Giáo trình thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí Chương 3 kỹ thuật thu phát sóng địa chấn

Mai Thanh Tân

Chơng 3
Kỹ thuật phát và thu sóng địa chấn
3.1. Kỹ thuật phát sóng địa chấn.

Trong thăm dò địa chấn, tuỳ thuộc điều kiện tiến hành thực địa trên
đất liền, trên biển, sông hồ, hầm lò... mà sử dụng các loại nguồn khác nhau.
Trên hình 3.1 mô tả các loại nguồn khác nhau gây ra sóng đàn hồi
với dải tần số đặc trng của chúng. Các nguồn động đất có dải tần số rất
thấp, trong khi đó các loại nguồn nhân tạo có dải tần số khác nhau, tăng dần
từ nguồn nổ mìn (vài Hz đến vài chục Hz) đến nguồn hồi âm (104 -105 Hz).
hồi âm
pinger
boomer
sparker
súng hơi
nguồn rung
nổ mìn
sóng khối động đất
sóng mặt động đất



10-2



10-1

1

10



102
Tần số (Hz)



103



104



105

Hình 3.1. Các loại nguồn tạo ra sóng đàn hồi với dải tần số tơng ứng
3.1.1. Phát sóng địa chấn trên đất liền
Khi tiến hành địa chấn trên đất liền, các loại nguồn thờng là nguồn
nổ (nổ mìn trong giếng khoan) và nguồn không nổ (rung, va đập).
Khi sử dụng nguồn nổ, quả mìn đợc đặt ở đáy các giếng khoan trong
các lớp đất mềm, dẻo, ngậm nớc... Lợng thuốc nổ cần đợc chọn hợp lý để

tạo ra các sóng có ích đủ lớn so với phông vi địa chấn. Để hạn chế phông nhiễu
liên quan đến mặt đất và giảm ảnh hởng hấp thụ của các lớp phong hoá bở rời
gần mặt đất, nguồn nổ phải đợc đặt dới đáy đới đất đá bở rời ở gần mặt đất
(đới có tốc độ nhỏ) khoảng 1/4 bớc sóng.

40


Thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí

Khi khối thuốc nổ tạo ra áp suất rất lớn đập vào môi trờng đất đá
hình thành lỗ hổng khí. Sóng đập có năng lợng giảm dần và tiếp tục tạo ra
ở môi trờng xung quanh các đới biến dạng dẻo và vùng biến dạng đàn hồi.
Các dao động đàn hồi do nguồn kích thích đợc xác định bởi điều
kiện nguồn bao gồm thành phần và trọng lợng thuốc nổ, tính chất cơ lý của
đất đá vùng nổ.
Trong trờng hợp quả mìn đẳng thớc, môi trờng vùng nổ đồng nhất
thì đới biến dạng dẻo có dạng cầu, nguồn phát sóng dạng cầu này tạo ra
sóng đàn hồi truyền theo mọi phía có mặt sóng hình cầu. Do áp suất của
nguồn tác động thẳng góc vào mặt cầu nên các dao động đàn hồi đợc hình
thành chủ yếu là sóng cầu dọc.
Ngoài nguồn nổ, trong địa chấn còn sử dụng một số loại nguồn không
nổ nh đập, rung... Việc dùng nguồn không nổ có hiệu suất kinh tế cao, ít
nguy hiểm và có thể tiến hành ở những nơi có các công trình xây dựng.
Nguồn không nổ đợc chia ra hai loại:
- Nguồn đập: Loại nguồn này thờng dùng trong địa chấn công trình,
khi chiều sâu khảo sát không vợt qua vài chục mét.
Dùng búa tạ hoặc búa máy tạo nên những xung tức thời (5 - 10ms),
trọng lợng quả tạ có thể tới 2 - 3 tấn, độ cao nâng búa 3 - 4m. Cờng độ
dao động phát ra phụ thuộc trọng lợng và độ cao của búa. ở các vùng sét

tần số dao động đợc tạo ra thấp khoảng 50 - 60Hz, nếu vùng đá rắn chắc
thì tần số có thể tăng lên khoảng vài trăm Hz.
- Nguồn rung: Nguồn rung đợc tạo ra khi sử dụng nguyên tắc tác
dụng điện từ làm cho bệ tỳ đặt sát mặt đất rung, tạo ra dao động đàn hồi
trong môi trờng đất đá.
Nguồn rung có thể tạo
a
ra các dao động xung
ngắn hoặc dao động
b
hình sin kéo dài trong
c
khoảng thời gian khá
d
lớn (6 - 10sec). Với
nguồn tạo xung ngắn
e
ngời ta dùng xung điện
mạnh tạo ra xung đập và
g
gây ra dao động trong
đất đá. Với nguồn tạo
thời gian
xung hình sin kéo dài có
thể tạo ra dải tần số thay
Hình 3.2.Nguyên tắc ghi sóng của nguồn rung
đổi, thờng khoảng 20 10.000Hz.
41

