤传感技术、微电子机械传感技术、高性能压电材料、电容传感器等一批高新技术进入地震勘探检波器领域；（2）检波器内全面实现数字化，减少了信号的模拟传输部分；（3）检波器的动态范围、灵敏度、失真等部分技术指标大幅度提高，抗电磁干扰能力大幅度增强。
地震勘探仪器的原理与新技术
地震勘探仪器的原理与新技术地震记录仪是地震勘探中最基本的仪器之一、它的作用是记录地震波在地下传播时的振动情况。
地震记录仪由一组传感器、放大器和数据采集系统组成。
传感器通常采用压电陶瓷传感器或气流传感器，用于转换地震波的压力波动为电信号。
放大器则用于放大传感器产生的微弱电信号，以便进一步处理和分析。
数据采集系统则负责将放大后的信号数字化，并存储在计算机中，供后续处理。
地震传感器是地震记录仪中的关键部件，也是测量地震波传播的速度、方向和振幅的重要工具。
地震传感器的原理是利用传感器内部的物理效应来测量地震波的振幅和频率。
常用的地震传感器有三轴加速度计和压电传感器。
三轴加速度计可以同时测量三个方向上的加速度，从而确定地震波的传播速度和方向。
压电传感器则使用压电效应将地震波的压力波动转化为电信号。
地震源是地震勘探中的另一个核心部分。
地震源是通过施加力或释放能量来产生地震波的装置。
常见的地震源包括震源车、爆破和振动器。
震源车是一种装有震动源的车辆，通过车辆行驶产生地震波。
爆破则是利用爆炸产生的冲击波来生成地震波。
振动器则是通过振动设备产生地震波。
除了传统的地震勘探仪器，还有一些新技术被应用于地震勘探中。
其中之一是地震反演技术。
地震反演是利用地震波的传播特征来推断地下物质的属性和结构的方法。
它基于波动理论和数值模拟，通过对地震波的观测数据进行反演分析，得到地下介质的速度、密度和衰减等物理属性。
另一个新技术是多次反射地震勘探。
多次反射地震勘探是利用地震波在地下遇到不同介质界面反射产生多次反射波的原理来获取地下信息的方法。
它通过分析不同反射波的时间延迟和振幅变化，可以推断出地下结构的层次和反射界面的位置。
此外，地震勘探中还有其他一些技术和仪器，如地震井探测技术、地震电磁法和地形扫描仪等。
这些新技术和仪器的不断发展，不仅提高了地震勘探的精度和效率，也促进了地球科学的发展和地下资源的开发利用。
综上所述，地震勘探仪器是研究地球内部结构和地下地质构造的重要工具。
地震勘探-检波器工作原理
地震勘探检波器的工作原理地震检波器的理论基础地震检波器是将地表振动变为电信号的一种传感器，或者说地震检波器是把机械振动转化为电信号的机电装置，以最大的逼真度产生地面运动垂直分量的电模拟。
每一个现代地震检波器都是有机械部分和其相连的具有电负载的机电转换器所组成，地震检波器的电学部分和机械部分组成一个整体。
要求它的振幅——频率响应在有意义的频率内是线性的，相位的响应也是线性的。
根据机电转换原理，可把常用的检测器分为三类：即变磁通式（或动圈式）、变磁阻式、压电式。
由于动圈式检波器的输出电压与线圈相对磁铁的运动速度成正比，这种检波器也叫速度检波器。
我国路上地震勘探工作大部分使用变磁通式的检波器。
根据用途不同，也可把地震检波器分为地面检波器、沼泽检波器和井中检波器等。
一个振动系统，它是由一个质量M ，一个弹簧和一个阻尼器Z 组成，地震检波器的装置如图1-1所示，地震检波器的外壳安置在地面上（或沉没于井中），于是，假设外壳的运动精确地重复着地面运动，外壳上具有伸长系数K 的弹簧悬挂着称为惯性质量的重荷M ，为了使用权惯性质量的振动平静下来，惯性质量中被放在胶质液体中，当外壳和惯性质量M 产生相对位移时，在其电极上造成某个电动热E 。
在地震勘探检波器中，主要应用各种感应转换器，在感应转换器中，根据电磁感应，将机械振动变成电震荡，感应机电转换器可以作为与质量M 紧密相连的线圈和与外壳相连的永久磁铁之和（或者反过来），线圈在磁铁的磁场中移动时，在线圈内就发生电动势，转换器线圈内阻在内的某个电阻Z 与转换器两极相连。
可以把地震检波器作为机电系统来研究，这里，某个激发函数()t ζ——例如外壳（地面）对固定读书系统的位移速度，作用于这个系统的输入端，在地震检波器的输出端发生从其电学部分中的负载电阻取得的某个变化的电压()t U ，地震检波器数学模型应该确定这些值之间的关系。
