eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器在嚴(yán)寒工區(qū)施工技術(shù)

武永生， 鄭永明， 韓忠偉， 封召鵬， 王洪濤， 藺大祿

(中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探公司 河北 涿州 072750)

0 引 言

縱觀近三十年油氣勘探發(fā)展態(tài)勢(shì)，地震勘探朝向高精度、寬頻帶、全波場(chǎng)方向發(fā)展，且采集儀器實(shí)時(shí)接收道數(shù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這就要求地震采集系統(tǒng)具備超大規(guī)模地震道數(shù)采集能力。地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是地球物理勘探最為核心的裝備之一，也是衡量地球物理公司勘探能力及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)準(zhǔn)。

近期低油價(jià)時(shí)期地球物理勘探追求的是高效率、低成本，而節(jié)點(diǎn)地震儀器在勘探施工中已表現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì)：1)施工便利、環(huán)保，操作簡(jiǎn)單，勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工成本低，特別在山地、城鎮(zhèn)等復(fù)雜區(qū),施工優(yōu)勢(shì)更加明顯[1]。2)節(jié)點(diǎn)地震儀器接收道數(shù)不受限制，能夠?qū)崿F(xiàn)地震勘探的各種高效采集方法和技術(shù)，同時(shí)滿足超大道數(shù)地震勘探采集的發(fā)展需求，較好地適應(yīng)地球物理勘探發(fā)展方向。

eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器采集系統(tǒng)除了具備上述優(yōu)勢(shì)外，手簿坐標(biāo)放樣技術(shù)、數(shù)據(jù)處理和下載一體化和持續(xù)的采集能力也是它的優(yōu)勢(shì)[2]，但是這要依靠穩(wěn)定持久的電池不斷向它供電才能完成。如果節(jié)點(diǎn)儀器在嚴(yán)寒地區(qū)作業(yè)時(shí)供電電池性能下降，將會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)地震儀器的工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1 操作流程和技術(shù)

1.1 上線前充電自檢

其他節(jié)點(diǎn)地震儀器充電柜和數(shù)據(jù)下載是分開(kāi)的，而eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器充電是在充電數(shù)據(jù)下載一體柜上進(jìn)行的，充電數(shù)據(jù)下載一體柜上有一個(gè)兩位撥動(dòng)擋位開(kāi)關(guān)，一邊是充電位，另一邊是數(shù)據(jù)下載檢測(cè)位。根據(jù)施工生產(chǎn)參數(shù)，在充電下載一體柜上，用HARVESTER軟件把施工參數(shù)配置每一個(gè)eSeis節(jié)點(diǎn)地震單元，并在上線前做好自檢，生成相應(yīng)的質(zhì)控文檔。HM軟件輸出的文件，主要有節(jié)點(diǎn)單元的下載文件，節(jié)點(diǎn)單元的測(cè)試文件，包括日檢、自檢、檢波器測(cè)試、GPS時(shí)間統(tǒng)計(jì)、查線QC統(tǒng)計(jì)，都可以.csv文件產(chǎn)生，方便后期查詢。

在下載檢測(cè)位檢查每一個(gè)采集單元的電量，嚴(yán)寒條件下，正常電量充電到8.2 V以上就可以在野外使用近15 d。

1.2 野外布設(shè)

由于內(nèi)蒙古當(dāng)時(shí)的氣溫是-30 ℃左右，草原地面都是很堅(jiān)硬的凍土。野外布設(shè)時(shí)采用兩人一組，他們的作用是一人為eSeis節(jié)點(diǎn)單元打孔，另一人安放和激活eSeis節(jié)點(diǎn)單元。打孔人員帶著放站手簿在前面采用錘子和鐵錐打孔，手簿里安裝有Node hunter程序，應(yīng)提前把測(cè)量提供的SPS文件進(jìn)行加載，這樣打孔人員可以檢查自己的工作任務(wù)是否在正確的測(cè)線上。另一個(gè)人把節(jié)點(diǎn)單元的尾椎插入已經(jīng)打好的孔中，然后用手簿對(duì)eSeis節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行激活，通過(guò)采集單元頂部的閃爍燈變綠或者激活鈴聲可以確認(rèn)采集單元已經(jīng)正常工作了。激活人員手簿里也安裝有Node hunter程序，也是加載了測(cè)量提供的放站SPS文件，這樣在激活時(shí)可以確認(rèn)eSeis節(jié)點(diǎn)單元所放的位置是否在設(shè)計(jì)的坐標(biāo)點(diǎn)上。圖1所示為手簿操作界面。

