王玉偉,王銘義,徐文瑞,郭 勇,羅亮遠

(1.中國石油新疆油田分公司勘探事業(yè)部,新疆克拉瑪依 834000;2.中國石油東方地球物理公司新疆物探處,新疆烏魯木齊 830016;3.中油勘探監(jiān)理涿州有限責(zé)任公司,河北涿州 072751)

傳統(tǒng)有線地震采集技術(shù)發(fā)展至今[1-3],形成了“高密度觀測+可控震源高效采集”的有線儀器地震采集技術(shù),該技術(shù)在國內(nèi)各個探區(qū)均得到廣泛的應(yīng)用并取得較好效果[4-5]。隨著勘探不斷深入,地質(zhì)需求越來越高。地質(zhì)目標向深、隱、薄等非常規(guī)發(fā)展[6],高精度地震勘探成為解決這些地質(zhì)難題的最有效手段,但高精度地震勘探需要更高覆蓋次數(shù)和覆蓋密度的資料?；谟芯€的地震儀器已經(jīng)無法滿足超高密度地震觀測、高效采集、低成本勘探需求[7]。在實際生產(chǎn)中存在以下技術(shù)問題。①復(fù)雜地表無法布設(shè)檢波點影響資料品質(zhì)問題,復(fù)雜城區(qū)、劇烈起伏山地和溝壑等工區(qū)內(nèi)大線布設(shè)困難尤為突出。②在線的檢波器越多排列越不穩(wěn)定,斷排列的概率越大,嚴重影響采集效率;只要其中一個排列中斷,就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法采集,如準噶爾盆地三維地震項目最大投入道數(shù)達10×104道,排列中斷問題嚴重影響施工效率和采集效果。③電瓶供電問題影響排列穩(wěn)定,尤其在準噶爾盆地,冬季是采集的黃金季節(jié),面對零下三十多度低溫,此問題尤為突出。④高密度采集因成本高而無法實施問題。準噶爾盆地覆蓋密度逐年增加20%～30%,到2020年覆蓋密度近500×104炮道/km2,資料品質(zhì)得到較大提升,但是地震采集投資成本在“十三五”期間基本維持原狀,隨著覆蓋密度進一步增加,采集投資與野外采集成本的矛盾愈發(fā)突出[8]。

為解決這些難題,引入無線節(jié)點儀器,開展了無線節(jié)點實施技術(shù)研究,形成了基于無線節(jié)點采集的技術(shù)流程,并對比了有線與無線儀器的操作流程、人員配備和效率分析等方面的優(yōu)劣勢,為新技術(shù)應(yīng)用和儀器選擇提供參考。為使節(jié)點采集效率發(fā)揮最優(yōu),采用VPM可控震源管理系統(tǒng),克服了可控震源質(zhì)控指標無法回傳和信號遮擋影響采集的問題,降低了重震率和儀器等待時間。與此同時還對無線節(jié)點質(zhì)控技術(shù)進行了相關(guān)研究,提出了一種基于共檢波點道集的相對實時質(zhì)控方法,極大地提高了質(zhì)控效率。

1 無線節(jié)點采集技術(shù)

無線節(jié)點從根本上改變了采集儀器設(shè)計思路,有線儀器系統(tǒng)為集中存儲,需要有大容量的數(shù)據(jù)傳輸能力,無線節(jié)點去掉了有線傳輸?shù)沫h(huán)節(jié),為單獨存儲,從而導(dǎo)致野外實施流程、高效采集技術(shù)和質(zhì)控技術(shù)發(fā)生了變化。經(jīng)過不斷的野外實踐,形成了野外無線節(jié)點高效作業(yè)技術(shù)、實時質(zhì)控技術(shù)和VPM高效采集技術(shù),有力保障了野外無線節(jié)點在高密度采集中的實施能力。

