地震儀器智能化現(xiàn)狀及前景展望*

甘志強(qiáng)，劉 帥，朱 萍，段晉華

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

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和油氣勘探對數(shù)據(jù)采集設(shè)備要求的不斷提高，地震儀器在系統(tǒng)帶道能力、支持作業(yè)方法、數(shù)據(jù)采集精度等方面都得到了持續(xù)的完善和提升。近些年來，隨著油田勘探開發(fā)的不斷深入，油氣勘探條件越來越復(fù)雜，勘探目標(biāo)已由原先的構(gòu)造油氣藏逐步轉(zhuǎn)向?qū)ふ覐?fù)雜構(gòu)造油氣藏、地層巖性油氣藏、剩余油氣藏等。為改善地震剖面成像質(zhì)量，提高巖性識別和油氣預(yù)測符合率，地震數(shù)據(jù)采集開始向全方位采樣、充分采樣、均勻采樣、對稱采樣發(fā)展。隨之而來，地震勘探也由常規(guī)三維、精細(xì)三維發(fā)展到目前的寬頻、寬方位、高密度(以下簡稱“兩寬一高”)高精度三維勘探技術(shù)。這些技術(shù)進(jìn)步為野外生產(chǎn)帶來巨大工作量的同時，也給地震儀器應(yīng)用帶來新的挑戰(zhàn)[1-2]。

智能化技術(shù)是一項集電子信息、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊等多項技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，通過該項技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅提高野外地震勘探施工的工作效率和工作質(zhì)量，促進(jìn)野外生產(chǎn)“提質(zhì)、提效、提速、降本”。

1 地震勘探采集的技術(shù)現(xiàn)狀

由于“兩寬一高”勘探技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，以及勘探作業(yè)成本等多方面原因，對包括地震儀器的技術(shù)性能、野外施工作業(yè)效率以及技術(shù)保障手段等都提出了更高的要求。采集規(guī)模越大，這些要求就表現(xiàn)得越為迫切。地震勘探采集的技術(shù)現(xiàn)狀如下：

1)各種新型高效采集技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用。高密度、寬方位或全方位三維地震勘探技術(shù)是提高地震勘探精度的一種有效技術(shù)手段[3]。但是，隨之也會帶來工作量和施工成本顯著增加的問題，僅靠單純地增加勞動力不是解決問題的根本辦法。地震儀器的進(jìn)步同物探技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的，隨著各種高效采集技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，地震儀器高效采集配套功能需要、也必將得到持續(xù)的完善和更新。

2)超大道數(shù)采集成為常態(tài)。目前，萬道以上采集規(guī)模的項目已經(jīng)十分普遍，如何實現(xiàn)高效作業(yè)，在短時間內(nèi)快速、高質(zhì)量地完成地質(zhì)勘探任務(wù)也成為了衡量一款儀器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。當(dāng)前陸地勘探在用的主流地震儀器能夠滿足10萬道，甚至20萬道級的地震數(shù)據(jù)采集要求[4]。但是，超大采集道數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)處理和儲存會給地震儀器排列、儀器系統(tǒng)的硬件、軟件及固件帶來嚴(yán)峻的考驗。

3)施工日效成倍增加。由于各種高效施工方法的大規(guī)模應(yīng)用，地震勘探施工效率大幅度提高，三維勘探項目日效由原來的千炮左右，提高到現(xiàn)在的萬炮以上， INOVA公司的G3i儀器在國內(nèi)某探區(qū)的生產(chǎn)項目最高日效達(dá)到12 316炮。因此，如何通過相應(yīng)配套技術(shù)的攻關(guān)研究，確保地震儀器的優(yōu)良性能得到充分發(fā)揮，高效率、高質(zhì)量地完成地震數(shù)據(jù)采集任務(wù)也就成為了當(dāng)前地震儀器應(yīng)用技術(shù)人員重點解決的問題之一。