Mai Thanh Tân

Ngày nay có thể sử dụng máy rung có công suất lớn với trọng lợng
quả rung đến 1 tấn. Nguồn rung cho phép tăng năng lợng kích thích khi
kéo dài xung phát vì vậy rất đợc quan tâm, đặc biệt là các vùng sa mạc,
đầm lầy.
Trên hình 3.2 mô tả nguyên tắc ghi sóng địa chấn của một nguồn
rung. Máy rung cho tạo ra các dao động hình sin kéo dài có tần số thay đổi
từ từ (hình 3.2a). Khi đi sâu vào môi trờng gặp các mặt ranh giới sẽ tạo ra
các sóng phản xạ, thí có 3 mặt phản xạ và dao động của chúng đợc biểu
diễn trên các hình 3.2b,c,d. Dao động tổng cộng không phân giải đợc mô tả
trên hình 3.2e. Bằng cách tính hàm tơng quan cho phép nhận đợc đờng
ghi dao động tơng tự nh khi nổ mìn (hình 3.2g)
3.1.2. Phát sóng địa chấn trong môi trờng nớc.
Khi tiến hành địa chấn trong môi trờng nớc (biển, sông, hồ...), ngời
ta thờng sử dụng nguồn không nổ nh nguồn khí nén, nổ hỗn hợp khí, điện thuỷ lực...
Việc sử dụng các loại nguồn này không chỉ bảo đảm việc phát sóng
liên tục sau những khoảng thời gian nhất định trong khi tàu chạy mà còn
bảo vệ môi trờng sinh thái biển.
Trong các loại nguồn nếu có cùng năng lợng phát nh nhau thì
nguồn khí nén kích thích các dao động tần thấp hơn nên đợc sử dụng khi
nghiên cứu phần sâu của lát cát. Loại nguồn điện - thuỷ lực kích thích các
dao động tần cao nên thờng đợc sử dụng để nghiên cứu lát cắt nông với
độ chính xác cao.
Nguồn khí nén
G
(súng hơi): Bộ phận
E
chủ yếu của loại
nguồn này là bộ phận

A
xả khí nén thả trong
C
môi trờng nớc.
Sơ đồ cấu tạo
và nguyên lý hoạt
động của máy phát
D
khí nén đợc minh
hoạ trên hình 3.3.
B
Khí nén với áp
b
suất cao (100 ữ 150
a
3
kg/cm ) từ máy nén
khí đặt trên tàu đợc Hình 3.3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động
của súng hơi: a. nén khí; b. xả khí
đa qua ống dẫn khí

42


Thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí

và nạp vào buồng khí (A và B) của máy phát. Khi có tín hiệu từ trạm địa
chấn đặt trên tàu, van điều chỉnh E đợc mở và luồng khí nén từ máy nén
khí đợc đa vào buồng chứa khí A, đẩy phía dới nắp piton C làm cho
piton đợc nâng lên tạo điều kiện cho khí nén trong buồng B phụt mạnh ra

ngoài qua lỗ hổng D tạo ra sóng đập vào môi trờng nớc làm kích thích
dao động địa chấn. Khi sử dụng nguồn nén khí thờng xuất hiện nhiễu nổ
lặp, điều này đòi hỏi sử dụng bộ lọc thích hợp để hạn chế chúng.
Để nghiên cứu cấu trúc địa chất phần nông sát đáy biển từ vài chục
mét đến một vài trăm mét phục vụ khảo sát tỷ mỷ đặc điểm địa chất công
trình của các công trình biển, khảo sát các vỉa khí nông, các tai biến địa
chất... ngời ta thờng dùng phơng pháp địa chấn nông phân giải cao.
Trong phơng pháp này, để kích thích dao động có thể sử dụng nhiều loại
nguồn không nổ khác nhau. Lựa chọn nguồn sóng âm thờng dựa trên độ
phân giải và độ sâu khảo sát. Theo thứ tự giảm dần độ phân giải và tăng
dần độ xuyên sâu, có các loại nguồn nh hệ Pinger, hệ Boomer, hệ
Spacker.
- Hệ Pinger
Đây là nguồn phát sóng âm dựa vào hiệu ứng từ giảo hay áp điện.
Phần tử chính là tinh thể áp điện, chúng sẽ bị biến dạng khi có dòng điện
chạy qua và ngợc lại vật liệu đó bị biến dạng sẽ gây ra dòng điện. Thiết bị
này đợc chế tạo bằng các vật liệu tinh thể theo một số kích thớc khác
nhau và đặt vào một hộp kín. Dải tần hoạt động của hệ này từ 2.5 -7.5 KHz.
Hệ thống có độ phân giải rất cao (khoảng 0.1m) nhng độ xuyên sâu kém
(vài chục mét). Để tăng độ sâu khảo sát ngời ta dùng bộ nguồn tạo tần thấp
bằng cách tăng dòng điện nguồn và sử dụng một loạt nhiều đầu tạo nguồn
cùng một lúc.
- Hệ Boomer
Đây là loại nguồn phát sóng âm do rung động nhanh của một đĩa kim
loại trong nớc gây ra bởi lực điện từ. Năng lợng của xung do Boomer tạo
ra lên tới vài ngàn Jun, trong khảo sát nông độ phân giải cao mức năng
lợng chỉ cần 300- 500J. Tần số chủ đạo khoảng 200 ữ10.000Hz. Đặc trng
tần số và nguồn cho độ phân giải tốt 0.5 ữ1m và độ xuyên sâu 20 -50m.
- Hệ Sparker
Năng lợng điện đợc tích trong bộ tụ và phóng điện ra một hoặc

