封召鵬,曾慶平,蔡敏貴,焦保森,嚴(yán) 皓,張 迪
(東方地球物理公司地震儀器研發(fā)項(xiàng)目組 河北 涿州 072750)
地球物理勘探離不開高精度、高性能的地震勘探儀器。在過去的三十年,地球物理勘探技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化,中國(guó)也在該領(lǐng)域取得了很多成果。很多物探承包商開始從國(guó)內(nèi)勘探市場(chǎng)走向了國(guó)際,有些甚至引領(lǐng)全球。在國(guó)際化的道路上,由于國(guó)外物探裝備制造商長(zhǎng)期把持市場(chǎng),國(guó)內(nèi)物探公司想在海外取得新的地震勘探項(xiàng)目,不得不購(gòu)買并使用國(guó)外的地震勘探儀器[1]。
近幾年,持續(xù)低迷的油價(jià),高額的項(xiàng)目運(yùn)作成本,加之國(guó)外地震勘探儀器的高昂價(jià)格,使得研發(fā)一款性價(jià)比高、穩(wěn)定可靠的地震勘探儀器勢(shì)在必行。傳統(tǒng)的有線儀器一直占主導(dǎo)地位。但是隨著節(jié)點(diǎn)儀器技術(shù)的發(fā)展,節(jié)點(diǎn)儀器本身具有的投入勞動(dòng)力少、采集高效等優(yōu)勢(shì),倍受物探承包商的青睞。目前節(jié)點(diǎn)儀器市場(chǎng)琳瑯滿目,有GSR、Unite、Hawk、ZLAND等型號(hào)。雖然這些產(chǎn)品性能相對(duì)有線儀器優(yōu)勢(shì)明顯,但是價(jià)格昂貴。BGP(中石油東方公司)是世界上最大的陸地勘探承包商,為了打破這一僵局,從2015年開始研發(fā)新一代國(guó)產(chǎn)地震勘探節(jié)點(diǎn)儀器eSeis。該儀器價(jià)格低廉,功能以及采集數(shù)據(jù)的品質(zhì)均達(dá)到國(guó)際水平。
節(jié)點(diǎn)地震勘探儀器的工作特點(diǎn)是將一段時(shí)間內(nèi)所采集的地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采集單元或者采集鏈本地內(nèi)部存儲(chǔ)器上[2]。由于不涉及地震數(shù)據(jù)的傳輸,所以節(jié)點(diǎn)儀器大多數(shù)屬于無纜。目前比較流行節(jié)點(diǎn)儀器有Geospace公司[1]的GSX、OBX(shallow),Firefield公司的 ZLAND、 Z100、Z700(可以在水下700 m內(nèi)工作),這些海陸的節(jié)點(diǎn)儀器都選擇“盲采”的工作模式,質(zhì)控信息不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是也有采用節(jié)點(diǎn)技術(shù)的有線系統(tǒng),如Sercel的508XT[3],不但采集的工作效率高,而且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此根據(jù)這些需求拓展思路,研發(fā)的節(jié)點(diǎn)儀器應(yīng)該具備以下7個(gè)特征:能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)單元的質(zhì)控信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控;節(jié)點(diǎn)單元有足夠大的存儲(chǔ)空間;節(jié)點(diǎn)電池能夠快速充電,容量大體積?。还?jié)點(diǎn)單元在野外采集能夠持續(xù)50d以上;節(jié)點(diǎn)單元的GPS同步誤差小;節(jié)點(diǎn)單元的功耗小;可以適應(yīng)各種不同的野外環(huán)境,能夠兼容各種檢波器串。
新一代eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器除了具有實(shí)時(shí)質(zhì)控功能,在保證GPS同步方面還開發(fā)了GPS訓(xùn)鐘技術(shù)、快速充電技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈編碼技術(shù)和低功耗GPS模塊技術(shù)等。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)從數(shù)學(xué)建模開始,借鑒國(guó)際領(lǐng)先節(jié)點(diǎn)儀器的經(jīng)驗(yàn),研發(fā)出自己的eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器軟硬件構(gòu)架,如圖1所示。
圖1 eSeis節(jié)點(diǎn)單元軟件框架與eSeis節(jié)點(diǎn)儀器的硬件組成
