基于可控震源特征信號的一致性測試方法及應(yīng)用

齊永飛,李國發(fā),段昌平,凌 海,劉 璞,陳新陽,聶明濤,艾 華

(1.中國石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院 北京 102249; 2.中國石油集團(tuán)東方地球物理公司 河北 涿州 072750; 3. 英洛瓦(天津)物探裝備有限責(zé)任公司 河北 涿州 072750)

0 引 言

可控震源有線一致性測試作為可控震源質(zhì)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,可以驗證可控震源的狀態(tài)屬性、可控震源和記錄儀器之間的同步性以及箱體加速度表的極性,一直以來都是業(yè)內(nèi)討論的熱點。震源狀態(tài)屬性及震源和儀器的同步性直接影響到地震采集資料的品質(zhì)?？煽卣鹪从芯€一致性測試(以下簡稱一致性測試)可以很好地對上述信息進(jìn)行驗證。傳統(tǒng)的有線一致性測試方法,通常將震源箱體連接到生產(chǎn)排列,通過采集站采集震源箱體生成的震源參考信號、平板信號、重錘信號及力信號,將采集的信號傳輸至儀器并記錄分析。傳統(tǒng)的測試方法占用生產(chǎn)排列,要求震源集中測試,且受地表條件的影響,震源不一定一次性通過測試,需要更換不同的震動地點多次測試,影響施工效率[1-4]。在高效采集項目施工過程中,震源投入多、分布范圍廣,傳統(tǒng)一致性測試方法耗時過長,已經(jīng)不適用于目前的高效采集項目。使用G3iHD儀器進(jìn)行野外采集生產(chǎn)時,基于震源特征信號(Vib Source Signature,VSS) 的可控震源一致性測試方法可以很好地彌補傳統(tǒng)一致性測試方法的不足。該方法不需要停炮執(zhí)行一致性測試,也無需集結(jié)震源,直接在生產(chǎn)中完成震源一致性測試所需信號的采集,最大程度減少了一致性測試占用的生產(chǎn)時間。

1 傳統(tǒng)可控震源有線一致性測試方法

一致性測試基于震源的參考信號、平板信號、重錘信號及力信號,結(jié)合儀器的真參考信號,對震源的性能指標(biāo)以及同步性進(jìn)行驗證。因此如何從震源獲取相應(yīng)的信號就成了一致性測試的首要條件。

在傳統(tǒng)一致性測試中,無論是使用Sercel公司400系列儀器或508XT儀器,還是INOVA公司的G3iHD儀器,都是使用專用測試電纜將震源箱體接入生產(chǎn)排列,通過儀器啟動震源,同時激活排列采集震源箱體生成的參考、平板、重錘及力信號,并將信號通過大線傳輸?shù)絻x器,然后與儀器真參考信號作對比分析,進(jìn)行震源儀器同步性驗證、震源參考和真參考信號一致性驗證、震源狀態(tài)屬性監(jiān)控、震源箱體加速度表極性驗證等。

1.1 400系列和G3iHD的傳統(tǒng)一致性測試方法

在400系列和G3iHD的傳統(tǒng)的一致性測試中,首先震源需從不同位置搬遷集結(jié)至提前選定的排列處,斷開生產(chǎn)排列并使用專用的測試電纜將震源箱體與排列上的采集站相連接,儀器停炮并設(shè)置不同的參數(shù),最后儀器使用測試參數(shù)啟動震源并采集所需要的信號存儲到儀器服務(wù)器。測試完成后,指標(biāo)正常的震源可以返回原炮點等待重新生產(chǎn),而指標(biāo)異常的震源則需在檢修后重新測試直至指標(biāo)滿足要求。以中東某配置超過40臺震源的大道數(shù)高效采集項目為例,從開始集結(jié)震源到所有的震源完成測試并完全恢復(fù)生產(chǎn),需要將近5 h,嚴(yán)重影響了施工效率。

