節(jié)點地震儀器NuSeis與地震數(shù)字化系統(tǒng)(DSS)的聯(lián)合應(yīng)用

王德江，趙 杰，燕想吉，靳恒杰，康旭鵬，尚愛輝，李 恒，李 博，張治皓

(1. 東方地球物理勘探有限責任公司采集技術(shù)支持部 河北 涿州 072751；2.東方地球物理勘探有限責任公司國際勘探事業(yè)部 河北 涿州 072751；3.東方地球物理勘探有限責任公司塔里木物探處 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

近十年來節(jié)點地震儀器以其輕便、成本低、采集高效等特點，被眾多油公司所認可[1]。NuSeis節(jié)點地震儀器是由美國GTI公司推出的一款無線節(jié)點地震儀器，具有小型、輕便、高速、堅固耐用的特點。東方地球物理公司為配合節(jié)點儀器的迅速發(fā)展，研制開發(fā)了一款地震數(shù)字化系統(tǒng)。該地震采集控制系統(tǒng)具有高精度、高兼容的特點，能夠與SERCEL和INOVA等主流可控震源控制箱體配套使用，與KLSeisII的RTQC實時監(jiān)控系統(tǒng)完美兼容[2]。2019年荷蘭殼牌石油公司及阿曼國家石油公司在阿曼42區(qū)塊使用NuSeis無線節(jié)點儀器和地震數(shù)字化系統(tǒng)(DSS)完成ASHAQIYAH二維高分辨節(jié)點地震采集項目，解決了多組可控震源距離分離同步掃描的時間精度問題，達到了節(jié)點高效采集，并為項目獲取良好效益提供了支撐。

1 NuSeis無線節(jié)點采集系統(tǒng)

1.1 NuSeis野外采集部分

NuSeis節(jié)點儀器采用瞬時動態(tài)范圍廣、底噪低的高質(zhì)量A/D芯片，具有127 dB的瞬時動態(tài)范圍，支持0.5 ms、1 ms、 2 ms 和4 ms 采樣能力[3]。該節(jié)點內(nèi)置13.4 Ah 鋰電池，重量僅為0.690 kg，長209 mm，管徑最大為 53.5 mm，內(nèi)置5 Hz 自然頻率檢波器芯體或外接檢波器串兩種形式。 NuSeis節(jié)點集成GNSS-GPS、Glonass、Galileo等多種衛(wèi)星定位系統(tǒng)，采用GPS授時，能夠提供分米級精度的自身XYZ坐標。NuSeis節(jié)點每天定時進行內(nèi)部噪音、總諧波畸變及脈沖響應(yīng)等測試項目，自動進行檢波器阻值、阻抗、外部噪音及埋置傾角等測試，并將測試結(jié)果保存在SD卡內(nèi)。 NuSeis節(jié)點每秒中向外廣播2次“健康狀態(tài)”。8 GB內(nèi)存卡(可充到32 GB或64 GB)具有長達560 h記錄能力，如果每天12 h記錄內(nèi)置電池可提供46 d的續(xù)航時間，如果24 h連續(xù)施工，續(xù)航時間達到23 d[4]。

NuSeis節(jié)點適應(yīng)能力強，適合沙漠、山地、農(nóng)田及沼澤等地表，工作溫度在-40 ℃ 至+75 ℃，能夠在極嚴寒及酷熱的地帶正常工作，具有極強的防水功能。NuSeis 節(jié)點可以快速由內(nèi)置檢波器底座NRU(圖1(a))更換為KCK 接頭底座(圖1(b))。為了避免在運輸過程中的物理碰撞和方便野外布設(shè)人員攜帶，GTI 設(shè)計了節(jié)點包(圖1(c))，每個包可以放2排，共10個節(jié)點。

