聶明濤，葉朋朋，魏鐵，郭善力，張超，賀立永

(1.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司，河北涿州 072750; 2.中國(guó)石油大學(xué)地球物理學(xué)院，北京 102249)

0 引言

無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)儀器是近年來(lái)興起的地震采集儀器，以其靈活的施工方式和穩(wěn)定的連續(xù)記錄能力受到業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可，在近幾年的地震勘探項(xiàng)目中已占據(jù)半壁江山。節(jié)點(diǎn)儀器因?yàn)榈篱g無(wú)需電纜連接而更適用于城區(qū)等復(fù)雜地表施工的特點(diǎn)，這也是它的最大缺點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)儀器一般都是不能實(shí)時(shí)回傳排列信息和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的“盲采”[1-3]。

WTU-508是法國(guó)Sercel公司于2017年發(fā)布的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)儀器，可以與428、508等有線(xiàn)儀器配合使用。與其他節(jié)點(diǎn)儀器最大的差別是能夠?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)質(zhì)控，受到業(yè)界用戶(hù)的廣泛關(guān)注。

由于節(jié)點(diǎn)儀器與傳統(tǒng)有線(xiàn)儀器所具有的不同優(yōu)勢(shì)，在同一地震勘探項(xiàng)目中同時(shí)使用兩種地震儀器進(jìn)行施工互補(bǔ)的項(xiàng)目越來(lái)越多。2019年阿聯(lián)酋兩支超級(jí)地震隊(duì)分別配備80 000道Sercel 428XL-G和100 000道508XT有線(xiàn)儀器施工，同時(shí)配備了8000道WTU-508用于在城區(qū)、農(nóng)場(chǎng)等受限區(qū)域施工，彌補(bǔ)有線(xiàn)采集設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境限制。

1 WTU介紹

1.1 硬件介紹

WTU節(jié)點(diǎn)儀器是一種獨(dú)立的地震數(shù)據(jù)記錄單元，內(nèi)置24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡、供電鋰電池、GPS授時(shí)模塊，如圖1(a)所示；圖1(b)DH(Data Harvesters)是數(shù)據(jù)回收設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)設(shè)備的QC和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)回收功能；圖1(c)是WTU充電和數(shù)據(jù)下載的交換設(shè)備；圖1(d)DCM(Data Completion Manager)是節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)管理中心，主要包含一臺(tái)服務(wù)器和用戶(hù)許可，可完成采集數(shù)據(jù)的下載和分選輸出；圖1(e)APU(Access Point Unit)是進(jìn)行無(wú)線(xiàn)接入單元；圖1(f)PFT(Portable Field Terminal)是便攜式野外終端[4-5]。

圖1 WTU節(jié)點(diǎn)主要硬件設(shè)備[4]

表1 WTU基本參數(shù)表[4]

1.2 作業(yè)流程介紹

1.2.1 設(shè)置采集參數(shù)

DCM通過(guò)APU實(shí)現(xiàn)對(duì)WTU采集參數(shù)的設(shè)置，主要包括前放增益、采樣率、濾波類(lèi)型等參數(shù)，同時(shí)還可以設(shè)置每日自檢測(cè)試項(xiàng)目、采集時(shí)間、WIFI、Pathfinder、GNSS、Tilt測(cè)試模型等參數(shù)。如圖2、圖3所示。

圖2 采集參數(shù)設(shè)置

圖3 日檢測(cè)試項(xiàng)目及測(cè)試時(shí)間

1.2.2 野外站體布設(shè)

在野外站體布設(shè)過(guò)程中，使用PFT依次掃描節(jié)點(diǎn)編號(hào)，形成放線(xiàn)報(bào)告，主要信息是站體序列號(hào)與WTU實(shí)際野外工作檢波點(diǎn)樁號(hào)匹配。

1.2.3 過(guò)程QC數(shù)據(jù)回收

野外生產(chǎn)采集過(guò)程中，使用DH通過(guò)APU進(jìn)行無(wú)線(xiàn)QC數(shù)據(jù)和當(dāng)日生產(chǎn)數(shù)據(jù)的回收，這就是WTU節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)排列實(shí)時(shí)質(zhì)控的XT-Pathfinder技術(shù)。由于回收數(shù)據(jù)能耗較高，一般不使用無(wú)線(xiàn)模式進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)回收。使用DH回收QC數(shù)據(jù)的同時(shí)也可以獲得WTU布設(shè)位置與檢波點(diǎn)樁號(hào)的匹配，用于后續(xù)數(shù)據(jù)下載合成過(guò)程中的數(shù)據(jù)匹配，所以DH能夠互補(bǔ)使用PFT進(jìn)行站體布設(shè)，在地形相對(duì)通訊較好的情況下，可以省去使用PFT進(jìn)行站體布設(shè)[6]。