1.2 基于508XT采集系統(tǒng)的一致性測試方法

508XT儀器的一致性測試原理與400系列、G3iHD儀器一致,但是由于508XT的供電單元CX兼具了電源站和交叉站的功能,因此除了傳統(tǒng)的一致性測試方法之外,可以在排列上通過CX的光纜口外接一段排列接入震源進(jìn)行一致性測試,采集到的一致性測試數(shù)據(jù)可存儲到炮數(shù)據(jù)的輔助道中。設(shè)備連接示意圖如圖1所示。該方法可以實現(xiàn)一致性測試與生產(chǎn)同步進(jìn)行,測試過程中只是當(dāng)前測試震源需要停炮,而其他的震源則不受影響,但儀器參數(shù)設(shè)置以及震源一次性不通過重新更換地點測試仍會對生產(chǎn)造成一定的影響[5]。

圖1 508XT有線一致性測試方法設(shè)備連接示意圖

上述測試方法有著共同的不足之處:震源特征信號經(jīng)過采集站放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣以及大線傳輸?shù)?信號會有一定失真,影響后續(xù)數(shù)據(jù)分析。采集站之間存在一定的采樣相位誤差,不易判別震源和儀器不同步的時差是來自采集站體差異,還是震源啟動時間誤差。

2 基于VSS的一致性測試方法

為減少可控震源一致性測試對生產(chǎn)的影響,有效提高生產(chǎn)效率,INOVA公司在新版G3iHD儀器的基礎(chǔ)上提出了基于VSS的震源一致性測試方法,測試方法如圖2所示。

圖2 基于震源特性信號的一致性測試方法示意圖

基于VSS的一致性測試方法的特點為:

1)高效可控震源采集中,每臺震源和地震儀器都采用獨立GPS授時?；贕PS時鐘的可靠精度,可控震源與儀器時鐘上的誤差為納秒級,生產(chǎn)中可以認(rèn)為兩者具有一致的時鐘。

2)可控震源以可控震源箱體GPS授時確定的零時刻(T0時)開始啟動震源,儀器主機則以儀器箱體的GPS授時確定的零時刻(T0時)啟動采集。

3)震源箱體在每一次的震源T0時刻開始采集記錄震源參考信號、平板信號及重錘號,并由平板和重錘信號加權(quán)計算出力信號。

4)箱體記錄信號數(shù)據(jù)通過U盤拷貝或者通過大線傳輸至儀器,儀器將箱體數(shù)據(jù)與真參考信號合并[3],形成一致性分析所需要的SEGD數(shù)據(jù)文件。

結(jié)合有線一致性測試目的,分別對基于VSS的一致性測試方法的合理性、可靠性做進(jìn)一步分析。

2.1 震源狀態(tài)屬性監(jiān)控

震源狀態(tài)屬性主要是通過力信號與真參考信號進(jìn)行互相關(guān)分析,檢查互相關(guān)后子波幅值是否水平、互相關(guān)后負(fù)時間軸的諧波值、平均值和峰值相位、平均值和峰值畸變、時間-頻率曲線、基波及多次諧波分布等[7]。

使用VSS方式進(jìn)行一致性測試,震源參考信號、平板信號及重錘信號都直接通過震源箱體采集,力信號由平板和重錘信號加權(quán)獲得,信號不再通過采集站采樣及大線傳輸?shù)絻x器并記錄,減少了采集站之間的差異影響和傳輸過程的干擾,信號保真度更高,更能真實反映震源的振動性能。VSS數(shù)據(jù)結(jié)合儀器真參考信號,可以更好地分析震源狀態(tài)屬性。

2.2 加速度表極性驗證

一般情況下,加速度表極性驗證可以通過敲擊加速度表和脈沖測試2種方式進(jìn)行,但鑒于高效采集項目投入震源數(shù)量大,采用敲擊每個加速度表的方式占用時間較長,通常都采用脈沖測試的方式。在脈沖測試信號的驅(qū)動下,重錘信號向上行,平板信號相對下行,平板和重錘的加速度表輸出信號的起跳可用來檢驗系統(tǒng)的極性。如果重錘脈沖信號全部向下,平板脈沖信號向上,也就說明該加速度表極性符合SEG極性標(biāo)準(zhǔn)。反之,加速度表極性為反SEG極性標(biāo)準(zhǔn)。

基于VSS的一致性測試方法同樣可以實現(xiàn)由儀器發(fā)出脈沖信號激發(fā)震源,并記錄下平板和重錘加速度表的響應(yīng)信號,通過判斷脈沖信號的初始起跳方向,來判斷加速度表極性是否正確。

