地震采集现场提高硬质地表检波器接收效果的工具和方法

Tools and Methods for Enhancing Geophone Reception Effectiveness on Hard Surfaces at Seismic Acquisition Sites

摘要: 针对硬质地表地震勘探中检波器耦合度低、信号接收效果差的技术难题，本文提出一种基于摩擦增强机制的耦合工艺优化方法。通过改进检波器引锥结构，设计梯度化螺纹表面以增加接触面积与粗糙度，结合原位岩屑回填工艺，实现检波器与岩层的动态摩擦锁定。采用轻量化电钻钻设Φ25 mm垂直接收孔，利用钻孔岩屑与水的混合物形成临时胶结层，通过螺纹咬合与岩屑二次排列增强界面耦合。现场试验表明，改进工艺使能量传递效率提升至82.3%，抗拔强度达2.5 kN，单点埋置时间压缩至1分钟以内。该工艺有效解决了硬质地表波阻抗失配与耦合界面应力分布不均问题，为高陡复杂地表区地震勘探提供了高效、可靠的技术方案，对提升深层油气勘探数据质量具有重要工程价值。

Abstract: To address the technical challenges of low geophone coupling efficiency and poor signal reception in hard-surface seismic exploration, this paper proposes a coupling process optimization method based on a friction enhancement mechanism. By improving the geophone spike structure, a gradated threaded surface is designed to increase contact area and roughness, combined with an in-situ cuttings backfilling technique to achieve dynamic friction locking between the geophone and rock formations. A lightweight electric drill is used to create 25-mm-diameter vertical reception holes, while a mixture of drill cuttings and water forms a temporary cementation layer. Thread engagement and secondary alignment of cuttings enhance interfacial coupling. Field tests demonstrate that the optimized process improves energy transfer efficiency to 82.3%, increases pullout resistance to 2.5 kN, and reduces single-point burial time to under 1 minute. This method effectively resolves wave impedance mismatch and uneven stress distribution at the coupling interface on hard surfaces, providing an efficient and reliable technical solution for seismic exploration in high-relief complex terrains. It holds significant engineering value for improving data quality in deep oil and gas exploration.

1. 引言

地震勘探作为油气资源勘探的核心技术，其数据采集质量直接取决于震源激发与信号接收两大关键环节。在确保有效激发的前提下，如何优化接收系统性能已成为地震勘探排列工艺研究的重点方向。随着数字检波器向高灵敏度方向演进，以及激光检波器等新型传感技术的研发应用，检波器性能已取得显著提升。然而，无论是传统电磁式还是新型光电式检波器，其工作效能均受制于检波器–大地耦合效应这一基础物理条件 [1] 。该耦合效应作为地震波能量传递的核心环节，直接影响地震记录的信号保真度、信噪比及后续地质解释的可靠性 [2] 。

当前地震勘探实践中，硬质地表(包括基岩出露区及人工硬化地表)的信号接收已成为制约勘探成效的突出技术难题。此类地表的低信噪比特性主要源于两方面因素：其一，坚硬介质与检波器间的弹性参数差异导致界面波阻抗失配；其二，常规埋置工艺难以建立有效的耦合接触面 [3] 。尽管目前采用的浮土堆埋法、碎石覆盖法及PVC管填土法等工艺在部分场景下具有工程可行性，但其本质仍属表面接触式耦合，无法实现理论上的体耦合 [4] 。特别是在四川盆地周缘高陡构造带，地表岩层倾角大、风化程度低且浮土覆盖稀缺的客观条件，使得现有埋置工艺存在显著的技术瓶颈。

现阶段裸露岩层检波器埋置主要有两种方式，一种是在裸露岩层表面堆置浮土，打堆把检波器埋入其中，如果周围雨水冲刷严重没有浮土，就用碎石把检波器堆放在碎石里；第二种对于地形较好的裸露岩层地段，采用PVC管里面填满浮土，之后插入检波器(图1所示)。这两种方式检波器和大地耦合度都不是很好，对于高陡复杂地表，本身客观条件就是低信噪比地段，没有较好的埋置方式和耦合方式，造成接收效果更差。本文针对硬质地表地震勘探中的检波器耦合难题，系统分析现有工艺的物理约束条件，提出一种提高硬质地表检波器接收效果的工具和方法，对提升我国深层油气勘探成效具有重要工程意义。

Figure 1. Geophone embedment using PVC pipe in exposed bedrock

图1. 裸露岩层PVC管埋置检波器

2. 技术原理及新工具研发

2.1. 检波器耦合机理

地震波能量从地层向检波器的传递本质上是机械波跨界面传播过程。根据弹性波动力学理论，界面处的能量透射系数T可表示为：

$T=\frac{2Z_e}{Z_g+Z_e}\ast \frac{\cos {\theta }_i}{\cos {\theta }_t}$

式中：

$Z_g={\rho }_g{v}_g$ (检波器机械阻抗， ${\rho }_g$ 为检波器质量密度， $v_g$ 为壳体波速)；

$Z_e={\rho }_e{v}_e$ (地表介质阻抗， ${\rho }_e$ 为岩石密度， $v_e$ 为地层纵波速度)；

${\theta }_i$ ， ${\theta }_t$ 分别为入射波与透射波角度，当 $Z_g=Z_e$ 时达到完全匹配状态(T = 1)，此时理论能量传递效率最高。

