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《中国科学技术大学》 2008年
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高分辨地震勘探仪器设计研究

王兵  
【摘要】: 石油是战略资源,目前我国石油对外依存度超过50%,已经威胁到了国家安全。我国地质条件复杂,石油、天然气勘探程度低,石油的储采比为14:1,远低于世界平均水平40:1。目前,东部地区油气田面临持续稳产的迫切需要,西部地区勘探条件复杂需要突破,海上更面临开辟前新生代海相残留盆地油气勘探新领域的挑战。如何提高深层(3500m或更深)地震勘探的分辨率成为勘探攻关的难点。 地震勘探仪器是油气勘探的关键设备,其勘探能力直接决定了国家对油气资源的掌握。在地震仪器研制方面,我国长期处于落后状态,目前所使用的地震仪器设备全部依赖进口,核心技术受发达国家严格限制无法引进,严重制约了我国物探事业和石油工业的发展。 计算机技术、网络通信技术、电路工艺技术、电源技术、微机械加工技术、材料科学技术等领域的技术进步,给我们提供了跨越式发展地震勘探仪器的机遇。然而在地震勘探仪器的设计中,如果单纯从电子信息技术角度去提高地震仪的性能指标,很难做出“好的仪器”,不仅会造成研制成本的增加和难度的加大,往往还很难达到理想的勘探结果。因此本文一方面着重从理论上研究了我国深层地质条件对地震仪器性能指标的要求,另一方面研究了不断改进的资料数据处理的方法、手段和能力对地震仪器结构和获取数据的要求,从而从勘探活动的全过程来探讨未来我国高分辨地震仪器的发展。 物理原理是地震勘探的基础,地震勘探仪器设计也必须从充分了解物理背景出发。本文第2章首先从地震分辨率的概念、地震子波与分辨率的关系等出发,研究地震波的传播特点与规律;在调研我国地球物理研究成果的基础上,选取了我国华北地区的典型地层数据,通过建模仿真研究了地层衰减吸收的规律,认真分析了影响地震分辨率的地质因素,搞清楚了高分辨勘探需要捕获信号的范围和特点。 对设计一个高分辨地震勘探仪器来说,最重要的指标包括:道间距、排列长度、总道数、采样间隔、瞬时动态范围、谐波失真、功耗等。这些指标与勘探目标的深度及需要采集信号的频率有着密切关系:需要分辨的地层越薄,则需要记录的信号频率越高;而勘探目标地层越深,则反射波信号中低频部分与高频部分的振幅差异就越大。好的地震仪器必须将信号的低频和高频部分同时记录下来。本文第3章里利用已经建立的地层吸收衰减模型,以DFS-V地震仪和SN388地震仪为例,选择Ricker子波为震源,仿真计算了仪器对各目标深度地层反射波信号的记录能力及分辨能力;分析了为达到高分辨效果仪器所需要的瞬时动态范围以及噪声对仪器的影响;明确阐述了高分辨地震仪器用于深层勘探必须具有大瞬时动态范围、小道间距、多道数、超低的谐波失真以及相应的采样间隔。这些指标确定以后,又决定了仪器的拓扑结构和数据传输能力,他们之间符合一定的定量和定性关系。 上述两章内容反映了地震仪器与勘探目标的物理关系,是本文重点研究的内容之一。 作为地震仪接收记录地震信号的第一步,其最前端的地震检波器应有理想频带和足够大的动态范围。高分辨地震勘探对检波器的精度要求也更高。检波器设计不是本文的研究方向,但检波器的特性和使用方式,对仪器整机的设计有较大的影响,因此本文接下来第4章阐述几种主要检波器,讨论了检波器组合使用的效果,对比了动圈检波器和MEMS数字检波器的各自优势。其中,MEMS数字检波器动态范围和瞬时动态范围都远高于传统检波器;幅频特性和相位一致性都好于传统检波器;谐波失真较低。就高分辨和信号保真而言,采用MEMS数字检波器改善检波器的技术特性要比提高采集站的瞬时动态显得更为迫切和重要。同时采用高质量数字检波器将会使整个地震仪的设计思想发生重要变化,不但使野外采集方式发生了改变,也使后期资料处理更灵活更丰富。然而动圈式检波器通过增加反馈电路等措施尚有不少可挖掘的潜力。如果能在此基础上改进成动圈式数字检波器,将会使现有的地震资料采集质量得到很大的提高。 地震仪器设计是整个勘探活动全过程中的一个环节,要达到最终高分辨勘探的良好效果,数据采集是基础,数据处理是关键。论文在第5章描述地震资料后期处理的方法和手段,并反过来研究它们对仪器结构和获取数据的要求。论文从整体系统观的角度来研究地震仪器设计如何与后期资料处理的方法相适应,最大限度地发挥作用,来提高勘探的分辨率。噪声滤波、叠加处理、偏移处理等方法和能力的改进,对数据的抽取、覆盖的次数等提出了相应的要求,决定了仪器要提供的道间距、排列长度、采样间隔、总道数等主要参数。