2.3 震源和儀器啟動時差驗證

傳統(tǒng)有線一致性測試方法以儀器箱體獲得的GPS授時作為基準(zhǔn),將震源參考信號和儀器真參考信號做互相關(guān)處理,計算出震源和儀器的啟動時差。一般這個啟動時差會受到多個因素影響,包括震源箱體和儀器箱體GPS授時的同步性、基于GPS授時的激發(fā)模式下儀器箱體和震源箱體響應(yīng)同步性、震源和儀器激發(fā)響應(yīng)延遲、采集震源特征信號的站體差異和大線傳輸環(huán)節(jié)影響等?；赩SS的一致性測試方法也需要考慮上述儀器震源啟動時間差的影響因素。

2.3.1 震源箱體和儀器箱體GPS授時的同步性

項目開工時,通過短基線檢驗、長基線檢驗、實時動態(tài)(Real Time Kinematic,RTK)重復(fù)檢測檢驗,檢定確定了震源導(dǎo)航定位GPS接收機性能合格,確保GPS接收機授時正常。采用GPS接收機授時,通過每秒脈沖數(shù)(Pulse Per Second,PPS)將震源箱體和儀器箱體的時間與標(biāo)準(zhǔn)GPS時間同步,進(jìn)而完成震源箱體和儀器時間同步,時間精度保持在納秒級[8]。因此,采用GPS授時情況下,震源箱體和儀器箱體在時間上高度同步,兩者之間的差異可以不予考慮。

2.3.2 儀器箱體和震源箱體激發(fā)響應(yīng)同步性

驗證儀器箱體和震源箱體激發(fā)響應(yīng)的同步性,可以通過分析對比儀器點火命令時間和震源接收到點火命令后開始觸發(fā)時間間斷(Time Break,TB)的時間(亦即箱體開始采集記錄震源真參考信號的時間)是否一致。儀器開始采集的時間可以從儀器輸出的日志文件中獲取,震源觸發(fā)TB的時間可以從震源箱體文件中獲取,二者時間精度均達(dá)到微秒級。

一般情況下,儀器點火命令時間和震源開始觸發(fā)TB的時間在微秒級上是一樣的,如果二者量差超過一定門檻值(通常設(shè)置為20 μs),儀器將予以提示。這個比對也可以通過日常質(zhì)控震源箱體數(shù)據(jù)和儀器日志文件來完成,目前還未發(fā)生過二者不一致的情況。所以,采用GPS授時情況下,儀器箱體和震源箱體激發(fā)響應(yīng)同步性因素也可不予考慮。

2.3.3 震源和儀器啟動響應(yīng)同步性

在高效采集模式下,用于與地震數(shù)據(jù)互相關(guān)的儀器真參考信號一般固定不變,可以先不考慮。在震源端,因為箱體硬件或者固件的原因,用于液壓傳動控制模塊的震源參考信號的實際生成時間與理論要求的TB時間會有一定的時間差,所以震源實際啟動與理論TB時間存在一定的時間差。在基于VSS一致性測試方法中,震源箱體和儀器箱體均以TB時間為參考基準(zhǔn),無論實際震源參考是否已經(jīng)生成,震源箱體都會在TB時間開始記錄參考信號、平板信號及重錘信號并保存。所以將震源箱體記錄下來的震源參考信號與儀器真參考信號進(jìn)行互相關(guān),可以觀測出震源和儀器啟動響應(yīng),這也是儀器和震源存在啟動時差的主要原因[9-11]。

真參考信號和震源參考信號互相關(guān)模擬結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為真參考信號和模擬的有4 ms延遲的震源參考信號,圖3(b)為二者的互相關(guān)結(jié)果。可以看出,以同一時間為基準(zhǔn),真參考信號和震源參考信號如果有延遲,則互相關(guān)后就可以明顯觀測到相關(guān)子波峰值不在零時刻,對互相關(guān)函數(shù)做傅里葉變換即可算出精確的時間差值。

圖3 真參考信號和震源參考信號及互相關(guān)模擬結(jié)果

根據(jù)上述分析可以看出,VSS方法可以很好地測試出震源和儀器的啟動響應(yīng)同步性,且與受采集站體差異和大線傳輸影響的傳統(tǒng)測試方式相比,基于VSS數(shù)據(jù)的一致性測試方法測量出的啟動時間差更為精準(zhǔn)。

