传统有线地震采集技术发展至今^[1-3], 形成了“高密度观测+可控震源高效采集”的有线仪器地震采集技术, 该技术在国内各个探区均得到广泛的应用并取得较好效果^[4-5]。随着勘探不断深入, 地质需求越来越高。地质目标向深、隐、薄等非常规发展^[6], 高精度地震勘探成为解决这些地质难题的最有效手段, 但高精度地震勘探需要更高覆盖次数和覆盖密度的资料。基于有线的地震仪器已经无法满足超高密度地震观测、高效采集、低成本勘探需求^[7]。在实际生产中存在以下技术问题。①复杂地表无法布设检波点影响资料品质问题, 复杂城区、剧烈起伏山地和沟壑等工区内大线布设困难尤为突出。②在线的检波器越多排列越不稳定, 断排列的概率越大, 严重影响采集效率; 只要其中一个排列中断, 就会导致整个系统无法采集, 如准噶尔盆地三维地震项目最大投入道数达10×10⁴道, 排列中断问题严重影响施工效率和采集效果。③电瓶供电问题影响排列稳定, 尤其在准噶尔盆地, 冬季是采集的黄金季节, 面对零下三十多度低温, 此问题尤为突出。④高密度采集因成本高而无法实施问题。准噶尔盆地覆盖密度逐年增加20%~30%, 到2020年覆盖密度近500×10⁴炮道/km², 资料品质得到较大提升, 但是地震采集投资成本在“十三五”期间基本维持原状, 随着覆盖密度进一步增加, 采集投资与野外采集成本的矛盾愈发突出^[8]。

为解决这些难题, 引入无线节点仪器, 开展了无线节点实施技术研究, 形成了基于无线节点采集的技术流程, 并对比了有线与无线仪器的操作流程、人员配备和效率分析等方面的优劣势, 为新技术应用和仪器选择提供参考。为使节点采集效率发挥最优, 采用VPM可控震源管理系统, 克服了可控震源质控指标无法回传和信号遮挡影响采集的问题, 降低了重震率和仪器等待时间。与此同时还对无线节点质控技术进行了相关研究, 提出了一种基于共检波点道集的相对实时质控方法, 极大地提高了质控效率。

1 无线节点采集技术

无线节点从根本上改变了采集仪器设计思路, 有线仪器系统为集中存储, 需要有大容量的数据传输能力, 无线节点去掉了有线传输的环节, 为单独存储, 从而导致野外实施流程、高效采集技术和质控技术发生了变化。经过不断的野外实践, 形成了野外无线节点高效作业技术、实时质控技术和VPM高效采集技术, 有力保障了野外无线节点在高密度采集中的实施能力。

1.1 无线节点仪器

无线节点仪器是为每一个接收点配备的一套独立采集设备, 包括检波器、采集站、电源设备和GPS设备等。检波器接收地面震动信号, 传到采集站进行模数转换, GPS设备负责确定地面位置和实时获取准确的GPS时刻, 电源负责为其它部位供应电能。节点之间互为独立个体, 互不影响。按照检波器与采集站是否一体, 可以将节点分为一体式节点(图 1)和分离式节点(图 2)两种类型。一体式节点将检波器集成在节点仪上, 尾椎位于节点下方, 该种节点构造简单、操作便利, 是常见节点, 例如eseis节点^[9]、SmartSolo节点^[10]、Quantum节点^[11]等。相较于一体式节点, 分离式节点结构相对复杂, 一般是检波器独立安置, 从节点仪引出2个接头, 其中一个接头接检波器, 另外一个接头接电源, 分离式节点可以根据需要选择合适的检波器类型, 虽然该节点系统比一体式便捷性差, 但是可以满足野外采集个性化需求。例如, 在外界干扰大的区域可以选择串检波器连接节点仪。图 2所示的Hawk仪器^[12]为典型的分离式节点仪。众多的节点设备按要求布设在野外, 构成节点采集系统, 一般节点在野外可以连续采集30d以上。

1.2 无线节点野外实施技术

无线节点因为独立的采集系统结构, 在野外生产时与有线仪器施工存在巨大的差异。按照野外施工顺序, 可以细分为: 采集前检测、野外布设及质控参数(QC)回收、巡检及QC回收、节点回收及数据下载合成等施工流程。以下围绕节点野外实施流程, 重点讨论其与有线仪器在实施过程中的差异, 为野外地震实施时合理进行资源配置、提速增效等方面提供参考。

