可控震源高效采集技術的效率分析*

張　潔，周土發，程虎軍，顏　良

(1.英洛瓦(天津)物探裝備有限責任公司　河北　涿州　072751; 2.東方地球物理公司國際勘探事業部　河北　涿州　072751)

?

可控震源高效采集技術的效率分析*

張潔1，周土發2，程虎軍1，顏良1

(1.英洛瓦(天津)物探裝備有限責任公司河北涿州072751; 2.東方地球物理公司國際勘探事業部河北涿州072751)

摘要:針對野外施工中可控震源高效采集的效率估算問題，以儀器與單組震源的工作流程為基本模型，分析了幾種常用高效采集技術的實現機理。通過分析得到不同高效采集技術下的理論日效，并探討了影響效率的裝備技術因素，為野外施工方法的選擇提供了參考。

關鍵詞:可控震源;地震儀器;高效采集;效率分析

0　引言

隨著物探目標由構造分析發展到儲層描述，并逐步延伸至油藏領域，物探技術進入精耕細作的時代。寬方位、寬頻、高密度、大道數、高覆蓋次數成為精細勘探的基本需求［1-3］，一方面是高分辨率的數據質量要求;一方面是大量裝備投入的成本和施工壓力。在品質和效率的驅動下，可控震源高效采集技術應運而生。

相比傳統炸藥震源，可控震源激發信號可控、安全環保，逐漸成為主要的施工震源［1-3］。人們在可控震源施工中不斷探索各種采集技術以提升資料品質、提高施工效率:起初使用交替掃描(Flip－Flop)，日效最高可達2 000炮［1］;在1996年，Rozemond提出可控震源滑動掃描技術(Slip－sweep)，生產效率提高2倍多［4］; Ian Jack等提出Independent simultaneous sweeping(ISS)，通過阿爾及利亞的實驗，預期日效達10 000炮［5］;至2009年，BP在阿曼的項目中運用Distance separated simultaneous sweeping(DSSS)，激發間隔10 km外的震源同時施工，時效達到1 024炮［6］。十多年間，可控震源高效采集技術將施工效率提高了近十倍。

2008年，東方地球物理公司基于利比亞項目的經驗，從生產組織的角度探討了震源施工效率的估算［3］。本文從裝備技術的角度，探討、分析不同高效采集技術下的施工效率。

1　儀器與單組震源間的工作流程

可控震源高效采集技術的實質是地震儀器對多組震源的激發管理，通過地震儀器按照一定的時序規則對每個震源組的激發來實現。其實現的基本單元是儀器與單組震源間的協作施工，工作流程如圖1所示。其中，假設掃描時間為tsweep，聽時間為tlisten，震源搬點用時為tmove。

T1時刻:震源到達炮點Sweep1后向儀器發出Ready信號，表明進入待命Standby狀態;地震儀器接收到Ready信號后，根據排列及現場情況判斷是否以及何時發出FO激發指令。

T2時刻:震源接收到FO指令后，啟動掃描作業，并向儀器返回TB信號，表明激發成功;震源返回的TB時刻信息就是當前炮的起始時刻;地震儀器根據TB信息確定記錄的起始時刻，確保激發與采集同步。

T3時刻:震源完成掃描作業Sweep1后，提起平板向下一炮點移動;此時地震儀器仍處于采集、記錄數據的狀態，經過聽時間后，Sweep1原始記錄完成，儀器進入空閑狀態。

T4時刻:震源到達炮點Sweep2，進入待命Standby狀態，準備Sweep2的掃描作業。

圖1　單組震源與地震儀器協作施工流程圖

其中，震源每次掃描作業前都有一段從Ready到TB啟動的時間間隔，儀器與震源在這段時間內完成啟動控制交互。自動放炮模式下，地震儀器接收到Ready信號后，自動觸發FO指令。FO指令與TB信號間是固定的時間間隔，只計入通信延遲和系統指令處理時延，通過一致性校準可以確保以毫秒為單位的時間間隔，記為ΔtR eady－FO;人工主動放炮模式下，Ready信息通過地震儀器反饋給儀器操作員，由操作員判斷是否激發，判斷過程中額外的等待時間記為Δtwait。因而，從震源到達指定炮點進入準備狀態發出Ready信號至激發成功發出TB信號，其時間間隔為:

從上述流程中可以看出，地震儀器和可控震源都有一段施工空閑，可以利用多組震源施工的方式來填補空閑狀態，提高施工效率。以下，從激發管理、采集管理和放炮效率三方面分別分析Flip－Flop、Slip－Sweep、DSSS 和ISS。

