齊永飛,李國(guó)發(fā),段昌平,凌 海,劉 璞,陳新陽,聶明濤,艾 華

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球物理學(xué)院 北京 102249; 2.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司 河北 涿州 072750; 3. 英洛瓦(天津)物探裝備有限責(zé)任公司 河北 涿州 072750)

0 引 言

可控震源有線一致性測(cè)試作為可控震源質(zhì)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,可以驗(yàn)證可控震源的狀態(tài)屬性、可控震源和記錄儀器之間的同步性以及箱體加速度表的極性,一直以來都是業(yè)內(nèi)討論的熱點(diǎn)。震源狀態(tài)屬性及震源和儀器的同步性直接影響到地震采集資料的品質(zhì)?？煽卣鹪从芯€一致性測(cè)試(以下簡(jiǎn)稱一致性測(cè)試)可以很好地對(duì)上述信息進(jìn)行驗(yàn)證。傳統(tǒng)的有線一致性測(cè)試方法,通常將震源箱體連接到生產(chǎn)排列,通過采集站采集震源箱體生成的震源參考信號(hào)、平板信號(hào)、重錘信號(hào)及力信號(hào),將采集的信號(hào)傳輸至儀器并記錄分析。傳統(tǒng)的測(cè)試方法占用生產(chǎn)排列,要求震源集中測(cè)試,且受地表?xiàng)l件的影響,震源不一定一次性通過測(cè)試,需要更換不同的震動(dòng)地點(diǎn)多次測(cè)試,影響施工效率[1-4]。在高效采集項(xiàng)目施工過程中,震源投入多、分布范圍廣,傳統(tǒng)一致性測(cè)試方法耗時(shí)過長(zhǎng),已經(jīng)不適用于目前的高效采集項(xiàng)目。使用G3iHD儀器進(jìn)行野外采集生產(chǎn)時(shí),基于震源特征信號(hào)(Vib Source Signature,VSS) 的可控震源一致性測(cè)試方法可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)一致性測(cè)試方法的不足。該方法不需要停炮執(zhí)行一致性測(cè)試,也無需集結(jié)震源,直接在生產(chǎn)中完成震源一致性測(cè)試所需信號(hào)的采集,最大程度減少了一致性測(cè)試占用的生產(chǎn)時(shí)間。

1 傳統(tǒng)可控震源有線一致性測(cè)試方法

一致性測(cè)試基于震源的參考信號(hào)、平板信號(hào)、重錘信號(hào)及力信號(hào),結(jié)合儀器的真參考信號(hào),對(duì)震源的性能指標(biāo)以及同步性進(jìn)行驗(yàn)證。因此如何從震源獲取相應(yīng)的信號(hào)就成了一致性測(cè)試的首要條件。

在傳統(tǒng)一致性測(cè)試中,無論是使用Sercel公司400系列儀器或508XT儀器,還是INOVA公司的G3iHD儀器,都是使用專用測(cè)試電纜將震源箱體接入生產(chǎn)排列,通過儀器啟動(dòng)震源,同時(shí)激活排列采集震源箱體生成的參考、平板、重錘及力信號(hào),并將信號(hào)通過大線傳輸?shù)絻x器,然后與儀器真參考信號(hào)作對(duì)比分析,進(jìn)行震源儀器同步性驗(yàn)證、震源參考和真參考信號(hào)一致性驗(yàn)證、震源狀態(tài)屬性監(jiān)控、震源箱體加速度表極性驗(yàn)證等。

1.1 400系列和G3iHD的傳統(tǒng)一致性測(cè)試方法

在400系列和G3iHD的傳統(tǒng)的一致性測(cè)試中,首先震源需從不同位置搬遷集結(jié)至提前選定的排列處,斷開生產(chǎn)排列并使用專用的測(cè)試電纜將震源箱體與排列上的采集站相連接,儀器停炮并設(shè)置不同的參數(shù),最后儀器使用測(cè)試參數(shù)啟動(dòng)震源并采集所需要的信號(hào)存儲(chǔ)到儀器服務(wù)器。測(cè)試完成后,指標(biāo)正常的震源可以返回原炮點(diǎn)等待重新生產(chǎn),而指標(biāo)異常的震源則需在檢修后重新測(cè)試直至指標(biāo)滿足要求。以中東某配置超過40臺(tái)震源的大道數(shù)高效采集項(xiàng)目為例,從開始集結(jié)震源到所有的震源完成測(cè)試并完全恢復(fù)生產(chǎn),需要將近5 h,嚴(yán)重影響了施工效率。