一些新兴的高分辨勘探技术的出现,如:高密度勘探技术、宽方位角三维地震技术、AVO技术、多波多分量地震技术等,实际上也是后期资料处理手段和能力不断发展的反映,它们对仪器结构、特征和性能提出了新的要求,决定了仪器的发展方向,对将来仪器的设计有着很大的影响。因此本文在第6章介绍了这些新兴技术的发展历程和应用状况,探讨了其主要原理和特点,分析了他们对仪器主要指标的要求。这两章讨论构成了本文的另一重要研究内容。 论文第7章介绍了本人参加的中石油十一五重大专项“陆上大型地震数据采集记录系统”中关键的部分“基于LRE-PHY的地震勘探数传采集系统”项目。项目的目标是研制出总体功能和指标达到国际同类仪器水平的陆上石油地震勘探系统。我们承担的任务包括:电源站、采集站、交叉站接口部分的全套软硬件及相关的纵缆传输部分研制。经过约一年时间艰苦的开发工作,一个构成最小验证系统的原理样机已经开发完成,开发中采用了电子学领域的一些新技术,具有高水平的系统指标,样机已经于通过中石油专家组的验收并受到高度评价。本文利用前述各章的研究结果,对完成的样机的性能特点和整机能力进行了讨论和分析。 在此基础上,论文最后针对我国华北地区深层高分辨勘探需要,具体分析了所需仪器的物理参数,讨论了仪器的结构和主要的系统指标,给出了一个面向未来的新一代大型地震勘探仪器的概念设计。 通过本文的研究取得了以下主要成果: 1)从物理原理出发,围绕高分辨勘探仪器设计对地震勘探相关领域的理论知识进行了融会贯通,结合电子信息技术的实现方法进行了交叉集成,进而得到指导设计石油地震勘探仪器的原则。在地层吸收模型进行仿真的基础上,仔细探讨了地震仪器对深层高频信号的记录能力,通过分析影响分辨率的主要因素,提出了适合我国高分辨地震采集勘探仪器的改进策略和方向; 2)提出地震仪器设计要用系统、整体和发展的理念来进行,即把地震仪器的设计看成是整个油气勘探全过程中的一个局部环节,这一环节的实现要服从于整体目标以达到最佳。在深入了解地震资料处理的主要流程和方法的基础上,尝试利用已有理论、方法、资料,制定出适合未来高分辨地震仪的结构和参数设计要求,充分体现集成创新的成效。 3)中石油十一五重大专项“基于LRE-PHY的地震勘探数据采集系统”项目的研制成功本身是一大创新成果,本人参加了部分开发工作;在此基础上结合上述集成创新的理念对项目进行了分析总结,最后用发展的眼光针对具体勘探需要给出一个下一代仪器的概念设计。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:P631.43

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 宋洪治;大型地震传感器网络仿真平台的实现[D];中国科学技术大学;2011年
2 孔阳;一种适用于地震勘探仪器的低运算量数字滤波器的设计与研究[D];中国科学技术大学;2011年
3 马毅超;大规模陆上地震仪器中高速可靠数据传输方法的研究[D];中国科学技术大学;2011年
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1 解子亮;分布式无线数据采集的实现[D];中国科学技术大学;2011年
2 邹淼;便携式液压冲击可控震源信号设计与系统研制[D];吉林大学;2012年
【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
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2 程敬原;海洋油气勘探仪器参数设计研究[D];中国科学技术大学;2007年
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【共引文献】
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10 狄帮让;徐秀仓;魏建新;;河道砂体宽/窄方位三维观测系统地震物理模型分析(英文)[J];Applied Geophysics;2008年04期
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4 刘光鼎;刘代志;;试论军事地球物理学[A];中国科学院地质与地球物理研究所二○○三学术论文汇编·第四卷(油气资源)[C];2003年
5 石瑛;王赟;芦俊;;用3CVSP资料分析含煤地层的方位各向异性[A];中国科学院地质与地球物理研究所2007学术论文汇编(第五卷)[C];2008年
6 陈发宇;尚永生;杨长春;;Matching Pursuits方法综述[A];中国科学院地质与地球物理研究所2007学术论文汇编(第六卷)[C];2008年
