eSeis節(jié)點儀器與G3i有線儀器的聯(lián)合應用*

嚴 皓，劉進寶，尚永生，蔡敏貴，韓忠偉，沈 卓

(1. 中國石油東方地球物理勘探有限責任公司地震儀器研發(fā)項目組 河北 涿州 072750；2. 中國石油東方地球物理勘探有限責任公司遼河物探處 遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

伴隨著通訊技術(shù)、GPS技術(shù)及接口技術(shù)等電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，地震勘探儀器進入了一個新的發(fā)展階段，有線儀器、無線儀器、三合一節(jié)點儀器等不同類型的采集設(shè)備孕育而生，各具特色[1]。為了滿足不同勘探任務，達到高效、低成本采集的技術(shù)需求，特別是實現(xiàn)工區(qū)內(nèi)全地表滿覆蓋的無縫勘探需求，不同類型的地震采集儀器在同一地震勘探項目中使用越來越頻繁[2]。

eSeis2.0節(jié)點無線采集站(下文簡稱eSeis節(jié)點)是東方地球物理勘探有限責任公司(BGP)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代三合一節(jié)點儀器，采集站具備獨立的存儲和電源，適用于各種地面的連續(xù)采集，節(jié)省了有線儀器建排列、查排列工序的時間，能夠?qū)崿F(xiàn)無限采集道數(shù)的擴展，其輕便可靠的特性，在地質(zhì)條件復雜的勘探工區(qū)優(yōu)勢明顯。

2019年BGP在國內(nèi)某復雜地質(zhì)區(qū)域的勘探項目，北部工區(qū)布滿“刀片山”，溝壑縱深不見底，常年風化的山體陡峭且形成了一層浮土，山路往往只能通行一人；南部工區(qū)果園村莊較多，不便于大線鋪設(shè)。項目原有的G3i有線儀器不能滿足該復雜區(qū)域作業(yè)的施工要求，而節(jié)點采集儀器具有獨立的GPS裝置[3]，可以在內(nèi)置電源的支持下，完成連續(xù)的地震數(shù)據(jù)采集，克服了傳統(tǒng)有線儀器在復雜地表穿越能力的短板，因此物探隊最終選擇了eSeis節(jié)點儀器與G3i有線儀器的聯(lián)合施工。

1 項目概況和聯(lián)合施工難點分析

1.1 項目概況

該三維地震資料采集項目共部署滿覆蓋面積489 km2，工區(qū)內(nèi)涉及村莊、果園區(qū)、山體陡崖區(qū)、戈壁區(qū)、河流水庫區(qū)和農(nóng)作物區(qū)等復雜作業(yè)環(huán)境，設(shè)計總生產(chǎn)炮次47 500余炮，采用井震聯(lián)合的激發(fā)方式，其中北部山區(qū)井炮近7 500炮，南部障礙區(qū)震源近40 000炮；在接收排列上，北部戈壁區(qū)和山體區(qū)主要采用G3i有線儀器，G3i無法布設(shè)的山體陡崖零散布設(shè)eSeis節(jié)點，南部障礙區(qū)由于障礙物較多，地表環(huán)境復雜，全部采用eSeis節(jié)點采集站進行施工。圖1所示為該三維采集儀器布放示意圖，其中南部綠色以及山體紅色散點為eSeis節(jié)點采集站布放位置。

圖1 采集儀器布放示意圖

1.2 聯(lián)合施工要點分析

節(jié)點儀器與有線儀器的聯(lián)合采集，因為兩種地震儀器的設(shè)計理念、質(zhì)控方式以及工作模式等方面存在差異[4]，為了保證采集地震數(shù)據(jù)的質(zhì)量，聯(lián)合施工作業(yè)需要滿足和支持一定的技術(shù)條件：

1)節(jié)點儀器和有線儀器支持相同的采樣間隔、前放增益和濾波類型等采集參數(shù)，采集站的電路特性響應一致，保證地震資料的幅頻響應一致。

2)節(jié)點采集站是一種連續(xù)采集的儀器，切分數(shù)據(jù)時需要的TB時間要由其他設(shè)備提供，這就要求有線儀器具備GPS授時功能，能夠?qū)⑵溆涗洈?shù)據(jù)的激發(fā)時間記錄下來，同時無線節(jié)點采集站的GPS馴鐘功能必須精準、可靠。