1.2.1 采集前检测

采集前检测也称为年检, 与有线仪器年检目的类似, 确保用于野外生产的采集设备处于完好状态。年检测试主要包括仪器和检波器测试, 其中检波器测试包括极性测试^[13]和基本参数测试。基本参数测试一般包括自然频率、直流电阻和绝缘电阻等参数, 与常规有线测试一致, 本文不做讨论。本节主要讨论仪器年检和极性测试, 流程如图 3和图 4所示。年检测试将所有节点拆卸, 将主机插入机柜写入采样率、前放增益、滤波方式, 设置合理的自检时间, 并核对相关参数, 同时将拆卸的电池进行充电。极性测试前将脚本文件载入节点存储, 选择一块空地, 插置节点, 扫码后进行测试, 最后合成数据, 检查极性特征。

相对有线仪器, 无线节点年检测试和极性测试工序较为繁琐, 工作量大, 需要投入2~3倍的人力才能满足测试需求, 但是前期工作做好, 施工中一般不会出现仪器故障导致生产质量问题和影响生产效率问题。

1.2.2 野外布设及质控参数(QC)回收

无线节点野外布设相当于有线仪器的检波器埋置及大线电瓶、交叉站连接的工序。施工流程存在较大差异, 无线节点布设相对简单, 没有连接大线、交叉站、电瓶等工序, 只需将检波器埋置好并进行激活。

QC回收相当于有线仪器的查大排列工序。QC回收与野外布设工序连贯, 需要利用APP软件扫码读取相关参数, 并且查看指示灯是否指示正常工作状态。整体而言, 无线仪器QC回收过程省事、省力, QC回收与埋置检波器为同一人, 无需增加人员。有线仪器查大排列时间长且过程中容易出现多轮次的查线, 导致严重占用采集时间, 影响施工效率。据统计, 有线仪器采集方式因为查排列问题, 导致第一个大排列周期(10d左右)为低效期。无线节点仪器效率的提升主要是由于过程中无复杂的查大排列过程, 摆放结束后节点正常即可进入高效生产, 赢得大量生产时间。野外布设及QC回收流程见图 5。

1.2.3 巡检及QC回收

无线节点巡检主要是查看节点是否丢失、仪器是否正常工作及电池电量是否够用等, 相当于有线仪器过程中查排列工序, 具体流程如图 6所示。巡检不影响采集, 不存在传统断排列问题, 只要激发条件具备, 基本可以实现24h连续有效采集。

1.2.4 节点回收及数据下载合成

有线仪器地震数据合成在采集后数秒内完成, 而节点采集需要增加节点回收和数据下载工序。节点回收后摆到下个排列之前要将设备汇集到指定地点逐个进行拆卸, 数据下载, 电池充电, 检查设备是否完好, 数据是否齐全, 并下载所有地震数据, 具体流程如图 7所示。该工序施工中占用了部分备份资源, 经验表明, 节点仪器需要的备份线是有线仪器的两倍左右。

综上分析, 有线仪器与无线节点施工存在较大差异。表 1为无线节点仪器与有线仪器施工工序对比。从表 1中的对比可以看出, 在工序上, 无线节点仪器的工序多于有线仪器。无线仪器少了布大线和电瓶、查排列的工序, 多了回收数据、充电、合成数据等工序。

表 2为无线仪器与有线仪器人员设备投入对比。以准噶尔盆地某工区为例, 满覆盖面积670km², 投入节点仪器56000台。施工同一个项目, 测算的无线节点投入人员与有线仪器(单只)基本相当。但是投入设备车辆稍多于有线, 分析主要原因是将无线节点拉回基地进行数据下载工序增加设备车辆。由于无线节点施工效率得到极大提高, 按照车辆的投入天数算, 无线节点采集投入设备车辆(台×天)明显低于有线仪器。

1.3 无线节点质控技术

目前行业内针对无线节点的质控, 主要是利用回收QC对基本仪器参数进行质控, 但是在合成单炮数据前无法完成对地震数据的质控, 本文在常规质控的基础上, 提出了一种基于共检波点道集相对实时质控方法, 在合成共炮集的复杂工序之前, 完成地震数据的质控, 比传统共炮点质控方法提前5~6d。

方法原理是在共检波点道集中, 每1道代表 1炮, 通过监控道的能量、初至等方式达到监控单炮的目的。

实施步骤为:

1) 抽取共检波点道集。为了达到监控要素全面、监控单炮齐全, 抽取的道集需要涵盖所有的单炮, 通常采用的规则为等距离抽取, 相邻道集之间允许一定的炮点桩号重复, 间隔为3km抽取一个道集, 能够满足所有炮点监控需求。

