陆上地震数据采集节点设备现状与发展

史子乐，黄艳林，李 静，黄浩璨，冯永江

(东方地球物理公司国际勘探事业部 河北 涿州 072750)

0 引 言

本世纪初以摆脱有线线缆束缚、自主记录地震数据为设计原则的节点设备开始研发，各型节点设备在国际大的油公司支持下不断面世。2007年左右Fairfield Nodal公司、Geospace公司先后推出Zland和GSR节点设备，Sercel公司研制推出了Unite节点仪器，INOVA公司研制了Hawk节点设备。这些节点设备以GPS授时系统为基础，利用数据时间戳比，实现了节点设备自主记录地震数据，成功摆脱了有线线缆的束缚。节点采集技术系统和装备制造质量逐渐成熟并快速在石油勘探行业得到推广应用。至今，全球已经生产了近百万道陆上节点设备，成功应用到石油地震数据采集项目中，为石油物探行业提高生产效率、降低勘探成本、解决复杂地区勘探问题提供了设备保障。随着2014年油价下跌，全球地震勘探行业经历了近三年多的低价寒冬，缩减勘探成本、降低勘探风险、提高地震采集生产效率成为石油物探数据采集行业最强烈的需求。同时随着电子元件小型化、微处理器的发展，如FPGA、DSP、ARM等，已经可以存储、处理、传输海量的地震数据，并能够更快速地处理复杂运算，储能电池和数据通讯技术的发展也为移动操作系统解决方案创造了条件。近几年各种新型陆上采集节点仪器设备如雨后春笋般推出市场，新概念节点设备正在不断研发试验中，这些新型节点设备正在不断改变石油物探数据采集行业生产方式，改变着行业物探地震数据采集商的竞争力和市场竞争格局。

1 节点设备主要特点

节点设备相比有线设备最主要的特征是摆脱了线缆束缚，利用GPS授时、GPS定位和数据当地存储的方式实现了地震数据的自主记录。通过GPS授时系统获得精准世界时，节点设备利用在采集数据上打时间戳的方法，实现采集数据的同步和后期数据处理；利用GPS定位确定自己的位置；利用数据存储器实现数据的当地存储。因此目前石油物探行业应用的各种节点设备，节点野外采集单元的电路设计原理都大同小异，不同节点产品间的差别仅在于产品对电路的优化设计和某项功能的强调。

节点设备系统一般包括节点野外采集单元和数据下载管理支持系统。野外数据采集单元是节点设备的核心，其内部电路主要包括数据采集电路、存储和控制电路、通讯和接口电路以及GPS授时电路等部分[1]。节点电路的核心部件是FPGA电路和ARM处理器，他们共同管理和控制GPS授时、地震信号数据采集、数据存储管理、通讯和电源管理。节点设备野外采集单元原理图如图1所示。

图1 节点设备野外记录单元原理图

2 主流节点设备

目前全球物探地震数据采集节点设备制造商至少有12家以上，全球石油物探行业广泛应用的地震数据采集节点设备产品主要有Fairfield公司的ZLAND，GeoSpace公司的GSR和GSX,法国Sercel公司的Unite,INOVA公司的HAWK等，这几种节点产品在全球石油物探行业应用最多，产品技术和质量已经非常成熟，已经在石油物探行业得到了很大程度推广应用。

2.1 ZLAND节点

Fairfield公司的ZLAND节点设备是24位A/D转换地震数据采集系统，单站单道，是商业化应用比较早的陆上数据采集产品，属于数据盲采型，目前已经发展了两代产品。野外采集单元包含必要的基本部件：电池、检波器、电子控制板、模/数转换、计时电路和存储器，无线数据下载功能设计。可以选择使用内置检波器或外接检波器,客户可以根据自己的要求选择内置检波器型号。根据GPS授时技术，操作人员用手持终端布设节点在接收点的位置。当节点内的GPS接收器启动后，接收GPS卫星的同步信号，内部锁相环(PLL)时钟开始有规律地使用GPS计时，模拟到数字转换器(ADC)板被打开，从而自动连续采集地震数据，并将数据存贮于SD卡。节点内封装有14.8V、13Ah的锂离子电池组[2]。

ZLAND节点是早期商业化应用的产品，在电路设计上有些缺陷，如地震数据采集系统没有实时信息交换能力，不能实时监控野外排列，对野外资料质量不能及时了解等[3]。同时电池质量比较大，搬运不便。

