地震勘探節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

巖 巍

(中國石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司，河北 涿州 072750)

0 引言

2010年，國內(nèi)在引進(jìn)Firefly無線(節(jié)點(diǎn))儀器后，甲方油田公司逐漸開始接受非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳，事后下載的地震數(shù)據(jù)采集模式。至2020年，地震勘探采集行業(yè)已加速進(jìn)入“節(jié)點(diǎn)”時(shí)代[1]，目前國內(nèi)陸上應(yīng)用超過5萬道的節(jié)點(diǎn)儀器已經(jīng)有中石油BGP公司的eSeis、 INOVA公司的Quantum、SmartSolo公司的IGU、中石化的I-Nodal、瑞星遠(yuǎn)暢的Hardvox等，還有在國際、國內(nèi)曾經(jīng)規(guī)模化應(yīng)用過的Firefly、Hawk、UNITE、WTU508、WiNG、NuSeis、AutoSeis、Zland、GSR系列、FlexSeis系列等節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品[2]。各個(gè)廠家的產(chǎn)品都憑借各自特點(diǎn)被地震勘探采集服務(wù)商所關(guān)注和選用，節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)形成百花齊放的狀態(tài)。

有線采集設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)包括：實(shí)時(shí)傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)，保證設(shè)備時(shí)序同步，控制命令的下發(fā)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量控制等工作?？陀^地說，與有線儀器相比節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)制造入門門檻偏低[3]，最基本模塊包括：控制器、采集電路、GNSS (global navigation satellite system，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))、授時(shí)電路、檢波器、電池、接口、下載柜、數(shù)據(jù)下載合成服務(wù)器；選裝測試電路、信號發(fā)生器、質(zhì)量控制手簿等[4]。以上模塊都有成熟的供應(yīng)鏈提供，廠家更多的精力在于如何將上述模塊有機(jī)組合成為能夠穩(wěn)定工作、滿足地震勘探信號采集需求的產(chǎn)品。但基于設(shè)計(jì)或成本等方面的考慮，市場上部分產(chǎn)品的某些細(xì)節(jié)會(huì)造成地震勘探采集作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的困難，如為了保證GPS信號穩(wěn)定，采用額外紐扣電池為定位授時(shí)模塊供電，增加了故障點(diǎn)；充電接口插針帶低壓電，造成電化學(xué)腐蝕等。

必須承認(rèn)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用某種程度上是對地震勘探采集作業(yè)施工成本的妥協(xié)。雖然節(jié)點(diǎn)設(shè)備在24 h連續(xù)記錄數(shù)據(jù)、觀測系統(tǒng)可隨時(shí)變更、設(shè)備獨(dú)立工作故障不相互影響等方面對于地震勘探效果提升有一定幫助[5]，但目前最先進(jìn)的有線采集儀器理論上已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行百萬道實(shí)時(shí)采集處理，施工中已經(jīng)應(yīng)用到20萬道超級排列實(shí)時(shí)采集，設(shè)備自動(dòng)機(jī)械化收放、故障點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)路由回傳等功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前地震勘探采集施工設(shè)計(jì)需求[3]。除了對于采集腳印有嚴(yán)格限制的地區(qū)，市場對于節(jié)點(diǎn)設(shè)備節(jié)省重量、節(jié)約人力等優(yōu)點(diǎn)的認(rèn)可，相對于有線儀器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳、實(shí)時(shí)質(zhì)控、實(shí)時(shí)現(xiàn)場處理等優(yōu)勢的取舍結(jié)果，更多出于施工作業(yè)成本方面而非采集數(shù)據(jù)質(zhì)量方面進(jìn)行權(quán)衡[1]。

設(shè)計(jì)廠家理解和關(guān)注點(diǎn)不同，制造的節(jié)點(diǎn)功能和性能偏重也不一樣。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)制造廠家根據(jù)自身產(chǎn)品的功能定位，不同程度地對功能、性能進(jìn)行“優(yōu)化組合”，以適應(yīng)市場對于節(jié)點(diǎn)的低成本需求。部分廠家如DTCC依據(jù)其SmartSolo產(chǎn)品的工作高度穩(wěn)定性，提出對于現(xiàn)場質(zhì)量控制功能的必要性討論；部分廠家如magseisfairfield依靠外部手簿進(jìn)行Zland節(jié)點(diǎn)理論樁號記錄，僅取用低成本GNSS芯片的授時(shí)功能；還有部分廠家如Stryde根據(jù)真實(shí)環(huán)境干擾提出了對于內(nèi)部噪聲、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)的“優(yōu)化”，對于檢波器、采樣間隔、模數(shù)芯片的“優(yōu)選”，提出超低成本節(jié)點(diǎn)設(shè)備。下面依照個(gè)人對于地震勘探信號采集和現(xiàn)場施工作業(yè)需求的理解，結(jié)合市面上常見的一些節(jié)點(diǎn)問題，提出在今后節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備(內(nèi)置或外接模擬檢波器)設(shè)計(jì)的一些需求和建議，供廣大技術(shù)人員參考。