nhiều đầu cực trong nớc biển. Hệ Sparker phát ra các xung địa chấn có tần
số trong khoảng 50 ữ 1000Hz. Tuy nhiên cũng có một phần đáng kể năng
lợng có tần số thấp tới 100Hz hoặc vợt quá 1000Hz. Nguồn này có thể đạt
tới độ xuyên sâu hàng trăm mét và độ phân giải thẳng đứng từ 2ữ6 mét với
năng lợng phát thông thờng.
43


Mai Thanh Tân
3.2. Kỹ thuật thu sóng địa chấn.

Trong thăm dò địa chấn, cần tiến hành ghi dao động dọc theo các
tuyến hay trên diện tích quan sát. Trên đó, các dao động địa chấn đợc
ghi nhận bằng các máy thu và sau quá trình khuếch đại, lọc tần số, điều
chỉnh biên độ... chúng đợc ghi lên băng địa chấn. Băng địa chấn là số
liệu gốc chứa các dao động của sóng đàn hồi ghi đợc ngoài thực địa. Xử
lý và khai thác chúng cho phép xác định đặc điểm môi trờng địa chất
vùng nghiên cứu.
Ngày nay, trong địa chấn thờng sử dụng các trạm địa chấn nhiều
mạch, mỗi mạch ghi nhận đợc sóng đến tại một điểm quan sát nhất định.
Các trạm nhiều mạch này tiến hành thu nhận đồng thời các dao động xuất
hiện ở nhiều điểm quan sát khác nhau và ghi lại trên băng từ dới dạng số
hoá. Kỹ thuật ghi số cho phép tiến hành xử lý tự động hoá trên máy tính một
cách thuận lợi và nhanh chóng.
a. Mạch địa chấn
Mạch địa chấn là một hệ thống các bộ phận máy móc nối tiếp nhau cho
phép ghi nhận các dao động sóng xuất hiện tại một điểm quan sát nhất định.
Các trạm địa chấn thờng gồm rất nhiều mạch. Số lợng các mạch trong
các trạm địa chấn có thể thay đổi từ một đến hàng trăm (1, 6, 12, 24, 48, 96
mạch trong địa chấn 2 chiều và hàng nghìn mạch trong địa chấn 3 chiều).

Để thu nhận các dao động xuất hiện ở điểm quan sát và ghi lên băng
từ, mạch địa chấn gồm nhiều bộ phận nh máy thu, khuếch đại, lọc tần số,
điều chỉnh biên độ, ghi từ... Trong các bộ phận trên, các máy thu đợc bố trí
theo các tuyến, các bộ phận còn lại đợc bố trí trong trạm địa chấn.
Các mạch địa chấn gồm hai mạch thành phần là mạch ghi tơng tự
(liên tục) và mạch ghi số.
Để bảo đảm chất lợng ghi, các mạch địa chấn phải đạt các yêu cầu:
- Có dải động học ghi lớn để ghi đợc toàn bộ các thông tin có ích
xuất hiện ở điểm quan sát từ những độ sâu khác nhau với sự khác biệt về
biên độ rất lớn, có thể đạt tới 100 ữ 120 db (105 ữ 106 lần).
- Có độ phân giải tốt về thời gian để ghi đợc riêng biệt các xung địa chấn
liên quan đến các mặt ranh giới khác nhau trong môi trờng phân lớp mỏng.
- Có độ chọn lọc tốt để hạn chế phông nhiễu gây trở ngại cho việc ghi
sóng có ích. Thờng các mạch ghi địa chấn đợc trang bị các bộ lọc để hạn
chế sóng mặt, vi địa chấn, nhiễu công nghiệp ...
- Có độ đồng nhất về độ nhạy và về pha để có thể so sánh các dao
động xuất hiện ở các điểm thu khác nhau.