eSeis1.0節(jié)點(diǎn)采集站的 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換是按照準(zhǔn)確預(yù)定時(shí)刻(一般為2的冪次方數(shù)為計(jì)時(shí)線)采集數(shù)據(jù),而不是其它 廠家(如Geospace的GSR)通常采用的對(duì)采集數(shù)據(jù)流打當(dāng)前時(shí)間戳;該算法得到TB(Time Break)時(shí)間更精確,適合高精度要求,與我們的高效采集激發(fā)管理系統(tǒng)相匹配,精確同步。 同時(shí)在設(shè)計(jì)之初就考慮實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)單元的質(zhì)控信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這些實(shí)時(shí)監(jiān)控的信息包括GPS狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)單元的存儲(chǔ)容量、電池電量、采集參數(shù)等。同時(shí)也可對(duì)超標(biāo)的監(jiān)控項(xiàng)提出預(yù)警。自動(dòng)測(cè)試功能包括對(duì)采集站技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)(出廠技術(shù)指標(biāo)、日月檢等),及對(duì)檢波器性能和埋置狀態(tài)檢測(cè)。
模數(shù)轉(zhuǎn)換單元包含高精度超低噪音可編程前置放大、真32位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換、去假頻濾波等功能。多功能下載柜中的精密測(cè)試信號(hào)單元包含32位高精度可編程數(shù)模轉(zhuǎn)換、高精度超低噪音可編程驅(qū)動(dòng)/緩沖等。
在野外進(jìn)行地震數(shù)據(jù)采集時(shí),地震信號(hào)經(jīng)過A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)存儲(chǔ)在eSeis節(jié)點(diǎn)采集站的16 GB內(nèi)存中。同時(shí)在采集的過程中,通過實(shí)時(shí)監(jiān)控的電臺(tái)鏈路對(duì)采集站的質(zhì)控信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。生產(chǎn)完成之后,跟其他節(jié)點(diǎn)一樣,所有參與生產(chǎn)的eSeis節(jié)點(diǎn)被收回營(yíng)地,通過在eSeis服務(wù)器上運(yùn)行的Harvester Manager軟件完成地震數(shù)據(jù)的下載。eSeis節(jié)點(diǎn)采集站中的地震數(shù)據(jù)通過下載機(jī)柜被下載到服務(wù)器的盤陣當(dāng)中。但是這個(gè)時(shí)候下載的只是原始數(shù)據(jù),通過第三方采集系統(tǒng)或者編碼器得到激發(fā)的GPS TB信息,在服務(wù)器上運(yùn)行Data Manager軟件,利用GPSTB信息完成共炮點(diǎn)集或者共檢波點(diǎn)集數(shù)據(jù)的切分、信號(hào)的相關(guān)和疊加等運(yùn)算。生成的SEG-D或者SEG-Y格式數(shù)據(jù)才能被送至解釋組或上交給甲方(如圖2所示),這樣才是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流。
圖2 eSeis1.0系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流
保證整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步是所有的地震采集系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵問題。在以往的有線系統(tǒng)中,整個(gè)采集系統(tǒng)內(nèi)部的野外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備的同步是通過大線的同步信號(hào)傳輸來完成的[4]。eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器由于沒有有線傳輸,所以同步的方式有很大的不同。eSeis1.0采用GPS訓(xùn)鐘的技術(shù)保證采集系統(tǒng)的同步。
目前大多數(shù)節(jié)點(diǎn)儀器和部分有線儀器是在激發(fā)源和數(shù)據(jù)采集端均按照采樣間隔對(duì)激發(fā)時(shí)刻和數(shù)據(jù)采集時(shí)刻打GPS精確時(shí)間標(biāo)記的被動(dòng)方法來實(shí)現(xiàn)TB(Time Break)時(shí)間同步的,按照精確指定時(shí)刻(以GPS時(shí)間為基準(zhǔn))來啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集和激發(fā)同步,由于A/D主時(shí)鐘隨著時(shí)間推移會(huì)產(chǎn)生累積誤差,造成單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)發(fā)生變化。這樣會(huì)影響地震勘探儀器的采集數(shù)據(jù)的精度,往往由于采樣時(shí)鐘的誤差的累積,可以達(dá)到半個(gè)采樣點(diǎn)的誤差[5]。