1 信號采集方面

1.1 采集通道指標(biāo)

依照SY/T 5391—2018《石油地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)[6]，地震勘探采集儀器通過幾個(gè)指標(biāo)體現(xiàn)其對地震信號采集的能力：①采樣間隔，主要影響能夠采集的頻率范圍，行業(yè)內(nèi)常用的包括0.25、0.5、1、2、4 ms。②前放增益，對應(yīng)能夠采集的信號范圍，行業(yè)內(nèi)常用的包括0、6、12、18、24、30、36 dB。③動(dòng)態(tài)范圍，同樣影響能夠采集的有效信號范圍，為某檔前放增益下能夠識別的最大輸入信號和最小系統(tǒng)噪聲的比值。④共模抑制比，體現(xiàn)系統(tǒng)對于共模信號的抑制能力。⑤總諧波畸變，體現(xiàn)信號采集的精度。⑥等效輸入噪聲，可以簡單理解為系統(tǒng)的熱噪聲，體現(xiàn)系統(tǒng)能夠識別的最小信號，能量(幅值)低于等效輸入噪音的信號沒有應(yīng)用價(jià)值。

行業(yè)表中規(guī)定的上述除等效輸入噪聲外的指標(biāo)參見表1，等效輸入噪聲指標(biāo)參見表2。表格中地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能、特性或技術(shù)指標(biāo)滿足常規(guī)地球物理勘探需求的用C級表示，滿足當(dāng)前高端地球物理需求的用B級表示，滿足未來5～10年地球物理勘探發(fā)展需求的用A級表示。

市場上的節(jié)點(diǎn)設(shè)備大多采用TI(TEXAS instruments,德州儀器)公司的AD1282、AD1283、AD1284系列模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，或采用基于地震勘探專用MEMS(micro machined electro mechanical system，微機(jī)電系統(tǒng))芯片的純數(shù)字采集系統(tǒng)[7]，如圖1，以上指標(biāo)基本都能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。需要注意的是，地震信號采集需要評估整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備對信號的采集能力，而非芯片的采集能力。由于電路設(shè)計(jì)、EMC性能等原因，節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的采集能力大多數(shù)無法完全體現(xiàn)芯片的性能。而廠家的宣傳手冊大多直接列舉采用AD芯片的信號采集能力。因此在節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)和定型時(shí)，還應(yīng)利用高精度標(biāo)準(zhǔn)信號源進(jìn)行測試,驗(yàn)證其實(shí)際性能[8]。

表1 地震儀器工作方式和參數(shù)

1.2 同步技術(shù)指標(biāo)

同步分為兩方面，一方面是激發(fā)采集之間的同步，另外一方面是采集設(shè)備之間的同步，也可稱為一致性。第一方面屬于源激發(fā)同步系統(tǒng)的范疇，影響第二方面的在于節(jié)點(diǎn)的授時(shí)機(jī)制。市場上絕大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都采用GNSS授時(shí)，因此在宣傳手冊中標(biāo)稱的同步精度多為GNSS芯片的授時(shí)精度[9]，完全滿足大多數(shù)同步激發(fā)系統(tǒng)50 μs的精度范圍。但節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工作期間為了降低功耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、減少電磁干擾等原因大多采用GNSS芯片周期性開機(jī)校

表2 地震儀器等效輸入噪聲

圖1 基于MEMS的數(shù)字采集設(shè)備原理Fig.1 MEMS based digital seismic instrument

時(shí)的方式[10-11]，而在未開機(jī)的周期系統(tǒng)精度完全依靠節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)部晶振，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮校時(shí)周期對于功耗的影響，或者保證數(shù)據(jù)同步質(zhì)量的前提下權(quán)衡晶振價(jià)格與功耗、電池、體積、重量的成本關(guān)系。此外還應(yīng)考慮對于校時(shí)后漂移的數(shù)據(jù)是否進(jìn)行了無效數(shù)據(jù)標(biāo)識，或者專門開發(fā)算法進(jìn)行校驗(yàn)還原。

2 測試功能方面

節(jié)點(diǎn)設(shè)備應(yīng)具有對設(shè)備本身工作性能進(jìn)行測試和判斷的功能，一般包括：內(nèi)部通道測試和檢波器測試[8]。