1.2 基于508XT采集系統(tǒng)的一致性測(cè)試方法

508XT儀器的一致性測(cè)試原理與400系列、G3iHD儀器一致,但是由于508XT的供電單元CX兼具了電源站和交叉站的功能,因此除了傳統(tǒng)的一致性測(cè)試方法之外,可以在排列上通過CX的光纜口外接一段排列接入震源進(jìn)行一致性測(cè)試,采集到的一致性測(cè)試數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)到炮數(shù)據(jù)的輔助道中。設(shè)備連接示意圖如圖1所示。該方法可以實(shí)現(xiàn)一致性測(cè)試與生產(chǎn)同步進(jìn)行,測(cè)試過程中只是當(dāng)前測(cè)試震源需要停炮,而其他的震源則不受影響,但儀器參數(shù)設(shè)置以及震源一次性不通過重新更換地點(diǎn)測(cè)試仍會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成一定的影響[5]。

圖1 508XT有線一致性測(cè)試方法設(shè)備連接示意圖

上述測(cè)試方法有著共同的不足之處:震源特征信號(hào)經(jīng)過采集站放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、采樣以及大線傳輸?shù)?信號(hào)會(huì)有一定失真,影響后續(xù)數(shù)據(jù)分析。采集站之間存在一定的采樣相位誤差,不易判別震源和儀器不同步的時(shí)差是來自采集站體差異,還是震源啟動(dòng)時(shí)間誤差。

2 基于VSS的一致性測(cè)試方法

為減少可控震源一致性測(cè)試對(duì)生產(chǎn)的影響,有效提高生產(chǎn)效率,INOVA公司在新版G3iHD儀器的基礎(chǔ)上提出了基于VSS的震源一致性測(cè)試方法,測(cè)試方法如圖2所示。

圖2 基于震源特性信號(hào)的一致性測(cè)試方法示意圖

基于VSS的一致性測(cè)試方法的特點(diǎn)為:

1)高效可控震源采集中,每臺(tái)震源和地震儀器都采用獨(dú)立GPS授時(shí)。基于GPS時(shí)鐘的可靠精度,可控震源與儀器時(shí)鐘上的誤差為納秒級(jí),生產(chǎn)中可以認(rèn)為兩者具有一致的時(shí)鐘。

2)可控震源以可控震源箱體GPS授時(shí)確定的零時(shí)刻(T0時(shí))開始啟動(dòng)震源,儀器主機(jī)則以儀器箱體的GPS授時(shí)確定的零時(shí)刻(T0時(shí))啟動(dòng)采集。

3)震源箱體在每一次的震源T0時(shí)刻開始采集記錄震源參考信號(hào)、平板信號(hào)及重錘號(hào),并由平板和重錘信號(hào)加權(quán)計(jì)算出力信號(hào)。

4)箱體記錄信號(hào)數(shù)據(jù)通過U盤拷貝或者通過大線傳輸至儀器,儀器將箱體數(shù)據(jù)與真參考信號(hào)合并[3],形成一致性分析所需要的SEGD數(shù)據(jù)文件。

結(jié)合有線一致性測(cè)試目的,分別對(duì)基于VSS的一致性測(cè)試方法的合理性、可靠性做進(jìn)一步分析。

2.1 震源狀態(tài)屬性監(jiān)控

震源狀態(tài)屬性主要是通過力信號(hào)與真參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)分析,檢查互相關(guān)后子波幅值是否水平、互相關(guān)后負(fù)時(shí)間軸的諧波值、平均值和峰值相位、平均值和峰值畸變、時(shí)間-頻率曲線、基波及多次諧波分布等[7]。

