節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字地震儀

吳鐵軍

(河北煤田物測隊 河北邢臺)

節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字地震儀

吳鐵軍

(河北煤田物測隊 河北邢臺)

隨著三維勘探的普及,勘探精度要求越來越高,對數(shù)字地震儀的采集精度提出更高的要求,接收道數(shù)也越來越多。目前有線儀器的性能已經(jīng)發(fā)揮到了極限,有線地震儀的結(jié)構已經(jīng)成為阻礙地震儀進一步發(fā)展的瓶頸,必須有新的技術取而代之才能使地震儀技術繼續(xù)向前發(fā)展。文章以Fairfield公司研發(fā)的獨立節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Z-Land為代表,闡述了節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理及其優(yōu)缺點。

節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);采集站;數(shù)據(jù)回收和充電系統(tǒng)(DCCS)

0 引 言

隨著三維勘探的普及,勘探精度要求越來越高,對地下地質(zhì)構造做更精細的描述,對復雜地質(zhì)構造和勘探目的層有更清楚的認識。這就要求數(shù)字地震儀的采集精度越來越高,接收道數(shù)越來越多,帶道能力逐年提高。地震儀器的發(fā)展目標就是不斷滿足用戶需求、不斷適應市場變化、不斷跟蹤世界最新技術成果內(nèi)容,以制造出輕便、廉價、穩(wěn)定、高精度、大容量、功能齊全、指標優(yōu)越的儀器為特征,以追求通用、靈活、高度智能化、檢波與采集一體化為方向,從而獲得高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)資料。

1 有線數(shù)字地震儀目前存在的問題

1)使用維護成本高

由于其固有的結(jié)構及相關技術的限制存在的問題有:采集道數(shù)有限,系統(tǒng)結(jié)構注定其帶道能力有限,實時采集萬道已經(jīng)相當困難;施工效率低,小隊每天花在整理排列上的時間占據(jù)大約60%以上,真正生產(chǎn)(放炮)的時間段很有限;設備數(shù)量龐大質(zhì)量沉重,其中交叉線,大線,小線等各種電纜占據(jù)設備輜重的70%,耗費大量的人員和車輛;有的山地三維項目小隊人員配置嚴重超編,每天小隊的運作成本很高,購置、維護成本高;購買一有線系統(tǒng),電纜占總費用的比例達到20%至30%,年維護費用昂貴,系統(tǒng)在使用一段時間后施工效率急劇下降。

2)觀測系統(tǒng)設計受限

設計觀測系統(tǒng)時不得不考慮系統(tǒng)的道距,無法完成真三維采集。對環(huán)境沖擊大,有線系統(tǒng)施工時要根據(jù)排列線的布置情況開出道路,在一些環(huán)保敏感地區(qū)地質(zhì)勘探的作業(yè)無法實施。

3)系統(tǒng)結(jié)構成為發(fā)展瓶頸

傳統(tǒng)有線數(shù)字地震儀經(jīng)歷幾代的發(fā)展、更新已經(jīng)統(tǒng)治地震儀市場很多年了。由于其固有的系統(tǒng)結(jié)構帶來的許多問題,目前有線儀器的性能已經(jīng)發(fā)揮到了極限,即便造出一套超大道數(shù)地震儀,野外施工時建立排列都成問題,根本談不上正常的放炮生產(chǎn)了。在當前的情況下有線地震儀的結(jié)構已經(jīng)成為阻礙地震儀進一步發(fā)展的瓶頸,必須有新的技術取而代之才能使地震儀技術繼續(xù)向前發(fā)展。

