甘志強(qiáng)，楊 晗，尹弋贊，郭俊超，高豐婉

(1.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司裝備服務(wù)處 河北 涿州 072751;2.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探分公司 四川 成都 610213)

0 引 言

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，深層油氣藏識(shí)別、油氣藏精細(xì)描述以及掌握剩余油氣資源分布已經(jīng)成為油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要研究對(duì)象，勘探條件日趨復(fù)雜，促進(jìn)以“兩寬一高”為特征的大規(guī)模高精度地震勘探方法推廣應(yīng)用，使得地震勘探作業(yè)進(jìn)入了大道數(shù)時(shí)代。地震勘探作為油氣勘探最為重要、有效的技術(shù)手段，能夠獲取地殼深部更為精細(xì)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和屬性，而作為地震勘探的核心裝備，地震儀器技術(shù)的實(shí)施效果，直接關(guān)系到物探采集資料的品質(zhì)、施工作業(yè)的效率和成本[1-3]。在高精度勘探的大背景下，惡劣的地表?xiàng)l件、復(fù)雜的地下構(gòu)造、復(fù)雜的儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間，對(duì)物探技術(shù)提出越來越高的要求，也為地震儀器高效作業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。

地震儀器的本質(zhì)功能是將動(dòng)態(tài)地震波轉(zhuǎn)換為靜態(tài)地震數(shù)據(jù)，在此過程中最為重要的是保持電信號(hào)幅度、頻率和相位特性恒定不變。自20世紀(jì)30年代第一代地震儀器誕生開始，迄今地震儀器已經(jīng)發(fā)展到第五代，不僅在系統(tǒng)帶道能力、工作方式、激發(fā)源管理、采集數(shù)據(jù)精度、響應(yīng)頻率范圍等方面有效滿足了地球物理勘探的需求，在排列管理、海量數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)等配套應(yīng)用技術(shù)方面也得到了長足的進(jìn)步。近年來，隨著衛(wèi)星授時(shí)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無線傳輸?shù)认嚓P(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，以“無纜”為主要特征的節(jié)點(diǎn)式地震儀器、無線地震儀器等用于解決地震勘探過程中某些特定問題的各類采集設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，在很大程度上提高了地震儀器對(duì)于大道數(shù)、復(fù)雜地表?xiàng)l件下地震勘探作業(yè)的適應(yīng)能力。需要強(qiáng)調(diào)的是，不同類型和結(jié)構(gòu)的地震儀器在野外應(yīng)用過程中都會(huì)表現(xiàn)出各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，比如有線儀器復(fù)雜地表穿越能力差、節(jié)點(diǎn)儀器不具備實(shí)時(shí)的噪音監(jiān)視、無線儀器續(xù)航時(shí)間短等問題。針對(duì)這些問題，本文從高精度地震勘探作業(yè)特征及需求出發(fā)，從工作原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用效果方面闡述了以北斗短報(bào)文通訊、衛(wèi)星定位、衛(wèi)星授時(shí)等為關(guān)鍵技術(shù)支撐的有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集、分布激發(fā)控制、自主激發(fā)控制等地震儀器創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)，并對(duì)這些新的作業(yè)技術(shù)進(jìn)行了分析和討論。

1 高精度地震勘探作業(yè)的難點(diǎn)及需求

高精度地震勘探的地質(zhì)目標(biāo)往往是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、埋藏較深、隱蔽性強(qiáng)的油氣構(gòu)造，對(duì)于采集資料的信噪比和分辨率有著更高的要求，由于地震波在地層中的傳播速度每秒高達(dá)數(shù)千米，只有確保布設(shè)在地面數(shù)萬甚至數(shù)十萬個(gè)采集通道完全同步工作(誤差在μs級(jí)以內(nèi))，才能有效地分辨埋深在幾千米之下的薄砂層(10 m級(jí))。在這樣的技術(shù)背景下，如何高質(zhì)量、高效率地完成野外地震數(shù)據(jù)采集任務(wù)，也就成為高精度勘探需要考慮的重點(diǎn)問題之一。目前，在實(shí)施高精度地震勘探作業(yè)的過程中，面臨的主要難題包括：