圖1 NuSeis節(jié)點設(shè)備

1.2 NuSeis查線平板電腦

查線工可以利用查線平板電腦(圖2(a))檢查節(jié)點狀況，包括剩余電量、內(nèi)存容量、GPS信息、記錄狀態(tài)等。由于查線平板電腦通過藍牙與節(jié)點通訊，對查線工與節(jié)點間的距離有一定限制(10 m之內(nèi))，因此只能采用步行方式攜帶查線平板電腦逐個掃描節(jié)點狀態(tài)。根據(jù)節(jié)點LED顯示及平板電腦上節(jié)點狀態(tài)(圖2(b))對部分不合格節(jié)點進行現(xiàn)場替換。查線工返回營地后通過WIFI將平板電腦與云端相連，將野外節(jié)點信息上傳到GTI服務(wù)器更新數(shù)據(jù)庫。下載人員在室內(nèi)對其他未綁定節(jié)點進行手工綁定，并檢查野外節(jié)點埋置質(zhì)量。

圖2 NuSeis查線平板電腦

1.3 節(jié)點數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

NuSeis節(jié)點數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括控制中心、SQL服務(wù)器數(shù)據(jù)庫、節(jié)點下載單元、磁盤陣列、節(jié)點質(zhì)控、云端、外部數(shù)據(jù)、施工項目以及野外質(zhì)控部分等，如圖3 所示。

圖3 NuSeis節(jié)點數(shù)據(jù)管理流程

控制中心、數(shù)據(jù)下載及節(jié)點質(zhì)控軟件安裝在微軟WIN10專業(yè)版操作系統(tǒng)上，通過控制中心登錄和管理數(shù)據(jù)SQL服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。下載數(shù)據(jù)存儲在80 T的磁盤陣列上，運行節(jié)點質(zhì)控程序調(diào)用磁盤陣列數(shù)據(jù)進行節(jié)點質(zhì)量控制。

野外質(zhì)控部分包括查線平板電腦及野外服務(wù)器。將簡易型的野外數(shù)據(jù)庫安裝在野外儀器車內(nèi)的WIN10系統(tǒng)上，每天將查線平板電腦通過WIFI與野外數(shù)據(jù)庫連接，將節(jié)點的“健康狀態(tài)”上傳野外服務(wù)器進行更新，由野外現(xiàn)場儀器工程師負責檢查節(jié)點狀態(tài)，及時指導(dǎo)查線工排除節(jié)點故障，并將排列信息推送給DSC。同時每晚查線工將NuSite上的節(jié)點信息上傳到營地SQL服務(wù)器，下載人員再次室內(nèi)檢查野外放線及節(jié)點樁號匹配情況，并將信息反饋回NuSite指導(dǎo)野外進行實地檢查。

節(jié)點從野外被收回后在營地除塵，然后將節(jié)點的頭部倒插在數(shù)據(jù)下載面板內(nèi)，在下載界面上每個節(jié)點顯示連通狀態(tài)后點擊下載按鈕即可將節(jié)點的所有信息下載到磁盤陣列。根據(jù)用戶要求可以輸出SEGY 和SEGD格式的地震數(shù)據(jù)和質(zhì)控數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)下載完成后將節(jié)點移到充電面板內(nèi)充電，當節(jié)點充電完成后指示燈顯示綠色，充電人員即可將其收起放入節(jié)點包。

1.4 節(jié)點數(shù)據(jù)格式

NuSeis節(jié)點能記錄來自GNSS 衛(wèi)星的相位和距離信息，室內(nèi)下載時將這些時間信息寫到數(shù)據(jù)固定道頭上，作為后續(xù)數(shù)據(jù)切割的標記。數(shù)據(jù)切分主要是根據(jù)每一炮的TB時間將對應(yīng)的有效地震信息從連續(xù)道集內(nèi)分隔出來，并完成數(shù)據(jù)與地面力信號的相關(guān)[5]。NuSeis節(jié)點提供的數(shù)據(jù)格式包括SEG-Y V1.2和SEG-D V2.0。每個接收點的地震數(shù)據(jù)為60 s道長的連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，每道數(shù)據(jù)重復(fù)一個樣點值，記錄起始時間規(guī)定從整秒開始記錄并整秒結(jié)束，如果節(jié)點在UTC時間15:24:43 GPS鎖定，則從15:25:00.000開始記錄，該道的結(jié)束時間為15:25:59.999。

