可控震源高效采集技术的效率分析*

张　洁，周土发，程虎军，颜　良

(1.英洛瓦(天津)物探装备有限责任公司　河北　涿州　072751; 2.东方地球物理公司国际勘探事业部　河北　涿州　072751)



可控震源高效采集技术的效率分析*

张洁1，周土发2，程虎军1，颜良1

(1.英洛瓦(天津)物探装备有限责任公司河北涿州072751; 2.东方地球物理公司国际勘探事业部河北涿州072751)

摘要:针对野外施工中可控震源高效采集的效率估算问题，以仪器与单组震源的工作流程为基本模型，分析了几种常用高效采集技术的实现机理。通过分析得到不同高效采集技术下的理论日效，并探讨了影响效率的装备技术因素，为野外施工方法的选择提供了参考。

关键词:可控震源;地震仪器;高效采集;效率分析

0　引言

随着物探目标由构造分析发展到储层描述，并逐步延伸至油藏领域，物探技术进入精耕细作的时代。宽方位、宽频、高密度、大道数、高覆盖次数成为精细勘探的基本需求［1-3］，一方面是高分辨率的数据质量要求;一方面是大量装备投入的成本和施工压力。在品质和效率的驱动下，可控震源高效采集技术应运而生。

相比传统炸药震源，可控震源激发信号可控、安全环保，逐渐成为主要的施工震源［1-3］。人们在可控震源施工中不断探索各种采集技术以提升资料品质、提高施工效率:起初使用交替扫描(Flip－Flop)，日效最高可达2 000炮［1］;在1996年，Rozemond提出可控震源滑动扫描技术(Slip－sweep)，生产效率提高2倍多［4］; Ian Jack等提出Independent simultaneous sweeping(ISS)，通过阿尔及利亚的实验，预期日效达10 000炮［5］;至2009年，BP在阿曼的项目中运用Distance separated simultaneous sweeping(DSSS)，激发间隔10 km外的震源同时施工，时效达到1 024炮［6］。十多年间，可控震源高效采集技术将施工效率提高了近十倍。

2008年，东方地球物理公司基于利比亚项目的经验，从生产组织的角度探讨了震源施工效率的估算［3］。本文从装备技术的角度，探讨、分析不同高效采集技术下的施工效率。

1　仪器与单组震源间的工作流程

可控震源高效采集技术的实质是地震仪器对多组震源的激发管理，通过地震仪器按照一定的时序规则对每个震源组的激发来实现。其实现的基本单元是仪器与单组震源间的协作施工，工作流程如图1所示。其中，假设扫描时间为tsweep，听时间为tlisten，震源搬点用时为tmove。

T1时刻:震源到达炮点Sweep1后向仪器发出Ready信号，表明进入待命Standby状态;地震仪器接收到Ready信号后，根据排列及现场情况判断是否以及何时发出FO激发指令。

T2时刻:震源接收到FO指令后，启动扫描作业，并向仪器返回TB信号，表明激发成功;震源返回的TB时刻信息就是当前炮的起始时刻;地震仪器根据TB信息确定记录的起始时刻，确保激发与采集同步。

T3时刻:震源完成扫描作业Sweep1后，提起平板向下一炮点移动;此时地震仪器仍处于采集、记录数据的状态，经过听时间后，Sweep1原始记录完成，仪器进入空闲状态。

T4时刻:震源到达炮点Sweep2，进入待命Standby状态，准备Sweep2的扫描作业。

图1　单组震源与地震仪器协作施工流程图

其中，震源每次扫描作业前都有一段从Ready到TB启动的时间间隔，仪器与震源在这段时间内完成启动控制交互。自动放炮模式下，地震仪器接收到Ready信号后，自动触发FO指令。FO指令与TB信号间是固定的时间间隔，只计入通信延迟和系统指令处理时延，通过一致性校准可以确保以毫秒为单位的时间间隔，记为ΔtR eady－FO;人工主动放炮模式下，Ready信息通过地震仪器反馈给仪器操作员，由操作员判断是否激发，判断过程中额外的等待时间记为Δtwait。因而，从震源到达指定炮点进入准备状态发出Ready信号至激发成功发出TB信号，其时间间隔为:

从上述流程中可以看出，地震仪器和可控震源都有一段施工空闲，可以利用多组震源施工的方式来填补空闲状态，提高施工效率。以下，从激发管理、采集管理和放炮效率三方面分别分析Flip－Flop、Slip－Sweep、DSSS 和ISS。