1)傳統(tǒng)有線儀器帶道能力有限，且由于電纜的束縛導(dǎo)致其在復(fù)雜地表環(huán)境很難實(shí)施大規(guī)模地震采集作業(yè)，限制了高精度物探采集施工設(shè)計(jì)方法的實(shí)施效果。另外，大規(guī)模采集作業(yè)時(shí)，海量設(shè)備的運(yùn)輸、收放、采集排列、供電保障等均將成為影響生產(chǎn)效率和采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素。

2)新近出現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)儀器雖在帶道和地表穿越能力方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但在排列狀態(tài)和采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控方面存在不足，存在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。大規(guī)模采集作業(yè)時(shí)，海量節(jié)點(diǎn)單元充電的工作量很大，且存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)據(jù)下載、合成等環(huán)節(jié)也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)交付滯后的問題。

3)傳統(tǒng)使用的源激發(fā)控制系統(tǒng)一般采用單個(gè)編碼器和多個(gè)譯碼器組成的架構(gòu)，由于支持譯碼器數(shù)量、無線通訊受限等多方面的原因，使其無法很好地適應(yīng)大規(guī)?；虺笠?guī)模的地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

地震勘探是地殼深部油氣探測(cè)的主要方法，而地震儀器是獲取高品質(zhì)勘探資料的關(guān)鍵。面向深層地震勘探開發(fā)過程中油氣藏精細(xì)描述的終極目標(biāo)，突出高效率、低成本、高精度，地震儀器需要具備超大道數(shù)采集能力、復(fù)雜環(huán)境或地表的適應(yīng)能力、更短的排列準(zhǔn)備時(shí)間以及低功耗、高可靠性和易于收放的優(yōu)良特點(diǎn)，同時(shí)能夠支持突破現(xiàn)有作業(yè)流程的創(chuàng)新采集施工作業(yè)方法。

2 地震儀器創(chuàng)新應(yīng)用方法

2.1 有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集

有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集通過對(duì)2種不同設(shè)計(jì)理念、不同工作方式采集設(shè)備的靈活應(yīng)用，能夠有效解決傳統(tǒng)有線儀器實(shí)時(shí)帶道能力有限、節(jié)點(diǎn)儀器無法進(jìn)行實(shí)時(shí)噪音監(jiān)視和工作狀態(tài)質(zhì)量控制等問題，能夠滿足大道數(shù)、高密度以及地表復(fù)雜區(qū)域采集對(duì)地震儀器的需求，可有效提升采集系統(tǒng)對(duì)大道數(shù)地震勘探作業(yè)的適應(yīng)能力。由于不同儀器廠家、不同型號(hào)的地震儀器會(huì)呈現(xiàn)出不同的技術(shù)特性，這種創(chuàng)新的地震儀器應(yīng)用方法要求參與聯(lián)合作業(yè)的節(jié)點(diǎn)和有線儀器系統(tǒng)能夠支持相同的采集參數(shù)，且系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)以及時(shí)間延遲特性應(yīng)一致，更為最要的是如何實(shí)現(xiàn)不同類型地震儀器的時(shí)間同步，這是獲取高品質(zhì)地震資料的基礎(chǔ)，也是能否開展有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集作業(yè)的必要的前提條件。

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)逐步應(yīng)用到地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)各環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的G3i、508XT、UniQ等有線設(shè)備均支持衛(wèi)星授時(shí)方式工作，而衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)本身就是節(jié)點(diǎn)儀器實(shí)現(xiàn)自主采集的核心技術(shù)。因此，可以選用衛(wèi)星授時(shí)作為關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集的精準(zhǔn)同步?；谛l(wèi)星授時(shí)的有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集作業(yè)工作流程如圖1所示[4-5]。

圖1 有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集作業(yè)工作流程

有線、節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集作業(yè)方式技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下:

1)充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)儀器無需布設(shè)電纜的優(yōu)點(diǎn)，可在人員密集區(qū)、高速公路、河流、無工農(nóng)許可等地震電纜不易布設(shè)區(qū)域彌補(bǔ)有線儀器實(shí)時(shí)帶道能力不足的缺陷，增強(qiáng)數(shù)據(jù)采集的完整性與靈活性，確保高精度地震勘探技術(shù)的應(yīng)用效果。

2)充分利用有線儀器環(huán)境噪音監(jiān)視的功能對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主要噪聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低采集過程中的環(huán)境干擾，確保采集數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3)由于節(jié)點(diǎn)儀器沒有電纜的束縛，使得聯(lián)合采集系統(tǒng)平均單道質(zhì)量較純有線方式輕，減少了放線工作量和排列用車的數(shù)量，降低了野外排列收放作業(yè)的工作量和施工作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，也給后勤保障減輕壓力。

