可控震源高效采集技術(shù)的效率分析*

張　潔，周土發(fā)，程虎軍，顏　良

(1.英洛瓦(天津)物探裝備有限責(zé)任公司　河北　涿州　072751; 2.東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部　河北　涿州　072751)

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可控震源高效采集技術(shù)的效率分析*

張潔1，周土發(fā)2，程虎軍1，顏良1

(1.英洛瓦(天津)物探裝備有限責(zé)任公司河北涿州072751; 2.東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部河北涿州072751)

摘要:針對(duì)野外施工中可控震源高效采集的效率估算問題，以儀器與單組震源的工作流程為基本模型，分析了幾種常用高效采集技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理。通過分析得到不同高效采集技術(shù)下的理論日效，并探討了影響效率的裝備技術(shù)因素，為野外施工方法的選擇提供了參考。

關(guān)鍵詞:可控震源;地震儀器;高效采集;效率分析

0　引言

隨著物探目標(biāo)由構(gòu)造分析發(fā)展到儲(chǔ)層描述，并逐步延伸至油藏領(lǐng)域，物探技術(shù)進(jìn)入精耕細(xì)作的時(shí)代。寬方位、寬頻、高密度、大道數(shù)、高覆蓋次數(shù)成為精細(xì)勘探的基本需求［1-3］，一方面是高分辨率的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求;一方面是大量裝備投入的成本和施工壓力。在品質(zhì)和效率的驅(qū)動(dòng)下，可控震源高效采集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

相比傳統(tǒng)炸藥震源，可控震源激發(fā)信號(hào)可控、安全環(huán)保，逐漸成為主要的施工震源［1-3］。人們?cè)诳煽卣鹪词┕ぶ胁粩嗵剿鞲鞣N采集技術(shù)以提升資料品質(zhì)、提高施工效率:起初使用交替掃描(Flip－Flop)，日效最高可達(dá)2 000炮［1］;在1996年，Rozemond提出可控震源滑動(dòng)掃描技術(shù)(Slip－sweep)，生產(chǎn)效率提高2倍多［4］; Ian Jack等提出Independent simultaneous sweeping(ISS)，通過阿爾及利亞的實(shí)驗(yàn)，預(yù)期日效達(dá)10 000炮［5］;至2009年，BP在阿曼的項(xiàng)目中運(yùn)用Distance separated simultaneous sweeping(DSSS)，激發(fā)間隔10 km外的震源同時(shí)施工，時(shí)效達(dá)到1 024炮［6］。十多年間，可控震源高效采集技術(shù)將施工效率提高了近十倍。

2008年，東方地球物理公司基于利比亞項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，從生產(chǎn)組織的角度探討了震源施工效率的估算［3］。本文從裝備技術(shù)的角度，探討、分析不同高效采集技術(shù)下的施工效率。

1　儀器與單組震源間的工作流程

可控震源高效采集技術(shù)的實(shí)質(zhì)是地震儀器對(duì)多組震源的激發(fā)管理，通過地震儀器按照一定的時(shí)序規(guī)則對(duì)每個(gè)震源組的激發(fā)來實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)的基本單元是儀器與單組震源間的協(xié)作施工，工作流程如圖1所示。其中，假設(shè)掃描時(shí)間為tsweep，聽時(shí)間為tlisten，震源搬點(diǎn)用時(shí)為tmove。

T1時(shí)刻:震源到達(dá)炮點(diǎn)Sweep1后向儀器發(fā)出Ready信號(hào)，表明進(jìn)入待命Standby狀態(tài);地震儀器接收到Ready信號(hào)后，根據(jù)排列及現(xiàn)場情況判斷是否以及何時(shí)發(fā)出FO激發(fā)指令。

T2時(shí)刻:震源接收到FO指令后，啟動(dòng)掃描作業(yè)，并向儀器返回TB信號(hào)，表明激發(fā)成功;震源返回的TB時(shí)刻信息就是當(dāng)前炮的起始時(shí)刻;地震儀器根據(jù)TB信息確定記錄的起始時(shí)刻，確保激發(fā)與采集同步。

T3時(shí)刻:震源完成掃描作業(yè)Sweep1后，提起平板向下一炮點(diǎn)移動(dòng);此時(shí)地震儀器仍處于采集、記錄數(shù)據(jù)的狀態(tài)，經(jīng)過聽時(shí)間后，Sweep1原始記錄完成，儀器進(jìn)入空閑狀態(tài)。

T4時(shí)刻:震源到達(dá)炮點(diǎn)Sweep2，進(jìn)入待命Standby狀態(tài)，準(zhǔn)備Sweep2的掃描作業(yè)。