eSeis1.0節(jié)點(diǎn)采集站所采用的訓(xùn)鐘校準(zhǔn)技術(shù),是基于精密有源晶振、高精度GPS模塊和MCU(Micro Control Unit)完成的。在采集開始之前,GPS模塊接收衛(wèi)星信號(hào),采集站進(jìn)行訓(xùn)鐘校準(zhǔn)。eSeis1.0節(jié)點(diǎn)上的MCU開始檢測(cè)自身時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的誤差,并把這一誤差反饋給MCU,MCU根據(jù)這一誤差動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM(Pulse-Width Modulation)模塊輸出的脈沖,這一脈沖輸入A/D模塊的主時(shí)鐘,以此方法達(dá)到精確的同步(如圖3所示)。這樣的GPS訓(xùn)鐘過程在采集中每半小時(shí)一次。
圖3 eSeis1.0節(jié)點(diǎn)采集站內(nèi)部的GPS訓(xùn)鐘校準(zhǔn)原理圖
在訓(xùn)鐘校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,eSeis1.0節(jié)點(diǎn)采集站內(nèi)部的A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片)按照準(zhǔn)確預(yù)定時(shí)間開始采集(一般為2的冪次方數(shù)為計(jì)時(shí)線)這樣避免了TB同步半個(gè)采集樣點(diǎn)的誤差。
目前很多地震勘探項(xiàng)目進(jìn)行高密度、大帶道數(shù)采集(節(jié)點(diǎn)單元本身不受帶道能力的限制),每天有很多采集設(shè)備被回收或者放置到野外。作為節(jié)點(diǎn)儀器每天除了面對(duì)大量節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)要回收下載,而且要面對(duì)大量節(jié)點(diǎn)電池充電的問題。如果節(jié)點(diǎn)電池需要充電時(shí)間長(zhǎng)或者充電不飽和將嚴(yán)重影響生產(chǎn)能力。eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器考慮到這一點(diǎn)開發(fā)了可實(shí)現(xiàn)快速充電的eSeis磷酸鋰鐵電池,該電池包額定輸出12 V,容量20 AH。可保證eSies節(jié)點(diǎn)連續(xù)采集30天以上。最關(guān)鍵的是該電池充電只需要3 h即可充滿。eSeis1.0電池和節(jié)點(diǎn)單元如圖4所示。
多數(shù)節(jié)點(diǎn)儀器目前使用單站單個(gè)供電單元,由于地震勘探面臨的地形復(fù)雜多變,如城區(qū)、沙漠、山地、灘涂等。這些區(qū)域由于地形或者社區(qū)因素施工緩慢,需要排列長(zhǎng)時(shí)間滯留野外。如果電池容量較小或者采集站功耗大,將直接影響節(jié)點(diǎn)在野外的“生存周期”。eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器使用了低功耗的硬件,在采集站MCU運(yùn)作固件上也考慮到了功耗。如GPS模塊分時(shí)段訓(xùn)鐘模式,在采集過程中,MCU每隔半個(gè)小時(shí)與GPS模塊做一次訓(xùn)鐘校準(zhǔn),在平時(shí)GPS模塊處于休眠狀態(tài),藍(lán)牙模塊只有在和Node hunter手縛通訊時(shí)才啟用,這樣保證整個(gè)采集站的低功耗。如果用戶不需要實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)質(zhì)量狀態(tài),那么無線電模塊也可以關(guān)閉,這樣節(jié)點(diǎn)功耗更低。
圖4 eSeis電池和節(jié)點(diǎn)單元
eSeis1.0節(jié)點(diǎn)采集站狀態(tài)的實(shí)時(shí)回傳,通過低功耗的通訊數(shù)字鏈接技術(shù)完成。針對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量極其龐大的特點(diǎn),eSeis1.0數(shù)據(jù)鏈由多種嵌入不同設(shè)備的通訊模塊組成。主要特點(diǎn)有:
1)提供高速節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獲取機(jī)制。生產(chǎn)管理中心嵌入多信道高速通訊鏈路模塊,與野外檢波線通訊單元遠(yuǎn)程鏈接,高速獲取節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)及歷史狀態(tài)。
2)提供超低功耗節(jié)點(diǎn)狀態(tài)通訊機(jī)制。為了保證節(jié)點(diǎn)一次充電后的長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集,節(jié)點(diǎn)模塊中內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)鏈模塊采用超低功耗設(shè)計(jì),使得節(jié)點(diǎn)采集工作時(shí)依然可以隨時(shí)傳輸工作狀態(tài)及異常狀態(tài),確保生產(chǎn)順利進(jìn)行。