2.2 自主激發(fā)控制

在地表?xiàng)l件特別復(fù)雜的環(huán)境下(比如高大山體、密林等)開展地震數(shù)據(jù)采集作業(yè)時(shí)，由于設(shè)備、人員以及通訊等方面的原因，會(huì)出現(xiàn)無法起爆炮點(diǎn)，或炮點(diǎn)起爆后質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)無法回傳，從而嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率，甚至導(dǎo)致了質(zhì)量事故的發(fā)生，成為高精度地震勘探技術(shù)在復(fù)雜區(qū)域大規(guī)模應(yīng)用迫切需要解決的問題之一。利用北斗短報(bào)文、時(shí)鐘保持、時(shí)間槽控制、衛(wèi)星授時(shí)、軌跡導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了地震數(shù)據(jù)采集和炮點(diǎn)激發(fā)的獨(dú)立同步作業(yè)，突破了山地、密林等常規(guī)作業(yè)方式受限區(qū)域的炮點(diǎn)高效激發(fā)的技術(shù)瓶頸，井炮施工作業(yè)效率提高30%以上[6-7]。北斗獨(dú)立激發(fā)系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 北斗獨(dú)立激發(fā)系統(tǒng)硬件組成圖

2.3 分布激發(fā)控制

隨著勘探規(guī)模的不斷增大，對(duì)炮點(diǎn)的激發(fā)效率提出了更高的要求，激發(fā)日效由原來的幾十或幾百炮，到目前的幾千炮，甚至更高。另外，激發(fā)點(diǎn)所在位置與儀器之間的距離，即炮點(diǎn)激發(fā)的控制距離也日趨增大。近些年來多個(gè)勘探項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)作情況表明，傳統(tǒng)采用中央主機(jī)集中式管理的激發(fā)控制架構(gòu)在面對(duì)超大規(guī)模地震勘探作業(yè)時(shí)，存在難以突破的質(zhì)量和效率瓶頸，難以滿足大道數(shù)作業(yè)的需求。地震儀器的發(fā)展歷程是由小道數(shù)到大道數(shù)，由集中式再到分布式，借鑒這一技術(shù)理念，以衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)引入一種分布激發(fā)控制的技術(shù)思路，縮短炮點(diǎn)激發(fā)控制所需的通訊距離，增加炮點(diǎn)激發(fā)控制的靈活性，實(shí)現(xiàn)炮點(diǎn)的更高效率激發(fā)控制，工作示意圖如圖3所示。

圖3 分布激發(fā)控制示意圖

分布激發(fā)控制器的硬件實(shí)物圖、控制終端軟件界面分別如圖4、圖5所示。施工作業(yè)時(shí)，分布激發(fā)控制器與源同步激發(fā)系統(tǒng)的編碼器連接，并向控制終端軟件轉(zhuǎn)發(fā)來自譯碼器的Ready消息，根據(jù)控制終端下發(fā)的啟爆指令控制譯碼器啟動(dòng)。需要提到的是，若來自譯碼器的Ready消息中包含位置信息，則可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)激發(fā)作業(yè)。

圖4 分布激發(fā)控制器硬件實(shí)物圖

圖5 分布激發(fā)控制終端軟件界面

3 應(yīng)用效果

有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集技術(shù)是滿足復(fù)雜探區(qū)(如山前帶、城鄉(xiāng)接合部)超大道數(shù)采集的關(guān)鍵支撐，能夠確保參與采集的地震道樣點(diǎn)同步精度達(dá)到10 μs級(jí)，且實(shí)際接收的道數(shù)可按需任意擴(kuò)展。該創(chuàng)新的勘探作業(yè)方式不僅利用了節(jié)點(diǎn)布設(shè)靈活、環(huán)保、輕便等特點(diǎn)，而且還利用了有線儀器可實(shí)時(shí)監(jiān)視環(huán)境噪聲等特點(diǎn)，擴(kuò)展接收能力的同時(shí)確保了數(shù)據(jù)質(zhì)量和施工效率。不同類型儀器采集數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6、圖7所示[8]。

圖6 不同類型儀器采集的炮集數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 不同類型儀器采集的數(shù)據(jù)剖面對(duì)比