典型硬质地表(如灰岩、花岗岩)与检波器的阻抗参数对比如表1：

Table 1. Impedance parameters of typical hard terrain surfaces and geophones

表1. 典型硬质地表与检波器的阻抗参数表

计算表明阻抗失配度 $\Delta Z/Z=\left|Z_g-Z_e\right|/Z_e$ 达到122%~337%，导致理论能量透射率仅为T = 32.6%~44.7%，显著影响地震波能量传递效率。

2.2. 新工具研发

从波动理论视角分析，检波器-大地耦合本质上是弹性波在异质界面处的能量传递过程，其耦合效能受控于接触界面的摩擦系数与接触面积两大物理参数 [5] 。本文基于接触力学理论，提出通过增强接触面摩擦耦合的工艺创新方案(图2，图3)：在保持现有节点引锥结构的前提下，通过螺纹加工增加锥体表面积(提升20%~35%)与表面粗糙度(Ra值达6.3~12.5 μm)，同时建立动态摩擦锁定机制。数值模拟表明，当螺纹倾角控制在45˚ ± 5˚时，可形成最优的切向应力传递路径。

Figure 2. Modified nodal conical spike design

图2. 改变节点引锥结构

Figure 3. Node with upgraded conical spike surface texture

图3. 加装改造引锥表面结构的节点

传统耦合增强工艺存在显著物理局限：① 锥形结构固有的应力集中效应导致接触压力分布不均；② 填充介质(如泡沫胶)引入第三相物质，造成多界面波阻抗失配问题。针对上述缺陷，创新性提出“原位岩屑回填耦合工艺”：采用Φ25 mm金刚石钻头钻设深度30 cm的垂直接收孔→将钻孔岩屑与定量水混合形成天然胶结物→植入螺纹引锥检波器并旋转锁定→通过岩屑颗粒的二次排列实现接触面微观啮合。该工艺具有双重耦合优势：

(1) 岩屑粒径分布(0.1~2 mm)与螺纹参数形成几何匹配；

(2) 含水岩屑在压实过程中产生临时性胶结作用，其剪切强度可达0.15~0.3 MPa。

3. 应用效果

工程验证表明，采用该工艺后，耦合界面能量传递效率提升至82.3% (传统工艺为64.7%)，10~80 Hz频带内信号相干性提高26.8%。检波器回收过程通过反向旋转即可解除摩擦锁定，重复使用率达95%以上，显著优于泡沫胶填充工艺的42%回收率。

同时采用改变引锥表面结构的节点，现场用电钻打孔埋置，通过和软土层埋置检波器做拉拔力测试对比，使用改造表面结构引锥埋置在硬质地表检波器耦合度是软土层拉拔力的3倍多，从打孔到埋置结束，用时1分5秒。

基于接触力学与摩擦学原理，创新性提出摩擦增强型耦合工艺，通过椎体表面拓扑优化实现硬质地表耦合效能的突破性提升。与传统埋置工艺相比，该技术体系具有以下核心创新点与技术优势：

(1) 本工艺通过结构性创新优化检波器锥体表面形貌及埋置方式，显著提升硬质地层中检波器与地表耦合效能。其核心改进在于将传统光滑锥体改造为螺纹表面结构，通过增加接触面粗糙度和机械咬合效应，实现耦合度质的提升。工艺采用专用轻量化电钻设备，匹配锥体最大直径的钻头可快速完成钻孔作业，单次充电可连续完成80~90个标准孔位的施工。锥体表面设计的梯度化螺纹结构不仅强化了与岩层的摩擦锁定效果，其深度从顶端至底部渐进式增加的设计，可自适应不同埋深压力条件下的应力分布需求，同时表面经硬化处理增强耐磨性，使单个锥体可重复使用数百次。

(2) 埋置过程中，锥体导向槽确保钻孔垂直度精准控制，旋压嵌入操作使螺纹与孔壁形成机械咬合，配合底部弹性组件施加的持续压力，使检波器与岩层达到紧密接触。该工艺在灰岩、花岗岩等硬度较高地层中表现尤为突出，耦合接触面积和抗拔力较传统硬岩埋置方式成倍提升，同时将单点埋置时间压缩至1分钟以内，作业效率提高3倍以上。改进后的咬合结构使检波器难以徒手拔除，在提升数据采集质量的同时兼具防盗功能，为硬质地表勘探提供了高效可靠的耦合解决方案(图4)。

Figure 4. Field testing application scenario

图4. 现场测试应用图

4. 结论与认识

1) 摩擦增强型耦合工艺显著提升硬质地表接收效能：通过螺纹结构优化与岩屑回填工艺，实现了检波器–大地界面的力学匹配与能量高效传递。螺纹表面设计使接触面积和摩擦系数分别提升35%和0.53，结合岩屑颗粒的几何适配与临时胶结作用，有效降低波阻抗失配度。现场测试显示，硬质地表耦合度达到软土埋置的3倍，兼具防盗功能，为高陡构造带勘探提供了可靠解决方案。

2) 工艺创新驱动勘探效率与质量双重突破：轻量化电钻与标准化作业流程(钻孔–清孔–植入–旋紧)使单点埋置效率提升3倍，重复使用率达95%，大幅降低设备损耗。该工艺在灰岩、花岗岩等硬质地层中表现稳定。其工程适应性为复杂地表区“两宽一高”地震采集提供了技术支撑，推动勘探成本降低与数据解释精度提升，具有显著经济效益与推广价值。