4)傳統(tǒng)的地震儀器保障手段已不能滿足大規(guī)模、高效率的施工需求?，F(xiàn)場技術(shù)支持是傳統(tǒng)地震儀器技術(shù)保障的主要手段，而物探采集技術(shù)的進(jìn)步使得地震儀器各項功能發(fā)揮到極致，也對地震儀器故障的排查效率提出了更高的要求。因此，迫切需求一種低成本、低風(fēng)險、高效的技術(shù)支持方式保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

5)更高的采集排列準(zhǔn)備效率。地震儀器排列管理是整個采集工作的基礎(chǔ)，排列收放、故障排查、工作狀態(tài)的統(tǒng)計分析的效率將直接影響地震勘探生產(chǎn)進(jìn)程。在野外生產(chǎn)過程中，影響地震采集排列準(zhǔn)備效率的因素有地表復(fù)雜程度、故障排列信息分發(fā)效率、排列排查效率、排列管理效率以及排列工作穩(wěn)定程度等，采集規(guī)模越大，這些因素的影響程度就越大。

2 地震儀器智能化技術(shù)現(xiàn)狀

近些年來，基于相關(guān)支撐技術(shù)的發(fā)展，智能化技術(shù)在地震儀器領(lǐng)域也有一些初步的應(yīng)用，對減輕工作人員勞動強(qiáng)度、提高地震數(shù)據(jù)采集效率和提升采集數(shù)據(jù)質(zhì)量起到了積極作用。

2.1 設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的自動分析與統(tǒng)計

目前，對于地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言，年、月、日檢驗是衡量其地面采集設(shè)備能否滿足地震勘探要求的主要依據(jù)。面對萬道或數(shù)萬道地面采集設(shè)備，單純依賴人工完成日、月、年檢驗結(jié)果的分析和統(tǒng)計在效率和準(zhǔn)確度方面顯然不能滿足野外生產(chǎn)需求。為解決這一問題，當(dāng)前主流地震儀器，如INOVA公司的G3i、Sercel公司的428XL等的主機(jī)應(yīng)用軟件均能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)置參數(shù)進(jìn)行測試結(jié)果的自動分析和分類統(tǒng)計，在提高測試結(jié)果分析效率和準(zhǔn)確度的同時，大幅減少了現(xiàn)場儀器技術(shù)人員的勞動強(qiáng)度，保障了采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。G3i儀器測試結(jié)果統(tǒng)計顯示界面如圖1所示[5]。

圖1 G3i測試結(jié)果統(tǒng)計顯示

2.2 地震數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的智能管理

采集排列是構(gòu)成地震數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，地面電子設(shè)備的接入方式以及異常情況處理能力和供電電源的續(xù)航時間等均會影響地震數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，進(jìn)而決定著地震勘探施工的進(jìn)度。目前，地震儀器大都采用分布式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個電源站和交叉站都作為控制節(jié)點，完成命令轉(zhuǎn)發(fā)、相應(yīng)狀態(tài)信息的拾取和數(shù)據(jù)上傳，最終實現(xiàn)對采集排列涉及的地面電子設(shè)備的智能化或半智能化管理：1)當(dāng)有新的采集排列接入時，新設(shè)備會根據(jù)儀器主機(jī)的指令自動、快速地接入地震數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)；2)在數(shù)據(jù)采集過程中，如果采集排列斷開，儀器主機(jī)會及時拾取相應(yīng)控制節(jié)點返回的信息并給出報警提示；3)每個控制節(jié)點會及時拾取其對應(yīng)供電電源(電瓶)的電壓，當(dāng)出現(xiàn)低電情況時，儀器主機(jī)應(yīng)用軟件會根據(jù)設(shè)置的參數(shù)及時給出警告，部分儀器的電源站或交叉站也會通過指示燈給出報警，提示操作人員及時更換，避免因供電電源“虧電”而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集進(jìn)程中斷[5-6]。