1.1 無線節(jié)點儀器

無線節(jié)點儀器是為每一個接收點配備的一套獨立采集設(shè)備,包括檢波器、采集站、電源設(shè)備和GPS設(shè)備等。檢波器接收地面震動信號,傳到采集站進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,GPS設(shè)備負責(zé)確定地面位置和實時獲取準確的GPS時刻,電源負責(zé)為其它部位供應(yīng)電能。節(jié)點之間互為獨立個體,互不影響。按照檢波器與采集站是否一體,可以將節(jié)點分為一體式節(jié)點(圖1)和分離式節(jié)點(圖2)兩種類型。一體式節(jié)點將檢波器集成在節(jié)點儀上,尾椎位于節(jié)點下方,該種節(jié)點構(gòu)造簡單、操作便利,是常見節(jié)點,例如eseis節(jié)點[9]、SmartSolo節(jié)點[10]、Quantum節(jié)點[11]等。相較于一體式節(jié)點,分離式節(jié)點結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,一般是檢波器獨立安置,從節(jié)點儀引出2個接頭,其中一個接頭接檢波器,另外一個接頭接電源,分離式節(jié)點可以根據(jù)需要選擇合適的檢波器類型,雖然該節(jié)點系統(tǒng)比一體式便捷性差,但是可以滿足野外采集個性化需求。例如,在外界干擾大的區(qū)域可以選擇串檢波器連接節(jié)點儀。圖2所示的Hawk儀器[12]為典型的分離式節(jié)點儀。眾多的節(jié)點設(shè)備按要求布設(shè)在野外,構(gòu)成節(jié)點采集系統(tǒng),一般節(jié)點在野外可以連續(xù)采集30d以上。

圖1 一體式節(jié)點

圖2 分離式節(jié)點(Hawk儀器)

1.2 無線節(jié)點野外實施技術(shù)

無線節(jié)點因為獨立的采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu),在野外生產(chǎn)時與有線儀器施工存在巨大的差異。按照野外施工順序,可以細分為:采集前檢測、野外布設(shè)及質(zhì)控參數(shù)(QC)回收、巡檢及QC回收、節(jié)點回收及數(shù)據(jù)下載合成等施工流程。以下圍繞節(jié)點野外實施流程,重點討論其與有線儀器在實施過程中的差異,為野外地震實施時合理進行資源配置、提速增效等方面提供參考。

1.2.1 采集前檢測

采集前檢測也稱為年檢,與有線儀器年檢目的類似,確保用于野外生產(chǎn)的采集設(shè)備處于完好狀態(tài)。年檢測試主要包括儀器和檢波器測試,其中檢波器測試包括極性測試[13]和基本參數(shù)測試?；緟?shù)測試一般包括自然頻率、直流電阻和絕緣電阻等參數(shù),與常規(guī)有線測試一致,本文不做討論。本節(jié)主要討論儀器年檢和極性測試,流程如圖3和圖4所示。年檢測試將所有節(jié)點拆卸,將主機插入機柜寫入采樣率、前放增益、濾波方式,設(shè)置合理的自檢時間,并核對相關(guān)參數(shù),同時將拆卸的電池進行充電。極性測試前將腳本文件載入節(jié)點存儲,選擇一塊空地,插置節(jié)點,掃碼后進行測試,最后合成數(shù)據(jù),檢查極性特征。

圖3 節(jié)點年檢流程

圖4 極性測試流程

相對有線儀器,無線節(jié)點年檢測試和極性測試工序較為繁瑣,工作量大,需要投入2～3倍的人力才能滿足測試需求,但是前期工作做好,施工中一般不會出現(xiàn)儀器故障導(dǎo)致生產(chǎn)質(zhì)量問題和影響生產(chǎn)效率問題。

1.2.2 野外布設(shè)及質(zhì)控參數(shù)(QC)回收

無線節(jié)點野外布設(shè)相當(dāng)于有線儀器的檢波器埋置及大線電瓶、交叉站連接的工序。施工流程存在較大差異,無線節(jié)點布設(shè)相對簡單,沒有連接大線、交叉站、電瓶等工序,只需將檢波器埋置好并進行激活。