圖1　單組震源與地震儀器協(xié)作施工流程圖

其中，震源每次掃描作業(yè)前都有一段從Ready到TB啟動(dòng)的時(shí)間間隔，儀器與震源在這段時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)控制交互。自動(dòng)放炮模式下，地震儀器接收到Ready信號(hào)后，自動(dòng)觸發(fā)FO指令。FO指令與TB信號(hào)間是固定的時(shí)間間隔，只計(jì)入通信延遲和系統(tǒng)指令處理時(shí)延，通過一致性校準(zhǔn)可以確保以毫秒為單位的時(shí)間間隔，記為ΔtR eady－FO;人工主動(dòng)放炮模式下，Ready信息通過地震儀器反饋給儀器操作員，由操作員判斷是否激發(fā)，判斷過程中額外的等待時(shí)間記為Δtwait。因而，從震源到達(dá)指定炮點(diǎn)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)發(fā)出Ready信號(hào)至激發(fā)成功發(fā)出TB信號(hào)，其時(shí)間間隔為:

從上述流程中可以看出，地震儀器和可控震源都有一段施工空閑，可以利用多組震源施工的方式來填補(bǔ)空閑狀態(tài)，提高施工效率。以下，從激發(fā)管理、采集管理和放炮效率三方面分別分析Flip－Flop、Slip－Sweep、DSSS 和ISS。

2　可控震源高效采集效率分析

2.1Flip－flop

Flip－Flop交替掃描工作流程如圖2所示。前一炮采集完成的同時(shí)啟動(dòng)下一炮的采集，填補(bǔ)單組震源施工的采集空閑，兩組震源互不干擾、交替施工。

圖2　Flip－Flop工作流程示意圖

激發(fā)管理:交替掃描在如圖T3時(shí)刻，震源組1進(jìn)行掃描及聽記錄的過程中，震源組2已到達(dá)Sweep2炮點(diǎn)并進(jìn)入待命狀態(tài);在儀器完成Sweep1掃描和聽紀(jì)錄的同時(shí)T4時(shí)刻，震源組2啟動(dòng)Sweep2作業(yè)。兩組震源交替激發(fā)，兩次掃描作業(yè)之間無間隙地記錄采集。

采集管理:在交替掃描中，因?yàn)椴煌邳c(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收排列不同，地震儀器需要及時(shí)切換接收排列。在地震儀器發(fā)出FO指令時(shí)，它也將同步激活對(duì)應(yīng)的接收排列，并以TB時(shí)刻為采集起始時(shí)刻記錄地震數(shù)據(jù)。

放炮效率:交替掃描中放炮間隔為一個(gè)原始炮記錄的時(shí)間長度，即:

Δt = tsweep+ tlisten

交替掃描的理論最高日效為:

2.2Slip－Sweep

Slip－Sweep滑動(dòng)掃描工作流程如圖3所示。在前一組震源仍處在掃描過程中，下一組震源就啟動(dòng)作業(yè)。兩次作業(yè)的間隔時(shí)間定義為滑動(dòng)時(shí)間tslip。

圖3　Slip－Sweep工作流程示意圖

激發(fā)管理:滑動(dòng)掃描按照約定的滑動(dòng)時(shí)間tslip，逐個(gè)激發(fā)處于準(zhǔn)備狀態(tài)的震源。從第一次激發(fā)開始，根據(jù)預(yù)設(shè)的滑動(dòng)時(shí)間，確定后續(xù)的激發(fā)時(shí)刻(T1 + n×tslip)。當(dāng)有震源組返回Ready信號(hào)，則加入放炮列表，按先入先出原則順序標(biāo)定激發(fā)時(shí)刻，隨后按照放炮列表激發(fā)震源。

采集管理:在滑動(dòng)掃描啟動(dòng)前，地震儀器會(huì)根據(jù)預(yù)計(jì)的施工范圍設(shè)置超級(jí)排列;隨著滑動(dòng)掃描啟動(dòng)，儀器處于連續(xù)記錄狀態(tài)，記錄整個(gè)超級(jí)排列的采集數(shù)據(jù)，并與GPS時(shí)刻保持同步;根據(jù)震源返回的PSS信息確定對(duì)應(yīng)的炮點(diǎn)、TB時(shí)刻，從連續(xù)記錄中按照對(duì)應(yīng)的接收排列和記錄起至?xí)r刻，分離出單炮原始記錄。

放炮效率:滑動(dòng)掃描中放炮間隔等于設(shè)定的滑動(dòng)時(shí)間tslip，即:

2.3DSSS

DSSS施工示意圖如圖4所示。將多個(gè)震源組Fleet以不小于12km的間距分為多個(gè)Cluster，每個(gè)Cluster中抽出一組Fleet綁定為一個(gè)Group，所有震源組可分為多個(gè)Group(總Fleet數(shù)/Cluster數(shù))。