2.3 源驅(qū)動激發(fā)控制

在源驅(qū)動作業(yè)模式下，源同步控制系統(tǒng)譯碼器自動鎖定炮點位置坐標(biāo)并通過無線電臺最終發(fā)送給儀器主機(jī)。儀器主機(jī)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)要求，自動鎖定位置坐標(biāo)對應(yīng)的炮點樁號并激活相應(yīng)的采集排列，啟動采集進(jìn)程。通過這一基于衛(wèi)星定位技術(shù)的新型作業(yè)模式的應(yīng)用，有效避免了由于大量人工參與而導(dǎo)致的誤選炮點情況的發(fā)生，提高了儀器采集的自動化水平，保障了野外生產(chǎn)的高質(zhì)、高效運行。圖2為G3i可控震源采集時某組震源位置及組合中心(Center of Gravity，縮寫為COG)顯示[5]。

圖2 G3i可控震源COG顯示

2.4 可控震源指標(biāo)的分析與自動提示

隨著基于可控震源技術(shù)的高效采集作業(yè)方法的逐步規(guī)?；瘧?yīng)用，野外生產(chǎn)日激發(fā)炮數(shù)成倍增長，最高達(dá)到了1萬余炮。因此，如何高效、無誤地進(jìn)行可控震源激發(fā)質(zhì)量控制就成為高效地震勘探作業(yè)需要解決的關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)有地震儀器都集成了可控震源質(zhì)控功能，能夠自動接收、分析和統(tǒng)計可控震源掃描屬性參數(shù)，并對應(yīng)用不同的顏色標(biāo)記分析結(jié)果，提示操作員進(jìn)行相應(yīng)操作，提高了現(xiàn)場可控震源采集質(zhì)控水平和效率。G3i可控震源掃描屬性監(jiān)視窗口如圖3所示[5]。

圖3 G3i可控震源掃描屬性監(jiān)視窗口

2.5 輔助設(shè)備的智能管理

輔助設(shè)備是地震數(shù)據(jù)采集不可或缺的重要部件，地震儀器能否實時獲取其技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)野外生產(chǎn)需求進(jìn)行相應(yīng)的智能控制和管理對于野外生產(chǎn)十分重要。當(dāng)前地震儀器大都具備對自身衛(wèi)星授時設(shè)備、編碼器等關(guān)鍵輔助設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)視能力，圖4為采集過程中衛(wèi)星授時不成功的自動提示窗口，圖5所示為編碼器連接斷開提示窗口。

圖4 衛(wèi)星授時不成功提示

圖5 編碼器連接斷開提示

3 地震儀器智能化技術(shù)發(fā)展前景

隨著勘探的不斷深入和各種高效采集方法的逐步規(guī)?；瘧?yīng)用，對地震儀器功能和性能也提出了更高的要求。智能化技術(shù)作為一種新興的技術(shù)，能夠替代或協(xié)助現(xiàn)場工作人員完成質(zhì)量控制、采集排列布設(shè)、故障排列排查等工作，提升地震儀器對于大規(guī)模、復(fù)雜地表環(huán)境下地震數(shù)據(jù)勘探施工的適應(yīng)能力，有較好的應(yīng)用前景。

3.1 縮短采集排列準(zhǔn)備時間

高效采集為地震儀器帶來了更大的工作負(fù)荷，也對采集排列準(zhǔn)備，特別是排列故障排查效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)勘探施工作業(yè)時，大都采用人工語音播報的方式將排列中的不正常道信息播報給查線工，待查線工排查后，再通過語音電臺通知儀器查看該不正常道是否恢復(fù)正常，耗時費力，不能滿足6萬道以上超大規(guī)模地震勘探施工的要求。在地震儀器中增加采集排列信息智能化管理功能，及時將故障道信息以數(shù)字化的方式發(fā)送給查線人員，并以數(shù)字化的方式接收來自查線人員的反饋信息，替代儀器操作員實現(xiàn)采集排列的自動、高效管理，將對排列準(zhǔn)備時間的縮短起到積極作用。