在布設(shè)完成后，使用DH設(shè)備在WTU排列附近，打開(kāi)Filed monitor軟件，會(huì)看到附近的WTU，將其中一個(gè)WTU設(shè)置為Gateway后就能看到測(cè)線(xiàn)上布設(shè)的所有WTU系列號(hào)和QC狀態(tài)。在線(xiàn)QC數(shù)據(jù)回收可獲得電池電量、檢波器狀態(tài)、存儲(chǔ)狀態(tài)、GPS狀態(tài)、環(huán)境噪聲等信息。WTU節(jié)點(diǎn)基于XT-Pathfinder技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)質(zhì)控，野外排列布設(shè)過(guò)程中要求WTU之間最大距離不超過(guò)100 m，節(jié)點(diǎn)站體之間不能有明顯遮擋，當(dāng)檢波線(xiàn)距離大于100 m時(shí)，需要設(shè)置一些中轉(zhuǎn)站體(WTU Repeater)布設(shè)在檢波線(xiàn)之間，保證任意一個(gè)WTU站體至少有一條暢通的傳輸路徑可以將QC信息傳達(dá)到DH或者DCM，如圖4所示。由于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程地表的復(fù)雜性，很難一次性獲得所有在線(xiàn)WTU的信息，可以通過(guò)更換DH回收信息位置獲得所有在線(xiàn)設(shè)備信息。

圖4 XT-Pathfinder技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)質(zhì)控[6]

1.2.4 數(shù)據(jù)下載與合成

鋪設(shè)在排列上的WTU隨排列滾動(dòng)，完成對(duì)應(yīng)檢波點(diǎn)采集任務(wù)后，收回營(yíng)地進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)下載與充電工作。通常下載充電設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間取決于WTU線(xiàn)上工作天數(shù)，一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于充電時(shí)間。就單個(gè)WTU來(lái)說(shuō)，滿(mǎn)內(nèi)存30天，每天24小時(shí)2 ms采樣率的數(shù)據(jù)，傳輸時(shí)間在15 min左右。

DCM可輸出微地震數(shù)據(jù)、相關(guān)和未相關(guān)炮集數(shù)據(jù)，包含1.0、2.1和3.0三個(gè)版本。數(shù)據(jù)分選時(shí)，輸入除原始采集數(shù)據(jù)外，還需SPS和包含炮點(diǎn)樁號(hào)、坐標(biāo)、激發(fā)TB等信息的炮點(diǎn)信息表，如果是可控震源激發(fā)資料還需要提供相關(guān)參考信號(hào)SEGD文件。圖5是WTU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下載充電設(shè)備。

圖5 WTU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下載充電設(shè)備

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 項(xiàng)目基本信息

BGP公司2019年開(kāi)始承擔(dān)的某超大三維地震勘探項(xiàng)目，總炮數(shù)736萬(wàn)炮，施工面積1.1萬(wàn)平方公里，工區(qū)共分成7個(gè)Zipper。施工區(qū)塊位于阿聯(lián)酋首都阿布扎比西部和南部沙漠區(qū)，靠近沙特邊境地區(qū)，工區(qū)內(nèi)主要地形為沙漠地表，沙丘起伏高度約100～200 m。另外工區(qū)內(nèi)還分布皇家狩獵區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、城鎮(zhèn)、高速路、核電站、軍事演習(xí)區(qū)、鹽沼等多種施工受限區(qū)域。項(xiàng)目配備79 000道428XL采集設(shè)備，采用62線(xiàn)×496道全方位觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，單炮模板30 752道，超級(jí)排列在53 000～56 000道。該項(xiàng)目是BGP公司首次采用過(guò)50 000道超級(jí)排列進(jìn)行大型沙漠區(qū)可控震源高效采集作業(yè)。