7 黄伟传;杨长春;范桃园;麻三怀;;岩石物理分析技术在储层预测中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所2007学术论文汇编(第六卷)[C];2008年
8 黄伟传;杨长春;王彦飞;;利用叠前地震数据预测裂缝储层的应用研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所2007学术论文汇编(第六卷)[C];2008年
9 尚永生;杨长春;王真理;陈发宇;范兴斌;;柴达木盆地第四系气藏烃类检测研究[A];中国科学院地质与地球物理研究所2007学术论文汇编(第六卷)[C];2008年
10 张金海;王卫民;赵连锋;姚振兴;;黏声波介质傅里叶有限差分法正演模拟[A];中国科学院地质与地球物理研究所2008学术论文汇编[C];2009年
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1 张云银;济阳坳陷第三系储层预测技术研究[D];中国海洋大学;2010年
2 王福海;青岛海湾大桥工程地质地球物理勘查关键技术研究[D];中国海洋大学;2009年
3 周陆扬;辽河油田水陆过渡带高精度地震勘探关键技术研究[D];中国海洋大学;2009年
4 张进;地震叠前数据的弹性阻抗非线性反演方法研究[D];中国海洋大学;2009年
5 童思友;南黄海地震资料多次波形成机理及压制技术研究[D];中国海洋大学;2010年
6 梁国胜;白音查干凹陷隐蔽油藏预测技术研究[D];中国地质大学(北京);2010年
7 石新朴;准噶尔盆地滴南凸起二叠系梧桐沟组层序地层与岩性油气藏勘探[D];中国地质大学(北京);2010年
8 华岗;地震体数据可视化与分析研究[D];浙江大学;2011年
9 徐慧峰;基于弹性波的地下管线水平导向钻随钻探测理论与技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
10 王春田;MEMS数字检波器采集系统技术研究[D];中国地质大学(北京);2011年
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1 刘贞刚;煤岩体破裂的微地震响应特征研究[D];山东科技大学;2010年
2 李攀登;基于OFDM的弹性波透地通信中调制技术的研究[D];山东科技大学;2010年
3 李安亮;弹性波透地通信信道探测关键技术的研究[D];山东科技大学;2010年
4 陈赓;弹性波透地通信信号接收关键技术的研究[D];山东科技大学;2010年
5 初剑;地震成像系统块体建模关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年
6 刘丽娟;基于MEMS的地震检波器研究与设计[D];中国海洋大学;2010年
7 郭磊;近海浅层高分辨率多道地震采集与处理方法研究[D];中国海洋大学;2010年
8 徐磊磊;随钻地震资料逆VSP处理方法初探[D];中国海洋大学;2010年
9 王瑞敏;南海地震资料多次波压制技术研究[D];中国海洋大学;2010年
10 朱琳;浅剖资料高精度处理与解释方法研究[D];中国海洋大学;2010年
【同被引文献】
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1 王刚;王艳芬;张晓光;刘卫东;;关于离散傅里叶变换频率分辨率的讨论[J];电气电子教学学报;2006年06期
2 袁子龙,张学娟,李婷婷;层状吸收介质地震反射参数的计算[J];大庆石油学院学报;2005年03期
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4 刘光鼎;回顾与展望——21世纪的固体地球物理[J];地球物理学进展;2002年02期
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7 宋建国;王艳香;乔玉雷;王慧;;AVO技术进展[J];地球物理学进展;2008年02期
8 王忠仁;高健;孙锋;;脉冲编码可控震源信号设计[J];地球物理学进展;2008年06期
9 张树林;横波地震基本理论的研究[J];地球科学进展;1992年02期
10 顾文奕;;FIR数字滤波器的优化与验证[J];电子测量技术;2008年05期
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1 周正伟;蓝牙基带IP实现技术研究[D];电子科技大学;2002年
2 陈金鹰;地震勘探数据采集与传输体系研究[D];成都理工大学;2006年