2 地震數(shù)字化系統(tǒng)(DSS)

為了適應(yīng)節(jié)點儀器的高速發(fā)展趨勢和減少對其他有線采集儀器設(shè)備的占用率，東方地球物理公司開發(fā)了一款地震數(shù)字化系統(tǒng)(Digital Seismic System,簡稱DSS)，集任務(wù)分配、質(zhì)量監(jiān)控、可控震源導(dǎo)航于一體。DSS的技術(shù)優(yōu)勢在無線節(jié)點項目尤為明顯，可根據(jù)實際生產(chǎn)進度實時調(diào)整各組可控震源任務(wù)量，能夠靈活地做好生產(chǎn)的協(xié)調(diào)與指揮，實時監(jiān)控可控震源QC數(shù)據(jù)及搬點精度。具有直觀而精確的導(dǎo)航功能[6]。在阿曼42區(qū)塊節(jié)點項目施工中，配備地震數(shù)字化系統(tǒng)控制多組可控震源采用距離同步掃描激發(fā)模式放炮，實現(xiàn)了震源TB時間0 ms誤差無樁號高效采集作業(yè)。

DSS系統(tǒng)包括安裝在儀器車上的數(shù)字地震控制器(Digital Seismic Commander 簡稱為DSC)和安裝在每臺可控震源車上的數(shù)字地震終端(Digital Seismic Guide簡稱為DSG)兩部分組成，其工作流程如圖4所示。配置DSG系統(tǒng)的2臺震源根據(jù)預(yù)裝的SPS文件導(dǎo)航到要激發(fā)的炮點位置后發(fā)送位置信息給DSC，DSC計算并判斷震源間的距離是否符合時間距離規(guī)則(TD規(guī)則)，如果震源間距離小于14 km則不符合TD規(guī)則，則通知震源繼續(xù)移動；若果震源間距離大于14 km，DSC則發(fā)送點火命令(Fire Order)給DSG，DSG根據(jù)GPS時鐘在約定的延遲時間同時啟動2臺震源箱體按掃描參數(shù)開始掃描，震源箱體記錄各自的TB時間、參考掃描信號、平板信號、重錘信號及力信號，以及震源XYZ坐標和屬性報告等，并推送給本車的DSG。DSG將掃描報告通過數(shù)字電臺定期發(fā)送給DSC，DSC將每一炮的TB時間、實際炮點坐標、震源QC報告及排列報告等信息生成Vibrator Point報告，供技術(shù)人員進行資料整理和質(zhì)量控制。震源操作手在工作結(jié)束時將每臺震源每次掃描的力信號文件和擴展QC文件下載。

圖4 地震數(shù)字化震源控制流程

3 無線節(jié)點地震采集應(yīng)用實例

3.1 作業(yè)流程

在項目開工之前對全部的NuSeis節(jié)點進行極性及狀態(tài)測試，要求極性符合SEG極性。與大部分無線節(jié)點一樣，NuSeis節(jié)點需開工前設(shè)置好儀器施工參數(shù)，包括采樣間隔、前放增益、濾波器參數(shù)、極性及記錄時間。日間施工作業(yè)記錄時間設(shè)置為06:00-18:00。