2.2 帶道能力突破

項(xiàng)目開(kāi)始的Zipper1單線(xiàn)道數(shù)640道，按照多束聯(lián)合施工需求，超級(jí)排列一般為67條線(xiàn)，共43 000道。當(dāng)生產(chǎn)轉(zhuǎn)入Zipper2后，單線(xiàn)道數(shù)800道，超級(jí)排列達(dá)到54 000道，加上項(xiàng)目采用TD相對(duì)靈活的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)掃描，施工過(guò)程中總出現(xiàn)TRV數(shù)據(jù)堵死的現(xiàn)象，一度無(wú)法繼續(xù)生產(chǎn)。在排查428XL帶道能力期間，鋪設(shè)部分WTU降低超級(jí)排列總道數(shù)，邊施工邊查找系統(tǒng)問(wèn)題。

為了降低超級(jí)排列總道數(shù)，鋪設(shè)WTU可以有以下2種聯(lián)合施工方式：一是減少單線(xiàn)道數(shù)，在每條線(xiàn)的一段鋪設(shè)部分WTU節(jié)點(diǎn)(如圖6a)，減少單線(xiàn)道數(shù)進(jìn)而降低超級(jí)排列總道數(shù)；二是減少超級(jí)排列總線(xiàn)數(shù)，把中間部分檢波器鋪設(shè)WTU(如圖6b)，通過(guò)減少有線(xiàn)設(shè)備接收線(xiàn)數(shù)降低超級(jí)排列總道數(shù)。通過(guò)小隊(duì)各班組技術(shù)人員充分討論，出于考慮WTU設(shè)備野外生產(chǎn)管理和數(shù)據(jù)下載管理方便性上，決定選擇采用整線(xiàn)鋪設(shè)WTU的方式。通過(guò)WTU設(shè)備的應(yīng)用減小帶道能力對(duì)生產(chǎn)的影響，為排查和提升428帶道能力贏得了時(shí)間[7-9]。

圖6 WTU與有線(xiàn)排列布設(shè)相對(duì)位置

2.3 受限區(qū)施工

使用有線(xiàn)儀器在城區(qū)或者跨高速路施工時(shí)，一般采用架設(shè)過(guò)路桿或使用過(guò)路膠皮的方式。在單向25 m寬、限速160 km/h的高速公路進(jìn)行架桿作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)非常高，而且架桿作業(yè)對(duì)排列的穩(wěn)定性也會(huì)有很大影響。結(jié)合工區(qū)高速和城區(qū)等障礙物的分布，通過(guò)充分論證，配備8000道WTU節(jié)點(diǎn)和有線(xiàn)聯(lián)合施工能夠滿(mǎn)足需求。在特殊地區(qū)使用WTU進(jìn)行有線(xiàn)儀器補(bǔ)充，其余地區(qū)使用有線(xiàn)儀器[10-11]。

通過(guò)采用WTU與有線(xiàn)儀器的聯(lián)合應(yīng)用，很好地規(guī)避了高速路架桿作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高城區(qū)檢波點(diǎn)布設(shè)的均勻性，滿(mǎn)足了各種復(fù)雜障礙物區(qū)域采集施工需求[12-13]。如圖7是在城區(qū)綠化帶布設(shè)WTU，有線(xiàn)儀器因?yàn)辄c(diǎn)與點(diǎn)之間需要連接電纜，適用性較差。

圖7 城區(qū)布設(shè)WTU

阿聯(lián)酋國(guó)家保護(hù)動(dòng)物養(yǎng)殖場(chǎng)中動(dòng)物密集，有線(xiàn)設(shè)備鋪設(shè)很難保證動(dòng)物不被線(xiàn)纜纏繞，對(duì)動(dòng)物造成傷害。如圖8(c)是工區(qū)內(nèi)其中一個(gè)動(dòng)物農(nóng)場(chǎng)，在面積不足15 km2的農(nóng)場(chǎng)內(nèi)散養(yǎng)了近6000只羚羊，部分物種是該國(guó)稀有品種。為了動(dòng)物安全，要求所有入場(chǎng)人員和設(shè)備都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的消毒。WTU節(jié)點(diǎn)成為區(qū)域內(nèi)檢波點(diǎn)最佳設(shè)備，施工中將檢波器串和WTU都埋在地下，只保留WTU頂端GPS授時(shí)部分露出地表，在不影響動(dòng)物安全的情況下，完成了放線(xiàn)施工。