44


Thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí

b. Máy thu địa chấn
Máy thu địa chấn là bộ phận đầu tiên của mạch địa chấn, đợc sử dụng để
thu nhận các dao động cơ học của đất đá và biến đổi thành tín hiệu điện. Khi
tiến hành công tác địa chấn trên đất liền, ngời ta sử dụng loại máy thu cảm
ứng và khi tiến hành địa chấn trên sông, biển, hồ... dùng máy thu điện áp.
- Máy thu cảm ứng :
Máy thu cảm ứng có cấu tạo

gồm thanh nam châm (2) gắn chặt với
vỏ máy (1) và cuộn dây cảm ứng (3),
lò so đàn hồi (4) (hình 3.4).
Khi sóng địa chấn đập vào
máy thu làm cho vỏ máy thu và
thanh nam châm cùng dao động
với đất đá. Do cuộn dây cảm ứng Hình 3.4. Sơ đồ cấu tạo máy thu
đợc gắn với vỏ máy bởi lò xo đàn cảm ứng: 1.vỏ máy; 2. nam châm
3. cuộn dây cảm ứng; 4. lò so
hồi nên khi sóng địa chấn tác động
vào máy thu, giữa thanh nam châm và cuộn dây cảm ứng có sự dịch
chuyển tơng đối, trong cuộn dây sẽ xuất hiện dòng cảm ứng có cờng
độ tỉ lệ với sự dao động của đất đá.
- Máy thu điện áp: Hoạt động của máy thu điện áp dựa trên cơ sở hiệu
ứng điện áp. áp suất cơ học của môi trờng đợc biến đổi trực tiếp thành
dòng điện nhờ phân tử điện áp. Trong các máy thu địa chấn, phần tử điện áp
thờng là tinh thể gốm titanat bari hoặc muối xenhet tấm mỏng hoặc hình trụ.
Trong các máy thu địa chấn biển, phần tử điện áp này là ống gốm
titanat bari dày 1mm, dài 40mm, đờng kính 20mm, mặt trong và mặt ngoài
đợc phủ bởi lớp kim loại và gắn vào đó 2 dây dẫn.
áp suất của môi trờng tác dụng lên mặt tinh thể làm xuất hiện điện
áp tỉ lệ với áp suất tại đó. Loại máy thu này có u điểm là không đòi hỏi
định hớng, kích thớc nhỏ, ít nhạy với các lắc động.
c. Trạm địa chấn
Từ các máy thu bố trí trên tuyến quan sát, các dao động địa chấn
đợc biến đổi thành tín hiệu điện và chuyển về trạm địa chấn qua đờng
truyền dẫn (cáp, cáp quang hoặc vô tuyến). Trạm địa chấn thực hiện các
quá trình biến đổi và ghi tín hiệu lên băng giấy hoặc băng ảnh (trạm ghi
trực tiếp), ghi lên băng từ dới dạng liên tục (trạm ghi từ tơng tự) hoặc
ghi lên băng từ dới dạng số (trạm ghi số). Ngày nay với sự phát triển của

kỹ thuật số, các trạm địa chấn ghi tơng tự không còn đợc sử dụng nữa
mà hầu hết chuyển sang sử dụng các trạm địa chấn ghi số. Các trạm ghi số

45


Mai Thanh Tân

có dải động học ghi lớn, khả năng chống nhiễu cao và một loạt các u điểm khác.
Đây là một bớc phát triển quan trọng trong thăm dò địa chấn.
Các trạm địa chấn ghi các dao động địa chấn gồm các bộ phận sau:
- Khuếch đại tín hiệu: Khi sóng địa chấn đến máy thu, biên độ dao động
của đất đá rất nhỏ vào khoảng micron, do đó dòng điện xuất hiện ở máy thu chỉ
có điện áp khoảng vài microvon đến vài chục hoặc vài trăm milivon; tín hiệu
này cần khuếch đại lên 104 - 106 lần.
- Lọc tần số: Dao động địa chấn nhận đợc từ máy thu bao gồm sóng
có ích và các loại nhiễu với các dải tần số khác nhau. Các bộ lọc tần số có
nhiệm vụ tăng biên độ sóng có ích nằm trong những dải tần số nhất định và
hạn chế nhiễu có tần số nằm ngoài dải đó.
- Điều chỉnh biên độ: Các sóng địa chấn đến máy thu có biên độ giảm
dần theo thời gian, mặt khác do đi từ các mặt ranh giới có hệ số phản xạ
khác nhau và độ sâu khác nhau nên biên độ chênh lệch nhau rất lớn có thể
đến hàng trăm deciben (105 - 106 lần). Để giải quyết vấn đề này cần sử dụng
bộ điều chỉnh biên độ theo chơng trình (tăng dần hệ số khuếch đại theo
thời gian) và bộ điều chỉnh biên độ tự động để bảo đảm sự ổn định biên độ
trên toàn băng ghi.
- Bộ phận ghi: Bộ phận ghi dao động có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu
điện thành biến đổi trờng từ (để ghi lên băng từ).
Các trạm địa chấn ghi lên băng từ cho phép ghi và lu giữ trên băng
từ một lợng thông tin lớn mà cha cần sử dụng các bộ lọc. Từ băng từ có

