高密度空间采样地震勘探技术的发展

高密度空间采样地震勘探技术的发展

高密度空间采样地震技术采用“宽进宽出”的原则，用于处理有效波和噪声。具体而言就是:在野外,采用点激发、点接收、小道距或小面元进行无假频采集;在室内,利用计算机数字分析方法将信噪进行分离,从而提高弱反射的信噪比。这一技术对复杂地质环境,尤其是油藏精细化描述的作用突出,因而得到迅速发展。高密度空间采样地震技术的普及和发展、勘探项目采集道数和单位面积炮数的显著增加,使百万道采集由理论探讨走向实际应用。1地震设备的技术要求1.1高密度空间采集技术特点对地震仪器而言,百万道采集最直观的变化,就是仪器采集站单点独立布设、接收道数的增加、多种可控震源高效采集方式的应用和海量数据的处理与存储,这些都是由高密度空间采集技术的特点决定的。点源激发、单点接收,可以解决传统检波点组合带来的静校正问题;宽方位和高密集波场采集使面元变小,满足对信号充分地采样。这使得地震仪器接收线束更多,采集道密度达到每平方千米上十万道,要处理和存储的地震数据量也相应地增加。为了保证地震资料较高的信噪比,点源激发、单点接收方式覆盖次数也呈指数增加,井炮激发将无法适应数千次覆盖次数的采集,可控震源高效采集成为唯一的选择,而高效可控震源生产则要求地震仪器有更好的激发源控制能力。1.2高效智能化采集设备设计除了地震仪器在百万道采集中最直观的变化以外,由于巨大的采集规模,相应也会带来作业方式的变化。相对于常规采集,尽管地震仪器地面采集设备的重量在逐渐减轻,但在百万道采集中,无论是检波点的测量还是地面采集设备的布设,工作量都显著地增加。单纯地增加劳动力,不是解决问题的根本办法,因此必须采取新的作业方式,才能满足短时间内完成地面设备定位和布设的需求。1.3监控的作用随着采集规模的扩大,无论是地震数据体还是需要控制的可控震源,数量都会更多,因此有效的质量管理就显得尤为重要。显然,传统的人工监控和简单的计算机辅助监控,已无法满足质量控制的需求。因此,需要地震仪器严格按照地震采集要求,实施智能化质量监控。综上所述,地震仪器需要引入更多技术,提升数据传输、处理能力,丰富地震数据质量自动分析功能,增强采集综合管理能力,以满足百万道地震采集的需求。2未来地震设备技术的特点2.1检波点测量数据和仪器主机的自动交换方式无桩号施工改变了传统施工方式下先测量检波点和炮点,再布设排列和放炮采集的作业方式,而是将检波点、炮点测量融入到排列布设和放炮采集过程中,在排列布设时获得实际布设的检波点坐标,在放炮采集时获得激发位置的炮点坐标。无桩号施工主要涉及测量定位精度与定位数据交换两个问题。与常规测量作业类似,无桩号施工中的定位精度,与所采用的测量设备及其工作方式密切相关。根据工作方法划分,当前常用的测量设备有RTK(实时动态差分法)、DGPS(差分全球定位)和SBAS(广域差分全球定位)。RTK、DGPS和SBAS的精度比较见表1。排列布设中,检波点的测量数据与仪器主机进行交换的方式,有人工方式和自动交换两种。检波点的测量数据人工交换方式,和常规测量作业一样,由操作人员逐个从测量设备中下载定位信息后,再输入仪器主机。这种方式实现简单,但是由于排列布设后很快投入采集生产,而测量数据收集、输入地震仪器主机需要较长时间,实时性差,难以满足百万道规模采集。因此只有排列布设中,检波点的测量数据与仪器主机进行自动交换,才更适于百万道采集。地震仪器主机获取不同检波点信息最简单的办法,就是通过采集站从测量定位设备中进行收集,应用RFID(射频识别)技术,可以方便地实现测量定位设备与采集站的数据交互。RFID是一种无线通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。其工作原理是:在采集站和测量定位设备上,分别安装RFID装置;测量定位设备将获得的检波点坐标信息发送到与其连接的RFID读写装置,采集站内置的RFID读写装置把检波点位置信息写入检波器单元内置的RFID芯片中,并在采集站加电时发送回仪器主机。这些信息会在采集时,记录到地震道头段中用于处理。为了进一步提高施工效率,甚至可以把测量定位设备和排列测试设备(如排列助手)进行整合,在排列布设的同时,还可以完成排列故障的排查。当前Uni-Q系统中的MPTS(移动定位和测试系统)就是采用的这种方式,主要包括TrimbleR7或者TrimbleR8测量定位系统、RFID读写装置、安装有定位和测试软件的掌上电脑和便携式PIU(供电和接口管理单元),如图1所示。GPS接收器和掌上电脑可以进行常规测量作业,掌上电脑连接到miniPIU可以进行采集站加电和测试,测试结果显示在掌上电脑上。测试内容不仅包括整套的仪器内部测试,也包括检波器倾斜度等状态的检测,方便了检波器布设后的检查。施工中,通过采用不同的配置,满足地面设备定位和测试的需求。2.2独立时间同步和集成数据的并行2.2.1数据传输发生革命时间同步和数据传输方式,始终是地震仪器的核心技术之一,也是地震仪器发展过程中技术进步最缓慢的。百万道采集所使用的巨型排列,迫使地震仪器在时间同步方式和数据传输方面发生变革。