QC回收相當(dāng)于有線儀器的查大排列工序。QC回收與野外布設(shè)工序連貫,需要利用APP軟件掃碼讀取相關(guān)參數(shù),并且查看指示燈是否指示正常工作狀態(tài)。整體而言,無線儀器QC回收過程省事、省力,QC回收與埋置檢波器為同一人,無需增加人員。有線儀器查大排列時間長且過程中容易出現(xiàn)多輪次的查線,導(dǎo)致嚴重占用采集時間,影響施工效率。據(jù)統(tǒng)計,有線儀器采集方式因為查排列問題,導(dǎo)致第一個大排列周期(10d左右)為低效期。無線節(jié)點儀器效率的提升主要是由于過程中無復(fù)雜的查大排列過程,擺放結(jié)束后節(jié)點正常即可進入高效生產(chǎn),贏得大量生產(chǎn)時間。野外布設(shè)及QC回收流程見圖5。

圖5 野外布設(shè)及QC回收流程

1.2.3 巡檢及QC回收

無線節(jié)點巡檢主要是查看節(jié)點是否丟失、儀器是否正常工作及電池電量是否夠用等,相當(dāng)于有線儀器過程中查排列工序,具體流程如圖6所示。巡檢不影響采集,不存在傳統(tǒng)斷排列問題,只要激發(fā)條件具備,基本可以實現(xiàn)24h連續(xù)有效采集。

圖6 巡檢及QC回收流程

1.2.4 節(jié)點回收及數(shù)據(jù)下載合成

有線儀器地震數(shù)據(jù)合成在采集后數(shù)秒內(nèi)完成,而節(jié)點采集需要增加節(jié)點回收和數(shù)據(jù)下載工序。節(jié)點回收后擺到下個排列之前要將設(shè)備匯集到指定地點逐個進行拆卸,數(shù)據(jù)下載,電池充電,檢查設(shè)備是否完好,數(shù)據(jù)是否齊全,并下載所有地震數(shù)據(jù),具體流程如圖7所示。該工序施工中占用了部分備份資源,經(jīng)驗表明,節(jié)點儀器需要的備份線是有線儀器的兩倍左右。

圖7 數(shù)據(jù)下載合成流程

綜上分析,有線儀器與無線節(jié)點施工存在較大差異。表1為無線節(jié)點儀器與有線儀器施工工序?qū)Ρ?。從?中的對比可以看出,在工序上,無線節(jié)點儀器的工序多于有線儀器。無線儀器少了布大線和電瓶、查排列的工序,多了回收數(shù)據(jù)、充電、合成數(shù)據(jù)等工序。

表1 無線節(jié)點儀器與有線儀器施工工序?qū)Ρ?/p>

表2為無線儀器與有線儀器人員設(shè)備投入對比。以準噶爾盆地某工區(qū)為例,滿覆蓋面積670km2,投入節(jié)點儀器56000臺。施工同一個項目,測算的無線節(jié)點投入人員與有線儀器(單只)基本相當(dāng)。但是投入設(shè)備車輛稍多于有線,分析主要原因是將無線節(jié)點拉回基地進行數(shù)據(jù)下載工序增加設(shè)備車輛。由于無線節(jié)點施工效率得到極大提高,按照車輛的投入天數(shù)算,無線節(jié)點采集投入設(shè)備車輛(臺×天)明顯低于有線儀器。

表2 無線節(jié)點儀器與有線儀器人員設(shè)備投入對比

1.3 無線節(jié)點質(zhì)控技術(shù)

目前行業(yè)內(nèi)針對無線節(jié)點的質(zhì)控,主要是利用回收QC對基本儀器參數(shù)進行質(zhì)控,但是在合成單炮數(shù)據(jù)前無法完成對地震數(shù)據(jù)的質(zhì)控,本文在常規(guī)質(zhì)控的基礎(chǔ)上,提出了一種基于共檢波點道集相對實時質(zhì)控方法,在合成共炮集的復(fù)雜工序之前,完成地震數(shù)據(jù)的質(zhì)控,比傳統(tǒng)共炮點質(zhì)控方法提前5～6d。

方法原理是在共檢波點道集中,每1道代表1炮,通過監(jiān)控道的能量、初至等方式達到監(jiān)控單炮的目的。

實施步驟為:

1) 抽取共檢波點道集。為了達到監(jiān)控要素全面、監(jiān)控單炮齊全,抽取的道集需要涵蓋所有的單炮,通常采用的規(guī)則為等距離抽取,相鄰道集之間允許一定的炮點樁號重復(fù),間隔為3km抽取一個道集,能夠滿足所有炮點監(jiān)控需求。

2) 道集靜校正。共檢波點道集按偏移距排序,由于受近地表影響,初至?xí)r間不符合漸變規(guī)律,具體表現(xiàn)為初至?xí)r間偏小或者偏大,與真正初至異常炮表現(xiàn)特征一致,嚴重干擾初至的判斷,因此需要對道集進行靜校正處理,消除近地表影響。

3) 線性動校正。對共檢波點道集按偏移距排序,選取合理速度進行動校正,形成共檢波點動校正道集,拾取每道道集的初至,并計算每道的均方根能量。

4) 道集質(zhì)控。通過查看道集基本面貌或查看初至圖及能量圖可以快速發(fā)現(xiàn)異常炮。

如圖8所示,從共檢波點線性動校正道集上可以發(fā)現(xiàn)部分初至存在異常(紅色箭頭),從圖9可以看出,初至差異為50ms左右,原因為某臺震源授時出現(xiàn)異常?；谠摲椒梢员O(jiān)控因合成數(shù)據(jù)過程或者可控震源出現(xiàn)激發(fā)問題而導(dǎo)致的單炮異常問題,比炮集監(jiān)控提前5～6d。

圖8 異常炮道集

1.4 VPM技術(shù)

目前可控震源控制系統(tǒng)主要有VIBPRO控制系統(tǒng)和VE464控制系統(tǒng),都是基于12.5kHz窄帶數(shù)字電臺進行儀器與震源間的數(shù)據(jù)通訊和傳輸,儀器通過電臺發(fā)啟動指令,震源電臺接收指令振動掃描,掃描結(jié)束后通過電臺將震源掃描狀態(tài)(PSS報告)發(fā)回儀器。由于是窄帶電臺進行數(shù)據(jù)通訊,數(shù)字電臺的通訊距離一般為10～15km,因而“兩寬一高”生產(chǎn)方法受到制約。節(jié)點儀器的使用為地震采集提供了更多有效采集時間,當(dāng)控制系統(tǒng)不能滿足需求時,野外生產(chǎn)效率將大打折扣。

圖9 線性動校正初至檢查

VPM系統(tǒng)是一種利用基于4G網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)格(MESH)網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)可控震源激發(fā)控制技術(shù),是集成源驅(qū)動、高效采集(滑動、動態(tài)滑動掃描、超高效混疊采集)、4G網(wǎng)絡(luò)激發(fā)控制、無信號區(qū)采用無線MESH網(wǎng)絡(luò)的施工新技術(shù)系統(tǒng)。可實現(xiàn)快速部署,易于安裝,高帶寬的特性,使得實時質(zhì)量控制內(nèi)容更加豐富,支持無樁號施工,遠程任務(wù)分發(fā),軌跡遠程更新等功能。如圖10所示,當(dāng)可控震源B無法與儀器車通訊時,通過VPM技術(shù)可以實現(xiàn)3種方式與儀器車通訊:①通過MESH電臺將可控震源A與可控震源B連接起來,實現(xiàn)實時通訊;②當(dāng)可控震源A無法與可控震源B連接時,可以通過MESH電臺中繼,同樣可以實現(xiàn)震源B與儀器車通訊;③通過4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可控震源B與儀器車通訊。該可控震源激發(fā)控制技術(shù)實現(xiàn)了無死角施工。

圖10 VPM技術(shù)示意

在野外實施過程中,在沙漠外圍信號優(yōu)良的地方,優(yōu)先使用4G網(wǎng),局部城區(qū)等受到障礙物影響時需要提前根據(jù)實際情況,選擇合理的位置布設(shè)中繼電臺,做到信號不被遮擋。在沙漠腹部等無信號區(qū)域,建議采用自組網(wǎng)模式,局部采用中繼電臺。如果架設(shè)了固定中繼電臺,仍然無法保證信號傳輸,那么在自組網(wǎng)模式下就需要架設(shè)流動電臺來保證信號傳輸。實際上流動中繼電臺就是在卡車上架設(shè)一套MESH電臺,根據(jù)拓撲圖實時信號強度來輔助震源傳輸信號。