3)無線節(jié)點儀器是一種盲采式的連續(xù)采集儀器，不能像有線儀器一樣同步監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)，因此節(jié)點采集站被移動或者故障停止工作，會造成數(shù)據(jù)的損失。

4)本次聯(lián)合施工采用井震聯(lián)合的激發(fā)方式，并涉及到eSeis節(jié)點儀器采集到的數(shù)據(jù)與G3i有線儀器采集到的數(shù)據(jù)融合、相關(guān)問題。

2 eSeis節(jié)點儀器

eSeis節(jié)點采集系統(tǒng)由eSeis2.0節(jié)點采集站、eSeis節(jié)點質(zhì)控查線設(shè)備、eSeis下載充電一體柜、eSeis Harvester服務器、eSeis DataManager服務器和數(shù)據(jù)存儲陣列組成[5]。圖2為eSeis無線采集系統(tǒng)構(gòu)成展示圖。

圖2 eSeis無線采集系統(tǒng)

eSeis2.0節(jié)點采集站重量不到1 kg，小巧輕便，一個成年勞工可以攜帶10～15道左右進行布站作業(yè)，同等條件下有線儀器只能攜帶四道。其內(nèi)置的鋰電池組，可以支撐采集站24 h連續(xù)記錄30 d，并支持快速充電和欠壓保護等功能。在室內(nèi)設(shè)置采集站為連續(xù)采集模式后，32位高精度Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器將接收到的地震信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并存儲在內(nèi)置的SD(16GB/32GB可選)，通過倒排列時段，采集站回到下載機柜完成數(shù)據(jù)下載和充電工作。

eSeis Harvester Manager是eSeis節(jié)點采集系統(tǒng)的重要配套軟件，用于下載eSeis無線節(jié)點采集站記錄的地震數(shù)據(jù)、質(zhì)控數(shù)據(jù)以及配置和檢測節(jié)點采集站。安裝該軟件的站體管理服務器通過光纖交換機與eSeis節(jié)點快速充電下載柜相連，服務器同時擁有海量磁盤存儲陣列，能夠滿足高速存儲大量地震數(shù)據(jù)的需求。

eSeis DataManager是另一款重要的eSeis節(jié)點采集系統(tǒng)的配套軟件。通過該軟件實現(xiàn)對已下載的地震數(shù)據(jù)的切分、合成和相關(guān)等操作，并可以輸出連續(xù)道集、炮集等形式的地震數(shù)據(jù)格式。軟件引入項目管理的概念，通過系統(tǒng)菜單內(nèi)的項目配置管理，對激發(fā)源、節(jié)點采樣率、記錄長度、切分后的SEGY(或SEGD)道頭等信息進行配置，以實現(xiàn)對地震數(shù)據(jù)的處理流程。

3 聯(lián)合應用

在聯(lián)合施工中，G3i有線儀器負責北部工區(qū)的數(shù)據(jù)采集任務，發(fā)揮有線設(shè)備道數(shù)多、人員操作熟練優(yōu)勢。eSeis節(jié)點儀器負責北部山體陡崖和南部障礙區(qū)的數(shù)據(jù)采集，發(fā)揮節(jié)點儀器站體輕便、操作靈活，地表穿越能力強等特點。同時采集數(shù)據(jù)的切分、融合、格式轉(zhuǎn)換和相關(guān)等處理過程，均由eSeis采集系統(tǒng)完成。

3.1 數(shù)據(jù)一致性

項目選擇的eSeis節(jié)點儀器與G3i有線儀器是由兩家不同儀器廠商研發(fā)制造，它們支持同樣的前置增益、濾波類型、采樣間隔等，性能指標見表1。但由于儀器的采集原理和采用的硬件不同，可能造成數(shù)據(jù)一致性差異。

