GSR無線節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)在地震勘探中的應(yīng)用

聶明濤，張慕剛，丁冠東，劉仁武，黃艷林

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司　河北　涿州　072751)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

GSR無線節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)在地震勘探中的應(yīng)用

聶明濤，張慕剛，丁冠東，劉仁武，黃艷林

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司河北涿州072751)

通過分析GSR無線節(jié)點(diǎn)技術(shù)在地震勘探項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)GSR采集儀器的優(yōu)缺點(diǎn)做出了客觀的評(píng)價(jià)，并總結(jié)出GSR節(jié)點(diǎn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)和適用特點(diǎn)，為以后在野外推廣應(yīng)用提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

GSR；無線節(jié)點(diǎn)；采集儀器

0　引　言

伴隨著高覆蓋過萬道觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用和可控震源滑動(dòng)掃描、ISS(Independent Simultaneous Sweep)、DS3、HFVS(High Fidelity Vibratory Seismic)等高效采集作業(yè)方式的推廣應(yīng)用，常規(guī)采集儀器在滿足生產(chǎn)需求方面出現(xiàn)了瓶頸，因此，就需要開發(fā)一種采集通道數(shù)可任意擴(kuò)展、排列布設(shè)方便且適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境的新式地震儀器，GSR以其穩(wěn)定的連續(xù)長記錄能力受到廣泛關(guān)注。GSR(GeoSpace Seismic Recorder)是由美國OYO GeoSpace公司研發(fā)的無線節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備，由于節(jié)點(diǎn)儀器不涉及信息通訊，理論上采集的道數(shù)可以任意擴(kuò)展，能適合任何作業(yè)環(huán)境。獨(dú)立的工作模式使得GSR節(jié)點(diǎn)儀器大大降低了查排列和建排列工序的時(shí)間，施工效率高且生產(chǎn)組織簡單，受到了國內(nèi)外地震服務(wù)公司的一致青睞。東方地球物理公司(BGP)于2010年引進(jìn)GSR采集設(shè)備，但是該套設(shè)備在突破儀器帶道能力束縛的同時(shí)，作為不同地震采集方法的配套采集儀器，是否產(chǎn)生了其他方面的采集缺陷呢，這需要生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)。

1　技術(shù)介紹

1.1采集設(shè)備簡介

GSR是一種新型無線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),輕便、靈活、操作簡單、穩(wěn)定可靠、可適應(yīng)不同環(huán)境要求的自主存儲(chǔ)式節(jié)點(diǎn)式地震數(shù)據(jù)采集儀器[1]。

1)野外采集部分

GSR采集系統(tǒng)的野外數(shù)據(jù)采集部分由采集站、電池(如圖1所示)和檢波器串三部分組成。GSR采集站功能齊全,內(nèi)置24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高靈敏度內(nèi)置GPS接收器等。

圖1　GSR節(jié)點(diǎn)與供電電瓶

2)質(zhì)控部分Line view查線助手

Line view外形類似便攜式的手提電腦，如圖2所示, 具有無線監(jiān)測(cè)功能,能夠藍(lán)牙搜索到設(shè)定范圍內(nèi)采集單元查線時(shí)刻多種信息，主要包括已采集數(shù)據(jù)量、GPS 信號(hào)、坐標(biāo)、檢波器連接、檢波器埋置等常規(guī)采集儀器所能獲得的一切質(zhì)控信息。查線過程中或者室內(nèi)質(zhì)控時(shí)發(fā)現(xiàn)該道存在任何問題，可及時(shí)采取相應(yīng)整改措施，如更換電瓶、重新連接和埋置檢波器等[2]。

圖2　GSR配套設(shè)施(查線助手、數(shù)據(jù)下載間、充電房)

3)數(shù)據(jù)處理部分

主要包括數(shù)據(jù)下載單元、磁盤陣列、數(shù)據(jù)管理單元(工作站)、電池充電設(shè)備(如圖2所示)等。正常的倒排列期間需要將GSR采集單元和電瓶分別拉回營地進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和充電工作。GSR節(jié)點(diǎn)采集儀器的關(guān)鍵在于高精度的時(shí)鐘系統(tǒng)和穩(wěn)定的記錄系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集過程中GSR內(nèi)置每6 min左右時(shí)鐘與GPS進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，確保內(nèi)部時(shí)鐘的精度，室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)使用GoeMerge軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)將這些時(shí)間信息標(biāo)記在數(shù)據(jù)道頭上，作為后續(xù)數(shù)據(jù)切割的標(biāo)記。切分用的每一炮的TB來自于激發(fā)系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器，由安裝在激發(fā)源上的輔助記錄設(shè)備如SDR或DSG進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)切分主要是按照每一炮的TB將對(duì)應(yīng)的有效地震信息從連續(xù)道集內(nèi)分割出來，并完成數(shù)據(jù)的相關(guān)[3]。

