吳學(xué)兵

(中石化石油工程地球物理有限公司,江蘇南京211100)

2014年以來,國際原油市場價(jià)格急劇下降和持續(xù)低迷,極大地限制了油公司勘探投資,迫使地球物理承包商采用輕資產(chǎn)、低成本、高效率模式來維持運(yùn)營、謀取生存。站在油公司角度,物探新裝備的發(fā)展既要切實(shí)解決勘探需求,又要降低投資風(fēng)險(xiǎn)和勘探成本[1]。節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)以其低成本、高效率運(yùn)作成為國內(nèi)外地球物理公司的首選。從2016年以來,節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)得到快速發(fā)展,成為國內(nèi)外物探公司的應(yīng)用熱點(diǎn)[2];其在物探裝備市場上的占有率也不斷提升[3]。另一方面,陸上地震勘探面臨著復(fù)雜地表?xiàng)l件、施工環(huán)境和地下地質(zhì)目標(biāo)的挑戰(zhàn)[4-8],迫使地震采集方式不斷改變,需要不斷提高空間采樣密度和覆蓋次數(shù)的寬方位采集來提高地下成像和屬性描述精度[9-12]。這種采集方式嚴(yán)重受采集周期和成本的限制,尤其是在復(fù)雜地表情況下。某地球物理公司于2019年在秋里塔格三維區(qū)塊利用節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)克服了刀片山、鋸齒峰、大高程地表有纜系統(tǒng)無法鋪設(shè)的難題,成功突破了勘探禁區(qū)。為適應(yīng)低成本、高密度、復(fù)雜地表環(huán)境的地震采集需要,中國石化研發(fā)并測試了一套新型的節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)——I-Nodal。為驗(yàn)證該節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的采集性能,我們設(shè)計(jì)并實(shí)施了野外山地環(huán)境的采集試驗(yàn),利用有纜(商用)系統(tǒng)、一種商用節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和I-Nodal系統(tǒng)各400道平行布設(shè)了3條排列,點(diǎn)對點(diǎn)布設(shè)兩種節(jié)點(diǎn)與有纜系統(tǒng)的外接檢波器串。沿排列方向進(jìn)行激發(fā),完成了二維地震數(shù)據(jù)采集。對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的參數(shù)一致性處理分析。

1 節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)介紹

我們將新研發(fā)的節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)命名為I-Nodal(圖1a)。為滿足野外現(xiàn)場施工要求,該節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)輕便、體積小、操作簡便。每個(gè)節(jié)點(diǎn)外形為圓筒形(11.5cm×15.4cm的圓柱體),質(zhì)量為1500g,底部可外接尾椎或平板。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為既可內(nèi)置地震檢波器芯體,也可外接檢波器串。內(nèi)置檢波器芯體可選用5Hz或10Hz高靈敏度動圈檢波器芯體。外接檢波器串時(shí)需要一根轉(zhuǎn)換電纜,外接串?dāng)?shù)不受限制。節(jié)點(diǎn)內(nèi)置電池容量為120Wh,在溫度為-40℃～70℃環(huán)境下,可以連續(xù)工作25d。在平原、沙漠等地表環(huán)境,可采用皮卡車運(yùn)送方式,一個(gè)周轉(zhuǎn)箱可裝24個(gè)節(jié)點(diǎn);在山地環(huán)境,采用背包方式,一個(gè)包可以放8個(gè)節(jié)點(diǎn)。將該節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與DTCC公司的IGU-16(圖1b)、GTI公司的NuSeis(圖1c)、INOVA公司的Quantum(圖1d) 等行業(yè)內(nèi)典型在用節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)(表1)和物理指標(biāo)(表2)的對比。

由于不同節(jié)點(diǎn)儀器對同類指標(biāo)定義方式、測量方法、物理意義表達(dá)有所差異,因此,不同節(jié)點(diǎn)儀器的同類指標(biāo)不宜量化比較。同時(shí),這些指標(biāo)的量值差異不影響地震資料品質(zhì)[13],本文只對這些指標(biāo)進(jìn)行簡單對比分析。從技術(shù)指標(biāo)對比來看,I-Nodal采用了目前行業(yè)最高的32位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,采樣率為0.25～4.00ms,選項(xiàng)更多,整體來看,技術(shù)指標(biāo)略優(yōu)于其它3種節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

圖1 4種節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)照片

從表2可以看出,與其它類型節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)相比,I-Nodal體積和質(zhì)量略大。內(nèi)置檢波器均采用動圈式電磁檢波器,均有5Hz、10Hz高靈敏度檢波器芯體可選。盡管檢波器制造廠家不一樣,但檢波器技術(shù)指標(biāo)總體一致。

表1 不同節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

表2 不同節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)物理指標(biāo)