使用VSS方式進(jìn)行一致性測(cè)試,震源參考信號(hào)、平板信號(hào)及重錘信號(hào)都直接通過震源箱體采集,力信號(hào)由平板和重錘信號(hào)加權(quán)獲得,信號(hào)不再通過采集站采樣及大線傳輸?shù)絻x器并記錄,減少了采集站之間的差異影響和傳輸過程的干擾,信號(hào)保真度更高,更能真實(shí)反映震源的振動(dòng)性能。VSS數(shù)據(jù)結(jié)合儀器真參考信號(hào),可以更好地分析震源狀態(tài)屬性。

2.2 加速度表極性驗(yàn)證

一般情況下,加速度表極性驗(yàn)證可以通過敲擊加速度表和脈沖測(cè)試2種方式進(jìn)行,但鑒于高效采集項(xiàng)目投入震源數(shù)量大,采用敲擊每個(gè)加速度表的方式占用時(shí)間較長(zhǎng),通常都采用脈沖測(cè)試的方式。在脈沖測(cè)試信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,重錘信號(hào)向上行,平板信號(hào)相對(duì)下行,平板和重錘的加速度表輸出信號(hào)的起跳可用來檢驗(yàn)系統(tǒng)的極性。如果重錘脈沖信號(hào)全部向下,平板脈沖信號(hào)向上,也就說明該加速度表極性符合SEG極性標(biāo)準(zhǔn)。反之,加速度表極性為反SEG極性標(biāo)準(zhǔn)。

基于VSS的一致性測(cè)試方法同樣可以實(shí)現(xiàn)由儀器發(fā)出脈沖信號(hào)激發(fā)震源,并記錄下平板和重錘加速度表的響應(yīng)信號(hào),通過判斷脈沖信號(hào)的初始起跳方向,來判斷加速度表極性是否正確。

2.3 震源和儀器啟動(dòng)時(shí)差驗(yàn)證

傳統(tǒng)有線一致性測(cè)試方法以儀器箱體獲得的GPS授時(shí)作為基準(zhǔn),將震源參考信號(hào)和儀器真參考信號(hào)做互相關(guān)處理,計(jì)算出震源和儀器的啟動(dòng)時(shí)差。一般這個(gè)啟動(dòng)時(shí)差會(huì)受到多個(gè)因素影響,包括震源箱體和儀器箱體GPS授時(shí)的同步性、基于GPS授時(shí)的激發(fā)模式下儀器箱體和震源箱體響應(yīng)同步性、震源和儀器激發(fā)響應(yīng)延遲、采集震源特征信號(hào)的站體差異和大線傳輸環(huán)節(jié)影響等?；赩SS的一致性測(cè)試方法也需要考慮上述儀器震源啟動(dòng)時(shí)間差的影響因素。

2.3.1 震源箱體和儀器箱體GPS授時(shí)的同步性

項(xiàng)目開工時(shí),通過短基線檢驗(yàn)、長(zhǎng)基線檢驗(yàn)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real Time Kinematic,RTK)重復(fù)檢測(cè)檢驗(yàn),檢定確定了震源導(dǎo)航定位GPS接收機(jī)性能合格,確保GPS接收機(jī)授時(shí)正常。采用GPS接收機(jī)授時(shí),通過每秒脈沖數(shù)(Pulse Per Second,PPS)將震源箱體和儀器箱體的時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)GPS時(shí)間同步,進(jìn)而完成震源箱體和儀器時(shí)間同步,時(shí)間精度保持在納秒級(jí)[8]。因此,采用GPS授時(shí)情況下,震源箱體和儀器箱體在時(shí)間上高度同步,兩者之間的差異可以不予考慮。

2.3.2 儀器箱體和震源箱體激發(fā)響應(yīng)同步性

驗(yàn)證儀器箱體和震源箱體激發(fā)響應(yīng)的同步性,可以通過分析對(duì)比儀器點(diǎn)火命令時(shí)間和震源接收到點(diǎn)火命令后開始觸發(fā)時(shí)間間斷(Time Break,TB)的時(shí)間(亦即箱體開始采集記錄震源真參考信號(hào)的時(shí)間)是否一致。儀器開始采集的時(shí)間可以從儀器輸出的日志文件中獲取,震源觸發(fā)TB的時(shí)間可以從震源箱體文件中獲取,二者時(shí)間精度均達(dá)到微秒級(jí)。