圖8 高速、保護(hù)區(qū)及動(dòng)物農(nóng)場(chǎng)布設(shè)WTU

工區(qū)內(nèi)分布的核電站、軍事雷達(dá)、軍事機(jī)場(chǎng)、ADNOC儲(chǔ)油罐區(qū)、高壓輸電網(wǎng)等區(qū)域，對(duì)進(jìn)入人員和設(shè)備均有嚴(yán)格要求。有線(xiàn)設(shè)備因供電鉛酸電瓶不滿(mǎn)足安全要求被禁止入內(nèi)，只有WTU節(jié)點(diǎn)內(nèi)置鋰電池符合相關(guān)要求。此外，WTU布設(shè)簡(jiǎn)單，安全風(fēng)險(xiǎn)低，可以獲得進(jìn)入施工許可。

3 應(yīng)用效果

3.1 創(chuàng)新應(yīng)用

為了滿(mǎn)足項(xiàng)目配備8000道WTU生產(chǎn)過(guò)程中正常充電和數(shù)據(jù)下載，項(xiàng)目設(shè)計(jì)了充電和數(shù)據(jù)下載一體車(chē)，如圖9所示。集裝箱下載充電室內(nèi)共安裝了10個(gè)柜體，每個(gè)柜體安裝了5個(gè)數(shù)據(jù)下載充電器，一次性可供500道WTU同時(shí)下載數(shù)據(jù)和充電。一體車(chē)的應(yīng)用提高了工作效率，每4 h可完成500個(gè)節(jié)點(diǎn)的充電、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)合成及輸出工作。同時(shí)解決了原廠(chǎng)DCM主機(jī)系統(tǒng)和充電、下載單元脫節(jié)，沒(méi)有集成化的問(wèn)題，填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)該領(lǐng)域的空白。

圖9 WTU充電和數(shù)據(jù)下載一體車(chē)

為了滿(mǎn)足項(xiàng)目甲方對(duì)道集、炮集等不同數(shù)據(jù)格式的要求，項(xiàng)目聯(lián)合采集技術(shù)支持部新研發(fā)了WTU節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分選軟件KL-NodeQC。軟件除具備原廠(chǎng)軟件的數(shù)據(jù)處理功能外，還增加了與其他多種有線(xiàn)儀器聯(lián)合施工時(shí)數(shù)據(jù)拼接功能，圖10是節(jié)點(diǎn)與有線(xiàn)聯(lián)合采集的單炮拼接示例[11-14]。

圖10 節(jié)點(diǎn)與有線(xiàn)單炮拼接示例

3.2 資料品質(zhì)提升

如果沒(méi)有WTU節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備，很多區(qū)域有線(xiàn)設(shè)備不能獲得進(jìn)入許可，炮檢點(diǎn)只能空掉，淺層覆蓋次數(shù)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重缺失。如圖11是動(dòng)物農(nóng)場(chǎng)有無(wú)WTU疊加剖面效果對(duì)比，圖11(a)紅框內(nèi)沒(méi)有節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備的資料貢獻(xiàn)，該區(qū)域1.5 s左右疊加剖面出現(xiàn)較大空白。圖11(b)增加布設(shè)部分WTU檢波點(diǎn)后疊加剖面，采集資料淺層0.5～1.0 s資料得到有效補(bǔ)償。

圖11 聯(lián)合采集現(xiàn)場(chǎng)疊加剖面效果

4 結(jié)語(yǔ)

隨著大道數(shù)采集技術(shù)的應(yīng)用，帶道能力成為有線(xiàn)儀器重要指標(biāo)，而節(jié)點(diǎn)儀器很好地規(guī)避了有線(xiàn)儀器主機(jī)帶道能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娴南拗?，突破了有線(xiàn)儀器大道數(shù)的極限。無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)儀器正向穩(wěn)定的系統(tǒng)和更長(zhǎng)的連續(xù)采集能力方向快速發(fā)展，該類(lèi)儀器所占的勘探市場(chǎng)份額越來(lái)越大。

WTU兼具節(jié)點(diǎn)儀器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控在線(xiàn)排列狀態(tài)，能夠在跨越高速公路、城區(qū)、農(nóng)場(chǎng)等受限區(qū)域施工，有效彌補(bǔ)有線(xiàn)設(shè)備的不足。通過(guò)提高檢波點(diǎn)布設(shè)的均勻性，在彌補(bǔ)淺層資料缺失方面發(fā)揮重要作用。