数字地震仪

第四节　专用计量校准技术——石油物探计量技术

一、石油物探计量简介

（一）石油地震勘探的原理

石油地震勘探就是通过人造地震波在地下传播的物理特性，分析地下地质构造的勘探方式。地震波在地下传播过程中对不同的地层呈现不同的传播速度和不同的反射特性，因此分析反射到地面的地震波的特性，就可以反演地下构造的性质和状态。通过地下构造的特征，我们可以确定该地区是否具有生油、储油的可能。地震波是一种实时发生转瞬即逝的机械震动，我们在地面接收到的地震信号需要通过地震检波器转换成相应的电信号，传送到数字地震仪量化记录再送到计算机处理，计算机按照特定的数学模型，根据地震信号的时间、频率、相位、幅度、波形做出二维或三维地震剖面。严格地讲地震数据的采集过程就是地层声波传导反射性能的计量测试和记录过程，也是一种非电量的电测和处理过程。

（二）物探专用计量器具在地震采集质量的作用

石油地震勘探数据采集工作中，大地测量仪器能否保证地震测线与施工设计相符，地震检波器能否高保真地将地震信号转化成为电信号，数字地震仪能否保证质量把地震信号量化和存储记录都是影响石油勘探质量的重要计量环节。保证这些计量环节量值的准确统一，才能够保证地震勘探的质量。国家各级计量技术部门只建立了社会通用计量标准，属于石油工业专用的计量标准还需要我们自己开发研制。目前我们已经完成部分物探专用计量器具的溯源项目，部分项目正在研制开发过程中。

二、“十五”前期物探计量工作成就的回顾

“十五”前期，在中油集团公司计量主管部门的领导下，经过各石油企业计量人员的勤奋努力，为“十五”期间物探计量工作的巨大发展提供了良好的物质基础和理论基础。

（一）石油专用计量器具管理目录和石油物探专用计量器具量值溯源体系的发布对规范物探计量和配套计量标准开发具有重要作用

在“十五”前期，中石油集团公司质量技术监督主管部门领导组织计量专标委以及石油企业有关专家调研，确定了石油工业专用计量器具管理目录，目录中列举的物探专用计量器具在煤炭、地矿、天然地震等行业均有应用，管理目录在行业内取得了一致的共识和赞同，成为石油工业计量器具规范管理的依据。在中石油集团公司质量技术监督管理部门领导和组织下，由石油仪器仪表质量监督经验中心专家经过大量的调研和统计，完成了石油物探专用计量器具量值溯源体系研究报告编写，为建立健全石油物探专用计量检测体系奠定了良好的基础，对物探行业计量工作起到了重要的指导作用。

（二）完成了地震检波器测试仪校准装置JCJ－Ⅱ的开发研制

在集团公司石油工业专用计量器具目录的指导下，各有关石油企业加快了石油工业专用计量器具溯源装置的开发研究，1997年以石油仪器仪表质量监督检验中心为主完成了地震检波器测试仪校准装置JCJ－Ⅱ的开发研制，并通过了集团公司科技成果鉴定和政府主管部门计量标准考核。为开展检波器测试仪的校准，统一地震检波器和检波器测试仪的量值提供了良好的物质和技术基础，填补了物探国内外物探计量技术的空白达到了在国际上领先。

（三）检波器测试仪校准装置JCJ－Ⅱ简介

检波器测试仪校准装置主要由程控信号源、高精度数字表和计算机控制系统三部分组成，JCJ－Ⅱ的工作原理框图见图4－17。

图4－17　校准装置JCJ－Ⅱ原理框图（电源部分省略）

通过原理框图可以看出，校准装置JCJ－Ⅱ是一个由计算机控制的集校准数据采集、处理、显示和存储于一体的自动化校准装置，校准装置内部的标准源和高精度数字万用表均能够溯源到国家基准，是一个能够在物探野外生产现场提供校准服务的流动实验装置。

卫星定位仪是石油工业大量使用的通用计量器具，物探计量中心建立的卫星定位仪检测基线网于1998年通过中石油集团公司科技成果鉴定，基线网以其高精度和多功能达到了国际领先的水平，被中石油集团公司批准为工作计量标准。