一般情況下,儀器點(diǎn)火命令時(shí)間和震源開始觸發(fā)TB的時(shí)間在微秒級(jí)上是一樣的,如果二者量差超過一定門檻值(通常設(shè)置為20 μs),儀器將予以提示。這個(gè)比對(duì)也可以通過日常質(zhì)控震源箱體數(shù)據(jù)和儀器日志文件來完成,目前還未發(fā)生過二者不一致的情況。所以,采用GPS授時(shí)情況下,儀器箱體和震源箱體激發(fā)響應(yīng)同步性因素也可不予考慮。

2.3.3 震源和儀器啟動(dòng)響應(yīng)同步性

在高效采集模式下,用于與地震數(shù)據(jù)互相關(guān)的儀器真參考信號(hào)一般固定不變,可以先不考慮。在震源端,因?yàn)橄潴w硬件或者固件的原因,用于液壓傳動(dòng)控制模塊的震源參考信號(hào)的實(shí)際生成時(shí)間與理論要求的TB時(shí)間會(huì)有一定的時(shí)間差,所以震源實(shí)際啟動(dòng)與理論TB時(shí)間存在一定的時(shí)間差。在基于VSS一致性測(cè)試方法中,震源箱體和儀器箱體均以TB時(shí)間為參考基準(zhǔn),無論實(shí)際震源參考是否已經(jīng)生成,震源箱體都會(huì)在TB時(shí)間開始記錄參考信號(hào)、平板信號(hào)及重錘信號(hào)并保存。所以將震源箱體記錄下來的震源參考信號(hào)與儀器真參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān),可以觀測(cè)出震源和儀器啟動(dòng)響應(yīng),這也是儀器和震源存在啟動(dòng)時(shí)差的主要原因[9-11]。

真參考信號(hào)和震源參考信號(hào)互相關(guān)模擬結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為真參考信號(hào)和模擬的有4 ms延遲的震源參考信號(hào),圖3(b)為二者的互相關(guān)結(jié)果?？梢钥闯?以同一時(shí)間為基準(zhǔn),真參考信號(hào)和震源參考信號(hào)如果有延遲,則互相關(guān)后就可以明顯觀測(cè)到相關(guān)子波峰值不在零時(shí)刻,對(duì)互相關(guān)函數(shù)做傅里葉變換即可算出精確的時(shí)間差值。

圖3 真參考信號(hào)和震源參考信號(hào)及互相關(guān)模擬結(jié)果

根據(jù)上述分析可以看出,VSS方法可以很好地測(cè)試出震源和儀器的啟動(dòng)響應(yīng)同步性,且與受采集站體差異和大線傳輸影響的傳統(tǒng)測(cè)試方式相比,基于VSS數(shù)據(jù)的一致性測(cè)試方法測(cè)量出的啟動(dòng)時(shí)間差更為精準(zhǔn)。

3 基于VSS的可控震源一致性測(cè)試方法的應(yīng)用

中東某項(xiàng)目采用G3iHD儀器系統(tǒng)高效采集,在實(shí)際生產(chǎn)中成功應(yīng)用了基于VSS的一致性測(cè)試方法,并在應(yīng)用前對(duì)相同震源的同一震次進(jìn)行了傳統(tǒng)有線一致性測(cè)試和基于VSS的一致性測(cè)試的對(duì)比分析。

3.1 震源狀態(tài)屬性對(duì)比分析

圖4是傳統(tǒng)有線一致性測(cè)試方法和基于VSS的一致性測(cè)試方法的對(duì)比圖,可以看出,采用基于VSS的一致性測(cè)試,35 Hz以內(nèi)的相位差更平穩(wěn),真參考信號(hào)與力信號(hào)互相關(guān)后子波負(fù)時(shí)間軸的諧波能量相對(duì)更低,力信號(hào)波形相對(duì)更為平穩(wěn)。