2　可控震源高效采集效率分析

2.1Flip－flop

Flip－Flop交替扫描工作流程如图2所示。前一炮采集完成的同时启动下一炮的采集，填补单组震源施工的采集空闲，两组震源互不干扰、交替施工。

图2　Flip－Flop工作流程示意图

激发管理:交替扫描在如图T3时刻，震源组1进行扫描及听记录的过程中，震源组2已到达Sweep2炮点并进入待命状态;在仪器完成Sweep1扫描和听纪录的同时T4时刻，震源组2启动Sweep2作业。两组震源交替激发，两次扫描作业之间无间隙地记录采集。

采集管理:在交替扫描中，因为不同炮点对应的接收排列不同，地震仪器需要及时切换接收排列。在地震仪器发出FO指令时，它也将同步激活对应的接收排列，并以TB时刻为采集起始时刻记录地震数据。

放炮效率:交替扫描中放炮间隔为一个原始炮记录的时间长度，即:

Δt = tsweep+ tlisten

交替扫描的理论最高日效为:

2.2Slip－Sweep

Slip－Sweep滑动扫描工作流程如图3所示。在前一组震源仍处在扫描过程中，下一组震源就启动作业。两次作业的间隔时间定义为滑动时间tslip。

图3　Slip－Sweep工作流程示意图

激发管理:滑动扫描按照约定的滑动时间tslip，逐个激发处于准备状态的震源。从第一次激发开始，根据预设的滑动时间，确定后续的激发时刻(T1 + n×tslip)。当有震源组返回Ready信号，则加入放炮列表，按先入先出原则顺序标定激发时刻，随后按照放炮列表激发震源。

采集管理:在滑动扫描启动前，地震仪器会根据预计的施工范围设置超级排列;随着滑动扫描启动，仪器处于连续记录状态，记录整个超级排列的采集数据，并与GPS时刻保持同步;根据震源返回的PSS信息确定对应的炮点、TB时刻，从连续记录中按照对应的接收排列和记录起至时刻，分离出单炮原始记录。

放炮效率:滑动扫描中放炮间隔等于设定的滑动时间tslip，即:

2.3DSSS

DSSS施工示意图如图4所示。将多个震源组Fleet以不小于12km的间距分为多个Cluster，每个Cluster中抽出一组Fleet绑定为一个Group，所有震源组可分为多个Group(总Fleet数/Cluster数)。

激发管理:相对普通滑动扫描，DSSS的区别在于仪器激发的对象由单组震源变为一个Group的所有震源。同Group中的震源同步激发;不同Group之间按滑动时间间隔激发。

采集管理:地震仪器需要建立超级排列并连续记录;每次激发后，地震仪器需要处理同一个Group里同时激发的多炮数据。

放炮效率: DSSS下的放炮间隔是不同Group之间的滑动时间:

在同一Group中，多个Fleet在不同Cluster同时施工。因此DSSS的理论最高日效为:

2.4ISS

ISS是将施工区按震源组数划分为多个区块，每组震源在各自的工作区块分别独立作业;不同震源组采用不同的扫描参数。

激发管理: ISS模式如图5所示。可控震源自主起振并记录炮点GPS位置和时刻，通过PSS报告返回放炮信息，也可在震源本地存储放炮日志;地震仪器不再激发、管理震源组。

采集管理: ISS模式下地震仪器建立超级排列并连续记录;在后期数据处理时，仪器根据PSS报告或放炮日志中的GPS时刻和炮点坐标，从连续纪录中分离出原始炮记录。

图4　DSSS施工示意图

图5　ISS施工示意图

放炮效率:由于震源组间均独立施工，ISS的理论日效为:

2.5理论施工效率对比

假设震源参数一致，扫描时间tsweep= 12 s，听时间tlisten=6 s，搬点用时tmove=20 s，激发响应用时ΔtReady－TB=2 s。震源数量配备理想:交替扫描使用2组震源无间隔地施工;滑动扫描使用6组震源无间隙地施工; DSSS使用18组震源，按3个Cluster分为6个Group; ISS使用18组震源。根据上述假设条件，得到不同高效采集技术下的理论施工日效如图6所示。

图6中可以明显看出，随着震源组数的增加，施工效率也相应成倍增长，施工效率与震源组数近似成正比关系。可见，震源高效采集技术是通过增加震源数量来提高施工效率。

由于生产组织和装备技术的因素，实际生产过程中施工效率与理论效率仍有较大差异。生产组织方面，观测系统、设备配备、震源参数以及地表通过性等生产因素都会对施工效率产生影响;可通过提前勘察、模拟估算选择合适的高效采集技术，最大化地优化效率［3］。装备技术方面则会在无线通信、GPS导航以及仪器处理能力上制约施工效率。