2.2 GSR节点

GeoSpace公司的GSR节点设备，内部装有24位模/数转换器和4GB/8GBSD存储卡，可以实现最长30 d的连续记录。内置高灵敏度GPS接收器，保证记录系统时钟的精度。外壳是密封的，一端接检波器，另一端接电瓶，该接口同时也是参数设置数据下载、电瓶信息交换、设备接地的连接口。GSR节点接通电瓶后经过3～10 min的自检，就开始进行数据采集，属于数据盲采型，在数据记录的同时每6 min记录环境信息，内容包含：经纬度坐标、高程、当前卫星、电瓶电压、地表温度等信息。GSR优点是质量量变轻，但在施工过程中电瓶持续供电能力较差，同时存在GPS时钟漂移问题，影响记录数据的稳定性[4]。

2.3 UNITE节点

Sercel公司在研发UNITE无线系统时,首次采用了WiFi技术，节点可以与428有线系统联合使用，把节点设备接入到有线系统中，也可以采用全盲采模式。UNITE采集单元(RAU)与内部电池的总重量1.6 kg，在RAU顶部的半球形内包含有WiFi和GPS天线，状态指示灯可以显示RAU每个器件的即时状态(GPS，WiFi，电池，仪表和传感器)。下部部分由两块对应电路板组成，一个用来接检波器，另外一个用来接外部电池，端口也包含一个以太网接口，用来参数设置和数据回收，作为WiFi传输的一个补允。内置锂离子电池，设计有可自主运行30 d的存储器(16～32 Gb)。UNITE节点的RAU有不同的版本，连接不同类型的检波器，RAU-1C版本的RAU连接标准检波器，可与连接一个高灵敏度检波器(如SG-5)，也可与一串传统检波器(如SG-10)相连。RAU-3版本可与三个连续接收点的三套检波器相连或与一个模拟三分量检波器相连。另外数字版本的RAU-D，在数字传感器单元( DSU3SA)内部设置有基于MEMS技术的加速度传感器。RAU可以被埋置到地下10 cm，不会影响GPS和WiFi的性能

2.4 HAWK节点

INOVA公司的HAWK节点设备，是2013年研发的。采集站的技术特点是采用了ARM926EJS处理器、SD存储卡接口。支持模拟道个数1、2或3，支持数字道3C数字接口(1个VectorSeis检波器)。数据存储容量16 GB闪存。配置无线通信接口、蓝牙和WiFi。检波器外置，电源/网络接口采用8针Dynacon接口。其中，2针用于电源，4针用于网口。LED状态指示灯用于指示采集站的工作状态、检波器的工作状态、GPS信号的状态及电池的容量[5-6]。

2.5 主流节点设备性能对比

目前市场主流的节点产品已经得到地震勘探行业的广泛应用，这些节点设备采用自主记录设计理念，确保了排列布设不再受道数和数据传输的限制，相比有线系统，设备布设更加灵活，解决了复杂地区排列铺设难题，在山地、沟壑、油区和城区等复杂地区具有巨大优势。同时由于不需要维护排列，数据采集生产排除了排列故障因素影响，采集生产效率大幅提高，同时可以省去大量人工，人力成本大幅降低，在雨林、山地和大沙区域都具有节省人力和效率提高的优势。4种主流节点产品的性能对比统计见表1[7-8]。

表1 当前石油物探行业内主流陆地无线节点采集设备性能对比

3 新型节点设备

近两年随着高效混叠采集技术的发展和高密度高覆盖次数地震技术对排列的需求，地震数据采集行业对节点设备提出了更高要求，同时微电路、高储能电池和电子存储设备的发展，为新型节点产品面世创造了条件。2017以来年质量更轻、电池续航时间更长、设备状态可监控的节点新产品不断推出市场。2017年NOVA和Innoseis合作推出Quantum节点，GTI公司推出NuSeis节点，DTCC公司开始推广SmartSolo节点设备。这些新型节点设备系统，在国际大油公司支持下，结合最新的勘探处理技术理念，正在以创新的设计思路，解决困难地区的数据采集生产中的接收问题。

3.1 Quantum节点

INOVA宣布与Innoseis公司联合发展节点采集系统，产品 Quantum节点采集技术，把该节点技术整合到iX1软件平台中，为物探数据采集市场提供完整的野外地震采集作业支持。包括高效震源采集技术、快速数据下载、有线系统、节点和TZ系统的整合能力。节点设计更加轻巧，使超大道数排列布设和维护变得简单、快速和经济。2018年6月13日，INOVA宣布发行基于Android系统的Quantum QC应用软件，该软件允许对每个节点执行QC检查和测试，以便操作员能够直观地看到每个已部署节点的工作状况。2018年11月，Quantum节点正在国内吉林通辽二维项目进行生产性试验。