該技術(shù)主要解決兩個野外技術(shù)問題:①通過4G網(wǎng)絡(luò)或者震源間的MESH自組網(wǎng)解決了遠距離或者障礙物遮擋導(dǎo)致震源與儀器無法通訊問題,因信號差而無法采集的比例炮由0.2%降低到0,極大提高生產(chǎn)效率;②實現(xiàn)了可控震源質(zhì)控報告及時回傳,降低了3%左右的補炮率。該技術(shù)與無線節(jié)點采集完美結(jié)合,推動了采集效率的進一步提升。

2 應(yīng)用實例及效果

2.1 采集效果

無線節(jié)點采集將繁瑣的工序放在采集前年檢和采集后的下載合成數(shù)據(jù)方面,沒有有線儀器采集時查大排列和排列中斷等問題,采集工序除了每天固定時間自檢外,其它時間實現(xiàn)了不間斷采集,配合可控震源高效采集技術(shù)以及最新的VPM可控震源管理技術(shù),采集效率得到了明顯提升,理論上采集效率提高了50%以上。以準噶爾盆地某三維項目為例,75d采集時間,平均日效達到6930炮,去除疫情影響3d沒有采集外,可見平均日效達7200炮(圖11)。以往該類地表采集平均日效為4200炮,可見平均日效提高達76%(圖12)。

圖11 某三維項目采集日效統(tǒng)計

圖12 無線節(jié)點儀器與有線儀器采集日效對比

2.2 資料成像效果

1) JMSE頁巖油勘探三維項目。目的層埋深為3000～4500m,目標層厚度5m左右,地表主要為農(nóng)田、戈壁。以往資料無法滿足由于指導(dǎo)油田水平井精確鉆遇目標層的需求,地震資料表現(xiàn)為頻帶窄、空間和時間上分辨率均較低的特征。為此部署了超高密度三維地震,觀測系統(tǒng)為30L(2×6)S444R;面元為12.5m×12.5m;縱向排列方式為5537.5-12.5-25-12.5-5537.5;接收線距為150m;激發(fā)線距為150m。雙邊放炮方式采集,接收道數(shù)為13320道。覆蓋次數(shù)為1110次;炮道密度為960×104道/km2。覆蓋密度比以前增加近100%,但是投資成本并沒有發(fā)生變化,采用常規(guī)的有線儀器采集,無法支撐日效保障,存在嚴重的成本不足問題。為此,采用無線節(jié)點采集,投入節(jié)點56000道,實施時應(yīng)用VPM地震采集技術(shù)和動態(tài)滑動掃描技術(shù),日效得到大幅度提升,極大降低了采集成本。

圖13為新采集三維(可控震源激發(fā)、炮道密度為960×104道/km2)和老三維(井炮激發(fā)、炮道密度為77.4×104道/km2)疊前時間偏移剖面。從面貌上看,新采集三維地震同相軸更多,分辨率更高;從頻寬可以看出,新資料高頻提高12Hz,主頻提升7Hz。上甜點分辨率提升的同時,下甜點地震成像發(fā)生了“從無到有”的變化。根據(jù)新三維地震資料,消除了假斷裂,目的層描述精度大幅提升,在4000m垂深、1800m長水平段,針對2m薄油層鉆井靶區(qū)鉆遇率由56%提高到92%(圖14)。

上述結(jié)果充分證實,在機同成本條件下,采用“高密度觀測+VPM+可控震源高效采集”無線節(jié)點地震采集技術(shù),可以提升中淺層分辨率,獲得的地震資料有助于提升水平井鉆遇率,為國內(nèi)外頁巖油勘探開發(fā)提供良好借鑒。