2 全新理念-節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隨著科技的進步以及電子工業(yè)的發(fā)展給我們開發(fā)節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了必要條件。比如Flash存儲器,A/D轉(zhuǎn)換器和鋰電池的性能不斷提高同時價格逐步降低,使得我們可以在低成本的前提下生產(chǎn)出可靠、耐用的節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。我們知道有線系統(tǒng)的采集方式是[1]:檢波器接收的地震信號送到采集站進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,采集站將數(shù)字化的數(shù)據(jù)進行打包編碼經(jīng)過大線、交叉線、交叉站等發(fā)送到地震儀主機,主機對數(shù)據(jù)進行譯碼(解編)格式編排、上磁帶記錄。一套地震儀的大量的工作都在忙于編碼、傳輸和解碼。節(jié)點系統(tǒng)最大的創(chuàng)新點是打破傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)。由采集-傳輸-記錄變?yōu)椴杉?記錄(就地)。即改集中記錄為分散記錄。這樣極大的簡化了系統(tǒng)的結(jié)構同時使施工更加快捷。

3 節(jié)點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

Fairfield公司研發(fā)的獨立節(jié)點地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Z系列[2]包括Z-Land,、Z-700和Z-3000。其中Z-700和Z-3000主要用于海上勘探,Z-Land用于陸地勘探。

3.1 Z-Land的工作原理

Z-Land主要分為野外采集系統(tǒng)即采集站和數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)兩部分。野外采集站是一個完全獨立,非?？煽康臄?shù)據(jù)采集設備。因采集站沒有外接地震電纜和外接檢波器,為系統(tǒng)在采集數(shù)據(jù)過程中提供了最安靜的采集環(huán)境。Z-Land采集站按野外觀測系統(tǒng)設計擺放,如圖1所示,每一個采集站的位置都是通過手持終端輸入的。可以連續(xù)采集地震數(shù)據(jù)達15天。采集站中有一個高精度時鐘為系統(tǒng)提供計時。在采集站擺放之前,其內(nèi)置的時鐘都要與GPS時鐘進行同步,當采集站回收后,還要對內(nèi)置時鐘進行復查以確保時鐘沒有發(fā)生漂移。每一個炮點的精確啟爆時間由一個特殊的設備進行記錄,即SAFE(Store AndForward Environment)。SAFE從編碼器得到時斷信號(TB),從導航系統(tǒng)得到炮點位置和炮號并用GPS時鐘標定這些事件的時刻,將這些信息存儲用于以后數(shù)據(jù)回收。這就是平常所說的GPS授時技術[3],目前Z-Land的計時精度是±100μS,完全滿足地震儀的同步精度。而GPS授時技術的精度已經(jīng)可以做到±1μS,所以該系統(tǒng)的計時精度還可以進一步提高。

圖1 Z-land觀測系統(tǒng)設計

3.2 野外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

Z-Land采集站為單道/站,傳感器電瓶內(nèi)置,連續(xù)采集方式。外型如圖2所示,其主要技術參數(shù)如下:

圖2 Z-Land采集系統(tǒng)

分辨率:24位A/D轉(zhuǎn)換器(23+符號位);

采樣率:1、2、4 ms;

前放增益:12 dB、24 dB、36 dB、48 dB任選;

低切濾波器:0～60 Hz,6 dB/Oct

增益精度:＜0.15%

噪音:＜1.5μV@12 dB

＜0.4μV@24 dB

＜0.16μV@36 dB

＜0.13μV@48 dB

直流漂移:＜噪音的10%

諧波失真:＜0.000 5%

脈沖響應:幅度＜5%,相位＜±5°

檢波器:主頻10 Hz,靈敏度0.224 V/cm/sec

電池類型:鋰離子電池

質(zhì)量:2.0 Kg

外型尺寸:直徑12.7 cm,高度15.3 cm殼體材料:高強度塑料

工作時間:2 ms采樣時連續(xù)工作15天

3.3 數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)

圖3 DCCS系統(tǒng)