激發(fā)管理:相對(duì)普通滑動(dòng)掃描，DSSS的區(qū)別在于儀器激發(fā)的對(duì)象由單組震源變?yōu)橐粋€(gè)Group的所有震源。同Group中的震源同步激發(fā);不同Group之間按滑動(dòng)時(shí)間間隔激發(fā)。

采集管理:地震儀器需要建立超級(jí)排列并連續(xù)記錄;每次激發(fā)后，地震儀器需要處理同一個(gè)Group里同時(shí)激發(fā)的多炮數(shù)據(jù)。

放炮效率: DSSS下的放炮間隔是不同Group之間的滑動(dòng)時(shí)間:

在同一Group中，多個(gè)Fleet在不同Cluster同時(shí)施工。因此DSSS的理論最高日效為:

2.4ISS

ISS是將施工區(qū)按震源組數(shù)劃分為多個(gè)區(qū)塊，每組震源在各自的工作區(qū)塊分別獨(dú)立作業(yè);不同震源組采用不同的掃描參數(shù)。

激發(fā)管理: ISS模式如圖5所示?？煽卣鹪醋灾髌鹫癫⒂涗浥邳c(diǎn)GPS位置和時(shí)刻，通過PSS報(bào)告返回放炮信息，也可在震源本地存儲(chǔ)放炮日志;地震儀器不再激發(fā)、管理震源組。

采集管理: ISS模式下地震儀器建立超級(jí)排列并連續(xù)記錄;在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)，儀器根據(jù)PSS報(bào)告或放炮日志中的GPS時(shí)刻和炮點(diǎn)坐標(biāo)，從連續(xù)紀(jì)錄中分離出原始炮記錄。

圖4　DSSS施工示意圖

圖5　ISS施工示意圖

放炮效率:由于震源組間均獨(dú)立施工，ISS的理論日效為:

2.5理論施工效率對(duì)比

假設(shè)震源參數(shù)一致，掃描時(shí)間tsweep= 12 s，聽時(shí)間tlisten=6 s，搬點(diǎn)用時(shí)tmove=20 s，激發(fā)響應(yīng)用時(shí)ΔtReady－TB=2 s。震源數(shù)量配備理想:交替掃描使用2組震源無間隔地施工;滑動(dòng)掃描使用6組震源無間隙地施工; DSSS使用18組震源，按3個(gè)Cluster分為6個(gè)Group; ISS使用18組震源。根據(jù)上述假設(shè)條件，得到不同高效采集技術(shù)下的理論施工日效如圖6所示。

圖6中可以明顯看出，隨著震源組數(shù)的增加，施工效率也相應(yīng)成倍增長，施工效率與震源組數(shù)近似成正比關(guān)系。可見，震源高效采集技術(shù)是通過增加震源數(shù)量來提高施工效率。

由于生產(chǎn)組織和裝備技術(shù)的因素，實(shí)際生產(chǎn)過程中施工效率與理論效率仍有較大差異。生產(chǎn)組織方面，觀測系統(tǒng)、設(shè)備配備、震源參數(shù)以及地表通過性等生產(chǎn)因素都會(huì)對(duì)施工效率產(chǎn)生影響;可通過提前勘察、模擬估算選擇合適的高效采集技術(shù)，最大化地優(yōu)化效率［3］。裝備技術(shù)方面則會(huì)在無線通信、GPS導(dǎo)航以及儀器處理能力上制約施工效率。

圖6　震源高效采集技術(shù)施工效率對(duì)比圖

3　影響施工效率的裝備技術(shù)因素

3.1無線通訊能力

無線通信能力包括傳輸帶寬和通信距離。在震源高效采集中，震源與儀器之間通過無線電臺(tái)建立通信，交互激發(fā)控制命令和設(shè)備狀態(tài)。隨著震源組數(shù)成倍增長，相應(yīng)的帶寬需求也成倍增長，施工范圍也擴(kuò)展至25～30km。如果無線通信的傳輸帶寬過低或者通信距離過短，則高效采集不能有效運(yùn)行，導(dǎo)致施工效率降低。

目前在野外施工中常用兩類電臺(tái)通訊方案提高無線通信能力: TDMA電臺(tái)和UHF/VHF模擬電臺(tái)。TDMA電臺(tái)利用并發(fā)功能管理更多的震源組，而VHF/UHF模擬電臺(tái)通過提高傳輸帶寬輪詢管理更多的震源組，從不同的角度解決了高效采集下傳輸帶寬的問題;兩種方案均可使用電臺(tái)中繼功能，從而提高通信距離;保障地震儀器與震源組之間的信息交互。