3 程敬原;海洋油气勘探仪器参数设计研究[D];中国科学技术大学;2007年
4 曹平;勘探地震数据获取系统设计[D];中国科学技术大学;2007年
5 康凯;IEEE 802.11系列无线局域网MAC层的研究[D];清华大学;2007年
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9 谢明璞;大规模陆上地震仪器结构设计的关键技术[D];中国科学技术大学;2009年
10 郁专;石油勘探中的惯性传感器研究[D];中国科学技术大学;2009年
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1 谢志刚;基于流量放大原理和电反馈原理的比例阀研究[D];太原理工大学;2003年
2 胡小江;新型液压打桩锤研究[D];西安建筑科技大学;2004年
3 褚金利;一种数字阀调节系统及其PLC控制的研究[D];兰州理工大学;2005年
4 刘国富;工程船舶液压系统设计及打桩船液压系统的改进设计与仿真研究[D];上海海事大学;2004年
5 霍燚;通用比例阀数字控制器的研制[D];大连理工大学;2006年
6 邹炳燕;新型液压桩锤控制系统的研制与开发[D];天津大学;2004年
7 金昊;可控震源伪随机扫描技术研究[D];吉林大学;2006年
8 王松;基于以太网的分布式地震仪网络性能模拟与设计[D];吉林大学;2007年
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10 李安帮;高分辨率地震勘探采集技术的综述与研究[D];吉林大学;2007年
【二级引证文献】
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1 李登科;刘洋;侯云飞;李晓虎;刘杰;陈先锋;;非电起爆网路无线监测系统的研究[J];武汉理工大学学报;2012年03期
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1 陈静;煤矿生产监测设备数据校正[D];西安科技大学;2012年
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1 栗晶晶;一种适用于地震勘探仪器的数字滤波器的设计[D];苏州大学;2012年
2 李建业;基于CC430的无线传感器网络节点研究与设计[D];燕山大学;2012年
【二级参考文献】
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4 王志,贺振华,薛彬,黄德济,王熙明,周亚同;广角反射研究及高斯射线正演模拟分析[J];成都理工学院学报;2002年01期
5 梁磊,周雪芳;新型光纤Bragg光栅地震检波器的研究[J];承德石油高等专科学校学报;2003年01期
6 付清锋,周明;SN7C系列超级检波器[J];传感器世界;2000年02期
7 朱光有;张水昌;梁英波;马永生;周国源;戴金星;;川东北飞仙关组高含H_2S气藏特征与TSR对烃类的消耗作用[J];沉积学报;2006年02期
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3 冯宏;地震勘探仪器中的24位数据采集技术[J];石油仪器;1997年03期
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7 闫军科 张大勇;威海高新区推进企业做大做强[N];中国高新技术产业导报;2009年
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9 记者 龚砚庆 通讯员 张长杰;我省支援哈密建亿吨级煤炭基地[N];河南日报;2011年
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3 孔阳;一种适用于地震勘探仪器的低运算量数字滤波器的设计与研究[D];中国科学技术大学;2011年
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7 霍树春;矿山爆破振动波信号采集与处理技术研究[D];河北工业大学;2011年
8 丁念峰;辽河盆地西部凹陷欢喜岭地区三维地震采集技术研究[D];中国地质大学(北京);2010年
9 刘向坤;炸药震源近震源地震波叠加属性研究[D];中国海洋大学;2011年
10 吴治涛;MEMS加速度计用于地震测量的可行性研究[D];西南科技大学;2011年
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