圖1 手簿操作界面

1.3 數(shù)據(jù)采集與節(jié)點(diǎn)回收

采集排列上完成布設(shè)節(jié)點(diǎn)單元后，可以通知可控震源啟動(dòng)放炮，期間不用對(duì)節(jié)點(diǎn)采集單元做任何變動(dòng)。這時(shí)要對(duì)開(kāi)炮時(shí)間做一個(gè)記錄，放炮結(jié)束時(shí)間同樣做一個(gè)記錄，目的是后期數(shù)據(jù)下載可以下載有用的時(shí)間段。

如果要讓節(jié)點(diǎn)單元每天自檢，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)和自檢所用時(shí)間都是可以設(shè)置的，一般設(shè)置自檢時(shí)間為300 s。在整個(gè)自檢過(guò)程中eSeis節(jié)點(diǎn)單元是不采集數(shù)據(jù)的，因此如果設(shè)置了自檢時(shí)間，在自檢時(shí)間期間是不能放炮施工的。自檢后，采集單元開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為自定義格式.acq文件，這個(gè)格式為.acq文件最大200 Mb，每天產(chǎn)生的格式為.acq文件的數(shù)量根據(jù)采樣率的不同而不同；同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)格式為.csv質(zhì)量監(jiān)控文件，以方便后期質(zhì)量監(jiān)控溯源。

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，回收人員從測(cè)線上收回節(jié)點(diǎn)地震儀器單元，要及時(shí)清理附著在站體表面的泥土，以方便下一步工序安裝在充電下載一體柜上。

1.4 充電與數(shù)據(jù)下載

eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器采用鋰電池供電。鋰離子電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，由固體材料和液體材料組成，它的工作原理涉及2個(gè)基本過(guò)程：帶電粒子的傳質(zhì)過(guò)程和電化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)楣腆w材料會(huì)有熱脹冷縮，液體材料低溫黏度增大甚至凝固，在低溫下帶電粒子的傳質(zhì)過(guò)程和電化學(xué)反應(yīng)速度必然降低，所以，鋰離子電池中無(wú)論材料和過(guò)程均會(huì)受到溫度的影響。低溫鋰離子電池容量不可逆轉(zhuǎn)的損失——低溫老化機(jī)制[3]，鋰離子電池“怕冷”，意味著低溫不僅會(huì)降低鋰離子電池的工作效率，也會(huì)對(duì)鋰離子電池的材料造成或多或少的傷害。主要可分為材料的不可逆結(jié)構(gòu)破壞和活性物質(zhì)(尤其是循環(huán)鋰)的永久損失。換句話說(shuō)，鋰離子電池在低溫情況下的老化主要來(lái)自于動(dòng)態(tài)充放電過(guò)程造成的循環(huán)老化[4]。

考慮到從線上返回的站體溫度較低，由于鋰電池本征特性，并且低溫下容易發(fā)生地震數(shù)據(jù)下載不全或無(wú)法讀寫TF卡等諸多問(wèn)題，本項(xiàng)目的解決方案是將收回的eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器放入有暖氣的室內(nèi)約1 h，待溫度回升到5 ℃以上后再進(jìn)行充電操作，此過(guò)程會(huì)使站體發(fā)熱，待恢復(fù)室溫后再進(jìn)行數(shù)據(jù)下載等工作，保證數(shù)據(jù)安全完整。

數(shù)據(jù)下載使用Harvester Manager軟件進(jìn)行操作，節(jié)點(diǎn)采集單元安裝到充電下載一體柜后，選擇下載時(shí)間段和下載存儲(chǔ)目錄，這個(gè)時(shí)間段應(yīng)大于這批節(jié)點(diǎn)采集單元采集地震數(shù)據(jù)的放炮開(kāi)始到放炮結(jié)束時(shí)間，圖2所示為正在執(zhí)行數(shù)據(jù)下載的操作界面。