自2017年在玉門窟窿山項(xiàng)目首次應(yīng)用以來，解決了青海紅山、北疆四棵樹、塔里木克深5、秋里塔格等30余個(gè)三維項(xiàng)目的高精度地震勘探難題，滿足了超大道數(shù)采集的需要。2020年上半年，在塔里木某三維項(xiàng)目應(yīng)用2種節(jié)點(diǎn)儀器、1種有線儀器進(jìn)行聯(lián)合采集作業(yè)，解決了該項(xiàng)目在山地、城鎮(zhèn)、井場(chǎng)、公路、河流等復(fù)雜地表?xiàng)l件下的高密度、高覆蓋次數(shù)的地震數(shù)據(jù)采集問題。

自主激發(fā)控制系統(tǒng)成功研發(fā)后就一直處于供不應(yīng)求狀態(tài)，目前已經(jīng)成為山地、叢林、溝壑等復(fù)雜探區(qū)的必配，已經(jīng)完成近20個(gè)勘探項(xiàng)目30余萬炮的井炮激發(fā)任務(wù)，典型的應(yīng)用案例是2017年6～8月在玉門探區(qū)某三維項(xiàng)目應(yīng)用了12套，創(chuàng)造了平均每天409炮、最高每天1 012炮的探區(qū)紀(jì)錄；2018年10～12月在青海探區(qū)某三維項(xiàng)目應(yīng)用了22套，創(chuàng)造了平均每天941炮、最高每天2 019炮的探區(qū)紀(jì)錄。

2020年10～11月，研制的分布激發(fā)控制器在長慶探區(qū)某三維勘探項(xiàng)目首次應(yīng)用，將工區(qū)內(nèi)同時(shí)工作的編碼器由一個(gè)變?yōu)槎鄠€(gè)，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)工作的譯碼器也達(dá)到了30臺(tái)以上，縮短了編碼器和譯碼器之間的距離，結(jié)合優(yōu)化的激發(fā)控制算法，大幅提高了該項(xiàng)目的井炮激發(fā)效率，取得了最高時(shí)效315炮，最高日效3 186炮的應(yīng)用效果。

4 分析與討論

隨著油氣勘探開發(fā)不斷深入，地表?xiàng)l件與地下構(gòu)造越來越復(fù)雜，勘探精度要求越來越高，如果要實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，必須依靠技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新。地震儀器是地球物理勘探最有效的工具之一，其技術(shù)性能和應(yīng)用效果直接關(guān)系到采集地震資料的品質(zhì)。面對(duì)20萬道級(jí)的地震數(shù)據(jù)采集規(guī)模，傳統(tǒng)地震儀器采用的有線儀器采集作業(yè)，單編碼器管理多個(gè)譯碼器的激發(fā)控制架構(gòu)已顯得捉襟見肘，無法很好地適應(yīng)高密度大道數(shù)地震數(shù)據(jù)采集的需求，在山地、叢林、城區(qū)等復(fù)雜地表區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯。

在地震數(shù)據(jù)采集方面，有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集技術(shù)已經(jīng)成為以“寬頻帶、寬方位、高密度”為特征的高精度勘探項(xiàng)目的最佳地震儀器采集作業(yè)應(yīng)用新方式，特別中國的地震勘探環(huán)境往往都是城鎮(zhèn)與農(nóng)田并存、山地與戈壁并存、現(xiàn)代交通與廠礦并存，更需要這種新型的采集作業(yè)方式。近些年來，為了更好地保障高精度地震勘探技術(shù)的實(shí)施效果，有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集已經(jīng)由最初的1種有線儀器和1種節(jié)點(diǎn)儀器聯(lián)合作業(yè)，逐步演變?yōu)?種有線儀器和2種甚至更多種的節(jié)點(diǎn)儀器聯(lián)合配合使用；在聯(lián)合采集作業(yè)時(shí)的有線儀器應(yīng)用方式也由1臺(tái)主機(jī)集中管理演變?yōu)?臺(tái)甚至更多的有線儀器主機(jī)分區(qū)管理。這些更加靈活的有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集方式已經(jīng)在塔里木佳木3、庫車北等三維項(xiàng)目得到了成功應(yīng)用。30余個(gè)勘探項(xiàng)目的成功應(yīng)用案例，有力證明了有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集技術(shù)是復(fù)雜探區(qū)實(shí)現(xiàn)超大道地震數(shù)據(jù)采集的重要支撐，在今后一段時(shí)間內(nèi)，該項(xiàng)采集方式會(huì)成為高精度地震勘探的重要依靠。