2　可控震源高效采集效率分析

2.1Flip－flop

Flip－Flop交替掃描工作流程如圖2所示。前一炮采集完成的同時啟動下一炮的采集，填補單組震源施工的采集空閑，兩組震源互不干擾、交替施工。

圖2　Flip－Flop工作流程示意圖

激發管理:交替掃描在如圖T3時刻，震源組1進行掃描及聽記錄的過程中，震源組2已到達Sweep2炮點并進入待命狀態;在儀器完成Sweep1掃描和聽紀錄的同時T4時刻，震源組2啟動Sweep2作業。兩組震源交替激發，兩次掃描作業之間無間隙地記錄采集。

采集管理:在交替掃描中，因為不同炮點對應的接收排列不同，地震儀器需要及時切換接收排列。在地震儀器發出FO指令時，它也將同步激活對應的接收排列，并以TB時刻為采集起始時刻記錄地震數據。

放炮效率:交替掃描中放炮間隔為一個原始炮記錄的時間長度，即:

Δt = tsweep+ tlisten

交替掃描的理論最高日效為:

2.2Slip－Sweep

Slip－Sweep滑動掃描工作流程如圖3所示。在前一組震源仍處在掃描過程中，下一組震源就啟動作業。兩次作業的間隔時間定義為滑動時間tslip。

圖3　Slip－Sweep工作流程示意圖

激發管理:滑動掃描按照約定的滑動時間tslip，逐個激發處于準備狀態的震源。從第一次激發開始，根據預設的滑動時間，確定后續的激發時刻(T1 + n×tslip)。當有震源組返回Ready信號，則加入放炮列表，按先入先出原則順序標定激發時刻，隨后按照放炮列表激發震源。

采集管理:在滑動掃描啟動前，地震儀器會根據預計的施工范圍設置超級排列;隨著滑動掃描啟動，儀器處于連續記錄狀態，記錄整個超級排列的采集數據，并與GPS時刻保持同步;根據震源返回的PSS信息確定對應的炮點、TB時刻，從連續記錄中按照對應的接收排列和記錄起至時刻，分離出單炮原始記錄。

放炮效率:滑動掃描中放炮間隔等于設定的滑動時間tslip，即:

2.3DSSS

DSSS施工示意圖如圖4所示。將多個震源組Fleet以不小于12km的間距分為多個Cluster，每個Cluster中抽出一組Fleet綁定為一個Group，所有震源組可分為多個Group(總Fleet數/Cluster數)。

激發管理:相對普通滑動掃描，DSSS的區別在于儀器激發的對象由單組震源變為一個Group的所有震源。同Group中的震源同步激發;不同Group之間按滑動時間間隔激發。

采集管理:地震儀器需要建立超級排列并連續記錄;每次激發后，地震儀器需要處理同一個Group里同時激發的多炮數據。

放炮效率: DSSS下的放炮間隔是不同Group之間的滑動時間:

在同一Group中，多個Fleet在不同Cluster同時施工。因此DSSS的理論最高日效為:

2.4ISS

ISS是將施工區按震源組數劃分為多個區塊，每組震源在各自的工作區塊分別獨立作業;不同震源組采用不同的掃描參數。

激發管理: ISS模式如圖5所示。可控震源自主起振并記錄炮點GPS位置和時刻，通過PSS報告返回放炮信息，也可在震源本地存儲放炮日志;地震儀器不再激發、管理震源組。

采集管理: ISS模式下地震儀器建立超級排列并連續記錄;在后期數據處理時，儀器根據PSS報告或放炮日志中的GPS時刻和炮點坐標，從連續紀錄中分離出原始炮記錄。

圖4　DSSS施工示意圖

圖5　ISS施工示意圖

放炮效率:由于震源組間均獨立施工，ISS的理論日效為:

2.5理論施工效率對比

假設震源參數一致，掃描時間tsweep= 12 s，聽時間tlisten=6 s，搬點用時tmove=20 s，激發響應用時ΔtReady－TB=2 s。震源數量配備理想:交替掃描使用2組震源無間隔地施工;滑動掃描使用6組震源無間隙地施工; DSSS使用18組震源，按3個Cluster分為6個Group; ISS使用18組震源。根據上述假設條件，得到不同高效采集技術下的理論施工日效如圖6所示。

圖6中可以明顯看出，隨著震源組數的增加，施工效率也相應成倍增長，施工效率與震源組數近似成正比關系。可見，震源高效采集技術是通過增加震源數量來提高施工效率。

由于生產組織和裝備技術的因素，實際生產過程中施工效率與理論效率仍有較大差異。生產組織方面，觀測系統、設備配備、震源參數以及地表通過性等生產因素都會對施工效率產生影響;可通過提前勘察、模擬估算選擇合適的高效采集技術，最大化地優化效率［3］。裝備技術方面則會在無線通信、GPS導航以及儀器處理能力上制約施工效率。