3)提供靈活動(dòng)態(tài)的監(jiān)控通訊鏈路。檢波線通訊單元中內(nèi)嵌高低速一體eSeis通訊模塊,可以根據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)及地形情況,靈活動(dòng)態(tài)地部署在所負(fù)責(zé)區(qū)域中,通過低速通道獲取節(jié)點(diǎn)狀態(tài),并利用高速信道將信息快速遞傳輸給指揮中心。
eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器二期研發(fā)完成后,新的eSeis1.0節(jié)點(diǎn)的技術(shù)指標(biāo)的得到了提高,技術(shù)性能指標(biāo)更加穩(wěn)定,相對(duì)GSR、RT2具有明顯優(yōu)勢(shì),見表1。eSeis1.0節(jié)點(diǎn)采集站的突出特點(diǎn)是具有32位真模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、GPS訓(xùn)鐘技術(shù)、獨(dú)有的低功耗技術(shù)和價(jià)格低廉。
表1 eSeis1.0、GSR、RT2 3種地震勘探儀器的對(duì)比
eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器在2015年12月產(chǎn)品成型,2016年1月至2017年12月之間做了3次對(duì)比試驗(yàn),分別與428XL、G3i和Hawk等采集系統(tǒng)做了對(duì)比。這3次試驗(yàn)驗(yàn)證了eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器在邏輯上的正確,系統(tǒng)穩(wěn)定。通過分析采集到地震資料,eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器資料品質(zhì)達(dá)到了國(guó)際同等水平。
為了驗(yàn)證eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器邏輯的正確性,2016年1月6日~8日,在華北某探區(qū)與428XL地震勘探儀器做了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)投入eSeis1.0第一代無線節(jié)點(diǎn)50道,包括可抗低溫的快速充電電池50塊,3個(gè)排列助手。檢波器串20DX-10,每道兩串。通過三通線將檢波器串輸出的地震信號(hào)分別引入到428XL的FDU和eSeis1.0節(jié)點(diǎn)采集站中,兩種采集系統(tǒng)使用相同的采集參數(shù)。
經(jīng)過分析對(duì)比428XL和eSeis1.0節(jié)點(diǎn)切分后的資料,得出eSeis1.0節(jié)點(diǎn)邏輯正確,系統(tǒng)的PGA(programmable gain amplifier)、A/D轉(zhuǎn)換算法正確,GPS授時(shí)準(zhǔn)確,數(shù)據(jù)格式、下載、切分、抽取和道分選正確。eSeis 1.0信號(hào)的相位與428XL一致,見圖5(a);極性符合SEG規(guī)定,見圖5(b)。
圖5 eSeis與428XL數(shù)據(jù)1 ms采樣的相位極性對(duì)比
2016年8月,為了進(jìn)一步驗(yàn)證eSeis1.0系統(tǒng)的實(shí)用性、和穩(wěn)定性,在國(guó)內(nèi)某地震隊(duì)與INOVA G3i儀器進(jìn)行了1 880道共檢波串二維對(duì)比試驗(yàn)。共采集321個(gè)炮點(diǎn),eSeis1.0和G3i儀器選擇同一采集參數(shù),采用共激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)采集的對(duì)比方式,保障試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性,如圖6所示。
通過對(duì)eSeis1.0和G3i資料的對(duì)比分析得出以下結(jié)論(見圖7):
圖7 eSeis1.0與G3i儀器1ms采樣的全頻單炮記錄對(duì)比
1)從單道、炮集、剖面分析結(jié)果來看,eSeis1.0采集地震數(shù)據(jù)從波形、能量、頻率、相位上,都與G3i采集的地震數(shù)據(jù)整體一致。
2) 通過綜合分析,eSeis1.0采集地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)與G3i相當(dāng),所采集的地震數(shù)據(jù)質(zhì)量是可靠的。
3)eSies1.0無線節(jié)點(diǎn)儀器整體工作穩(wěn)定達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)的水平。
同時(shí)通過這次試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了一些問題:
1)狀態(tài)信息回傳不穩(wěn)定。需要在硬件和軟件上做改進(jìn)調(diào)整,將接收靈敏度增加,天線采用外置辦法。現(xiàn)已通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。
2)數(shù)據(jù)下載機(jī)柜和充電柜接頭連接繁瑣、不易操作。需要簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)下載時(shí)的插頭連接方法。去掉插頭外套,操作時(shí)不必要螺紋擰緊,以簡(jiǎn)化拔插操作。
3)采集站重量輕,受粗插頭和環(huán)境影響大,站體野外容易翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致GPS天線接收不到信號(hào)。計(jì)劃在下一步電池和采集站合并后,采取扁平化結(jié)構(gòu)方案加尾椎解決。
4)采集站采集數(shù)據(jù)零飄消除算法須完善。
為了進(jìn)一步對(duì)比eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器跟國(guó)際其他物探儀器的性能,在國(guó)內(nèi)某探區(qū)地震隊(duì)跟Hawk節(jié)點(diǎn)儀器做了二維對(duì)比試驗(yàn)。跟之前的兩次試驗(yàn)類似,eSeis1.0和Hawk使用同樣的采集參數(shù)。前方增益位12DB,采樣率1 ms,記錄長(zhǎng)度5 s,井炮激發(fā)。兩種節(jié)點(diǎn)接收來自同一串檢波器串的地震信號(hào)。同時(shí)記錄井炮激發(fā)的GPS TB時(shí)間作后期數(shù)據(jù)切分的依據(jù)。
對(duì)兩者采集到的地震數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):
1)從單道均衡、固定增益、分頻掃描結(jié)果來看,肉眼無法分辨出差異,eSeis1.0單炮與Hawk面貌一致(圖8);
2)從頻譜上看,eSeis1.0單炮與Hawk頻譜的整體趨勢(shì)一致,在0~150 Hz,一致性非常好,在150 Hz以上雖有差異,但差異很小;
3)從連續(xù)相位上看,200 Hz以上eSeis1.0單炮與Hawk連續(xù)相位有一定差異,隨著頻率升高差異有所增加(圖9)。
圖8 eSeis1.0與Hawk儀器的單道對(duì)比
4)從疊加剖面及分頻分析結(jié)果來看,eSeis1.0與Hawk整體面貌一致(圖10),肉眼無法分辨出差異,從二者相減結(jié)果來看,差異也很小;
5)從頻譜分析結(jié)果來看,eSeis1.0粗疊加與Hawk頻譜的整體趨勢(shì)一致,在0~150 Hz,一致性非常好,但在150 Hz以上有一定的差異,但差異很小;
6)通過互相關(guān)分析,兩者數(shù)據(jù)存在差異,但是差異遠(yuǎn)小于半個(gè)采樣間隔。
通過綜合分析,證明eSeis1.0所采集地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)與Hawk相當(dāng),獲取的地震數(shù)據(jù)質(zhì)量是可靠的。
圖10 eSeis1.0節(jié)點(diǎn)與Hawk節(jié)點(diǎn)采集剖面相減
目前物探裝備市場(chǎng)節(jié)點(diǎn)地震勘探儀器種類繁多,很多產(chǎn)品因?yàn)殡姵厝萘啃 ⒐?jié)點(diǎn)采集站內(nèi)存小、不能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等原因,以及 GPS時(shí)間漂移等問題成為提供優(yōu)質(zhì)資料的短板。針對(duì)以上問題,eSeis1.0節(jié)點(diǎn)研發(fā)工作,通過降低功耗、開發(fā)高性能的磷酸鋰鐵電池提高eSeis1.0野外節(jié)點(diǎn)的待機(jī)時(shí)間;核心的GPS訓(xùn)鐘技術(shù)改變了以往通過在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中打時(shí)間戳的做法,以預(yù)定時(shí)間的方式開始采集,精確地實(shí)現(xiàn)和激發(fā)源的同步,進(jìn)而避免了采樣時(shí)間漂移[7]。
任何物探裝備一問世都不是一蹴而就的,后期不斷改進(jìn)以及對(duì)客戶負(fù)責(zé)的態(tài)度決定該產(chǎn)品能夠走多遠(yuǎn)。eSeis1.0節(jié)點(diǎn)儀器的應(yīng)用過程證明系統(tǒng)本身的邏輯是正確的,數(shù)據(jù)品質(zhì)達(dá)到了國(guó)際水平,儀器性能穩(wěn)定。為了滿足高密度采集,充電設(shè)備需要改進(jìn),現(xiàn)有的便攜式充電柜,不能滿足萬道級(jí)施工的需要;數(shù)據(jù)下載柜的插頭和外形都應(yīng)該針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)際需要而改進(jìn)。這些都需要研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步緊密貼合用戶,不斷完善。