thể đọc tín hiệu và ghi lại lên băng ảnh.Việc có thể chọn lọc rộng rãi các
tham số của bộ lọc trong điều kiện phòng thí nghiệm có nhiều u điểm so
với ghi trực tiếp. Quá trình ghi từ nh vậy gọi là ghi từ trung gian, chúng
bao gồm mạch ghi (ghi lên băng từ) và mạch đọc (ghi lại từ băng từ lên băng
ảnh).
Đối với các trạm ghi số, các dao động địa chấn đợc biến đổi thành
các giá trị không liên tục và ghi
U(t)
lên băng từ dới dạng mã số.
(t)
Để ghi mỗi giá trị tức thời
của tín hiệu dới dạng số cần có
t
0
khoảng thời gian nhất định để đo
t
độ lớn và biểu diễn kết quả dới
dạng số. Vì vậy không thể ghi
toàn bộ các giá trị tức thời của tín
hiệu một cách liên tục mà phải rời
rạc hoá chúng và tạo thành một
Hình 3.5. Rời rạc hoá tín hiệu
tập hợp các xung (hình 3.5).

46


Thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí

Các xung này có biên độ bằng biên độ tức thời của tín hiệu và bề rộng

(t) nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách giữa các xung t. Nếu U(t) là điện áp
của tín hiệu địa chấn liên tục thì sau khi rời rạc tín hiệu sẽ có :
n

U( t ) = U(kt ) (1 kt )
k =1

Trong đó U(kt) là biên độ tức thời, (t) là hàm biểu diễn dạng xung.
Trong thăm dò địa chấn, để việc rời rạc hoá không làm méo tín hiệu, ngời
1
(f là tần số giới hạn xác định ở mức 3dB). Thông
ta chọn t
4 f gh gh
thờng, với dải tần số fgh = 125Hz thì t = 2ms.
Để đo độ lớn của các xung, ngời ta biểu diễn chúng dới dạng số với
cơ số 2, nghĩa là tập hợp các số 0 và 1.
U(kt) = am2m + am-12m-1 + ... + a121 + a020.
Thực chất đây là quá trình chọn trong chuỗi số này ra các phần tử mà
tổng của chúng xấp xỉ bằng U(kt).
Ví dụ: Một xung địa chấn trong cơ số 10 có giá trị U(kt) = 118, biểu
diễn dới dạng chuỗi trong cơ số 2 có dạng:
U(kt) = (118)10 = 0.2 7 + 1.2 6 + 1.2 5 + 1.2 4 + 0.2 3 + 1.2 2 + 1.2 1 + 0.2 0

Do đó, mã số cơ số 2 đợc biểu diễn bằng 01110110
Trong các trạm địa chấn, quá trình này đợc tiến hành theo phơng
pháp cân, nghĩa là so sánh điện áp cần đo U(kt) với các quả cân là các
điện áp chuẩn Um, Um -1... U2, U1
Các điện áp chuẩn có mối quan hệ
Ui = 2Ui-1 hay Ui = 2i-1 U1 (i = 1,2,...,m)
Tín hiệu U(kt) đợc so sánh lần lợt với các giá trị chuẩn Um đến

U1, ngời ta cần chọn hệ khuyếch đại thích hợp để thoả mãn điều kiện:
U(kt) < 2 Um
Trớc tiên so sánh U(kt) với Um. Nếu U(kt) < 2 Um thì xung đi qua
ngỡng đó mà không thay đổi giá trị và trên đờng ghi của băng từ sẽ ghi đợc
số 0. Tiếp đó xung tín hiệu tiếp tục đợc so sánh với Um-1 cho đến giá trị Ui nào
đó thoả mãn điều kiện:
Ui < U(kt) < 2 Um + 1
Khi đó trên đờng ghi thứ i của băng từ (ứng với điện áp chuẩn Ui) sẽ
đợc ghi số 1, còn trong mạch sẽ tạo thành xung hiệu:

Ui(kt) = U(kt) - 2Ui

47


Mai Thanh Tân

Sau đó tiếp tục so sánh Ui (kt) với Um -1 Nếu Ui (kt) < Um-1 thì
đờng ghi thứ (i-1) ghi số 0 và so sánh tiếp. Nếu Ui (kt) > Ui -1 thì ghi số
1 và sau đó tạo thành xung hiệu:

Ui+1 (kt) = Ui(kt) - Ui-1
Quá trình trên đợc tiếp tục cho đến khi xung cần đo đợc so sánh với
mức điện áp nhỏ nhất U1. Nh vậy trên m đờng ghi của băng từ, tại thời
điểm t = kt sẽ tạo ra một cột bao gồm m ô mà trong đó ghi đợc m chữ số
0 hoặc 1 theo một thứ tự nhất định. Dãy số 0 và 1 đó chính là số ghi giá trị
của xung cần đo U(kt) dới dạng cơ số 2. Để minh hoạ cho những vấn đề
nêu trên có thể xét một thí dụ trên hình 3.6.