2.1 內(nèi)部通道測試

內(nèi)部通道測試一般使用已知的模擬信號輸入采集通道，由節(jié)點(diǎn)的采集通道進(jìn)行采集，再將采集的結(jié)果與已知信號源特性從多個(gè)方面進(jìn)行比較，評價(jià)其相頻、幅頻等特性。其中常見內(nèi)部通道測試的項(xiàng)目見1.1。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)成本、工作穩(wěn)定性等因素綜合評估采取節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置信號源或通過專門的測試設(shè)備外接信號源進(jìn)行測試。

此處需特別考慮信號源接入采集通路過程中的EMC設(shè)計(jì)，避免標(biāo)準(zhǔn)信號在傳輸過程中的失真，進(jìn)而影響評價(jià)結(jié)果。通道測試直接反映采集通路性能，因此在相同環(huán)境下測試結(jié)果應(yīng)穩(wěn)定。

2.2 檢波器測試

檢波器測試指對連接的模擬檢波器工作性能的評估。一般采用外部輸入脈沖信號驅(qū)動(dòng)檢波器磁芯偏離平衡位置，通過采集通道采集由磁芯自由落體和反復(fù)震動(dòng)過程中產(chǎn)生電勢差，對比該類型檢波器的期望值進(jìn)行評價(jià)。

作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備應(yīng)能夠測試所連接檢波器的電阻、通過一定算法驗(yàn)證檢波器的傾斜狀態(tài)。特別是模擬檢波器的傾斜狀態(tài)極大地影響地震信號采集能力，是現(xiàn)場質(zhì)量控制必不可少的評價(jià)項(xiàng)目。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 屏蔽設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)備在工作中，為了最大程度降低功耗，部分器件會(huì)采用間歇式工作狀態(tài)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮不同模塊在啟動(dòng)時(shí)電流變化帶來磁場的變化在導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。磁缸內(nèi)線圈，檢波器連接線等在高度集中的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部都容易受其影響，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢直接接入采集通路，影響地震資料。此外，具備無線通訊功能的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部還帶有天線，在發(fā)射通訊過程中更容易產(chǎn)生感應(yīng)信號。因此，節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮采集通道的電磁屏蔽，如圖2，作為信號采集設(shè)備在這部分任何缺失都是舍本逐末。

3.2 連接器、電線及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部電路中應(yīng)盡量減少接插件連接而盡量采用PCB插排或焊接。首先，野外工作環(huán)境惡劣，搬卸震動(dòng)易造成連接器松動(dòng)磨損，帶來額外故障點(diǎn)；其次，過多的連線在節(jié)點(diǎn)設(shè)備中不僅帶來額外線損，連線間的擠壓碰撞也會(huì)帶來額外的震動(dòng)，特別是近炮點(diǎn)激發(fā)時(shí)連線間諧振可能直接被檢波器采集進(jìn)而影響有效信號，如圖3；再次，更多的連線也更容易感應(yīng)外部電磁干擾。

通道1—對檢波器磁缸屏蔽；通道2——未對檢波器磁缸屏蔽Channel No.1—geophone with magnetic cylinder shield；Channel No.2—geophone without magnetic cylinder shield圖2 高壓線下相同位置同時(shí)間兩個(gè)通道采集的記錄Fig.2 Records collected by two channels at the same position and time under the high-voltage line

圖3 各種節(jié)點(diǎn)內(nèi)部排線和防潮示例Fig.3 Examples of wiring and moisture-proof

3.3 功耗及續(xù)航

節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在不同狀況，特別是在極寒地區(qū)下電池輸入能力下降后的續(xù)航時(shí)間。通過各模塊周期性啟停、電路板優(yōu)化、原器件優(yōu)選等方式降低功耗，保障地震勘探采集作業(yè)的持續(xù)性。

3.4 接地

節(jié)點(diǎn)電路接地時(shí)一定考慮雷擊、高壓線等能量可能串入電路造成的設(shè)備損壞。設(shè)計(jì)時(shí)避免數(shù)字地線與模擬地線共用，特別注意要與屏蔽地線分離設(shè)計(jì)。

4 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)、電池、外形等

4.1 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)設(shè)備存儲(chǔ)大小應(yīng)匹配電池工作時(shí)間。此外需結(jié)合工作邏輯設(shè)計(jì)合適的數(shù)據(jù)滾入、滾出原則，避免造成設(shè)備無法回收(工農(nóng)扣押)，但持續(xù)采集造成有效數(shù)據(jù)被無效數(shù)據(jù)覆蓋；或設(shè)備在正常工作過程中存儲(chǔ)滿無法采集地震數(shù)據(jù)的事故發(fā)生。

4.2 電池

節(jié)點(diǎn)設(shè)備電池應(yīng)結(jié)合地震勘探實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行選擇，如地震勘探作業(yè)在俄羅斯、內(nèi)蒙古自治區(qū)等探區(qū)可達(dá)到-40℃左右，在中東、新疆維吾爾自治區(qū)等探區(qū)可達(dá)到70℃。電池應(yīng)在此溫度范圍內(nèi)工作性能衰減可控，并保證日常存儲(chǔ)、滿電狀態(tài)下顛簸運(yùn)輸安全，并具備基本的抗碾壓防護(hù)設(shè)計(jì)。