圖2 正在執(zhí)行數(shù)據(jù)下載的操作界面

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)下載后，形成兩個(gè)文件夾，一個(gè)文件夾以SeismicData命名， 里面包含采集數(shù)據(jù).acq文件，它們以節(jié)點(diǎn)單元的序列號(hào)和日期進(jìn)行命名；另一個(gè)文件夾以QCData命名，里面包含質(zhì)量數(shù)據(jù).csv文件，它們也以節(jié)點(diǎn)單元的序列號(hào)和日期進(jìn)行命名。數(shù)據(jù)切分使用 eSeis2.0 DataManager節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理軟件(下簡(jiǎn)稱DM軟件)，該軟件可以實(shí)現(xiàn)eSeis節(jié)點(diǎn)儀器的地震數(shù)據(jù)下載、切分、合成，并輸出道集、炮集等功能，也可以對(duì)合成的地震數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單的質(zhì)量控制。如圖3所示為eSeis2.0 DataManager節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理軟件操作界面。

圖3 eSeis2.0 DataManager節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理軟件操作界面

1.5.1 切分技術(shù)

地震數(shù)據(jù)的切分需要引入下載的地震數(shù)據(jù)、SPS文件、Time Break列表和站體序列號(hào)。

地震數(shù)據(jù)的引入需要在系統(tǒng)設(shè)置中指定地震數(shù)據(jù)的下載存儲(chǔ)路徑，該路徑是Harverster Manager數(shù)據(jù)下載軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的路徑。

其次導(dǎo)入SPS文件，其中SPS坐標(biāo)系需要與提供的SPS一致，如果需要生成炮集，則需要SPS.R、SPS.S、SPS.X等三個(gè)文件同時(shí)導(dǎo)入。

然后導(dǎo)入Time Break文件，Time Break文件簡(jiǎn)稱TB文件，此處的TB文件的導(dǎo)入來(lái)源主要有3個(gè)方面。 第一，用戶自己定義的TB文件格式； 第二，從有線采集系統(tǒng)震源激發(fā)產(chǎn)生的APS文件中提取； 第三，從有線采集系統(tǒng) OB日志里面的GPS中得到。當(dāng)然，在勘探施工中全部采用節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，TB是從可控震源激發(fā)產(chǎn)生的APS文件里提取的。

最后導(dǎo)入采集站序列號(hào)，采集站序列號(hào)依次導(dǎo)入功能是小折射模式下需要導(dǎo)入的文件之一，導(dǎo)入的文件格式是txt文本格式的。該文件將野外實(shí)際布設(shè)eSeis采集單元的序列號(hào)，按照實(shí)際位置順序依次鍵入文本中，后期生成的SEGD文件道序列將按照上述順序顯示。

1.5.2 eSeis節(jié)點(diǎn)單元野外樁號(hào)匹配技術(shù)

野外節(jié)點(diǎn)單元樁號(hào)匹配主要是通過(guò)節(jié)點(diǎn)單元記錄的GPS點(diǎn)位信息與SPS的點(diǎn)位對(duì)比計(jì)算完成。完成上述地震數(shù)據(jù)引入、SPS文件，TB文件和站體序列號(hào)的導(dǎo)入之后，在主頁(yè)面點(diǎn)擊自動(dòng)匹配按鈕即可。自動(dòng)匹配完成后，會(huì)有個(gè)別檢波點(diǎn)由于各種原因無(wú)法完成匹配，此時(shí)需要手動(dòng)完成樁號(hào)匹配。首先通過(guò)篩查功能，對(duì)“沖突”的樁號(hào)進(jìn)行處理，而“沖突”警告是因?yàn)樵谕粫r(shí)段，同一個(gè)檢波點(diǎn)同時(shí)有兩個(gè)站進(jìn)行采集并生成數(shù)據(jù)，通常情況下，需要用戶做出判斷，如果是因?yàn)閾Q站導(dǎo)致上述問(wèn)題，建議以新?lián)Q站數(shù)據(jù)為有效。自動(dòng)匹配完成后，可以利用分析數(shù)據(jù)缺失的功能，將缺失數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)篩選出來(lái)。

eSeis節(jié)點(diǎn)單元野外樁號(hào)配置完成之后，在主界面開(kāi)始切分，形成SEGD或者SEGY數(shù)據(jù)提交給甲方。

2 應(yīng)用效果

兩個(gè)二維項(xiàng)目，共鋪設(shè)48 560個(gè)檢波點(diǎn)，由于采集站異常導(dǎo)致的空道共35個(gè)，eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器的空道率為0.721‰。