Bớc mẫu hoá 2ms

Tín hiệu
địa chấn

2

0

0

0

0 0

0

1

0

28

0

0

0

1 1

1

0

0

75

0

1

0

0 1

0

1

1

13

0

0

0

0 1

1

0

1

3

0

0

0

0 0

0

1

1

10

0

0

0

0 1

0

1

0

33

0

0

1

0 0

0

0

1

26

0

0

0

1 1

0

1

0

21

0

0

0

1 0

1

0

1

Giá trị
biên độ

Hệ
cơ số 2

Mã hoá
biên độ

Hình 3.6. Mã hoá tín hiệu dới dạng số
Về cấu trúc, mạch ghi số gồm 2 phần, phần đầu gồm các mạch tơng
tự và phần thứ 2 là mạch biến số. Các mạch tơng tự tiến hành biến đổi tín
hiệu dới dạng các dao động tơng tự, liên tục. Các mạch này có số lợng
bằng số mạch của trạm địa chấn, chúng có cấu trúc và hoạt động giống
nhau. Mạch biến số đợc tổ chức thành một mạch thống nhất không phụ
thuộc vào số mạch tơng tự, nhiệm vụ của chúng là rời rạc hoá tín hiệu, biến
các xung tín hiệu thành mã cơ số 2 để ghi lên băng từ.
Ngoài mạch ghi, trong các trạm địa chấn còn có các mạch đọc, cho
phép đọc các tín hiệu ghi đợc trên băng từ, biễu diễn dới dạng tơng tự để
kiểm tra trực tiếp quá trình ghi sóng.
3.3. Hệ thống quan sát sóng địa chấn.

Để tiến hành công tác địa chấn ngoài trời cần bố trí các điểm nổ và
thu dọc theo các tuyến. Việc quan sát sóng đợc thực hiện theo các hệ thống

48


Thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí

quan sát. Hệ thống quan sát là sự bố trí tơng đối của các điểm nổ và chặng
đặt máy thu. Chặng đặt máy thu là đoạn tuyến trên đó đặt máy thu để ghi

nhận dao động do một nguồn gây ra.
3.3.1. Các loại hệ thống quan sát
Hiện nay trong thăm dò dầu khí, tuỳ vào nhiệm vụ đặt ra mà có thể áp
dụng địa chấn 2D hoặc địa chấn 3D. Trong địa chấn 2D, việc phát và thu
sóng tiến hành dọc theo từng tuyến, kết quả đạt đợc sẽ cho các lát cắt địa
chấn dọc theo tuyến đó. Trong địa chấn 3D, việc phát và thu sóng tiến hành
đồng thời trên nhiều tuyến, vì vậy có thể khảo sát môi trờng địa chất trong
không gian 3 chiều.
Trớc hết chúng ta xét hệ thống quan sát trong địa chấn 2D.
Phụ thuộc vào vị trí tơng đối giữa điểm nổ và chặng máy mà có thể
sử dụng hệ thống quan sât trung tâm hoặc hệ thống cánh (hình 3.7).
Máy thu

Điểm nổ

Điểm nổ

Máy thu

Máy thu

Hình 3.7. Hệ thống quan sát trong phơng pháp địa chấn phản
xạ: a. Hệ thống quan sát trung tâm, b. Hệ thống quan sát cánh
- Hệ thống quan sát trung tâm là hệ thống quan sát mà điểm nổ nằm ở
giữa chặng đặt máy. Trong hệ quan sát này cũng có thể bố trí hệ thống có
cửa sổ khi đặt máy thu ở xa nguồn nổ một khoảng nhất định.
- Hệ thống quan sát cánh là hệ thống quan sát mà chặng đặt máy thu
nằm về một phía của nguồn nổ. Để tránh phông nhiễu sát điểm nổ và quan
sát đợc ở khoảng cách xa nhằm tạo ra sự khác biệt rõ rệt của biểu đồ thời
khoảng sóng phản xạ và nhiễu, chặng máy thờng đặt cách nguồn nổ một

khoảng xác định, gọi là hệ quan sát có cửa sổ.

49


Mai Thanh Tân

Cần lu ý rằng, với việc hình thành băng địa chấn điểm sâu chung, hệ
quan sát trung tâm cho phép tăng số lần bội so với quan sát cánh nên sẽ có
hiệu ứng thống kê mạnh hơn, tuy nhiên với hệ quan sát cánh có khoảng cách
thu nổ kéo dài hơn nên hiệu ứng định hớng tốt hơn.
Với đặc điểm khảo sát địa chấn biển cần sử dụng hệ thống quan sát
cánh. Số lần quan sát lặp lại tại một điểm sâu chung gọi là số bội, nó cũng
chính là số lợng mạch trong băng điểm sâu chung. Số lần bội có thể khác
nhau tuỳ thuộc vào mức độ nghiên cứu nh n = 6, 12, 24, 48, 96...
Để thu nhiều lần sóng phản xạ từ một điểm khi bố trí điểm nổ và điểm
thu đối xứng, ngời ta không thể thu đợc băng địa chấn điểm sâu chung
ngoài thực địa vì việc làm này rất tốn kém và không thực tế. Vấn đề này
đợc giải quyết bằng cách sử dụng tập hợp các băng điểm nổ chung, chọn
các vị trí điểm nổ và điểm thu đối xứng từ các băng đó, tập hợp chúng tạo
thành các băng điểm sâu chung, việc làm này đợc thực hiện trong quá
trình xử lý số liệu.
tuyến phát
Trong địa chấn 3
tuyến thu
chiều, tiến hành phát và
thu sóng đồng thời với
nhiều tuyến khác nhau
trong một diện tích
khảo sát. Mô hình tia