三、“十五”期间物探计量工作成果

在中石油集团公司计量主管部门的领导下，在“十五”前期成就的基础上，“十五”期间物探计量工作取得了良好的业绩，为物探工作质量做出了重要贡献，主要成果如下。

（一）地震检波器测试仪校准在物探计量工作中得到广泛应用

目前地震勘探数据采集工作中大量使用的动圈式检波器在近十多年内无论结构形式和技术指标方面均没有明显的突破，远远落后于数字地震仪的技术发展，造成检波器的多项技术指标远远低于数字地震仪的技术指标，成为制约地震勘探质量提高的瓶颈。控制好检波器测试仪的技术指标，提高地震检波器的质量，是当前提高地震勘探采集质量的关键，也是物探计量重要工作内容之一。

1．2000年东方公司成立了物探专用计量器具计量技术机构，2001年在物探行业普遍开展了检波器测试仪的校准工作，5年多累计校准国内物探生产在用检波器测试570多台件，检波器测试仪计量标准的应用为地震勘探采集质量提高取得了良好的成果。

2．经过定期对校准数据统计分析和发布汇总统计报告指导用户正确使用检波器测试仪，根据客观翔实的校准数据，通过物探行业内各单位计量主管部门干预，淘汰了8种66台技术指标不合格的检波器测试仪（如SMT－100、ZJC－2、JCC－100、SST－A88、TD－600等），保证了检波器测试数据的可靠和准确。

表4－7　各类型检波器测试仪校准数量统计及周检合格率统计表

3．通过东方公司计量主管部门发布每年校准数据统计分析汇总通报，指导地震勘探项目发包单位、监理部门和测试仪使用单位选型依据。有一些部门曾经认为进口的仪器一定优于国产的仪器，实际校准数据表明部分新型国产的检波器测试仪在很多方面优于进口检波器测试仪，国产仪器不仅价格只有进口的1/3，而且能够提供及时和优良的售后服务。自2003年以来国产检波器测试仪逐渐扩大了在物探工作中的应用，为用户单位节约了外汇和资金，提高了地震检波器的校准准确性。

4．地震勘探工作中检波器测试仪使用情况复杂多变，近几年因为无线通信事业的发展，带来了周边环境严重的电磁干扰，检波器测试仪是进行微小信号测试的仪器，对电磁环境要求较高。校准服务单位通过东方公司发布的年度校准情况通报、在有关技术刊物上发表多篇论文，指导地震勘探单位正确使用检波器测试仪避免电磁干扰测得到正确校准数据。

表4－8　六种地震检波器测试仪电磁兼容性统计表

5．经过对历年检波器测试仪校准数据的统计，发现原检波器测试仪检定规程在技术指标的确定方面受到外国公司的影响，存在诸多不妥之处，影响了校准工作进行和用户的使用（详见图4－18）。

图4－18　检波器测试仪各项技术参数与物探应用技术范围对比示意图

物探计量中心综合大量专家和用户的意见，根据地震勘探实际需要，于2005年完成对标准的修订，新行业标准SY/T6639－2005《检波器测试仪校准方法》去掉引用外国公司出于商业运作目的给出的超出物探工作范围虚高的技术指标，按照地震勘探技术要求确定了符合生产实际情况的检波器测试仪的技术指标范围。修订后的新标准不仅可操作性良好，而且适合物探部门使用。

（二）完成数字地震仪校准装置的研制开发

随着中石油集团公司国际化的步伐，石油企业质量管理工作加快了与国际惯例接轨，各物探行业建立的质量体系均提出保证生产在用计量器具量值准确和有效溯源的承诺。数字地震仪是石油工业专用计量器具，和检波器测试仪一样，目前国内外尚没有能够适应数字地震仪检定和校准的标准设施。1996年和2002年集团公司两次发布的《石油工业专用计量器具管理目录》都确定数字地震仪作为石油专用计量器具管理。集团公司主管部门组织有关专家经过多年的调研，为了使数字地震仪的各项量值能够可靠地溯源，保证石油天然气物探工作的质量，2000年确定立项开发研制数字地震仪校准溯源系统。由东方地球物理公司（原石油物探局）和石油仪器仪表质量监督检验中心共同开发研制。由于数字地震仪技术项目繁多，技术指标过高校准溯源困难，致使开发研制过程延迟。直到2004年底才完成研制和样机试验，通过技术成果鉴定。