地震检波器的数学模型 为了建立地震检波器的运动数学模型，先讨论其中的作用力。
地震检测仪的原理及应用
地震检测仪的原理及应用一、地震检测仪的原理地震检测仪是一种用来测量地震活动并记录地震波的仪器。
它的原理基于地震波与地壳中的岩石和土壤相互作用时的物理变化。
1. 地震波的传播地震波是由地震源释放的能量，在地壳中以波动的形式传播。
地震波包括主要的P波（纵波）和S波（横波），以及表面波。
P波是最快传播的波，而S波和表面波传播速度较慢。
2. 地震波与岩石的相互作用当地震波通过岩石和土壤时，会引起岩石和土壤的物理变化。
主要的变化包括位移、应变和振动频率的改变。
这些物理变化可以通过地震检测仪来测量和记录。
3. 地震检测仪的工作原理地震检测仪通过将地震波的物理变化转化为电信号来检测和测量地震活动。
一般来说，地震检测仪由传感器、数据采集系统和数据处理系统组成。
传感器通常是一种能够感知地壳振动的装置，常用的传感器包括加速度计和测震仪。
当地震波通过传感器时，传感器会检测到地壳的振动并产生电信号。
数据采集系统负责将传感器产生的电信号转化为数字信号，并将其存储在可读取的介质中，例如计算机硬盘或内存。
数据处理系统则负责分析和处理记录下来的地震波数据。
它可以根据地震波的频率、振动幅度和振动方向等特征来判断地震的强度和性质。
二、地震检测仪的应用地震检测仪在地震研究和地震监测中起着至关重要的作用。
下面列举了地震检测仪在不同应用领域中的具体应用：1. 地震研究地震检测仪是地震研究的重要工具。
通过测量和记录地震波的数据，科学家可以了解地震的发生机制、研究地震波的传播规律，并推测地震发生的位置和规模。
2. 地震预警地震检测仪还可以用于地震预警系统中。
当地震波传播到地震检测仪所在的位置时，检测仪可以迅速将地震波的数据发送到地震预警中心。
地震预警系统可以根据这些数据预测地震波传播到其他地区的时间，从而提前发出警报，给人们争取到逃生时间。
3. 地壳监测地震检测仪可以用于监测地壳的变化情况。
通过持续记录地震波的数据，科学家可以了解地壳的运动情况、地下水位的变化以及地下岩石和土壤的物理特性。
第二章 地震检波器
第二章地震检波器地震检波器是把传输到地面或水中的地震波转换成电信号的机电转换装置，它是野外地震数据采集的关键部件。
第一节电动式地震检波器工作原理：当地震波到达地面引起机械振动时，线圈对磁铁作相对运动而切割磁力线，根据电磁感应原理，线圈中产生感生电动势，且感生电动势的大小与线圈和磁铁的相对运动速度成正比。
图2-1（a）电动式检波器基本结构图2-1（b）电动式检波器外形图2-2 检波器内各部分的运动关系图2-2 检波器内各部分的运动关系12一、运动方程的建立运动方程反应的是检波器线圈运动与地面运动的关系。
规定：z ——地面产生的向上位移y ——线圈框架（惯性体）的向上位移x ——线圈相对磁铁的向下位移（x ＜0），并且：y z x =+1．弹簧克服惯性体重力后的拉力K FK F kx =- （2-1）2． 线圈受到的电磁阻尼力根据法拉第电磁感应定律，线圈两端输出的电动势为dtdxs dt dx dx d n dt d ne ⋅=⋅==φφ dxd ns φ=称为机电转换系数，也叫空载灵敏度。
线圈中的感应电流为：c o e ei R R R==+式中c R 是线圈内阻，o R 是线圈负载电阻。
感应电流受到的电磁力L F ：dtdx R s R e s i dx d n F L ⋅-=⋅-=⋅-=2φ （2-2） 3． 铝制线圈框架受到的电磁阻尼力当圆筒形铝制线圈框架在磁场中运动时，线圈框架内将产生涡电流。
涡电流产生涡旋磁场，此涡旋磁场与永久磁场相互作用的结果也是阻止线圈框架的运3动，这种电磁阻尼力与线圈框架相对磁铁的运动速度成正比：dtdxF T μ-= (2-3) 根据牛顿第二定律，将式（2-1）、（2-2）和（2-3）相加：2222222()k L T s dxF F F k x R dtd yd z d x M M dt dtdt μ++=-⋅-+⋅⎛⎫=⋅=⋅+ ⎪⎝⎭ 即 222221dtzd x M k dt dx R s M dt x d -=+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅+μ （2-4） 一般式 2220222dtz d x dt dx h dt x d -=++ω （2-5）MRs h 2/2+=μ——衰减系数，M K /0=ω——自然频率 。
