曹翔宇，劉永正，孟慶兵，齊樹松，崔 磊

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司海洋物探處 天津 300450)

0 引 言

地震勘探技術的進展，推動了地震勘探采集設備的更新和相關技術的發(fā)展，市場上陸續(xù)出現了多種新設備，Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)就是其中之一。Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)能夠實現全方位的地震數據采集，其遠程單元(Z100節(jié)點)之間通過繩子(非電纜)連接，各個遠程單元能夠獨立地進行采集作業(yè)，因此可適應海底地形變化劇烈的復雜地區(qū)，而常規(guī)的地震采集系統(tǒng)不能滿足這些復雜地形的需要[1]。

1 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)介紹

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)是美國 Fairfield公司生產的淺水型(0～300 m)節(jié)點式地震采集儀器，由遠程單元(Z100節(jié)點)、甲板收放纜設備和后臺下載充電設備組成。其中，遠程單元是實施地震數據采集的主體，也是整個系統(tǒng)的核心。遠程單元內置4個檢波器，包括1個水聽器和3個正交排列的陸地檢波器。遠程單元由內置鋰電池組供電，并依靠內置芯片原子鐘保證樣點時間精度。通常，以2 ms的采樣間隔，其電量可支持連續(xù)30天的地震數據采集。

1.1 遠程單元

遠程單元是自主工作數據本地存儲且能適合0～300 m工作水深的采集單元，其外形如圖1所示。遠程單元內部有3組鋰電池，在充滿電狀態(tài)下可滿足連續(xù)30天的續(xù)航需求。遠程單元內部包括：主控制電路板、數據采集電路板、時鐘電路板、方位采集電路板、檢波器組等，其內部結構如圖2所示。

圖1 遠程單元

圖2 遠程單元內部構造

遠程單元上有一個LED燈，用于顯示不同的遠程單元狀態(tài)，每4 s顯示一次紅燈表示閑置模式，一閃(紅/綠)為原子鐘(CSAC)正在校準；每4 s兩閃綠燈表示進入采集模式。鑲嵌在遠程單元黃色緩沖杠內的遠程單元RFID標簽，用于在布放和回收遠程單元時識別遠程單元的序列號。每個遠程單元管理一個地震道，布放時用高強度繩子將遠程單元串接成采集鏈，并可通過改變鏈接遠程單元的繩子間隔來滿足不同道間距需求。

遠程單元的特性指標如下：

重量：空氣中11.8 kg，水中5.6 kg

直徑：30.48 cm

高度：10.16 cm

作業(yè)水深：0～300 m

工作溫度范圍：-10 ℃～+60 ℃

電池續(xù)航： 30 d(2 ms采樣間隔)

地震檢波器個數：4個(1個水聽器，3個正交排列陸地檢波器)

模數轉換器分辨率：24位

采樣間隔：0.5，1,2,4 ms

前置增益：0～36 dB,增量為6 dB

電池充電環(huán)境溫度范圍：+7.5 ℃～+40 ℃

充電時間：小于8 h

存儲容量：64 GB

增益精度：不大于0.5%

滿量程輸入(峰值)：2 500 mV@0 dB,625 mV@12 dB, 156 mV@24 dB,39 mV@36 dB[2]；

時鐘：CSAC時鐘

海底封靈敏度：8.9 V/Bar

陸檢靈敏度：0.570 V/in/s (22.4 V/m/s)

定位精度：±1.5°傾斜角，±5°方位角(在赤道的±50°以內的緯度)

共模抑制比：海底封最小40 dB,陸檢最小90 dB

串音：海底封最小80 dB,陸檢最小100 dB

諧波畸變：<0.000 6%

低切濾波：1～10 Hz(可以設置無低切，選擇Remove DC offset)

相位：線性相位、最小相位

帶通濾波：0～82.6%奈奎斯特頻率[3]

1.2 系統(tǒng)的硬件構成

Z100節(jié)點采集系統(tǒng)硬件設備連接如圖3所示，整個系統(tǒng)主要由節(jié)點船儀器房的工作站(WORKSTATION)、服務器(SERVER)、盤陣(NAS)、頻率掃描儀(RFID READER),節(jié)點船后甲板的充電樁(CHM)、時鐘模塊(TCU)、遠程單元(REMOTE UNIT)、掃描天線(RFID Antenna)以及安裝在震源船上的槍控記錄系統(tǒng)(SAFE)構成。

圖3 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)硬件構成簡圖

1.2.1 節(jié)點船甲板部分硬件

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)甲板部分的硬件由時鐘控制板塊(TCU)、充電樁(CHM)、GPS天線、遠程單元、頻率掃描天線(RFID Antenna)及安裝在震源船上的槍控記錄系統(tǒng)(SAFE)構成。