2 野外試驗(yàn)

試驗(yàn)區(qū)位于中國南方山地,海拔為300～1350m,屬中-低山區(qū),地形陡峭,沖溝陡崖,丘陵斜坡等地貌相互交錯(cuò)。采用炸藥震源激發(fā),平行布設(shè)了3條二維排列(圖2),3條排列各布設(shè)420道、排列長度為10.5km,2種節(jié)點(diǎn)與有纜接收點(diǎn)做到了同點(diǎn)布設(shè)(圖3,外圍為2串20DX-10檢波器串;中間圓頂蓋為I-Nodal;中間方型頂蓋為IGU-16)。試驗(yàn)對比了2種節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)與1種有纜系統(tǒng)的采集性能。排列1采用的是本文研發(fā)的I-Nodal節(jié)點(diǎn),排列2采用商用有纜428XL,排列3采用商用節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)IGU-16。節(jié)點(diǎn)內(nèi)置檢波器與有線系統(tǒng)的外接檢波器都是采用工作原理相同的動圈式電磁檢波器,其中,2種節(jié)點(diǎn)內(nèi)置相同技術(shù)指標(biāo)的單支高靈敏度10Hz電磁檢波器(靈敏度約為80V/m/s),有纜系統(tǒng)外接并聯(lián)的2串20DX(10Hz)電磁檢波器,每串檢波器由6串2并組合方式的12支檢波器組成(靈敏度約為120V/m/s)。共激發(fā)521炮,覆蓋次數(shù)13次,滿覆蓋長度達(dá)到5.6km。

圖2 3條排列布設(shè)示意

圖3 2種節(jié)點(diǎn)與有纜檢波器串同點(diǎn)布設(shè)示意

3 施工結(jié)果

該試驗(yàn)區(qū)屬于高大山地環(huán)境,施工難度極大,排列布設(shè)采用了最原始的身背肩扛方式。圖4是節(jié)點(diǎn)和有纜系統(tǒng)的野外施工照片。有纜系統(tǒng)設(shè)備包括:交叉電纜、含采集單元的數(shù)傳電纜、交叉站、電源站、電瓶、檢波器串等,設(shè)備類型多、體積和質(zhì)量大。節(jié)點(diǎn)極為簡單,每個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)獨(dú)立的采集單元。設(shè)備投入數(shù)量如圖5所示。420道有纜系統(tǒng)布設(shè)施工時(shí),每個(gè)勞工只能布設(shè)6道(1根半鏈、12串檢波器,每串檢波器6kg,總質(zhì)量為96kg)。從布設(shè)、檢波器埋置到建立排列,總共70人,耗時(shí)4d(白天作業(yè));420道節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)布設(shè)分成5個(gè)小組,每個(gè)小組3人,共耗時(shí)1.5d(白天作業(yè)),3種系統(tǒng)施工效率如表3 所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)IGU-16(a)和有纜系統(tǒng)428XL(b)野外施工照片

圖5 設(shè)備投入數(shù)量

從施工效率來看,在該山地施工環(huán)境中,相同道數(shù)的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量小于有纜系統(tǒng)(含檢波器串)質(zhì)量的1/10,用工人數(shù)小于有纜系統(tǒng)的1/4,施工時(shí)間少于有纜系統(tǒng)的1/2。

表3 3種系統(tǒng)施工效率

4 資料處理及分析

遵循“參數(shù)相同,變量唯一”的試驗(yàn)分析對比原則,采用相同地震數(shù)據(jù)處理流程(圖6),對野外地震數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理與分析:

1) 剔除壞道、不正常道;

2) 測試并優(yōu)選各項(xiàng)處理參數(shù),如去噪、速度分析等;

3) 分析相同覆蓋次數(shù)下不同采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的疊加成像效果;

4) 自動增益控制(automatic gain control,AGC)、分頻顯示(10～20Hz,20～40Hz,40～80Hz);

5) 淺、中、深目的層拾取窗口信噪比分析、頻譜分析(頻率、頻寬等)。

從段試驗(yàn)單炮資料的原始單炮、10～20Hz、20～40Hz、40～80Hz分頻掃描記錄(圖7至圖10)可以看出:I-Nodal、428XL、IGU-16這3套系統(tǒng)得到的單炮記錄波組特征相似,在淺、中、深層均有目的層反射信息,且較為清晰,有效信息豐富。