1．物探生产中使用的数字地震仪现状。物探生产中使用的数字地震仪主要为国外进口，按类型可分为5种：①有线数据传输仪器；②无线数据传输仪器；③有线和无线混合数据传输仪器；④数据存储式仪器；⑤小型地震仪，其道数一般为24～96道，用于做浅层地震测试和VSP以及用于油田油藏探测的井间地震仪等。

2．数字地震仪校准装置的研制与开发。根据中石油集团公司2000年发布的工作计划安排，中石油集团公司投资，由东方公司和石油仪器仪表质量监督检验中心共同研制开发，因为出现诸多事先没有预见到的困难，如部分数字地震仪的技术项目溯源问题，微小信号测试时干扰影响问题等，直到2004年才完成研制通过技术鉴定。数字地震仪是由计算机、数据采集通道、标准信号源、显示、存储和绘图等部分组成。由于数字地震仪器类型多、检测存在项目多、参数多、环节多等因素，项目组多次组织中国计量科学研究院、江汉石油学院、中石油集团公司和东方公司等专家讨论，最终达成一致意见，确定数字地震仪校准项目、技术参数和允差范围。“数字地震仪校准系统”技术指标如表4－9。

表4－9　校准装置技术指标一览表

3．数字地震仪校准装置简单介绍。

（1）数字地震仪校准装置是一个能够在地震勘探施工现场进行校准测试的携带式流动试验装置，数字地震仪校准装置在校准测试时与数字地震仪测试校准连接示意图见图4－19。

图4－19　数字地震仪校准装置与数字地震仪连接示意图

（2）数字地震仪校准装置原理见图4－20。根据原理图可以看出数字地震仪校准装置是由计算机控制的集校准数据采集、处理、显示和存储于一体的自动化校准装置，校准装置由外置标准幅度和失真度源和内部高精度时基信号源组成，各项基本物理参数均能够溯源到国家基准，是一个自动化程度较高的能够用于数字地震仪校准溯源流动校准装置。

（3）数字地震仪校准装置软件部分原理简介。校准装置软件结构原理见图4－21。

校准装置软件由测试系统、处理系统和磁带数据转换系统3部分组成。软件在Windows环境条件下实现对数字地震仪的校准与数据处理功能。

进行数字地震仪校准时，根据测试项目通过程序控制设定对应的功能和参数，以内部和外部触犯信号作为校准装置与被测数字地震仪协调工作的条件，生成相应的测试信号和控制命令，实现对被测仪器的测试和校准。测试结果以磁盘数据文件形式送到校准处理系统进行分析处理最终生成校准报告。

4．开发研制过程中的技术难点。①数字地震仪的失真度指标几乎达到了电压测量的极限，接近国家失真度基准复现的量值。校准装置的超低失真信号发生器通过与国家失真度基准比对，比对和校准结果证明满足设计技术要求，解决了溯源问题。②微小模拟信号测试时，环境电磁干扰和共电干扰达到了不可忽视的程度。经过3年多次试验终于克服了干扰，使小信号测试满足了设计要求。③不同生产厂商生产的仪器输入端口接插件的样式各不相同，我们研制了一种屏蔽良好的转接盒，使校准装置保证在良好屏蔽条件下测试，并能够适应不同型号的数字地震仪接入。

图4－20　地震仪校准装置原理框图

校准装置通过一年多的稳定性和重复性试验，试验数据统计证明本装置的重复性和稳定性达到了技术要求（具体试验结果详见数字地震仪校准装置技术报告）。

图4－21　数字地震仪软件部分结构原理示意图

5．数字地震仪校准方法的编写和发布。计量器具校准规范是实施校准的技术依据，为了规范实施校准工作在2004年石油物探计量中心完成了数字地震仪校准方法行业标准征询意见稿的编写，同年9月通过了集团公司计量专标委的专家审核，2005年2月形成报批稿，8月被国家标准化委员会批准和正式发布。标准编号为SY/T6627－2005《数字地震仪校准方法》。