圖6　震源高效采集技術施工效率對比圖

3　影響施工效率的裝備技術因素

3.1無線通訊能力

無線通信能力包括傳輸帶寬和通信距離。在震源高效采集中，震源與儀器之間通過無線電臺建立通信，交互激發控制命令和設備狀態。隨著震源組數成倍增長，相應的帶寬需求也成倍增長，施工范圍也擴展至25～30km。如果無線通信的傳輸帶寬過低或者通信距離過短，則高效采集不能有效運行，導致施工效率降低。

目前在野外施工中常用兩類電臺通訊方案提高無線通信能力: TDMA電臺和UHF/VHF模擬電臺。TDMA電臺利用并發功能管理更多的震源組，而VHF/UHF模擬電臺通過提高傳輸帶寬輪詢管理更多的震源組，從不同的角度解決了高效采集下傳輸帶寬的問題;兩種方案均可使用電臺中繼功能，從而提高通信距離;保障地震儀器與震源組之間的信息交互。

3.2GPS導航能力

高效采集利用GPS導航能力，收集每臺震源的位置坐標，實時與測網炮點校準、修正震源位置，確保激發位置的準確。當GPS信號較弱或沒有時，導航能力失去保障，無法確認炮點位置則高效采集將被迫中斷，導致效率下降。

目前人們通過差分GPS技術提高導航能力。該技術可將定位精度提升至1內;并通過設置GPS參考站，利用參考站信號解決局部信號弱的問題。保障GPS導航、無樁號施工等功能，有效提高施工效率。

3.3儀器處理能力

震源高效采集中，地震儀器需要建立超級排列、連續采集、同時處理多炮數據，每天處理的數據量達到TB級。數據的接入、計算及存儲均承受著巨大的壓力。因此，儀器的處理能力成為制約高效采集效率的重要因素之一。

隨著IT技術的發展，計算資源顯著提升;應用萬兆網絡、磁盤陣列擴展數據流量和容量;搭建并行主機系統，合理調配計算資源、并發處理采集任務，能夠有效提高儀器處理能力;從而保障高效采集的穩定運行。

4　結束語

通過增加可控震源數量、合理控制震源間距、有效管理激發時序，人們實現了多種可控震源高效采集技術;在實際施工中，根據生產條件選擇合適的高效采集技術，可以顯著地提高施工效率，縮短采集周期。

隨著通信、GPS和IT技術的發展，可控震源高效采集技術的施工效率仍有提升的空間。但在追求更高效率的同時，我們也應謹慎的關注數據品質。只有資料品質持續改善，高效采集技術才能得到更廣闊的發展。

參考文獻

［1］汪恩華，趙邦六，王喜雙，等.中國石油可控震源高效地震采集技術應用與展望［J］.中國石油勘探，2013，18(5): 24 －34.

［2］倪宇東，王井富，馬濤，等.可控震源地震采集技術的進展［J］.石油地球物理勘探，2011，46(3): 349－356.

［3］周大同，周恒，張慕剛，等.可控震源施工效率估算方法［J］.石油地球物理勘探，2008，43(增刊2): 50－54.

［4］Rozemond H.J.Slip－sweep acquisition.SEG Technical Program Expanded Abstracts，1996，15: 64－67.

［5］Ian Jack，Brian T，Dave H，et.Independent simultaneous sweeping–a method to increase the productivity of land seismic crews.SEG Technical program expanded abstracts，2008，27: 2826－2830.

［6］Jack Bouska.Distance separated simultaneous sweeping for fast clean vibroseis acquisition.Geophysical prospecting，2010，58(1): 123－153.

Efficiency Analysis of High－productivity Vibroseis

ZHANG Jie1，ZHOU Tufa2，CHENG Hujun1，YAN Liang1
(1.INOVA Geophysical Equipment Ltd，Zhuozhou，Hebei 072751，China; 2.BGP International，Zhuozhou，Hebei 072751，China)

Abstract:To analyze the efficiency of High－productivity vibroseis in field operation，the realization mechanism of different high-productivity vibroseis modes is reviewed based on a single vibrator operation model.According to the analysis，the theoretical daily efficiency is presented，and the influence factors are discussed.The result can provide a valuable reference for selection of HPVS in field operation.

Key words:vibrator; seismic instrument; high－productivity vibroseis; efficiency analysis

(收稿日期:2015－03－18編輯:姜婷)

第一作者簡介:張潔，男，1982年生，工程師，2007年畢業于上海微系統與信息技術研究所微電子學與固體電子學專業，獲得碩士學位。目前在英洛瓦物探裝備有限責任公司從事儀器研發工作。E-mail: zhongJie@ inovageo.com

基金項目:“十二五”國家重大科技專項項目“新一代一體化全數字地震儀器”(項目編號: 2011ZX05019－002)

中圖法分類號:P315.62

文獻標識碼:A

文章編號:2096－0077(2016)01－0071－05