1.2應(yīng)用配套技術(shù)

1.2.1炮點(diǎn)無樁號(hào)施工技術(shù)

由于近年來社會(huì)對(duì)環(huán)保要求的提高和常規(guī)勘探中測(cè)量工序存在的不足，同時(shí)伴隨著高密度觀測(cè)系統(tǒng)和可控震源高效采集技術(shù)的推廣應(yīng)用，對(duì)測(cè)量工序的作業(yè)效率也提出了更高的要求[4]。

BGP國際部研發(fā)了數(shù)字化地震隊(duì)系統(tǒng)(DSS)實(shí)現(xiàn)炮點(diǎn)無樁號(hào)施工作業(yè)。DSS(Digital Seismic System)由DSC(Digital-Seismic Command)生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和DSG(Digital-Seismic Guidance)震源導(dǎo)航系統(tǒng)兩部分組成。其中DSG部分主要完成本次炮點(diǎn)無樁號(hào)施工技術(shù)應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。推土機(jī)安裝DSG導(dǎo)航系統(tǒng)，清線過程中直接對(duì)無法到位炮點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，室內(nèi)優(yōu)化推圖機(jī)航跡，作為震源施工過程中的導(dǎo)航線，減少震源繞路時(shí)間，提高震源施工效率；為推土機(jī)和可控震源安裝DSG導(dǎo)航系統(tǒng)和高精度OmniStar GPS接收機(jī)，為DSS系統(tǒng)提供了高精度炮點(diǎn)成果的基礎(chǔ)，用OmniStar成果替代物探測(cè)量RTK放樣激發(fā)點(diǎn)成果。指揮車安裝DSS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控每臺(tái)震源位置及施工狀態(tài)參數(shù)等信息，如圖3所示。

圖3　炮點(diǎn)無樁號(hào)技術(shù)施工作業(yè)流程

1.2.2海量地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)

由于GSR節(jié)點(diǎn)是從電瓶連接后開始記錄檢波器接收到的一切震動(dòng)信息，無論震源是否在施工，所以在采集方法不變的情況下，原始數(shù)據(jù)量與施工效率成反比，即日效越低原始總數(shù)據(jù)量越大。

GSR在線期間的所有數(shù)據(jù)都通過正常的倒排列期間，由儀器組進(jìn)行數(shù)據(jù)下載合成，每天的數(shù)據(jù)量在2 T左右，解釋組將儀器組合成的原始數(shù)據(jù)拷貝到解釋組后進(jìn)行數(shù)據(jù)的切分形成共檢波點(diǎn)道集。每天2 T的海量數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理速度提出了很大的挑戰(zhàn)，如圖4所示是GSR采集項(xiàng)目配備的主要現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備拓?fù)鋱D，通過光纖連接配備的高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤陣提高設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速度，成功解決了項(xiàng)目海量數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)處理任務(wù)。

圖4　現(xiàn)場(chǎng)處理設(shè)備拓?fù)鋱D

1.3GSR現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)控

GSR無線節(jié)點(diǎn)采集儀器除了應(yīng)用配備的源驅(qū)動(dòng)技術(shù)保證可控震源的實(shí)際激發(fā)點(diǎn)位能夠與測(cè)量成果完全一致外，因?yàn)镚SR采集站內(nèi)置GPS定位系統(tǒng)可以進(jìn)行檢波點(diǎn)點(diǎn)位的質(zhì)控，保證野外接收點(diǎn)位與測(cè)量成果完全一致，從激發(fā)和接收兩方面確保資料的高精度。

1.3.1激發(fā)質(zhì)控

用來切分原始數(shù)據(jù)的sit表數(shù)據(jù)來自DSD生成的原始DSD擴(kuò)展質(zhì)控文本文件。室內(nèi)采用的是用Vibrator Node Qc軟件分析DSD擴(kuò)展質(zhì)控文件，并且生成SIT文件(炮點(diǎn)信息表)。SIT表可以顯示每次掃描的所有信息，包括：炮線號(hào)，炮點(diǎn)號(hào)，掃描參數(shù)，重復(fù)放過的炮或不合格的震次的旗標(biāo)，坐標(biāo)，TB時(shí)間，GPS狀態(tài)指標(biāo)，以及可控震源所有的屬性(相位、畸變、出力等)等信息，并且軟件可以自動(dòng)輸出有效炮和無效炮的信息供檢查。最終可得到當(dāng)天所有震源的有效震次信息，可進(jìn)行的炮點(diǎn)質(zhì)控主要包括炮點(diǎn)點(diǎn)位、震源激發(fā)參數(shù)、震源輔助道分析、震源組合圖形分析、組合高差分析等。