2) 南緣SKS三維地震采集,以深層構(gòu)造成像為地質(zhì)任務(wù)。目的層埋深大于6000m,地表主要為山地、戈壁、河谷、農(nóng)田等。以往資料隱伏帶斷裂刻畫不清,構(gòu)造樣式具有多解性,地震資料表現(xiàn)為信噪比低、偏移畫弧嚴重,斷裂刻畫不清楚。GT1井發(fā)現(xiàn)后,部署了高密度三維地震數(shù)據(jù)采集。觀測系統(tǒng)為40L4S560R;面元為12.5m×25.0m;縱向排列方式為6987.5-12.5-25-12.5-6987.5;接收線距為200m;激發(fā)線距為250m。接收道數(shù)為22400道。覆蓋次數(shù)為560次;炮道密度為239×104道/km2。根據(jù)地形和設(shè)備資源情況,采用有線儀器和無線節(jié)點聯(lián)合采集方式,投入節(jié)點16000道、有線60000道,實施時應(yīng)用動態(tài)滑動掃描技術(shù)和有線無線聯(lián)合采集技術(shù)和井震聯(lián)合激發(fā)等技術(shù)。

圖14 老(a)、新(b)采集資料指導(dǎo)鉆井效果對比

通過該項目的采集,主要取得了以下成果。

1) 通過新采集模式的應(yīng)用,有效解決了河床、溝壑和高大山體區(qū)的施工困難問題,最終避免了以往存在的資料缺口問題,確保了地震資料質(zhì)量。如圖15所示,在紅色框內(nèi)由于大沖溝影響,采用無線有線采集技術(shù)無法在河道布設(shè)檢波點,以往均采用空道方式,本次采用無線節(jié)點布設(shè),彌補了淺層的資料,提高了淺層礫巖成像效果。

圖15 淺層采集效果對比a 去除河道節(jié)點剖面; b 含河道節(jié)點剖面

2) 圖16為以往二維(井炮激發(fā)、覆蓋次數(shù)120次)疊前時間偏移剖面和新采集三維疊前時間偏移剖面(可控震源激發(fā)、覆蓋次數(shù)560次)對比,可見新采集剖面上深層構(gòu)造成像得到明顯提升,構(gòu)造特征清楚,斷裂特征清晰。主要由于采用高密度采集技術(shù),增加了空間采樣密度;利用可控震源低頻激發(fā),提升了深層反射能量;采用無線節(jié)點和有線儀器混采,降低了空道,使淺層低速礫巖和高速礫巖界面得到成像。

圖16 以往二維疊前時間偏移剖面(a)與新三維采集剖面(b)對比

3 認識與結(jié)論

1) 無線節(jié)點施工工序與有線儀器存在較大差異,但是人力投入上基本相當(dāng),車輛投入稍多于有線儀器,無線節(jié)點儀器備份節(jié)點數(shù)2倍于有線儀器備份道數(shù)。無線節(jié)點采集時布設(shè)排列快,建立排列迅速,采集過程不間斷,采集效率相對有線采集提升了50%以上,進一步拓寬了覆蓋密度的提升空間,實現(xiàn)了在同等成本條件下資料品質(zhì)的提升。

2) 無線節(jié)點聯(lián)合VPM技術(shù)在復(fù)雜地表如山地、城區(qū)等,作用明顯,極大地提高了野外采集效率。

無論是采集道數(shù)還是排列長度,無線節(jié)點采集方式都可以無限擴容,這是目前高密度采集最實用的地震勘探模式,該地震采集技術(shù)是一種可以提升中淺層分辨率和深層構(gòu)造成像的最新地震采集技術(shù),推廣應(yīng)用前景廣闊。但是存在以下不足:①節(jié)點丟失后難以尋回,易造成數(shù)據(jù)丟失和設(shè)備損失,在節(jié)點丟失跟蹤方面應(yīng)繼續(xù)加大研發(fā);②當(dāng)前節(jié)點采集沒有很好的實時質(zhì)控方法,出現(xiàn)質(zhì)量問題,將很難彌補。需要在實時控制方面加大研究力度,形成一套實時質(zhì)控方法和標準。