測量組首先進行接收點樁號標識放樣，在測量標志點位置放線組使用定制的錐形工具打眼或挖坑埋置節(jié)點，保證節(jié)點與大地耦合良好，如圖5(a)所示。在農(nóng)田、戈壁等平坦地形，每個節(jié)點組配置2名放線人員，1人挎著節(jié)點包，負責挖坑和連接節(jié)點和小線，另1人負責用節(jié)點激活節(jié)點，白色指示燈亮后將節(jié)點正置5～10 s，待頭部綠色LED燈閃爍5次后，將節(jié)點垂直放入坑內(nèi)埋置，確保頂部塑料殼體露出地面增強GPS和藍牙信號。在沙漠地表，為防止節(jié)點丟失，需將節(jié)點套在鋼絲繩上直立放入坑內(nèi)埋置,埋入地下15 cm，鋼絲繩另一端套在纖維桿上，如圖5(b)所示。旗桿距離節(jié)點50 cm，以防止旗桿產(chǎn)生微震。這樣NRU節(jié)點布設(shè)完成，節(jié)點開始搜索GNSS信號和進行啟動測試，待GNSS信號鎖定和完成測試后進入記錄狀態(tài)。后續(xù)的查線人員使用查線平板電腦(NuSite)延測線檢查收集節(jié)點的“健康狀態(tài)”，并根據(jù)坐標為每個節(jié)點匹配線號、樁號，對錯誤的節(jié)點進行重新布設(shè)或更換，確保節(jié)點處于“recording”狀態(tài)。

圖5 NuSeis節(jié)點埋置方式

野外節(jié)點部署完成后，將排列信息發(fā)送給DSC，儀器工程師根據(jù)野外施工安排分配施工任務(wù)給每臺可控震源?？煽卣鹪床扇∽灾鞣排谀Ｊ交蚩刂品排谀Ｊ綄崿F(xiàn)震源高效激發(fā)，DSG將震源出力、相位、畸變等狀態(tài)信息實時回傳DSC進行質(zhì)控，DSC自動確定是否進行補炮，實現(xiàn)放炮全自動化，極大程度減輕了儀器工程師的工作壓力。

完成采集后，將節(jié)點取出并倒置5～10 s鐘使其結(jié)束記錄。節(jié)點回收到營地清點數(shù)量并除塵以后，下載節(jié)點數(shù)據(jù)并充電。處理人員利用每次掃描的力信號與節(jié)點數(shù)據(jù)根據(jù)TB時間相關(guān)，合成SEGY等格式地震數(shù)據(jù)。

3.2 采集質(zhì)量控制

質(zhì)量控制貫穿在施工的每個環(huán)節(jié)，野外采集期間定期對野外節(jié)點進行質(zhì)控，沿測線用查線平板電腦收集節(jié)點發(fā)送的“健康信息”，對停止記錄的節(jié)點進行更換。在沙漠區(qū)需要更頻繁地檢查節(jié)點狀態(tài)，對傾倒的節(jié)點及時重新埋置激活，保證測線節(jié)點的完好率。

在節(jié)點下載過程中生成“Deployment”、“Segment”和“spread”3個Excel 格式狀態(tài)文件，包含了每天的測試結(jié)果、接收的衛(wèi)星個數(shù)、GNSS 信息、坐標、高程、樁號、序列號、CPU 狀態(tài)、記錄狀態(tài)、傾斜度、排列噪音、電阻、畸變、電量等一系列信息，利用這3個文件可以實現(xiàn)對節(jié)點在野外工作狀態(tài)的全方位監(jiān)控。

對節(jié)點下載數(shù)據(jù)的質(zhì)控方面，利用KL-NodeQM軟件讀取每個節(jié)點的SEGY數(shù)據(jù)檢查數(shù)據(jù)的完整性及記錄質(zhì)量；根據(jù)DSG返回的TB時間信息將節(jié)點數(shù)據(jù)與可控震源的力信號進行互相關(guān)運算，通過抽取檢波點道集來檢查GPS時鐘及節(jié)點的性能。

3.3 應(yīng)用效果

2019～2020年在阿曼42區(qū)塊項目中，東方地球物理公司利用NuSeis節(jié)點和DSS地震數(shù)字化系統(tǒng)施工，采用距離同步激發(fā)掃描技術(shù)模式，實現(xiàn)了震源同步啟動零誤差。生產(chǎn)中投入兩套DSC系統(tǒng)交替控制震源施工，減少沙漠搬家停工時間，高效地完成了無樁號節(jié)點沙漠二維項目采集項目，在效率和質(zhì)量上達到了預(yù)期效果。該項目采用2 臺可控震源(2臺備用)12 h作業(yè)，平均日效達到1 500炮以上。圖6 展示的二維測線的初疊時間剖面中，資料信噪比及同相軸連續(xù)性等方面均取得滿意的效果，能夠清晰地看到深層構(gòu)造形態(tài)。

