节点数据采集系统数字地震仪

吴铁军

(河北煤田物测队 河北邢台)

节点数据采集系统数字地震仪

吴铁军

(河北煤田物测队 河北邢台)

随着三维勘探的普及,勘探精度要求越来越高,对数字地震仪的采集精度提出更高的要求,接收道数也越来越多。目前有线仪器的性能已经发挥到了极限,有线地震仪的结构已经成为阻碍地震仪进一步发展的瓶颈,必须有新的技术取而代之才能使地震仪技术继续向前发展。文章以Fairfield公司研发的独立节点地震数据采集系统Z-Land为代表,阐述了节点数据采集系统的工作原理及其优缺点。

节点数据采集系统;采集站;数据回收和充电系统(DCCS)

0 引 言

随着三维勘探的普及,勘探精度要求越来越高,对地下地质构造做更精细的描述,对复杂地质构造和勘探目的层有更清楚的认识。这就要求数字地震仪的采集精度越来越高,接收道数越来越多,带道能力逐年提高。地震仪器的发展目标就是不断满足用户需求、不断适应市场变化、不断跟踪世界最新技术成果内容,以制造出轻便、廉价、稳定、高精度、大容量、功能齐全、指标优越的仪器为特征,以追求通用、灵活、高度智能化、检波与采集一体化为方向,从而获得高质量的地震数据资料。

1 有线数字地震仪目前存在的问题

1)使用维护成本高

由于其固有的结构及相关技术的限制存在的问题有:采集道数有限,系统结构注定其带道能力有限,实时采集万道已经相当困难;施工效率低,小队每天花在整理排列上的时间占据大约60%以上,真正生产(放炮)的时间段很有限;设备数量庞大质量沉重,其中交叉线,大线,小线等各种电缆占据设备辎重的70%,耗费大量的人员和车辆;有的山地三维项目小队人员配置严重超编,每天小队的运作成本很高,购置、维护成本高;购买一有线系统,电缆占总费用的比例达到20%至30%,年维护费用昂贵,系统在使用一段时间后施工效率急剧下降。

2)观测系统设计受限

设计观测系统时不得不考虑系统的道距,无法完成真三维采集。对环境冲击大,有线系统施工时要根据排列线的布置情况开出道路,在一些环保敏感地区地质勘探的作业无法实施。

3)系统结构成为发展瓶颈

传统有线数字地震仪经历几代的发展、更新已经统治地震仪市场很多年了。由于其固有的系统结构带来的许多问题,目前有线仪器的性能已经发挥到了极限,即便造出一套超大道数地震仪,野外施工时建立排列都成问题,根本谈不上正常的放炮生产了。在当前的情况下有线地震仪的结构已经成为阻碍地震仪进一步发展的瓶颈,必须有新的技术取而代之才能使地震仪技术继续向前发展。

2 全新理念-节点数据采集系统

随着科技的进步以及电子工业的发展给我们开发节点地震数据采集系统提供了必要条件。比如Flash存储器,A/D转换器和锂电池的性能不断提高同时价格逐步降低,使得我们可以在低成本的前提下生产出可靠、耐用的节点数据采集系统。我们知道有线系统的采集方式是[1]:检波器接收的地震信号送到采集站进行模数转换,采集站将数字化的数据进行打包编码经过大线、交叉线、交叉站等发送到地震仪主机,主机对数据进行译码(解编)格式编排、上磁带记录。一套地震仪的大量的工作都在忙于编码、传输和解码。节点系统最大的创新点是打破传输的环节。由采集-传输-记录变为采集-记录(就地)。即改集中记录为分散记录。这样极大的简化了系统的结构同时使施工更加快捷。

3 节点数据采集系统

Fairfield公司研发的独立节点地震数据采集系统Z系列[2]包括Z-Land,、Z-700和Z-3000。其中Z-700和Z-3000主要用于海上勘探,Z-Land用于陆地勘探。

3.1 Z-Land的工作原理

Z-Land主要分为野外采集系统即采集站和数据回收系统两部分。野外采集站是一个完全独立,非常可靠的数据采集设备。因采集站没有外接地震电缆和外接检波器,为系统在采集数据过程中提供了最安静的采集环境。Z-Land采集站按野外观测系统设计摆放,如图1所示,每一个采集站的位置都是通过手持终端输入的。可以连续采集地震数据达15天。采集站中有一个高精度时钟为系统提供计时。在采集站摆放之前,其内置的时钟都要与GPS时钟进行同步,当采集站回收后,还要对内置时钟进行复查以确保时钟没有发生漂移。每一个炮点的精确启爆时间由一个特殊的设备进行记录,即SAFE(Store AndForward Environment)。SAFE从编码器得到时断信号(TB),从导航系统得到炮点位置和炮号并用GPS时钟标定这些事件的时刻,将这些信息存储用于以后数据回收。这就是平常所说的GPS授时技术[3],目前Z-Land的计时精度是±100μS,完全满足地震仪的同步精度。而GPS授时技术的精度已经可以做到±1μS,所以该系统的计时精度还可以进一步提高。