利用室內(nèi)定量分析軟件對原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪比分析,分析時(shí)窗選取位置如圖11a所示;3種系統(tǒng)的信噪比分析結(jié)果如圖11b至圖11d所示。由圖11可以看出,I-Nodal、428XL、IGU-16 3套采集系統(tǒng)資料在淺層、中層、深層的信噪比基本一致。圖12給出了3種采集系統(tǒng)在淺、中、深層的單炮記錄頻譜分析結(jié)果。由圖12可以看出,當(dāng)f<100Hz,淺、中、深層頻率曲線趨勢基本一致,當(dāng)f>100Hz,2種節(jié)點(diǎn)儀器高頻信號較為豐富,尤其中深部,在深部2種節(jié)點(diǎn)儀器頻率曲線基本重合。表明2種節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)比有纜系統(tǒng)具有高頻端的帶寬優(yōu)勢,與理論上由于有纜系統(tǒng)外接檢波器串本身的串并聯(lián)組合效應(yīng)對帶寬的抑制相吻合。

圖6 地震數(shù)據(jù)處理流程

圖7 經(jīng)AGC后的不同系統(tǒng)地震單炮記錄

圖8 不同系統(tǒng)的10～20Hz分頻掃描記錄

圖9 不同系統(tǒng)的20～40Hz分頻掃描記錄

圖10 不同系統(tǒng)的40～80Hz分頻掃描記錄

圖11 分析時(shí)窗選取位置(a)與I-Nodal(b)、428XL(c)、IGU-16(d)3種系統(tǒng)信噪比分析結(jié)果

圖12 單炮記錄頻譜分析結(jié)果

抽取相同的炮集記錄,采用相同參數(shù)的數(shù)據(jù)處理流程,得到不同采集系統(tǒng)的疊加剖面(圖13)和2～8Hz、10～20Hz、20～40Hz、40～80Hz、50～100Hz分頻掃描剖面(圖14至圖18)。對比分析不同系統(tǒng)的疊加剖面可以看出:3套采集系統(tǒng)剖面特征相似度高,無明顯差異。資料整體信噪比高,目的層反射特征較好,構(gòu)造特征清楚。

圖13 不同采集系統(tǒng)的疊加剖面

圖14 不同采集系統(tǒng)疊加剖面2～8Hz分頻掃描結(jié)果

圖15 不同采集系統(tǒng)疊加剖面10～20Hz分頻掃描結(jié)果

圖16 不同采集系統(tǒng)疊加剖面20～40Hz分頻掃描結(jié)果

對疊加剖面進(jìn)行能量、信噪比、道集間頻譜分析,結(jié)果見圖19、圖20。整體來看,3套系統(tǒng)能量略有差異。有纜系統(tǒng)能量最強(qiáng)(由于有纜系統(tǒng)外接2串檢波器,與節(jié)點(diǎn)單只檢波器相比具有更高的靈敏度),2種節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)能量相似(內(nèi)置相同靈敏度的單只檢波器芯體)。但在信噪比和分辨率上基本無差異,有效信息豐富、成像效果較好。總體來看,3種采集系統(tǒng)地震資料品質(zhì)基本相當(dāng),無明顯差異。

圖17 不同采集系統(tǒng)疊加剖面40～80Hz分頻掃描結(jié)果

圖18 不同采集系統(tǒng)疊加剖面50～100Hz分頻掃描結(jié)果

圖19 分析時(shí)窗選取位置(a)以及3種系統(tǒng)能量(b)和信噪比(c)分析結(jié)果

圖20 疊加剖面頻譜分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文概要介紹了研發(fā)的新型節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和采集性能,并與現(xiàn)有的有纜系統(tǒng)、商用節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)和采集試驗(yàn)對比,形成以下認(rèn)識。

1) 研發(fā)的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集到的資料與國際先進(jìn)的有纜系統(tǒng)、商用節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采集到的資料品質(zhì)一致,數(shù)據(jù)無明顯差異。

2) 與有纜系統(tǒng)相比,節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)能夠有效解決復(fù)雜山地環(huán)境對施工帶來的挑戰(zhàn),大幅節(jié)省用工人數(shù),提高施工效率,降低生產(chǎn)成本,減輕施工過程中的HSSE風(fēng)險(xiǎn)。

3) 在高信噪比地區(qū),內(nèi)置單支高靈敏度檢波器的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)可以替代外掛檢波器串的有纜系統(tǒng),獲取相同品質(zhì)的地震資料。同時(shí),有纜系統(tǒng)由于外接檢波器串組合犧牲了信號頻寬;節(jié)點(diǎn)使用單支檢波器采集資料高頻信號更為豐富。這一優(yōu)勢在“二寬一高”采集中,有利于提高地震資料分辨率和地震成像精度。

節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)目前已在國內(nèi)陸續(xù)推廣應(yīng)用。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)不僅可以克服復(fù)雜地表施工帶來的挑戰(zhàn),還為高密度、寬方位采集提供了低成本實(shí)現(xiàn)的可能。建議更進(jìn)一步的研究著眼于適應(yīng)節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)的施工方式、觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)連續(xù)采集帶來的大數(shù)據(jù)利用等方面。