2) 道集静校正。共检波点道集按偏移距排序, 由于受近地表影响, 初至时间不符合渐变规律, 具体表现为初至时间偏小或者偏大, 与真正初至异常炮表现特征一致, 严重干扰初至的判断, 因此需要对道集进行静校正处理, 消除近地表影响。

3) 线性动校正。对共检波点道集按偏移距排序, 选取合理速度进行动校正, 形成共检波点动校正道集, 拾取每道道集的初至, 并计算每道的均方根能量。

4) 道集质控。通过查看道集基本面貌或查看初至图及能量图可以快速发现异常炮。

如图 8所示, 从共检波点线性动校正道集上可以发现部分初至存在异常(红色箭头), 从图 9可以看出, 初至差异为50ms左右, 原因为某台震源授时出现异常。基于该方法可以监控因合成数据过程或者可控震源出现激发问题而导致的单炮异常问题, 比炮集监控提前5~6d。

1.4 VPM技术

目前可控震源控制系统主要有VIBPRO控制系统和VE464控制系统, 都是基于12.5kHz窄带数字电台进行仪器与震源间的数据通讯和传输, 仪器通过电台发启动指令, 震源电台接收指令振动扫描, 扫描结束后通过电台将震源扫描状态(PSS报告)发回仪器。由于是窄带电台进行数据通讯, 数字电台的通讯距离一般为10~15km, 因而“两宽一高”生产方法受到制约。节点仪器的使用为地震采集提供了更多有效采集时间, 当控制系统不能满足需求时, 野外生产效率将大打折扣。

VPM系统是一种利用基于4G网络、无线网格(MESH)网络自组网可控震源激发控制技术, 是集成源驱动、高效采集(滑动、动态滑动扫描、超高效混叠采集)、4G网络激发控制、无信号区采用无线MESH网络的施工新技术系统。可实现快速部署, 易于安装, 高带宽的特性, 使得实时质量控制内容更加丰富, 支持无桩号施工, 远程任务分发, 轨迹远程更新等功能。如图 10所示, 当可控震源B无法与仪器车通讯时, 通过VPM技术可以实现3种方式与仪器车通讯: ①通过MESH电台将可控震源A与可控震源B连接起来, 实现实时通讯; ②当可控震源A无法与可控震源B连接时, 可以通过MESH电台中继, 同样可以实现震源B与仪器车通讯; ③通过4G网络实现可控震源B与仪器车通讯。该可控震源激发控制技术实现了无死角施工。

在野外实施过程中, 在沙漠外围信号优良的地方, 优先使用4G网, 局部城区等受到障碍物影响时需要提前根据实际情况, 选择合理的位置布设中继电台, 做到信号不被遮挡。在沙漠腹部等无信号区域, 建议采用自组网模式, 局部采用中继电台。如果架设了固定中继电台, 仍然无法保证信号传输, 那么在自组网模式下就需要架设流动电台来保证信号传输。实际上流动中继电台就是在卡车上架设一套MESH电台, 根据拓扑图实时信号强度来辅助震源传输信号。

该技术主要解决两个野外技术问题: ①通过4G网络或者震源间的MESH自组网解决了远距离或者障碍物遮挡导致震源与仪器无法通讯问题, 因信号差而无法采集的比例炮由0.2%降低到0, 极大提高生产效率; ②实现了可控震源质控报告及时回传, 降低了3%左右的补炮率。该技术与无线节点采集完美结合, 推动了采集效率的进一步提升。

2 应用实例及效果 2.1 采集效果

无线节点采集将繁琐的工序放在采集前年检和采集后的下载合成数据方面, 没有有线仪器采集时查大排列和排列中断等问题, 采集工序除了每天固定时间自检外, 其它时间实现了不间断采集, 配合可控震源高效采集技术以及最新的VPM可控震源管理技术, 采集效率得到了明显提升, 理论上采集效率提高了50%以上。以准噶尔盆地某三维项目为例, 75d采集时间, 平均日效达到6930炮, 去除疫情影响3d没有采集外, 可见平均日效达7200炮(图 11)。以往该类地表采集平均日效为4200炮, 可见平均日效提高达76%(图 12)。