表1 儀器采樣參數(shù)對比表

通過聯(lián)合采集施工前的實驗過程，對比兩種不同地震儀器的同一炮點的地震記錄，從波形和頻譜進行分析對比，圖3所示為對比分析結(jié)果。從圖3可見，兩者無明顯差異，整體一致，驗證了兩種采集儀器具備聯(lián)合施工的條件。

圖3 eSeis儀器與G3i儀器采集數(shù)據(jù)對比

3.2 GPS馴鐘技術(shù)

節(jié)點儀器在野外采集的地震數(shù)據(jù)是連續(xù)的，切分數(shù)據(jù)時需要按確定的起始時間對地震數(shù)據(jù)進行有效分離。因此需要依靠內(nèi)置GPS接收器完成GPS馴鐘，實現(xiàn)采集系統(tǒng)的同步。eSeis節(jié)點在啟動采集前，利用內(nèi)置高靈敏度、高精度的GPS模塊接收GPS信號，采集站內(nèi)的MCU計算自身與GPS時鐘信號的誤差，調(diào)整其輸出給A/D模塊的主時鐘脈沖，以此達到精確馴鐘。采集開始后，采用分時馴鐘的方式，每隔一定時間馴鐘一次，這樣既保證了時鐘誤差小，又可以減少采集站的整體功耗。

在這次三維項目中，G3i系統(tǒng)上安裝了GPS授時裝置，可以將其采集到的地震數(shù)據(jù)標記GPS時間。同時G3i輸出的log信息中含有TB信息[6]，通過eSeis DataManager軟件中的TB文件生成器將G3i班報轉(zhuǎn)化為切分所需要的TB文件，滿足切分數(shù)據(jù)時的精準度和有效性。

3.3 節(jié)點質(zhì)控技術(shù)

1)野外質(zhì)控 無線節(jié)點采集站連續(xù)采集的模式屬于盲采式，不能像有線儀器一樣監(jiān)控設(shè)備的工作狀態(tài)，節(jié)點采集站被移動或者故障停止工作，會造成數(shù)據(jù)的損失，是目前很多油公司甲方所顧慮的[7]。與市場上同類產(chǎn)品相比，eSeis節(jié)點采集系統(tǒng)擁有多種野外質(zhì)控單元，通過人工便攜式、車載和飛行器質(zhì)控三種方式，滿足不同地形要求，可以實時查詢工作中節(jié)點單元的GPS、電池容量、傾斜度、檢波器阻值、存儲等狀態(tài)，實現(xiàn)了QC數(shù)據(jù)的回收功能，保證了采集數(shù)據(jù)的可靠性，將采集數(shù)據(jù)的完整性提升了一個層次。

2)室內(nèi)質(zhì)控 Harvester Manager軟件支持無線節(jié)點采集站所必需的指標測試和檢波器測試，用來滿足生產(chǎn)采集要求中的月檢和年檢測試。指標測試中包含噪音、THD、動態(tài)范圍、共模抑制比(CMRR)、增益準確性和標準值等。節(jié)點單元通過測試后，生成的測試報告可以導出為.csv 格式，下載存檔提交。根據(jù)eSeis節(jié)點采集站內(nèi)檢波器的型號和結(jié)構(gòu)，Harvester Manager軟件還包含了對其檢波器的自然頻率、直流電阻、靈敏度等測試，同樣支持下載存檔。

Harvester Manager軟件還可以導出單個節(jié)點采集站的質(zhì)控數(shù)據(jù)，提供按日期導出日檢報告功能，包括節(jié)點采集站當時的存儲空間、電池電量、SD卡讀寫狀態(tài)、檢波器和GPS狀態(tài)等必要的質(zhì)控信息，極大地保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性和完整性。

3.4 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

eSeis DataManager軟件在聯(lián)合采集的數(shù)據(jù)處理上起到了不可替代的作用，實現(xiàn)了節(jié)點自動樁號匹配技術(shù)，完成了多數(shù)據(jù)類型的融合、相關(guān)和格式轉(zhuǎn)換等現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理要求。