1.3.2檢波點(diǎn)質(zhì)控

針對(duì)回收的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)會(huì)產(chǎn)生具有位置信息(GPS)和信號(hào)強(qiáng)度信息(RMS)的文本數(shù)據(jù)，利用這兩個(gè)數(shù)據(jù)可以對(duì)節(jié)點(diǎn)在野外記錄期間進(jìn)行全方位的監(jiān)控，包括節(jié)點(diǎn)的位置是否有移動(dòng)、節(jié)點(diǎn)GPS質(zhì)控因子是否超標(biāo)、節(jié)點(diǎn)的電瓶狀態(tài)監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)的環(huán)境噪音水平及環(huán)境溫度等[5]。

如圖5所示是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的位置質(zhì)控結(jié)果，圖中的藍(lán)色散點(diǎn)是每隔約6分鐘記錄的GPS位置信息，這些點(diǎn)的離散程度是評(píng)價(jià)GSR內(nèi)置GPS的依據(jù)；紅色點(diǎn)是通過計(jì)算散點(diǎn)聚焦處坐標(biāo)得到的實(shí)際坐標(biāo)位置，灰色邊框是RTK測(cè)量點(diǎn)位的5 m半徑圓，通過對(duì)比兩個(gè)5 m半徑圓的吻合程度可以很直觀的看到放樣情況和節(jié)點(diǎn)在野外工作狀況，對(duì)于類似圖5(b)中的情況需要安排測(cè)量組重新復(fù)測(cè)檢波點(diǎn)成果，嚴(yán)格保證提交成果與GSR實(shí)際工作位置吻合，保證資料的準(zhǔn)確性。

圖5　GSR節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)質(zhì)控圖

1.3.3數(shù)據(jù)質(zhì)控

由于GSR 存在工作狀態(tài)不穩(wěn)定的情況，造成GSR記錄的GPS 時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間有飄移，結(jié)果顯示為節(jié)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的初至?xí)r間有時(shí)移，這種情況必須檢查出來并及時(shí)將GSR剔除。將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的近偏移距抽取一炮，生成整條線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初至?xí)r間線如圖6所示，通過橫向?qū)Ρ让康莱踔習(xí)r間來確認(rèn)節(jié)點(diǎn)是否有時(shí)移[6]。

圖6　共檢波點(diǎn)道集時(shí)間切片和GSR時(shí)鐘漂移檢查

2　BGP應(yīng)用實(shí)例

BGP先后使用GSR無線節(jié)點(diǎn)先后進(jìn)行了ISSN、滑動(dòng)掃描、混源激發(fā)技術(shù)等項(xiàng)目地震采集技術(shù)在野外應(yīng)用，均取得了預(yù)期的效果。如圖7所示是GSR與ISS結(jié)合施工的ISSN技術(shù)采集效率圖，該項(xiàng)目采用日光作業(yè)，平均日效達(dá)到5 000炮以上，實(shí)現(xiàn)了可控震源高效采集；如圖8所示是某GSR采集項(xiàng)目新老剖面效果對(duì)比，新采集資料在資料信噪比、連續(xù)性等方面均有重大突破。

圖7　某ISSN地震采集項(xiàng)目時(shí)效統(tǒng)計(jì)圖

圖8　某海外項(xiàng)目GSR采集資料與老資料效果對(duì)比

3　實(shí)例對(duì)比分析

3.1GSR應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

GSR無線節(jié)點(diǎn)采集儀器是當(dāng)前存儲(chǔ)式無線儀器的代表，采用GSR采集儀器具有以下四方面的優(yōu)勢(shì)：

1)節(jié)點(diǎn)儀器可以實(shí)現(xiàn)無限大道數(shù)采集,采集設(shè)備的減少使得野外施工人員和運(yùn)載車輛大幅減少,從而降低項(xiàng)目運(yùn)作成本[7]。

2)節(jié)點(diǎn)采集儀器的盲采技術(shù)完全是基于自身相對(duì)穩(wěn)定的特性，穩(wěn)定的工作特性使得節(jié)點(diǎn)儀器大大減少建排列和查排列的時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)有線儀器因?yàn)閭€(gè)別電源站或者大線不通導(dǎo)致停止采集現(xiàn)象，為野外生產(chǎn)贏得了寶貴的時(shí)間。

3)觀察系統(tǒng)可以任意設(shè)計(jì),迭加次數(shù)可以任意抽取,不受系統(tǒng)的制約;采集站之間無大線連接，避免了常規(guī)有線儀器電纜受刮風(fēng)等外界因素產(chǎn)生的干擾，降低采集站噪音水平，提高資料信噪比。