sóng trong khảo sát địa
chấn 3D đợc minh hoạ
trên hình 3.8. Trong địa
mặt phản xạ
chấn biển, phơng pháp
ĐSC
địa chấn 3D đợc tiến
hành với việc sử dụng
Hình 3.8. Mô hình tia sóng trong địa chấn 3D
một hoặc nhiều nguồn
phát, nhiều cáp thu
3.3.2. Chọn các tham số của hệ thống quan sát:
Hệ thống quan sát đợc đặc trng bởi các tham số chủ yếu nh
khoảng quan sát, khoảng cách nổ, khoảng cách giữa các máy thu...
a. Khoảng quan sát
Khoảng quan sát là đoạn tuyến đặt máy thu từ máy thu gần nhất (xmin)
đến máy thu xa nhất so với nguồn nổ (xmax). Khoảng cách giữa tâm của các
nhóm máy thu (hoặc các máy thu) là x.
- Độ lớn của xmax xác định chiều dài của biểu đồ thời khoảng, có ảnh
hởng đến khả năng lọc nhiễu theo đặc trng định hớng của hệ quan sát.

50


Thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí

Tăng xmax làm tăng hiệu ứng định hớng, tuy nhiên nếu tăng quá mức
sẽ không tốt vì xuất hiện thêm một số loại nhiễu ở xa nguồn phát và hình
dạng tín hiệu thay đổi nhiều khi xa điểm nổ. Giá trị xmax đợc chọn trên cơ
sở nghiên cứu sự khác biệt biểu đồ thời khoảng sóng có ích và nhiễu, sự thay

đổi tốc độ theo phơng ngang, đặc điểm của đới tốc độ nhỏ và phông nhiễu
xuất hiện ở xa điểm nổ.
Thờng xmax đợc chọn để độ lệch pha d giữa BĐTK của sóng có ích
và nhiễu tại xmax bằng 1,5 lần chu kỳ biểu kiến, nghĩa là:

1,5 T 50 ữ 60 ms
Trong thực tế, xmax thờng thay đổi từ 1500m đến 3500- 4000m.
- Giá trị xmin đợc chọn trên cơ sở tránh phông nhiễu sát điểm nổ và
vùng sóng nhiễu có tốc độ biểu kiến lớn, có thể quan sát đợc sự khác biệt
BĐTK của sóng có ích so với nhiễu.
Trong thực tế xmin đợc chọn trong khoảng từ 0 ữ 600m
- Khoảng cách giữa các máy thu (x) và số mạch của trạm địa chấn (s):
Mối liên hệ giữa x và s đợc tính nh sau:
Đối với hệ quan sát cánh: x = (xmax - xmin )/( s - 1 )
Đối với hệ thống quan sát trung tâm: x = (xmax - xmin )/( s/2 - 1 )
Để bảo đảm độ tin cậy khi liên kết sóng có ích đòi hỏi hiệu thời gian
t của sóng đến 2 máy thu cạnh nhau với khoảng cách x không lớn hơn
nửa chu kỳ t T/2. Từ đó ta có x = v*t v*T/2. Để bảo đảm năng
suất lao động, cần chọn x đủ lớn. Kết hợp hai yêu cầu trên ta cần chọn
x = v*t = v*T/2. Trong thăm dò dầu khí bằng phơng pháp địa chấn
phản xạ, x thờng đợc chọn khoảng 25 - 50m.
b. Khoảng cách nổ:
Khoảng cách giữa 2 điểm nổ sát nhau (l) đợc chọn phù hợp với
chiều dài chặng máy và số bội. Khoảng nổ đợc tính theo công thức:
s.k
l =
x
2n
Trong đó k = 1 với hệ thống quan sát cánh và k = 2 với hệ thống trung
tâm.

Chọn các hệ thống quan sát và tính toán các tham số là vấn đề phức
tạp, đòi hỏi phải hiểu biết đặc điểm của trờng sóng. Vì các thông tin này
không thể biết một cách đầy đủ và chính xác, nên ngoài việc tính toán cần
tiến hành thử nghiệm. So sánh các thông tin nhận đợc bằng các hệ thống
quan sát khác nhau có thể chọn ra hệ thống quan sát phù hợp nhất để quan
sát sóng trong khu vực khảo sát.