第一個(gè)項(xiàng)目的測(cè)線較長(zhǎng)較密，每天返回的eSeis節(jié)點(diǎn)采集單元數(shù)量在3 000個(gè)以上，第二天急需將站體布設(shè)，來(lái)不及執(zhí)行數(shù)據(jù)下載并充電的工序。故根據(jù)項(xiàng)目eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器的實(shí)際使用情況，技術(shù)人員決定變更節(jié)點(diǎn)儀器的使用方式：每天回收的站體只進(jìn)行升溫后充電，不進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，將物理?yè)p壞的站體剔除，最后將合格的站體交給隊(duì)上第二天布出；若測(cè)線需要滾排列，根據(jù)使用天數(shù)和手簿掃描的站體電量，部分情況下可以直接布在新線上，只需人工識(shí)別損壞的站體并挑出。項(xiàng)目即將結(jié)束前統(tǒng)一下載所有數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)切分和處理，這種方案大大節(jié)省了施工效率，非常適合二維地震采集項(xiàng)目“短平快”的特點(diǎn)，值得借鑒和推廣。

eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器僅僅用了不到1個(gè)月時(shí)間就完成了該二維項(xiàng)目，采集獲得的資料如圖4所示，eSeis節(jié)點(diǎn)資料與原有資料全頻對(duì)比圖，從圖中可以看到，埋置于地表eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器，有效消除了各種地上噪音的干擾，提升了地震資料對(duì)斷層刻畫及對(duì)薄儲(chǔ)層的識(shí)別能力， eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器采集到的數(shù)據(jù)與原有老數(shù)據(jù)相比較，目的層連續(xù)性更好，分辨率更高，提高了含油氣預(yù)測(cè)的精度。

但是在項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中，不同于有線采集儀器可以隨時(shí)觀看到采集觀測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀況的情況[5]，節(jié)點(diǎn)地震儀器采集單元一旦出現(xiàn)不工作狀態(tài)，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就造成了采集數(shù)據(jù)的丟失[6]。因此，節(jié)點(diǎn)地震儀器的可靠性要達(dá)到100%，人們才會(huì)減少質(zhì)疑，以后在eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器節(jié)點(diǎn)單元野外實(shí)時(shí)質(zhì)控方面還需要加強(qiáng)進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，每個(gè)采集站利用衛(wèi)星時(shí)鐘系統(tǒng)校準(zhǔn)同步本地時(shí)鐘系統(tǒng)精度要減少漂移[7]，從而為連續(xù)記錄的地震數(shù)據(jù)標(biāo)記精確的衛(wèi)星時(shí)間，這些都將成為下一步的工作目標(biāo)。

圖4 eSeis節(jié)點(diǎn)資料與原有資料全頻對(duì)比圖

eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器在極寒地區(qū)的應(yīng)用，體現(xiàn)了耐低溫、帶電作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備體積小、施工過(guò)程降低安全風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)。在保證資料品質(zhì)的情況下經(jīng)濟(jì)性尤為突出，尤其與同地區(qū)同參數(shù)的有線采集比較，人員節(jié)省75%、車輛節(jié)省68%、成本費(fèi)用總支出減少36.2%，高寒地區(qū)數(shù)據(jù)下載完好率99.59%。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，油氣勘探主要集中在復(fù)雜地表區(qū)域，特別是表層結(jié)構(gòu)復(fù)雜且施工作業(yè)非常困難的區(qū)域，有線儀器存在布線、查線困難，地上噪音較大，地震資料分辨率明顯降低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響油氣勘探進(jìn)程。相對(duì)于有線儀器，節(jié)點(diǎn)儀器使用方便，節(jié)省人力物力，HSE風(fēng)險(xiǎn)低，而且節(jié)點(diǎn)采集單元埋置于地表，有效消除了各種地上噪音干擾并提高了地震資料分辨率，提升了地震資料對(duì)斷層刻畫及對(duì)薄儲(chǔ)層的識(shí)別能力，因此節(jié)點(diǎn)地震儀器正在成為各個(gè)油公司追捧的對(duì)象。

在eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)eSeis節(jié)點(diǎn)單元的電池續(xù)航能力、數(shù)據(jù)下載方法、充電速度等特點(diǎn)，對(duì)地震隊(duì)的施工進(jìn)行合理規(guī)劃，這樣才能發(fā)揮eSeis節(jié)點(diǎn)地震儀器的施工優(yōu)勢(shì)。