3.2 提高儀器故障檢測的準(zhǔn)確性和及時性

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和地球物理勘探需求的提高，作為地震勘探數(shù)據(jù)采集核心設(shè)備的地震儀器也向著更大道數(shù)、更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力以及能夠支持多種新型勘探方法的方向發(fā)展。在地震勘探施工過程中，若發(fā)生難以解決的故障時，需要技術(shù)支持人員到達(dá)現(xiàn)場解決。近年來，國內(nèi)外勘探業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，各種高效施工方法迅速推廣，現(xiàn)場技術(shù)支持的方式顯然已經(jīng)滿足不了野外勘探的實際需求，而基于網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通訊的智能化遠(yuǎn)程技術(shù)保障將有助于擺脫這一困境。

3.3 提升采集設(shè)備的故障自適應(yīng)能力

在野外地震勘探施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)由于電瓶低電、動物啃咬或車輛碾壓等原因而引起的采集排列斷開，導(dǎo)致采集中斷，影響施工進(jìn)程。目前各物探裝備廠商的有線儀器產(chǎn)品均提供了冗余路徑功能，但在出現(xiàn)排列故障后，大都需要手動操作才能使備用傳輸路徑生效，影響采集進(jìn)程和數(shù)據(jù)質(zhì)量。隨著衛(wèi)星授時、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸控制等技術(shù)的進(jìn)步，地震儀器若能對排列斷開等影響施工效率的突發(fā)故障進(jìn)行自適應(yīng)處理，比如能夠根據(jù)需要自動切換傳輸路徑、無備用路徑時能夠?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)標(biāo)記時間并本地存儲，從而實現(xiàn)對排列突發(fā)故障的自動化、智能化處理，提高地震儀器大規(guī)模地震數(shù)據(jù)采集的適應(yīng)能力。

3.4 采集排列的區(qū)塊化管理

當(dāng)前主流地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如INOVA公司的G3i儀器和Sercel公司的428XL儀器在地震數(shù)據(jù)采集時，無法同時對地面電子設(shè)備進(jìn)行測試工作，在一定程度上影響了野外施工效率，其影響程度在大道數(shù)采集項目時表現(xiàn)得尤為突出?？煽紤]根據(jù)施工計劃、施工進(jìn)度、地表地形等在地震儀器中采用智能“區(qū)塊化”的方式對采集排列進(jìn)行管理，實現(xiàn)地面電子設(shè)備測試和數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行，可大幅提高野外生產(chǎn)效率。

3.5 儀器主機(jī)智能化功能完善

目前，地震儀器雖然具備了一些初步的智能化功能，如測試結(jié)果的自動分析與統(tǒng)計、可控震源指標(biāo)超限自動提示、輔助設(shè)備技術(shù)狀態(tài)實時監(jiān)視和智能提示等，雖然在一定程度上解決了當(dāng)前采集所面臨的限制生產(chǎn)效率進(jìn)一步提升或影響采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題，但隨著地震勘探規(guī)模的不斷增大，儀器現(xiàn)有的智能化功能顯然是不能滿足要求的。為滿足未來百萬道級地震勘探施工的需求，地震儀器主機(jī)在某些方面的智能化功能還需進(jìn)一步優(yōu)化和補充，比如海量設(shè)備管理、海量數(shù)據(jù)管理、工作參數(shù)的智能管理、采集自動控制管理等，將儀器技術(shù)人員從繁重的工作量中解脫出來，提升大道數(shù)地震勘探施工的效率。

4 結(jié)束語

隨著勘探的不斷深入和各種高效采集方法逐步規(guī)?；瘧?yīng)用，對采集數(shù)據(jù)的精度要求越來越高，野外地震采集道數(shù)和激發(fā)點數(shù)也快速增長。2018年由東方地球物理公司承擔(dān)的科威特西三維采集項目使20萬道級地震數(shù)據(jù)采集變?yōu)楝F(xiàn)實。面對如此大的勘探規(guī)模，大量依賴人工參與的傳統(tǒng)地震儀器已顯得力不從心。在這一應(yīng)用背景下，智能化技術(shù)將在地震勘探領(lǐng)域得到發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用，未來地震儀器將更進(jìn)一步智能化，代替人的一部分腦力勞動，為以“兩寬一高”為特征的高精度地震勘探提供技術(shù)支撐。