1)TCU：時鐘控制模塊，外部連接GPS天線，內置有芯片原子鐘(CSAC)。位于充電樁(CHM)附近，為所有遠程單元提供GPS時鐘同步。每秒1個脈沖(pps)信號從GPS接收器進入TCU板。GPS接收器和TCU板之間的串行接口允許電路板獲取確切的日期和時間。TCU板使用GPS規(guī)定的1pps信號來產生所需的同步信號。信號用于在啟動期間同步遠程單元時鐘。數據采集停止時也用于測量時鐘漂移量。

2)CHM：充電下載模塊(充電樁)，連接遠程單元后開始對遠程單元進行充電，同時CHM將下載到的遠程單元數據傳到用戶管理系統(tǒng)(SMS)中的數據存儲位置。

3)RFID：頻率掃描儀，RFID系統(tǒng)的功能是在遠程單元被鋪設和回收時對其進行電子掃描，RFID系統(tǒng)的目的是將遠程單位與特定的地震接收站相關聯，在鋪設和回收過程中，這些遠程單元排除人為錯誤部署。掃描遠程單元的RFID標簽，并將標簽數據與從導航系統(tǒng)接收到的信息聯系起來，當節(jié)點船沿著一個地震接收線前進時，就完成了這個任務，存于數據庫中。

4)SAFE：槍控記錄系統(tǒng)，是安裝在炮船上的設備，SAFE接收導航頭段和槍控信息，SAFE文件包括具體的炮點信息和精確的GPS時間。SAFE文件是輸出炮集數據前必要文件。

1.2.2 節(jié)點船儀器房部分

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)儀器房部分包括Z100工作站，服務器，盤陣、交換機、頻率掃描閱讀器(RFID READER)。

1)工作站：基于Microsoft Windows 7平臺，安裝Z系統(tǒng)的客戶端軟件，為操作員提供圖形用戶界面(GUI)。

2)服務器：帶有Symmetricom?GPS 時間和頻率接收器卡的數據庫服務器，安裝服務器端軟件，用來管理后甲板的充電樁(CHM)和時鐘模塊(TCU)，并將數據進行管理和處理。

3)盤陣：用來存儲從遠程單元下載的數據，作為輸出磁帶前的臨時存儲媒介。

4)RFID READER：RFID閱讀器功能是在鋪設排列和回收排列時遠程單元序列號的掃描。在RFID格窗中顯示遠程單元序列號及坐標，并將遠程單元序列號和坐標所生成文件存于數據庫。

5)交換機：Z100系統(tǒng)的用戶管理系統(tǒng)(SMS) 網絡交換機提供8個10千兆端口，用于服務器的數據庫、盤陣(NAS)單元和工作站之間的通信，48個千兆端口為工作站、充電樁、后甲板設備之間提供通信路徑。

1.3 系統(tǒng)的軟件構成

運行在工作站(WORKSTATION)上的遠程單元軟件系統(tǒng)由管理控制(Management Console)、數據輸出(Media Output)、地震數據可視化(Seismic Visualization)、頻率掃描界面(RFID Interface)、系統(tǒng)應用(Zsystem Utilities)、數據庫導入(ExportImportJobDB)6個APP構成，如圖4所示。

圖4 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)作業(yè)流程軟件應用

1)Management Console：作為主應用程序，可以對遠程單元進行檢測、充電控制、獲取詳細的遠程單元信息、Trouble shooting及數據下載，同時具有導入各種輔助數據和進行質量控制的功能；

2)Media Output：可以將下載的遠程單元數據以連續(xù)道集、炮集的格式輸出到移動硬盤等媒介，同時可以完成對遠程單元的時鐘漂移量校正和角度旋轉。

3)Seismic Visualization：以圖形化的形式對下載的遠程單元數據進行查看和分析。

4)RFID Interface：用于讀取甲板釋放的遠程單元SN號及接收導航的點位信息，將SN號與STATION 建立對應關系，并將此信息存入數據庫；

5)Zsystem Utilities：用于生成各種質控報告、查看道頭、查看和刪除NAS占用的空間；

6)ExportImportJobDB：在多節(jié)點船作業(yè)時用于導出和導入數據庫文件，來實現多節(jié)點船的數據庫共享。

2 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)作業(yè)流程

2.1 遠程單元滾動作業(yè)流程

整個作業(yè)流程如圖5所示。

圖5 遠程單元滾動作業(yè)流程簡圖

從對遠程單元自檢開始，待遠程單元電量充滿且完成時鐘馴服后，遠程單元便進入可啟動狀態(tài)。遠程單元啟動后便切換到可釋放狀態(tài)，接下來后甲板便可進行遠程單元的鋪設作業(yè)。完成遠程單元鋪設后，待炮船完成激發(fā)作業(yè)后,節(jié)點船可按計劃將遠程單元回收到甲板上，室內遠程單元處理人員便可以接線下載數據，所有遠程單元完成數據下載后遠程單元處理人員可以進行各種報告的生成，并進行質量控制對不適合再次鋪設的遠程單元進行標記和替換，接著便可對收上來的遠程單元進行自檢，為下條測線的鋪設做準備。從遠程單元開始下載數據到再次啟動遠程單元的整個過程中，遠程單元一直處于充電和時鐘校正狀態(tài)。