3.2GPS導(dǎo)航能力

高效采集利用GPS導(dǎo)航能力，收集每臺(tái)震源的位置坐標(biāo)，實(shí)時(shí)與測網(wǎng)炮點(diǎn)校準(zhǔn)、修正震源位置，確保激發(fā)位置的準(zhǔn)確。當(dāng)GPS信號(hào)較弱或沒有時(shí)，導(dǎo)航能力失去保障，無法確認(rèn)炮點(diǎn)位置則高效采集將被迫中斷，導(dǎo)致效率下降。

目前人們通過差分GPS技術(shù)提高導(dǎo)航能力。該技術(shù)可將定位精度提升至1內(nèi);并通過設(shè)置GPS參考站，利用參考站信號(hào)解決局部信號(hào)弱的問題。保障GPS導(dǎo)航、無樁號(hào)施工等功能，有效提高施工效率。

3.3儀器處理能力

震源高效采集中，地震儀器需要建立超級(jí)排列、連續(xù)采集、同時(shí)處理多炮數(shù)據(jù)，每天處理的數(shù)據(jù)量達(dá)到TB級(jí)。數(shù)據(jù)的接入、計(jì)算及存儲(chǔ)均承受著巨大的壓力。因此，儀器的處理能力成為制約高效采集效率的重要因素之一。

隨著IT技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算資源顯著提升;應(yīng)用萬兆網(wǎng)絡(luò)、磁盤陣列擴(kuò)展數(shù)據(jù)流量和容量;搭建并行主機(jī)系統(tǒng)，合理調(diào)配計(jì)算資源、并發(fā)處理采集任務(wù)，能夠有效提高儀器處理能力;從而保障高效采集的穩(wěn)定運(yùn)行。

4　結(jié)束語

通過增加可控震源數(shù)量、合理控制震源間距、有效管理激發(fā)時(shí)序，人們實(shí)現(xiàn)了多種可控震源高效采集技術(shù);在實(shí)際施工中，根據(jù)生產(chǎn)條件選擇合適的高效采集技術(shù)，可以顯著地提高施工效率，縮短采集周期。

隨著通信、GPS和IT技術(shù)的發(fā)展，可控震源高效采集技術(shù)的施工效率仍有提升的空間。但在追求更高效率的同時(shí)，我們也應(yīng)謹(jǐn)慎的關(guān)注數(shù)據(jù)品質(zhì)。只有資料品質(zhì)持續(xù)改善，高效采集技術(shù)才能得到更廣闊的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］汪恩華，趙邦六，王喜雙，等.中國石油可控震源高效地震采集技術(shù)應(yīng)用與展望［J］.中國石油勘探，2013，18(5): 24 －34.

［2］倪宇東，王井富，馬濤，等.可控震源地震采集技術(shù)的進(jìn)展［J］.石油地球物理勘探，2011，46(3): 349－356.

［3］周大同，周恒，張慕剛，等.可控震源施工效率估算方法［J］.石油地球物理勘探，2008，43(增刊2): 50－54.

［4］Rozemond H.J.Slip－sweep acquisition.SEG Technical Program Expanded Abstracts，1996，15: 64－67.

［5］Ian Jack，Brian T，Dave H，et.Independent simultaneous sweeping–a method to increase the productivity of land seismic crews.SEG Technical program expanded abstracts，2008，27: 2826－2830.

［6］Jack Bouska.Distance separated simultaneous sweeping for fast clean vibroseis acquisition.Geophysical prospecting，2010，58(1): 123－153.

Efficiency Analysis of High－productivity Vibroseis

ZHANG Jie1，ZHOU Tufa2，CHENG Hujun1，YAN Liang1
(1.INOVA Geophysical Equipment Ltd，Zhuozhou，Hebei 072751，China; 2.BGP International，Zhuozhou，Hebei 072751，China)

Abstract:To analyze the efficiency of High－productivity vibroseis in field operation，the realization mechanism of different high-productivity vibroseis modes is reviewed based on a single vibrator operation model.According to the analysis，the theoretical daily efficiency is presented，and the influence factors are discussed.The result can provide a valuable reference for selection of HPVS in field operation.

Key words:vibrator; seismic instrument; high－productivity vibroseis; efficiency analysis

(收稿日期:2015－03－18編輯:姜婷)

第一作者簡介:張潔，男，1982年生，工程師，2007年畢業(yè)于上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)，獲得碩士學(xué)位。目前在英洛瓦物探裝備有限責(zé)任公司從事儀器研發(fā)工作。E-mail: zhongJie@ inovageo.com

基金項(xiàng)目:“十二五”國家重大科技專項(xiàng)項(xiàng)目“新一代一體化全數(shù)字地震儀器”(項(xiàng)目編號(hào): 2011ZX05019－002)

中圖法分類號(hào):P315.62

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):2096－0077(2016)01－0071－05