图6　震源高效采集技术施工效率对比图

3　影响施工效率的装备技术因素

3.1无线通讯能力

无线通信能力包括传输带宽和通信距离。在震源高效采集中，震源与仪器之间通过无线电台建立通信，交互激发控制命令和设备状态。随着震源组数成倍增长，相应的带宽需求也成倍增长，施工范围也扩展至25～30km。如果无线通信的传输带宽过低或者通信距离过短，则高效采集不能有效运行，导致施工效率降低。

目前在野外施工中常用两类电台通讯方案提高无线通信能力: TDMA电台和UHF/VHF模拟电台。TDMA电台利用并发功能管理更多的震源组，而VHF/UHF模拟电台通过提高传输带宽轮询管理更多的震源组，从不同的角度解决了高效采集下传输带宽的问题;两种方案均可使用电台中继功能，从而提高通信距离;保障地震仪器与震源组之间的信息交互。

3.2GPS导航能力

高效采集利用GPS导航能力，收集每台震源的位置坐标，实时与测网炮点校准、修正震源位置，确保激发位置的准确。当GPS信号较弱或没有时，导航能力失去保障，无法确认炮点位置则高效采集将被迫中断，导致效率下降。

目前人们通过差分GPS技术提高导航能力。该技术可将定位精度提升至1内;并通过设置GPS参考站，利用参考站信号解决局部信号弱的问题。保障GPS导航、无桩号施工等功能，有效提高施工效率。

3.3仪器处理能力

震源高效采集中，地震仪器需要建立超级排列、连续采集、同时处理多炮数据，每天处理的数据量达到TB级。数据的接入、计算及存储均承受着巨大的压力。因此，仪器的处理能力成为制约高效采集效率的重要因素之一。

随着IT技术的发展，计算资源显著提升;应用万兆网络、磁盘阵列扩展数据流量和容量;搭建并行主机系统，合理调配计算资源、并发处理采集任务，能够有效提高仪器处理能力;从而保障高效采集的稳定运行。

4　结束语

通过增加可控震源数量、合理控制震源间距、有效管理激发时序，人们实现了多种可控震源高效采集技术;在实际施工中，根据生产条件选择合适的高效采集技术，可以显著地提高施工效率，缩短采集周期。

随着通信、GPS和IT技术的发展，可控震源高效采集技术的施工效率仍有提升的空间。但在追求更高效率的同时，我们也应谨慎的关注数据品质。只有资料品质持续改善，高效采集技术才能得到更广阔的发展。

参考文献

［1］汪恩华，赵邦六，王喜双，等.中国石油可控震源高效地震采集技术应用与展望［J］.中国石油勘探，2013，18(5): 24 －34.

［2］倪宇东，王井富，马涛，等.可控震源地震采集技术的进展［J］.石油地球物理勘探，2011，46(3): 349－356.

［3］周大同，周恒，张慕刚，等.可控震源施工效率估算方法［J］.石油地球物理勘探，2008，43(增刊2): 50－54.

［4］Rozemond H.J.Slip－sweep acquisition.SEG Technical Program Expanded Abstracts，1996，15: 64－67.

［5］Ian Jack，Brian T，Dave H，et.Independent simultaneous sweeping–a method to increase the productivity of land seismic crews.SEG Technical program expanded abstracts，2008，27: 2826－2830.

［6］Jack Bouska.Distance separated simultaneous sweeping for fast clean vibroseis acquisition.Geophysical prospecting，2010，58(1): 123－153.

Efficiency Analysis of High－productivity Vibroseis

ZHANG Jie1，ZHOU Tufa2，CHENG Hujun1，YAN Liang1
(1.INOVA Geophysical Equipment Ltd，Zhuozhou，Hebei 072751，China; 2.BGP International，Zhuozhou，Hebei 072751，China)

Abstract:To analyze the efficiency of High－productivity vibroseis in field operation，the realization mechanism of different high-productivity vibroseis modes is reviewed based on a single vibrator operation model.According to the analysis，the theoretical daily efficiency is presented，and the influence factors are discussed.The result can provide a valuable reference for selection of HPVS in field operation.

Key words:vibrator; seismic instrument; high－productivity vibroseis; efficiency analysis

(收稿日期:2015－03－18编辑:姜婷)

第一作者简介:张洁，男，1982年生，工程师，2007年毕业于上海微系统与信息技术研究所微电子学与固体电子学专业，获得硕士学位。目前在英洛瓦物探装备有限责任公司从事仪器研发工作。E-mail: zhongJie@ inovageo.com

基金项目:“十二五”国家重大科技专项项目“新一代一体化全数字地震仪器”(项目编号: 2011ZX05019－002)

中图法分类号:P315.62

文献标识码:A

文章编号:2096－0077(2016)01－0071－05