2.2 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)軟件作業(yè)流程

2.2.1 建立新工區(qū)

使用Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)施工時需要在生產前建立新工區(qū)的數據庫以及參數，通常以工區(qū)區(qū)塊名字來命名。建立新工區(qū)時除了需要知道區(qū)塊介紹信息，還需要區(qū)塊對應的坐標系以及SPS(SPS、RPS、關系文件X)文件。通常以測線的名字命名。建立工區(qū)時需要理論設計兩個文件：SPS和RPS[4]。在測線管理窗口中建立測線，并將SPS、RPS文件導入該工區(qū)測線中即完成了該測線數據庫的建立。注意：如果實際的炮點、檢波點樁號和導入SPS、RPS里的不匹配，將會導致資料無法下載，所以務必要保證SPS、RPS文件中的樁號與實際一致[3]。

2.2.2 遠程單元收放

遠程單元由特殊的繩子連接，每個遠程單元上都有一個環(huán)形扣以便和繩子的梨形環(huán)連接在一起。遠程單元在投放前都要經過各種檢測，如自檢、時鐘校正等，以確保遠程單元狀態(tài)良好并處于采集狀態(tài)。每個遠程單元上都有一個頻率掃描(RFID)標簽，頻率掃描系統(tǒng)能夠識別此標簽并把標簽上遠程單元的號碼和坐標信息傳到記錄系統(tǒng)；對于其它節(jié)點船所放的遠程單元，可以通過手工布站的方式及其對應的檢波點樁號加入到所定義好的數據庫中。

2.2.3 檢波器定位放炮采集

遠程單元通過連接聲學應答器一同布在排列中，定位船通過定位聲學應答器來定位遠程單元位置。處理后得到RPS，導入Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)內在輸出數據時將遠程單元實際位置寫在數據的道頭中[5]。

2.2.4 數據下載和時鐘校準

遠程單元回收后，通電開始自動下載數據并對遠程單元中的電池組充電，數據自動下載至磁盤陣列上。同時得到時鐘的漂移量，遠程單元的時鐘由時鐘模塊(TCU)的時鐘校準。

2.2.5 放炮采集

在震源船的槍控記錄系統(tǒng)(SAFE)通過電臺將放炮的數據同步傳到節(jié)點船數據庫中，為提取炮數據提供準確時間。

2.2.6 質量控制

數據下載結束后，通過生成RMS圖質控弱道死道等，在定位報告中查看遠程單元水下形態(tài)(tilt)值及異常。在生成的時鐘失鎖(LOL)報告中檢查遠程單元是否存在時鐘鎖相環(huán)失鎖問題，通過排列總結(line summary)監(jiān)控遠程單元水下停止采集以及數據分段問題。

2.2.7 數據輸出

通過質量監(jiān)控，確保地震資料的完整無誤后，選擇是否需要旋轉，將地震記錄系統(tǒng)連續(xù)道集或者炮集寫到移動硬盤上或者通過磁帶機寫到IBM3592磁帶上。

3 應用案例及經驗

2018年由東方地球物理勘探公司引進Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)并投入到某三維項目中進行地震采集作業(yè)，該項目區(qū)域為平臺密集、海底管線星羅棋布的淺水區(qū)。面對如此復雜的項目區(qū)域，海洋物探處將自身節(jié)點勘探經驗與Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)相結合，完成近4萬個遠程單元的鋪設和回收，順利地完成項目施工。該項目Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)所采集的地震資料具有信噪比良好、分辨率高、噪音小、同相軸清晰等特點[6]。甲方處理中心對此設備獲得的地震資料非常滿意。

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)的特點使其能適應該項目異常復雜的地形，遠程單元可沉放于300 m的海底,幾乎不受環(huán)境的干擾，是常規(guī)OBC采集和拖纜采集不可實現的。節(jié)點采集技術可以彌補一些傳統(tǒng)采集方法的短板。將節(jié)點采集技術與海底電纜或者深水拖纜采集技術配合使用，能夠在復雜水域獲得很好的采集效果，避免地震資料空白區(qū)，對區(qū)域整體勘探、開發(fā)有著十分重要的意義。隨著石油勘探向復雜水域的推進，節(jié)點采集技術的應用將越來越廣泛[7]。

4 結束語

東方地球物理公司將自己成熟的作業(yè)經驗與Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)先進的技術相結合， 經過1年多的生產，將該系統(tǒng)成功用于淺水區(qū)及過渡帶作業(yè)中。它很好地解決了有線、無線同時接收的問題，取得了優(yōu)質的地震資料。然而Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)的配套收放設備和節(jié)點船的甲板機械化程度還需要進一步改進和提高，以便為Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)提供支持和保障[8]。