长期以来,地震仪器时间同步和数据传输都是相互依赖的,一般由地震仪器主机通过同步传输方式统一控制采集站的采集:仪器主机内置精度高达1ppm的时钟源,所有地面采集设备以主机的时钟为基准,通过同步传输包含有中央记录单元同步采集的时间信号称为T为了减小巨大的接收排列中局部故障对采集的影响,需要引入全新的同步方式,替代传统的仪器主机集中控制采集站的同步方式。较为可行的方式主要有以下两种:(1)单元内地震数据的同步局部排列独立同步以电源站所管理的采集站为单元,将单元内的采集站同步到电源站所连接的GPS时钟,电源站将采集站发来的地震数据加上时间戳发往主机进行处理。(2)gps时钟技术采集站独立同步与GSR等独立节点仪器同步方式完全一致,即采集站内置GPS时钟,所有地震数据带有时间戳用于数据处理。相对于局部排列独立同步,采集站独立同步更好地控制了排列局部故障对采集的影响,但是需要考虑采集站功耗、环境适应性和成本等多方面的因素。2.2.2排列、多路径、混合传输数据传输与所采用的时间同步方式密切相关。局部排列独立同步和采集站独立同步方式,使地震仪器数据传输可直接使用以太网,单线数据传输速率可以达到100Mb/s甚至1Gb/s,在采用数据压缩方式下,单线带道能力可达1万道;骨干交叉传输线路全部采用光缆,传输速率达10Gb/s。由于局部排列独立同步方式下,电源站之间将不存在同步数据传输,采集站独立同步方式下,整个排列完全采用异步数据传输,异步传输重发机制使得排列的稳定性更好,多路径传输方式实现更容易。在保留以往仪器二级排列、多路径数据传输功能基础上,电源站和交叉站将增加无线网络装置,实现有线和无线数据的混合传输,满足局部复杂区域排列布设的需要。在野外排列的数据传输路径中,不仅传输地震数据,还传输可控震源质量控制信息、地震队现场生产管理信息等多种数据。2.3可控震源状态监控地震仪器质量控制包括采集设备状态监控、可控震源状态监控和地震数据体质量监控三部分。地震仪器对采集设备状态的监控,依靠地震仪器集成的测试功能完成;可控震源状态的监控,由仪器操作员人工监控发展到计算机自动分析和导航;地震数据体质量的监控,在经历了绘图仪输出纸质记录人工监控、采集计算机辅助绘图监控等阶段后,转向以地震数据计算机处理为基础的全面监控。2.3.1采集设备自动测试在百万道采集中,地震仪器质量监控的核心是:仪器设备自动测试、地震数据现场处理和自动化指标控制。地震仪器对采集设备的测试,由人工手动测试向设备自动测试转化,主要包括采集设备加电自动测试和固定间隔自动测试。采集设备加电时自动进行测试,测试范围包括了采集转换电路和所连接的传感器部分,测试项目包括噪声、共模抑制比、畸变、增益精度、相位精度、传感器脉冲、坐标有效性等。采集设备完成测试后,测试结果会传送回仪器主机,以确定是否符合技术标准;同时测试结果会被保存到仪器主机数据库中,并在形成地震数据时写入地震数据记录的道头段。除了地震仪器设备的自动测试,还可以根据炮点激发速度和排列大小,设定固定的时间间隔进行自动测试。2.3.2可控震源扫描自适应移动震源发展需要常规采集中,可控震源状态监控主要包括扫描过程中参考信号、出力、畸变和相位等状态检查,由操作员人工观察可控震源状态异常的报警信息,并通过电台口头通知震源操作手在对应激发点重复振动,这样的方式根本无法满足百万道采集的需求。首先,在百万道采集中,可控震源质量控制的内容更丰富,不但包括扫描过程的质量检查,还包括震源特征信号的记录和数字参考扫描文件的比较。震源特征信号的记录和数字参考扫描文件的比较,是由全新的分布式可控震源控制方式所决定。在高密高效采集中,由于单点激发的方式,可控震源的数量大幅度增加。传统的采用编码扫描发生器和译码器进行控制的方式,由于存在电台通讯带宽窄、效率低等原因,将被分布式控制方式所取代。所谓分布式控制方式,是指仪器主机不再通过编码扫描发生器完成可控震源扫描的控制,而是由可控震源车安装的使用GPS时间进行同步的扫描控制器进行扫描控制,扫描控制器可以通过预先保存或实时通过网络接收的方式,按照仪器主机指令调用正确的数字参考扫描文件进行扫描。其次,可控震源状态监控的主体是震源操作手。每次扫描结束后,安装在震源车上的导航控制装置对扫描过程中的各种状态、扫描特性文件和数字参考扫描文件进行分析后,向震源操作手发出提示信息。同时,质量信息会传送回仪器主机,扫描质量数据和每个炮点的扫描时间报告会作为主机系统软件每天输出文件的一部分,用于数据合成。当扫描中的某项质量控制指标超标时,系统也会自动给出报警信息,以提醒操作员。2.3.3质量监控分析专业的地震数据处理软件,将集成到地震仪器主机中,用于地震数据体的质量控制。百万道采集中,每日生成的地震数据量将达到10TB甚至更多,通过主机集成的数据处理软件,实现数据采集和现场处理同步进行,从而提升了质量控制效果,也缩短了数据处理等待时间。地震数据体的质量监控,包括相关后的显示以及死道、噪声水平、仪器指标超限的地震道、频谱特征等方面的分析;对于地震道指标超限的炮,在文件头端进行标注,使得数据处理中心在处理这些数据时,不必重复这些分析工作。质量监控数据的统计分析,也是影响百万道数据采集质量监控效果的重要因素。数据分析结果的统计方法,需要便于满足采集项目质量要求。质量监控数据的统计分析,不但包括全局分析结果,更需要以单炮为范围进行统计分析。例如,为了控制好单炮数据的不正常地震道比例,每次采集开始