圖4 傳統(tǒng)有線一致性測(cè)試方法和基于VSS的一致性測(cè)試方法對(duì)比圖

3.2 儀器和震源啟動(dòng)時(shí)差對(duì)比分析

傳統(tǒng)有線一致性測(cè)試和VSS一致性測(cè)試啟動(dòng)時(shí)差對(duì)比如圖5所示。可以看出,VSS一致性測(cè)試也可以很好地分析出儀器和震源的啟動(dòng)時(shí)差。且理論上這種測(cè)試方法計(jì)算出的啟動(dòng)時(shí)差更接近實(shí)際啟動(dòng)時(shí)差。對(duì)于GPS授時(shí)情況下,一般會(huì)要求啟動(dòng)時(shí)差在10 μs級(jí)以內(nèi)。

圖5 傳統(tǒng)有線一致性測(cè)試和基于VSS的一致性測(cè)試啟動(dòng)時(shí)差對(duì)比

3.3 加速度表極性測(cè)試分析

震源箱體加速度表極性測(cè)試同樣可以在生產(chǎn)中同步進(jìn)行。首先通過G3iHD儀器系統(tǒng)軟件制作用于測(cè)試的脈沖信號(hào)文件,在系統(tǒng)中生成脈沖信號(hào),并將脈沖測(cè)試信號(hào)發(fā)送到震源的VibPro HD箱體。然后在儀器上勾選需要進(jìn)行測(cè)試極性的震源,則該震源將會(huì)在下一次起震中采用極性測(cè)試脈沖信號(hào)激發(fā)震源。

VSS脈沖測(cè)試分析如圖6所示。VibproHD箱體加速度表為反SEG極性,平板脈沖測(cè)試響應(yīng)信號(hào)初始下跳,重錘脈沖測(cè)試響應(yīng)信號(hào)初始上跳。

圖6 VSS脈沖測(cè)試分析

3.4 應(yīng)用效果

通過采用基于VSS的可控震源一致性測(cè)試方法,該高效采集項(xiàng)目取得良好應(yīng)用效果。

1)儀器無需停炮設(shè)置測(cè)試參數(shù),真正做到一致性測(cè)試與生產(chǎn)同步進(jìn)行。

2)測(cè)試震源根據(jù)高效采集時(shí)間-距離規(guī)則正常起震,無需中斷或連接采集排列,儀器不用停炮。

3)震源無需集、散,箱體會(huì)對(duì)震源生產(chǎn)的每一炮都采集一致性測(cè)試所需要的信號(hào),測(cè)試分析不受時(shí)空限制,可任意選擇不同炮點(diǎn)數(shù)據(jù),避免震源一次性沒通過測(cè)試更換地點(diǎn)重做的現(xiàn)象,這樣可節(jié)省每臺(tái)或每組震源10～15 min的一致性測(cè)試時(shí)間。

4)采用GPS同步時(shí)鐘,且信號(hào)輸出不受大線傳輸和采集站體的樣點(diǎn)相位差影響,儀器震源啟動(dòng)時(shí)差更為精確,震源參考、平板、重錘及力信號(hào)更真實(shí)。

4 結(jié) 論

可控震源高效采集項(xiàng)目震源投入數(shù)量大,單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)效率高,傳統(tǒng)的有線一致性測(cè)試方法因耗時(shí)長(zhǎng)、占用生產(chǎn)排列,進(jìn)而影響生產(chǎn)效率。相比而言,基于VSS的可控震源一致性測(cè)試方法優(yōu)勢(shì)明顯。

1)能夠在實(shí)現(xiàn)震源儀器同步性、震源參考和真參考信號(hào)一致性、震源振動(dòng)性能及箱體加速度表極性驗(yàn)證的同時(shí),做到真正意義上的震源一致性測(cè)試不停炮,最大限度降低停工時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。

2)基于VSS的可控震源一致性測(cè)試方法規(guī)避了采集站采樣和大線傳輸?shù)母蓴_,震源儀器啟動(dòng)時(shí)差更為精準(zhǔn),震源特征信號(hào)更真實(shí),分析結(jié)果更能反映震源的真實(shí)狀態(tài),有利于震源設(shè)備的維修保養(yǎng)。

3)該方法在實(shí)際高效采集項(xiàng)目中的應(yīng)用,既保障了可控震源狀態(tài),同時(shí)也提高了采集項(xiàng)目的生產(chǎn)效率,取得了良好的應(yīng)用效果。