（三）中石油与国外石油物探行业在专用计量器具计量溯源状况比较

通过科技成果查新得知，在检波器测试仪校准方面国外最大的生产商还没有开发出完整的和系统的校准装置，只能够实现部分参数的校准。国际上物探发包方和仪器用户也没有对检波器测试仪校准溯源提出要求，默认了生产商给出的技术指标。殊不知电子仪器是会存在老化和漂移的，地震勘探工作中使用条件十分严酷，更加速了仪器的损坏。经过对5年的校准数据统计表明，在地震勘探中检波器测试仪存在着较大的质量风险，开展校准是十分必要的。

国际上无论数字地震仪生产厂商还是地球物理服务公司均没有能够实现数字地震仪溯源的校准装置，仪器的大部分技术参数是生产商通过计算给定的和通过功能性的自检实施的，由于这种方法缺乏溯源过程和客观性，不能够达到统一数字地震仪量值的作用。据了解个别生产厂商虽然在开始数字地震仪校准装置的研制，但是还没有达到实际应用阶段。因此在石油物探专用计量器具校准溯源方面，中石油体现了世界一流石油公司的风范，在石油物探计量器具的校准科研开发和应用方面走在了国外同行和物探仪器生产商前面，两项校准装置均达到国际领先的水平，填补了石油专用计量技术的空白。

四、物探专用计量技术的发展和展望

（一）继续大力开展检波器测试仪的校准

目前地震勘探工作中大量使用的动圈式检波器落后于数字地震仪的技术发展，成为地震勘探质量和勘探精度进一步提高的瓶颈，这已经是不争的事实。由于地震检波器个体之间技术指标的离散性比较大，同时在野外生产使用中的环境条件比较严酷，损坏和老化速度较普通电子仪器仪表要快，故障率较高，因此继续控制好检波器和检波器测试仪的质量是当前提高地震勘探数据采集质量的关键，也是物探专用计量的重要工作内容之一。

（二）推广数字地震仪校准工作

数字地震仪校准装置预计在2006年将要在中石油集团公司所属的物探行业普遍推广使用，将进一步提高地震勘探工作的质量。国际各地球物理公司都开始重视数字地震仪的量值准确问题，质量意识都在提高。我们虽然走在了前面，但是与国际同行的差距不是很大，我们在诸多技术指标方面还需进一步完善和改进，标准装置还需要在实际使用中进一步经受考验。

（三）加快开展其余物探专用计量器具校准装置的开发和研制

经过两年的充分调研，中石油集团公司和东方地球物理公司决定2006年开始大地电磁测深仪校准系统的开发研制，预计在两年之内完成中石油集团公司发布的《石油工业专用计量器具目录》中的全部物探专用计量器具校准溯源开发研制。

（四）紧紧跟踪物探技术发展进步的步伐

当前受到电子技术和信息技术发展的推动，物探技术发展很快，物探仪器不断推陈出新，近几年I/O公司推出由微机电（MEMS）检波器和Σ/Δ24ADC组成的SYSTEM－Ⅳ地震勘探系统。这套新系统的多项技术指标已经接近数字地震仪的技术指标，个别指标甚至超过了国家基准，代表了数字地震勘探仪器发展的新趋势。这种新型仪器的出现给我们溯源装置的开发研制带来了很大的困难，在“十一五”期间微机电地震勘探系统校准溯源系统的开发和研制将是我们重要的攻关课题之一。随着物探仪器的发展和进步，开展物探专用计量器具的溯源校准问题将是一个连续不断追踪物探技术漫长的过程。

（五）继续保持中石油在物探专用计量方面国内外领先的地位

全面实现物探专用计量器具现场校准，建立数字化的计量标准数据模型，提高校准溯源的效率和质量，建立计量校准数据的统计应用和过程控制，保持中石油工业专用计量溯源的优势，将中石油物探计量中心建成在国内物探行业有权威，在国际物探行业有影响的专业计量技术机构是我们今后物探计量工作的重要任务。