图1 Z-land观测系统设计

3.2 野外数据采集系统

Z-Land采集站为单道/站,传感器电瓶内置,连续采集方式。外型如图2所示,其主要技术参数如下:

图2 Z-Land采集系统

分辨率:24位A/D转换器(23+符号位);

采样率:1、2、4 ms;

前放增益:12 dB、24 dB、36 dB、48 dB任选;

低切滤波器:0～60 Hz,6 dB/Oct

增益精度:＜0.15%

噪音:＜1.5μV@12 dB

＜0.4μV@24 dB

＜0.16μV@36 dB

＜0.13μV@48 dB

直流漂移:＜噪音的10%

谐波失真:＜0.000 5%

脉冲响应:幅度＜5%,相位＜±5°

检波器:主频10 Hz,灵敏度0.224 V/cm/sec

电池类型:锂离子电池

质量:2.0 Kg

外型尺寸:直径12.7 cm,高度15.3 cm壳体材料:高强度塑料

工作时间:2 ms采样时连续工作15天

3.3 数据回收系统

图3 DCCS系统

数据回收系统包括主机系统和充电系统两部分,因此又叫作数据回收和充电系统(DCCS-Data Collection and Charging System),如图3所示。主机包括用于计标准时的GPS,数据存储设备,管理数据的CPU和磁盘阵列。基于PC平台的用户图形界面控制CPU的工作,包括质量控制功能和数据下载程序。采集站挂接到DCCS上进行充电同时数据回收工作也在进行。完成这两项需要8 h或更短一些,时间的长短取决于采集站内电池放电的深度以及从采集站回收数据量的大小。主机将采集站的数据下载后暂存在磁盘阵列(RAID)中。SAFE中的炮点数据也要传给主机,根据这些数据对采集站内连续记录的数据进行有效地震的截取从而得到常规的地震数据。地震数据可以转换成任何工业标准的数据格式并记录到传统的存储设备上。

4 节点系统的优、缺点

当然节点系统也有它本身的缺点,即不能现场实时地得到监视记录,对野外资料不能及时了解加以判断,假如资料出现异常,不能及时采取必要的措施。这就需要我们打破传统勘探理念,依靠系统的可靠性打破对现场监视记录的依赖,利用高密度大道数采集来弥补一些缺憾。但是节点系统的优点还是显而易见的:无限大道数采集,系统设备大幅减少,去掉占系统辎重70%的电缆及仪器车;野外施工人员大幅减少,运载车辆大幅减少,减少碳排放;放炮过程中无需等待时间,不用查排列;观察系统可以任意设计,迭加次数可以任意抽取,不受系统的制约;数据质量高,可以实现超大道数真三维采集,生产效率极大提高,对环境影响极小。它是一个集低成本、高效率和高数据质量于一身的好系统。

5 结束语

综上所述,随着科学技术的不断进步、设备制造成本的降低、使用方法越来越成熟以及人们对新的采集方法的逐步认可,节点系统在未来三到五年时间,将逐步在石油和煤炭勘探生产中大规模的应用,节点系统的前景一片光明。

[1] 罗福龙.地震勘探仪器技术发展综述[J].石油仪器,2005,19(2)

[2] Z-nodal system introductions FAIRFIELD.Inc 2009(资料)

[3] 王翠芳,杨晓源.地震数据采集器中的GPS授时技术和校时技术[J].地震地磁观测与研究,2010,30(1)

PI,2011,25(1):51～53

With the popularity of 3d exploration,exploration accuracy requirement is higher and higher,which requires the digital seismometers acquisition to be more and more accurate and to be able to receive more and more channels.Now the cable instrument performance has play to strong points,cable seismometers structure has became an obstacle to the further development of seismometers bottleneck.For the sake of seismograph technology development,it is necessary for a new technology to replace it.Taking the independent node seismic data acquisition system Z-Land developed by Fairfield as an example,this paper expounds working principle,the advantages and disadvantages of node acquisition system.

Key words:Node seismic data acquisition system,Remote unit,Data collection and charging system(DCCS)

Node digital seismographs data acquisition system.

Wu Tiejun.

P631.4+32

B

1004-9134(2011)01-0051-03

吴铁军,男,1970年生,物探高级工程师,1997年毕业于长春科技大学物探专业,现在河北煤田物测队从事地震勘探工作。邮编:054000

2010-09-15编辑:刘雅铭)