圖6 NuSeis節(jié)點項目現(xiàn)場初疊時間剖面

4 分析與討論

無線節(jié)點儀器與有線地震儀器系統(tǒng)相比，具有很大的優(yōu)勢：

1)節(jié)點施工作業(yè)流程優(yōu)化、作業(yè)成本降低。測量組和放線班合并，取消了電瓶組，過路組等。由于擺脫了電纜的負擔，每車運輸?shù)牡罃?shù)大幅增加，與有線儀器施工相比，減少工人66 名，減少車輛15 臺，降低了作業(yè)成本。

2)節(jié)點狀態(tài)穩(wěn)定。節(jié)點不受天氣變化影響，無漏電現(xiàn)象發(fā)生，理論上無斷排列時間，提高了有效作業(yè)時間。在項目運作期間，同區(qū)同時間段有線設(shè)備作業(yè)的地震隊因突發(fā)天氣原因停工72 h，節(jié)點運作項目沒有受到影響。

3)節(jié)點環(huán)境適用性強。尤其是沙漠、農(nóng)田和村莊等復(fù)雜地表，避免了常規(guī)有線儀器架設(shè)過路線或鋪設(shè)過路膠皮帶來的安全風險，同時減少了對環(huán)境的破壞，更加符合當前行業(yè)對環(huán)保高標準的要求。

4)節(jié)點數(shù)據(jù)可處理性強。節(jié)點儀器單點連續(xù)記錄，可進行室內(nèi)節(jié)點組合，接收道數(shù)可以任意抽取，實現(xiàn)不同覆蓋次數(shù)疊加，不受觀測系統(tǒng)的影響。

通過野外應(yīng)用，與有線儀器相比，由于自身的特性，節(jié)點儀器存在以下缺點:

1)在無網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的戈壁、沙漠等作業(yè)環(huán)境，無法對野外排列狀態(tài)提供實時監(jiān)控，對于一些突發(fā)情況(如強噪音)和需要動態(tài)監(jiān)控的重點區(qū)域(沙漠，村莊)無法做到有效反饋。

2)節(jié)點因其體積較小容易被沙漠掩埋，在施工中遭到損壞。

3)節(jié)點的藍牙信號弱。若節(jié)點完全掩埋或外接小線組合基距過大，查線人員無法乘車靠近節(jié)點，查線平板電腦無法收到節(jié)點的藍牙信號，無法乘坐車輛高效查線。

4)節(jié)點GPS收斂慢，需要放置20 min以上充分收斂才能查線。

5)目前節(jié)點質(zhì)量控制缺少行業(yè)標準，不同節(jié)點的標準可能不一樣。缺少節(jié)點施工和下載數(shù)據(jù)檢查軟件及流程。

5 結(jié)束語

同傳統(tǒng)有線地震采集系統(tǒng)相比，節(jié)點儀器與地震數(shù)字化系統(tǒng)配套作業(yè)改變了以往有線地震儀器作業(yè)模式，簡化了野外施工流程，減少了野外人員和車輛數(shù)量,提高了工作效率，降低了施工成本。隨著電子、5G通訊和微電路技術(shù)的進步，節(jié)點儀器將向小型化、自動化及數(shù)據(jù)處理一體化方向發(fā)展，采用多種信號傳輸方式解決節(jié)點通訊問題，達到與地震數(shù)字化系統(tǒng)高效配套應(yīng)用，有效實時對節(jié)點及震源工作性能進行監(jiān)控及遠程監(jiān)控，增加人工智能成分以減少人工勞動強度。在復(fù)雜地區(qū)節(jié)點及地震數(shù)字化系統(tǒng)將會發(fā)揮更大的作用。