作為節(jié)點數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵技術(shù)之一，節(jié)點自動樁號匹配功能的準確性和可信度尤為重要。eSeis節(jié)點儀器在野外采集過程中，每隔一定時間進行一次馴鐘，eSeis DataManager軟件提取馴鐘完成后記錄的GPS位置信息，與SPS點位比對，且滿足最小衛(wèi)星數(shù)和HDOP值后，確定該采集站的布放樁號，實現(xiàn)了采集站自動樁號匹配。對于特殊狀況下產(chǎn)生的自動樁號匹配失敗問題，軟件提供了手動匹配功能，可以實現(xiàn)對偏點布放、丟失站重布放等情況的樁號匹配。

該三維項目既涉及到eSeis節(jié)點儀器與G3i有線儀器的聯(lián)合采集，還涉及到井炮和可控震源的混合施工，其數(shù)據(jù)類型和格式多，數(shù)據(jù)整理復雜程度都給現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理工作提出了極高要求。圖4所示為現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理流程，在同一采集排列里，使用eSeis節(jié)點采集站和G3i有線儀器聯(lián)合施工，生成的兩套數(shù)據(jù)，具有相同的采集參數(shù)(采樣率、掃描長度、記錄長度等)，記錄文件個數(shù)和文件號一致，融合后采集疊加道按甲方要求保留G3i儀器的數(shù)據(jù)。井炮數(shù)據(jù)中，兩種儀器采集的數(shù)據(jù)只需要做單一的合并處理；對于可控震源的數(shù)據(jù)，兩種儀器的數(shù)據(jù)合并完成后，需要進行相關(guān)運算才能得到甲方需要的地震數(shù)據(jù)，因此對于可控震源數(shù)據(jù)采用先融合后相關(guān)的操作。值得一提的是，eSeis 無線節(jié)點采集系統(tǒng)是業(yè)界唯一不借助其他公司現(xiàn)場處理軟件，就能夠獨立完成對地震數(shù)據(jù)的采集、切分、融合和格式轉(zhuǎn)換、以及數(shù)據(jù)相關(guān)等功能，達到了現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理要求。

圖4 地震數(shù)據(jù)分類和處理流程

4 項目應用效果展示

在該三維地震勘探施工中，eSeis節(jié)點儀器與G3i有線聯(lián)合采集施工，既節(jié)約了施工成本，又保證了村莊果林等復雜地區(qū)檢波點布設(shè)的正點率，取得了高品質(zhì)的地震采集資料。原本4個月的工期縮短為2個半月，井炮聯(lián)合激發(fā)與eSeis無線節(jié)點采集站的協(xié)同作業(yè)方式得到了甲方高度贊揚，現(xiàn)場疊加剖面質(zhì)量有了大幅提高，應用效果良好，圖5所示為該項目某線現(xiàn)場疊加剖面。

圖5 項目某線現(xiàn)場疊加剖面

5 結(jié) 論

1)eSeis節(jié)點儀器重量輕，便于攜帶，布設(shè)效率高，節(jié)省了野外建排列和查排列的時間，特別在農(nóng)林、山地和村莊等復雜地區(qū)頗具優(yōu)勢；與有線儀器相比，節(jié)點采集站無限采集道數(shù)擴展能力更強，適合當今大道數(shù)、高密度、高覆蓋次數(shù)的地震勘探行業(yè)發(fā)展趨勢。

2)節(jié)點儀器與有線儀器的聯(lián)合施工，充分發(fā)揮出兩種儀器的特點，有效地縮短了施工工期，資料效果質(zhì)量高。

3)無線節(jié)點采集設(shè)備應用是今后地震勘探的發(fā)展方向。但是，在如何解決無線節(jié)點采集設(shè)備被盜后數(shù)據(jù)丟失問題、進一步提高待機時間等方面，還需要進行深入研究。

隨著無線節(jié)點儀器的不斷完善、成熟，無線節(jié)點儀器與有線儀器聯(lián)合應用的采集項目日漸增多，國外某些采集項目已經(jīng)在嘗試使用全無線節(jié)點儀器進行采集作業(yè)。相信在不久的將來，新型無線節(jié)點儀器必將走向高端地震采集市場的舞臺。