在炮點(diǎn)激發(fā)控制方面，本文提出的自主激發(fā)控制和分布激發(fā)控制的源激發(fā)作業(yè)新方法和配套裝置能夠很好地解決傳統(tǒng)依賴無線通訊和單編碼器集中管控進(jìn)行炮點(diǎn)激發(fā)控制帶來的效率和質(zhì)量瓶頸，從而更好地滿足高精度地震勘探的需求。自主激發(fā)控制方式借助衛(wèi)星授時(shí)、時(shí)鐘保持、時(shí)間槽控制以及北斗遠(yuǎn)程啟?？刂频汝P(guān)鍵技術(shù)，通過改變傳統(tǒng)激發(fā)作業(yè)流程的方式，徹底解決山地、密林等電臺(tái)通訊受限區(qū)域的炮點(diǎn)高效激發(fā)問題；分布激發(fā)控制方式借助衛(wèi)星授時(shí)、少量的必要信息交互，縮短了源激發(fā)控制系統(tǒng)編碼器、譯碼器之間的距離，并以多組管理的方式擴(kuò)展了激發(fā)控制譯碼器數(shù)量的上限，提升了傳統(tǒng)源激發(fā)設(shè)備對(duì)于大規(guī)模地震勘探作業(yè)的適應(yīng)能力，特別適合用于通訊條件較好區(qū)域的炮點(diǎn)分組高效激發(fā)作業(yè)。

5 結(jié) 論

地質(zhì)勘探要求的不斷提高,地震勘探逐漸轉(zhuǎn)向精細(xì)構(gòu)造勘探。高精度地震勘探技術(shù)是解決深層油氣藏和復(fù)雜構(gòu)造油氣藏識(shí)別的有效方法，必將成為推動(dòng)國內(nèi)油氣儲(chǔ)量又一次大幅增長的主要技術(shù)手段。相比于以往使用的地震勘探方法，高精度地震勘探對(duì)地震儀器的技術(shù)性能和應(yīng)用效果提出了更高的要求，包括采集設(shè)備的復(fù)雜地表穿越能力、最大同時(shí)采集通道數(shù)，以及源激發(fā)控制設(shè)備最大同時(shí)工作譯碼器數(shù)量、無線通訊距離等。本文從高精度地震勘探作業(yè)的難點(diǎn)和需求出發(fā)，從技術(shù)原理、工程應(yīng)用效果角度出發(fā)對(duì)有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集、自主激發(fā)控制、分布激發(fā)控制等地震儀器技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用方法進(jìn)行了闡述、分析和討論，得到如下結(jié)論：

1)有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集通過集合不同類型地震儀器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決有線儀器實(shí)時(shí)帶道能力有限，以及節(jié)點(diǎn)儀器無法進(jìn)行實(shí)時(shí)噪音監(jiān)視和工作狀態(tài)質(zhì)量控制等問題，提升高精度地震勘探技術(shù)的實(shí)施效果，適合用于地表?xiàng)l件復(fù)雜、無線通訊條件差的探區(qū)施工作業(yè)。

2)自主激發(fā)控制作業(yè)模式通過使用衛(wèi)星授時(shí)、時(shí)鐘保持、時(shí)間槽控制以及北斗遠(yuǎn)程啟?？刂频汝P(guān)鍵技術(shù)，使得數(shù)據(jù)采集和炮點(diǎn)激發(fā)環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，突破了山地、密林等區(qū)域由于無線通訊受限而帶來的效率和質(zhì)量瓶頸。

3)分布激發(fā)控制作業(yè)模式通過借助衛(wèi)星授時(shí)和少量的必要信息交互的方式，改變了傳統(tǒng)使用的單編碼器集中管控的源激發(fā)作業(yè)方式，適合用于通訊條件較困難區(qū)域的大規(guī)模地震勘探作業(yè)。

油氣資源勘探的突破性進(jìn)展，必須依靠技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新。有線和節(jié)點(diǎn)聯(lián)合采集、自主激發(fā)控制、分布激發(fā)控制等地震儀器技術(shù)創(chuàng)新成果能夠很好地解決高精度地震勘探過程中的技術(shù)難題，提升采集地震資料的品質(zhì)，可為今后超大規(guī)模地震勘探作業(yè)提供技術(shù)參考。