2.2 资料成像效果

1) JMSE页岩油勘探三维项目。目的层埋深为3000~4500m, 目标层厚度5m左右, 地表主要为农田、戈壁。以往资料无法满足由于指导油田水平井精确钻遇目标层的需求, 地震资料表现为频带窄、空间和时间上分辨率均较低的特征。为此部署了超高密度三维地震, 观测系统为30L(2×6)S444R;面元为12.5m×12.5m;纵向排列方式为5537.5-12.5-25-12.5-5537.5;接收线距为150m;激发线距为150m。双边放炮方式采集, 接收道数为13320道。覆盖次数为1110次; 炮道密度为960×10⁴道/km²。覆盖密度比以前增加近100%, 但是投资成本并没有发生变化, 采用常规的有线仪器采集, 无法支撑日效保障, 存在严重的成本不足问题。为此, 采用无线节点采集, 投入节点56000道, 实施时应用VPM地震采集技术和动态滑动扫描技术, 日效得到大幅度提升, 极大降低了采集成本。

图 13为新采集三维(可控震源激发、炮道密度为960×10⁴道/km²)和老三维(井炮激发、炮道密度为77.4×10⁴道/km²)叠前时间偏移剖面。从面貌上看, 新采集三维地震同相轴更多, 分辨率更高; 从频宽可以看出, 新资料高频提高12Hz, 主频提升7Hz。上甜点分辨率提升的同时, 下甜点地震成像发生了“从无到有”的变化。根据新三维地震资料, 消除了假断裂, 目的层描述精度大幅提升, 在4000m垂深、1800m长水平段, 针对2m薄油层钻井靶区钻遇率由56%提高到92%(图 14)。

上述结果充分证实, 在机同成本条件下, 采用“高密度观测+VPM+可控震源高效采集”无线节点地震采集技术, 可以提升中浅层分辨率, 获得的地震资料有助于提升水平井钻遇率, 为国内外页岩油勘探开发提供良好借鉴。

2) 南缘SKS三维地震采集, 以深层构造成像为地质任务。目的层埋深大于6000m, 地表主要为山地、戈壁、河谷、农田等。以往资料隐伏带断裂刻画不清, 构造样式具有多解性, 地震资料表现为信噪比低、偏移画弧严重, 断裂刻画不清楚。GT1井发现后, 部署了高密度三维地震数据采集。观测系统为40L4S560R;面元为12.5m×25.0m;纵向排列方式为6987.5-12.5-25-12.5-6987.5;接收线距为200m;激发线距为250m。接收道数为22400道。覆盖次数为560次; 炮道密度为239×10⁴道/km²。根据地形和设备资源情况, 采用有线仪器和无线节点联合采集方式, 投入节点16000道、有线60000道, 实施时应用动态滑动扫描技术和有线无线联合采集技术和井震联合激发等技术。

通过该项目的采集, 主要取得了以下成果。

1) 通过新采集模式的应用, 有效解决了河床、沟壑和高大山体区的施工困难问题, 最终避免了以往存在的资料缺口问题, 确保了地震资料质量。如图 15所示, 在红色框内由于大冲沟影响, 采用无线有线采集技术无法在河道布设检波点, 以往均采用空道方式, 本次采用无线节点布设, 弥补了浅层的资料, 提高了浅层砾岩成像效果。

2) 图 16为以往二维(井炮激发、覆盖次数120次)叠前时间偏移剖面和新采集三维叠前时间偏移剖面(可控震源激发、覆盖次数560次)对比, 可见新采集剖面上深层构造成像得到明显提升, 构造特征清楚, 断裂特征清晰。主要由于采用高密度采集技术, 增加了空间采样密度; 利用可控震源低频激发, 提升了深层反射能量; 采用无线节点和有线仪器混采, 降低了空道, 使浅层低速砾岩和高速砾岩界面得到成像。

3 认识与结论

1) 无线节点施工工序与有线仪器存在较大差异, 但是人力投入上基本相当, 车辆投入稍多于有线仪器, 无线节点仪器备份节点数2倍于有线仪器备份道数。无线节点采集时布设排列快, 建立排列迅速, 采集过程不间断, 采集效率相对有线采集提升了50%以上, 进一步拓宽了覆盖密度的提升空间, 实现了在同等成本条件下资料品质的提升。

2) 无线节点联合VPM技术在复杂地表如山地、城区等, 作用明显, 极大地提高了野外采集效率。

无论是采集道数还是排列长度, 无线节点采集方式都可以无限扩容, 这是目前高密度采集最实用的地震勘探模式, 该地震采集技术是一种可以提升中浅层分辨率和深层构造成像的最新地震采集技术, 推广应用前景广阔。但是存在以下不足: ①节点丢失后难以寻回, 易造成数据丢失和设备损失, 在节点丢失跟踪方面应继续加大研发; ②当前节点采集没有很好的实时质控方法, 出现质量问题, 将很难弥补。需要在实时控制方面加大研究力度, 形成一套实时质控方法和标准。