51


Mai Thanh Tân

c. Số bội trong hệ thống điểm sâu chung
Để chọn bội cần tính các đặc trng định hớng của hệ thống quan sát
có bội khác nhau và thu thập các thông tin về tơng quan biên độ giữa sóng
có ích và nhiễu. Thực tiễn và lý thuyết chỉ ra rằng khi nhiễu mạnh, để tính
bội có thể sử dụng công thức:
n = 4 ữ 8 ( An / Apx )
Trong đó An và Apx là biên độ của nhiễu và biên độ của sóng phản xạ
Trong thực tế địa chấn biển ở nớc ta khi tiến hành nghiên cứu địa
chấn hai chiều (theo tuyến) bội quan sát thờng đợc chọn bằng 24, 48,
96 ....còn khi nghiên cứu bằng địa chấn 3 chiều thì bội quan sát sẽ lớn
hơn nhiều.
Mối quan hệ giữa số lần bội (n) với số mạch địa chấn (s), khoảng
cách giữa các nhóm máy thu (x) và khoảng cách nguồn nổ (l) đợc xác
s.x
n =
định bởi công thức:
2.l
Để minh họa cho điều này ta lấy thí dụ trên hình 3.9.

Hình 3.9. Hệ thống quan sát cánh với trạm 48 mạch, bội n = 24
trong phơng pháp ĐSC: 1. số thứ tự máy thu; 2. điểm nổ; 3. điểm thu
Trên hình này cho thấy có một tập hợp băng điểm nổ chung từ trạm
địa chấn 48 mạch, chặng đặt máy thu cách điểm nổ một khoảng xác định,
máy thu đặt về cùng một phía của nguồn nổ (hệ quan sát cánh). Tập hợp các
băng ĐNC này có thể chọn đợc các điểm nổ và thu đối xứng nhau để thành
lập băng ĐSC với bội n = 24.

52


Thăm dò địa chấn trong địa chất dầu khí

3.3.3. Đặc điểm hệ quan sát địa chấn biển
Để tiến hành phơng pháp địa chấn biển, ngời ta sử dụng các tàu địa
chấn với các trang thiết bị nh trạm địa chấn, cáp địa chấn, nguồn không nổ ...
Cáp địa chấn biển bao gồm các máy thu điện áp đợc ghép thành
nhóm nhằm tăng độ nhạy và tăng khả năng dập nhiễu. Chiều dài cáp khoảng
3 - 6km bao gồm hàng trăm mạch địa chấn, chúng đợc đặt dới mặt nớc ở

chiều sâu bằng (khoảng 5 ữ 8m). ở cuối cáp có gắn một thiết bị xác định
4
độ lệch của cáp so với tuyến do dòng nớc biển gây ra. Nguồn phát sóng cũng

đợc bố trí ở độ sâu khoảng . Quá trình phát sóng đợc điều khiển dựa
4
vào tín hiệu so sánh giữa toạ độ của tàu đợc xác định trong định vị vệ tinh
toàn cầu GPS và vị trí phát sóng đợc thiết kế trên tuyến hoặc trên diện tích
khảo sát.

Đối với công tác địa chấn biển hiện nay, thờng sử dụng các trạm 4896 mạch với bội n = 24,48. Trong phơng pháp địa chấn 3D, với các cáp thu
bao gồm hàng nghìn máy thu.
Trên hình 3.10 mô tả một hệ thống quan sát địa chấn 3D trên biển với
việc sử dụng 2 nguồn phát, 6 cáp thu, khoảng cách giữa 2 nguồn phát là
50m, khoảng cách giữa các cáp thu là 100m. Hình 3.11 là một hình ảnh
khảo sát địa chấn 3D trên biển.

nguồn phát

100m
275m

Hình 3.10 Hệ thống quan sát địa chấn 3D trên biển
sử dụng 2 nguồn phát, 6 cáp thu,
53


Mai Thanh Tân

Hình 3.11. Một hình ảnh khảo sát địa chấn 3D trên biển
ở Việt Nam thời gian qua đã sử dụng hệ thống thực địa với 1-2 tàu, 14 nguồn nổ và 2-6 cáp thu. Độ dài cáp thu là 3000- 4000m, có 240 -324
mạch địa chấn trong 1 cáp ghi, khoảng cách giữa các cáp thu là 37,5 75,0m, khoảng cách giữa các máy thu là 12,5m, khoảng cách giữa các điểm
nổ là 12.5- 25m, chiều sâu nguồn nổ 6m và cáp thu so với mặt biển là 8m,
khoảng cách từ nguồn đến máy thu gần nhất trên cáp thu là 115-120,5m.
Một vài số liệu cụ thể đợc nêu trên bảng3.1.
Năm

Công ty
thực hiện

số
nguồn

Kh/ cách
xmin
(m)

1990

GECO

1

1993

GECO

2

120.5

1996

Western
Geoph.

4

120.5

1999

GECO

2

147

2003

PGS

2

115

Kh/ cách
2 nguồn (m)

số
cáp
thu

chiều
dài cáp
(m)

2
18.75

số nhóm
máy
thu/cáp

kh/cách
các cáp
(m)

240

3

3000

240

37.5

4

3000

240

50

6

4000

320

100

37.5

4-6

4050

324

75

54