數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)包括主機系統(tǒng)和充電系統(tǒng)兩部分,因此又叫作數(shù)據(jù)回收和充電系統(tǒng)(DCCS-Data Collection and Charging System),如圖3所示。主機包括用于計標準時的GPS,數(shù)據(jù)存儲設備,管理數(shù)據(jù)的CPU和磁盤陣列?；赑C平臺的用戶圖形界面控制CPU的工作,包括質(zhì)量控制功能和數(shù)據(jù)下載程序。采集站掛接到DCCS上進行充電同時數(shù)據(jù)回收工作也在進行。完成這兩項需要8 h或更短一些,時間的長短取決于采集站內(nèi)電池放電的深度以及從采集站回收數(shù)據(jù)量的大小。主機將采集站的數(shù)據(jù)下載后暫存在磁盤陣列(RAID)中。SAFE中的炮點數(shù)據(jù)也要傳給主機,根據(jù)這些數(shù)據(jù)對采集站內(nèi)連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)進行有效地震的截取從而得到常規(guī)的地震數(shù)據(jù)。地震數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)換成任何工業(yè)標準的數(shù)據(jù)格式并記錄到傳統(tǒng)的存儲設備上。

4 節(jié)點系統(tǒng)的優(yōu)、缺點

當然節(jié)點系統(tǒng)也有它本身的缺點,即不能現(xiàn)場實時地得到監(jiān)視記錄,對野外資料不能及時了解加以判斷,假如資料出現(xiàn)異常,不能及時采取必要的措施。這就需要我們打破傳統(tǒng)勘探理念,依靠系統(tǒng)的可靠性打破對現(xiàn)場監(jiān)視記錄的依賴,利用高密度大道數(shù)采集來彌補一些缺憾。但是節(jié)點系統(tǒng)的優(yōu)點還是顯而易見的:無限大道數(shù)采集,系統(tǒng)設備大幅減少,去掉占系統(tǒng)輜重70%的電纜及儀器車;野外施工人員大幅減少,運載車輛大幅減少,減少碳排放;放炮過程中無需等待時間,不用查排列;觀察系統(tǒng)可以任意設計,迭加次數(shù)可以任意抽取,不受系統(tǒng)的制約;數(shù)據(jù)質(zhì)量高,可以實現(xiàn)超大道數(shù)真三維采集,生產(chǎn)效率極大提高,對環(huán)境影響極小。它是一個集低成本、高效率和高數(shù)據(jù)質(zhì)量于一身的好系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

綜上所述,隨著科學技術的不斷進步、設備制造成本的降低、使用方法越來越成熟以及人們對新的采集方法的逐步認可,節(jié)點系統(tǒng)在未來三到五年時間,將逐步在石油和煤炭勘探生產(chǎn)中大規(guī)模的應用,節(jié)點系統(tǒng)的前景一片光明。

[1] 羅福龍.地震勘探儀器技術發(fā)展綜述[J].石油儀器,2005,19(2)

[2] Z-nodal system introductions FAIRFIELD.Inc 2009(資料)

[3] 王翠芳,楊曉源.地震數(shù)據(jù)采集器中的GPS授時技術和校時技術[J].地震地磁觀測與研究,2010,30(1)

PI,2011,25(1):51～53

With the popularity of 3d exploration,exploration accuracy requirement is higher and higher,which requires the digital seismometers acquisition to be more and more accurate and to be able to receive more and more channels.Now the cable instrument performance has play to strong points,cable seismometers structure has became an obstacle to the further development of seismometers bottleneck.For the sake of seismograph technology development,it is necessary for a new technology to replace it.Taking the independent node seismic data acquisition system Z-Land developed by Fairfield as an example,this paper expounds working principle,the advantages and disadvantages of node acquisition system.

Key words:Node seismic data acquisition system,Remote unit,Data collection and charging system(DCCS)

Node digital seismographs data acquisition system.

Wu Tiejun.

P631.4+32

B

1004-9134(2011)01-0051-03

吳鐵軍,男,1970年生,物探高級工程師,1997年畢業(yè)于長春科技大學物探專業(yè),現(xiàn)在河北煤田物測隊從事地震勘探工作。郵編:054000

2010-09-15編輯:劉雅銘)