3 基于VSS的可控震源一致性測試方法的應(yīng)用

中東某項目采用G3iHD儀器系統(tǒng)高效采集,在實際生產(chǎn)中成功應(yīng)用了基于VSS的一致性測試方法,并在應(yīng)用前對相同震源的同一震次進(jìn)行了傳統(tǒng)有線一致性測試和基于VSS的一致性測試的對比分析。

3.1 震源狀態(tài)屬性對比分析

圖4是傳統(tǒng)有線一致性測試方法和基于VSS的一致性測試方法的對比圖,可以看出,采用基于VSS的一致性測試,35 Hz以內(nèi)的相位差更平穩(wěn),真參考信號與力信號互相關(guān)后子波負(fù)時間軸的諧波能量相對更低,力信號波形相對更為平穩(wěn)。

圖4 傳統(tǒng)有線一致性測試方法和基于VSS的一致性測試方法對比圖

3.2 儀器和震源啟動時差對比分析

傳統(tǒng)有線一致性測試和VSS一致性測試啟動時差對比如圖5所示?？梢钥闯?VSS一致性測試也可以很好地分析出儀器和震源的啟動時差。且理論上這種測試方法計算出的啟動時差更接近實際啟動時差。對于GPS授時情況下,一般會要求啟動時差在10 μs級以內(nèi)。

圖5 傳統(tǒng)有線一致性測試和基于VSS的一致性測試啟動時差對比

3.3 加速度表極性測試分析

震源箱體加速度表極性測試同樣可以在生產(chǎn)中同步進(jìn)行。首先通過G3iHD儀器系統(tǒng)軟件制作用于測試的脈沖信號文件,在系統(tǒng)中生成脈沖信號,并將脈沖測試信號發(fā)送到震源的VibPro HD箱體。然后在儀器上勾選需要進(jìn)行測試極性的震源,則該震源將會在下一次起震中采用極性測試脈沖信號激發(fā)震源。

VSS脈沖測試分析如圖6所示。VibproHD箱體加速度表為反SEG極性,平板脈沖測試響應(yīng)信號初始下跳,重錘脈沖測試響應(yīng)信號初始上跳。

圖6 VSS脈沖測試分析

3.4 應(yīng)用效果

通過采用基于VSS的可控震源一致性測試方法,該高效采集項目取得良好應(yīng)用效果。

1)儀器無需停炮設(shè)置測試參數(shù),真正做到一致性測試與生產(chǎn)同步進(jìn)行。

2)測試震源根據(jù)高效采集時間-距離規(guī)則正常起震,無需中斷或連接采集排列,儀器不用停炮。

3)震源無需集、散,箱體會對震源生產(chǎn)的每一炮都采集一致性測試所需要的信號,測試分析不受時空限制,可任意選擇不同炮點數(shù)據(jù),避免震源一次性沒通過測試更換地點重做的現(xiàn)象,這樣可節(jié)省每臺或每組震源10～15 min的一致性測試時間。

4)采用GPS同步時鐘,且信號輸出不受大線傳輸和采集站體的樣點相位差影響,儀器震源啟動時差更為精確,震源參考、平板、重錘及力信號更真實。

4 結(jié) 論

可控震源高效采集項目震源投入數(shù)量大,單位時間內(nèi)生產(chǎn)效率高,傳統(tǒng)的有線一致性測試方法因耗時長、占用生產(chǎn)排列,進(jìn)而影響生產(chǎn)效率。相比而言,基于VSS的可控震源一致性測試方法優(yōu)勢明顯。

1)能夠在實現(xiàn)震源儀器同步性、震源參考和真參考信號一致性、震源振動性能及箱體加速度表極性驗證的同時,做到真正意義上的震源一致性測試不停炮,最大限度降低停工時間,提高生產(chǎn)效率。

2)基于VSS的可控震源一致性測試方法規(guī)避了采集站采樣和大線傳輸?shù)母蓴_,震源儀器啟動時差更為精準(zhǔn),震源特征信號更真實,分析結(jié)果更能反映震源的真實狀態(tài),有利于震源設(shè)備的維修保養(yǎng)。

3)該方法在實際高效采集項目中的應(yīng)用,既保障了可控震源狀態(tài),同時也提高了采集項目的生產(chǎn)效率,取得了良好的應(yīng)用效果。