4)降低施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減少了占輜重70%以上的有線儀器大線，尤其適用于復(fù)雜地表，應(yīng)用GSR 采集系統(tǒng)可以很好地滿足在諸如山地、城區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)雷區(qū)以及居民區(qū)、牧區(qū)及密林區(qū)等各種復(fù)雜地帶及地形多變區(qū)域的施工要求，避免了常規(guī)有線儀器架設(shè)過路線所造成的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患；同時(shí)節(jié)點(diǎn)施工減少了對(duì)環(huán)境的破環(huán)，更加符合當(dāng)前國際社會(huì)對(duì)環(huán)保高標(biāo)準(zhǔn)的要求，這使得無線儀器更受施工方和甲方的青睞[8]。

3.2GSR應(yīng)用特點(diǎn)

通過BGP海外項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用，GSR以及其他存儲(chǔ)式采集儀器都有它本身特性所造成的共同的缺點(diǎn),即電瓶持續(xù)供電時(shí)間和不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地對(duì)野外排列進(jìn)行監(jiān)控,不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)排列上出現(xiàn)的突發(fā)情況并及時(shí)采取相應(yīng)的措施。

1)采用GSR 節(jié)點(diǎn)儀器采集生產(chǎn)效率較高，但是由于不能實(shí)時(shí)監(jiān)控噪音，也不能實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的電量，即所謂的“盲采”[9]，導(dǎo)致單炮中噪音干擾無法及時(shí)掌控，以及由于電池掉電后，不能及時(shí)更換所造成的單道信息的部分缺失，導(dǎo)致個(gè)別區(qū)域覆蓋次數(shù)降低。所以GSR盲采技術(shù)需要和高覆蓋采集技術(shù)相結(jié)合，通過高覆蓋彌補(bǔ)其單炮上的道缺失現(xiàn)象。

2)由于電瓶持續(xù)供電能力，需要優(yōu)化作業(yè)方式，提高放炮效率，縮短排列在線時(shí)間，以降低在線時(shí)長減少由于電瓶斷電造成的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。加大野外Line View查線頻次及時(shí)更換新的電瓶，能夠在一定程度上緩解電瓶掉電問題，但是這與無線節(jié)點(diǎn)式儀器的降低野外工作量的出發(fā)點(diǎn)相左。

3)從項(xiàng)目的應(yīng)用情況分析，電瓶連續(xù)供電能力是制約GSR節(jié)點(diǎn)儀器施工作業(yè)方式和造成數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)丟失的重要原因，如果能夠增加電瓶連續(xù)供電能力，將對(duì)GSR節(jié)點(diǎn)儀器在市場(chǎng)青睞程度上有更大的提高。

4　結(jié)束語

儀器的大道數(shù)能力是未來地震數(shù)據(jù)采集儀器不可或缺的一項(xiàng)指標(biāo)，而節(jié)點(diǎn)式地震儀器很好的規(guī)避了常規(guī)有線儀器主機(jī)帶道能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴南拗?，突破了有線儀器大道數(shù)的極限。無線節(jié)點(diǎn)儀器正在向著穩(wěn)定的系統(tǒng)和更長的連續(xù)采集能力方面快速的發(fā)展，近年來無線采集儀器在勘探市場(chǎng)上占的份額越來越大 將來或許有取代有線采集儀器的可能。但是任何產(chǎn)品在市場(chǎng)上的推廣應(yīng)用，都需要經(jīng)過長期的市場(chǎng)檢驗(yàn)及儀器廠商根據(jù)市場(chǎng)反饋所做出的及時(shí)有效的產(chǎn)品技術(shù)更新，二者缺一不可。

[1] 盧濤,靳春光,張希浩. 一種新型自主、節(jié)點(diǎn)式地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-GSR[J]. 物探裝備,2010,20(3):207-210.

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Application of GSR Wireless Node Technology to theSeismic Exploration

NIE Mingtao,ZHANG Mugang,DING Guandong,LIU Renwu,HUANG Yanlin

(BGPINC.,ChinaNationalPetroleumCorporation,Zhuozhou,Hebei072751,China)

Through analysis of the projects acquisition with GSR wireless nodes, an objective evaluation of the advantages and disadvantages of GSR was given, and a summary of advantages and applicable limitations of GSR was made. Finally, referential experiences for the popularization and application in the field was provided.

GSR ;wireless nodes；acquisition instrument

聶明濤，男，1983年生，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院地球物理學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要從事GSR采集方法研究與應(yīng)用工作。E-mail: niemingtao@cnpc.com

P631.4

A

2096-0077(2016)04-0068-04

2015-11-17編輯：馬小芳)