此外依照多年地震勘探項(xiàng)目編排，節(jié)點(diǎn)設(shè)備電池和電路設(shè)計(jì)應(yīng)具備較低的自放電水平，至少應(yīng)保持3～4個(gè)月的存儲(chǔ)免維護(hù)。

4.3 外形設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)外形設(shè)計(jì)最容易忽視，但外形其實(shí)影響著節(jié)點(diǎn)的采集能力，工作穩(wěn)定性等方面。如外接檢波器式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不當(dāng)容易造成放置不穩(wěn)，丟失GPS信號中斷采集；而一體式節(jié)點(diǎn)外形設(shè)計(jì)應(yīng)考慮檢波器與節(jié)點(diǎn)外殼的耦合，特別應(yīng)考慮在不同地形下，外殼對地面的耦合，尤其當(dāng)前地震勘探推崇“體耦合”概念，如何真實(shí)地拾取地面震動(dòng)信號，耦合狀態(tài)至關(guān)重要。部分節(jié)點(diǎn)站體形狀方正巨大，尾椎與站體半徑差大，特別容易形成空洞，在地表砂石向空洞塌陷時(shí)影響地震信號，如圖4。

節(jié)點(diǎn)外形還應(yīng)考慮日常搬運(yùn)，裝卸過程中的震動(dòng)方向，由此合理鋪設(shè)電路板方向，結(jié)合對電路板合理的固定、抗震設(shè)計(jì)減少震動(dòng)帶來的無謂損壞。

圖4 幾種節(jié)點(diǎn)的耦合部分設(shè)計(jì)Fig.4 Examples of coupling parts

4.4 配套系統(tǒng)

節(jié)點(diǎn)設(shè)備的下載、合成效率應(yīng)匹配日常地震隊(duì)生產(chǎn)設(shè)備收放周期[12]。以西北某應(yīng)用8萬道三維超級地震隊(duì)為例，大多為1周左右排列翻滾一個(gè)周期。配套此類地震隊(duì)的節(jié)點(diǎn)下載、合成系統(tǒng)應(yīng)具備24 h內(nèi)下載、測試(包括裝卸時(shí)間)1萬道；合成單炮40 000道@1ms、10s采樣長度的1 500炮的工作效率，即每日需下載25 TB新數(shù)據(jù)，處理176 TB原始數(shù)據(jù)，生成2.2 TB單炮數(shù)據(jù)。還需配套能夠?qū)φ麄€(gè)工區(qū)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行備份的存儲(chǔ)設(shè)備。

4.5 質(zhì)量控制及其他配套設(shè)備

當(dāng)前節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)大多采用三防手簿安裝配套控制軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟停、現(xiàn)場測試、測試數(shù)據(jù)回收， 部分節(jié)點(diǎn)還具備地震數(shù)據(jù)回收功能，部分節(jié)點(diǎn)舍棄定位功能還依靠手簿記錄節(jié)點(diǎn)放置的實(shí)際坐標(biāo)[13]。此類配套設(shè)備設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作邏輯，具備一定防呆設(shè)計(jì)，防止因?yàn)檎`操作造成節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)入休眠、循環(huán)測試等無法采集的狀態(tài)。

5 總結(jié)

在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢不明朗、油價(jià)持續(xù)走低的市場形式下，由于相同的勘探投資可以獲得更大面積的勘探資料，或者對同樣區(qū)塊的勘探投入可以不斷壓低或者面對同樣區(qū)塊的單位面積勘探投資不斷降低等經(jīng)濟(jì)方面原因，引導(dǎo)采集設(shè)備技術(shù)發(fā)展方向顯得尤為重要。節(jié)點(diǎn)設(shè)備相對于有線設(shè)備質(zhì)量或體積節(jié)省來源于沒有線纜；相對最大的功能缺失，在于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回傳(質(zhì)控)。因此節(jié)點(diǎn)設(shè)備的采集質(zhì)量完全依靠每一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備在本地的工作性能和工作穩(wěn)定性。而這兩方面完全依靠廠家對地震勘探采集信號和采集作業(yè)的理解，進(jìn)而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)。但歸根結(jié)底其設(shè)計(jì)一定要考慮為滿足新形勢下油氣勘探開發(fā)需要，油氣勘探開發(fā)重心不斷向深層—超深層、強(qiáng)復(fù)雜地表更復(fù)雜領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，要求對信號拾取高精度、高分辨率，因此也就更需要提升對弱信號、寬頻信號的采集能力，這方面的性能在設(shè)計(jì)中是不能妥協(xié)的。