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陆上地震检波器 （动圈式速度检波器）
检波器的埋置
放线工 在插 检波器
检波器组合——检波器串
m
检波器组合的连接方式
涡流检波器（加速度检波器）
ห้องสมุดไป่ตู้
超级检波器
超级检波器的原理和结构与电磁感应式 检波器完全一致， 检波器完全一致，区别主要在于检波器 的制造工艺和器件材料，实质上， 的制造工艺和器件材料，实质上，超级 检波器就是传统检波器的改进型。 检波器就是传统检波器的改进型。
压电检波器在水中的使用
压电检波器用于海上勘探
海上检波器的接法— 海上检波器的接法—消除海浪干扰
压电传感器的等效电路
压电传感器组合的串并联
海上检波器的耦合电路
数字检波器
数字检波器的核心是MEMS 数字检波器的核心是MEMS (Micro System， Electro Mechanical System，即微电 子机械系统)技术， 子机械系统)技术，这种技术就是以硅材 料为基底，采用微机械加工工艺和IC工 料为基底，采用微机械加工工艺和IC工 IC 艺加工出差动电容式微机械加速度计。 艺加工出差动电容式微机械加速度计。 这种加速度计(数字检波器) 这种加速度计(数字检波器)是集微型传 感器、执行器、 感器、执行器、信号处理器以及控制电 接口电路、 路、接口电路、通信电路和电源为一体 的微型机电系统。 的微型机电系统。
数字检波器的优点
(1)直接以电信号平衡重力变化原理来感应地 (1)直接以电信号平衡重力变化原理来感应地 震波的振动加速度信号； 震波的振动加速度信号； (2)幅度与相位频率特性曲线在500Hz内都是平 幅度与相位频率特性曲线在500Hz (2)幅度与相位频率特性曲线在500Hz内都是平 坦的直线； 坦的直线； (3)信号失真度低于0.003%，即瞬时动态90dB (3)信号失真度低于0.003%，即瞬时动态90dB 信号失真度低于0.003% 以上； 以上； (4)传感器直接输出24位一个样点的数字信号 传感器直接输出24位一个样点的数字信号； (4)传感器直接输出24位一个样点的数字信号； (5)能自动识别和校正垂直地心方向的倾斜角 (5)能自动识别和校正垂直地心方向的倾斜角 度。
压电检波器
HYDHYD-1型压电检波器
HYDHYD-1型压电检波器 是一种压电传感器， 是一种压电传感器， 它具有体积小、 它具有体积小、密封 性能好、 性能好、灵敏度高等 特点。 特点。水下工作深度 35米 1米—35米，可以和美 35 2512型压电检波器 国2512型压电检波器 互换使用。 互换使用。可用于海 水库、 洋、水库、河流等水 域地震勘探。 域地震勘探。
地震勘探仪器的原理与新技术
序列讲座
第4讲
地震检波器及其新技术
地震检波器的分类
从使用环境分有： 从使用环境分有： 陆上检波器 沼泽检波器 海上检波器 从工作原理分有： 从工作原理分有： 动圈式检波器（常规检波器和超级检波器） 动圈式检波器（常规检波器和超级检波器） 压电检波器 数字传感器(数字检波器) 数字传感器(数字检波器) 按输出信号所跟踪的物理量分有： 按输出信号所跟踪的物理量分有： 速度检波器 加速度检波器 压力检波器
数字检波器结构
数字检波器工作原理
数字检波器与传统检波器的区别
数字检波器和传统检波器在原理和功能 上完全不同， 上完全不同，传统意义上的地震检波器 是以电磁感应方式将地震(振动速度) 是以电磁感应方式将地震(振动速度)信 号转换为模拟电信号输出， 号转换为模拟电信号输出，而数字检波 器是以重力平衡方式(MEMS 技术) 器是以重力平衡方式(MEMS 技术)将地震 振动加速度) (振动加速度)信号直接转换为高精度的 数字信号。 数字信号。