Quantum节点超低功耗技术使每一个节点都将做得更小，每个节点重量约650 g，电池寿命24 h连续记录可达50 d，使节点设备扩展到百万级采集规模，获得更高分辨率成像和宽方位勘探成为可能。Quantum节点内置电池和检波器，大幅降低了设备运输和部署成本。配置了四型GPS系统(增加了北斗系统)，实现高精度的数据盲采。质量控制更可靠性和自动节点测试功能，以及利用蓝牙技术实现野外现场质量控制和配置，确保了数据质量的一致性,从而消除返工的风险。一体化内置检波器设计，在数据下载和充电时不需要拆解。数据管理更加高效，机柜式节点数据下载系统可提供约15MB/S的数据下载速度，8Gb存储容量的节点10分钟之内可完成下载。3小时可完成节点设备充电，便携式数据回收解决方案可实现野外快速数据回收[9]。

3.2 NuSeis节点

2015年GTI公司在欧洲EAGE年会上发布了新一代地震节点设备—NuSeis，产品一经面世就得到了Shell、BP、OXY和康菲等国际大油公司的认可。NuSeisTMNRU-1C节点具有24位的数据通道，内置或外置电池，内置或外置检波器，整合高精度GNSS和GPS卫星接收器，无线数据下载等特点。质量862 g，有利于摆放，减少了地震作业人力成本。设计了节点机械化自动部署系统，采用ADS V3节点自动部署系统，可一次装载部署160个节点，一名驾驶员就可操作，使用机械将节点部署在接收点位置上，每个地震队能够完成3万-10万道节点的布设能力。NuSeisTMNRU-1C节点存在的缺点是电池续航时间偏短，设备充电时间6小时较长。同时设备虽然设计为长棒型，有利于自动化部署，但在坚硬地表地形下不利于节点的部布设[10]。

3.3 SmartSolo节点

DTCC公司的SmartSolo无线节点采集仪器是DTCC公司的一种新型地震节点采集设备产品，是一款智能节点设备，具有轻便、智能、高可靠性和低成本的特点。

SmartSolo最大的优势是价格降到单道100 ＄左右[11]，成为目前已经投入生产的节点产品中最具有性价比优势的产品。

SmartSolo主要特点：节点结构紧凑，体积小(95 mm×103 mm)；质量设计为共1.1 kg(含电池和尾锥)；可以通过手机APP，完成施工部署和提供技术支持；在每天12 h工作模式下，可以连续记录50 d；内置8 GB闪存(可扩展至32 GB)；可选外接电池或检波器；传感器自检和GPS定位；内置DT-SOLO高灵敏度检波器(可选10 Hz和5 Hz)[11]。SmartSolo节点在价格上已经非常具有竞争力，但相比近期的新型节点设备，没有设计设备监控和无线下载，产品仍为完全盲采方式，是其最大的缺点。

3.4 新型节点设备性能对比

近期市场新出现的这三种新型节点设备，质量更轻，均在1 kg左右，昆腾节点做到了只有650 g，方便了野外布设，适用于高道数高密度的排列生产。设备续航能力更强，昆腾节点做到了24 h连续记录50 d。除SmartSolo外，其它两种设备工作状态均可监控，为及时了解设备状态和获取数据提供了可能。这些新型节点产品正在推广阶段，大范围应用仍等待市场的检验。三种新型节点产品的性能对比统计见表2。

表2 三种新型陆地节点采集设备性能对比[7-9]

4 节点设备的发展

4.1 地震成像质量需求推动节点设备发展

地震数据行业的强烈需求推动节点设备的不断发展,高效采集技术和更高地震成像质量需求推动着节点设备的发展。连续四年的低油价使油公司和物探服务公司都面临巨大经营压力，在降低勘探成本，减少施工风险的因素推动下，新的高效采集技术和采集装备正在不断涌现，以BP公司ISS高效混采技术、CGG公司UBA高效混叠采集技术、东方物探公司UHP超高效技术为代表的高效混叠采集处理技术正在迅速推广应用，这些高效采集技术最大限度地利用了野外震源激发资源，生产日效达到2～5万炮以上。高效混叠采集技术相比常规采集技术，需要更大的排列片和排列滚动，而常规的有线接收设备已经无法满足生产需要。随着这些震源高效混叠采集处理技术不断发展成熟推广，利用新型节点设备提供稳定接收排列支持成为高效生产的迫切需求，高效混叠采集技术和节点设备结合将成为物探行业主要竞争平台[12]。随着物探数据采集业务的回暖，市场竞争将刺激市场对节点设备的需求。

4.2 节点设备与勘探处理技术一体化结合

解决地质问题、提高勘探精度、降低勘探成本和风险是各大油公司研制和应用新型节点设备的主要目的，因此节点设备与勘探处理技术一体化结合是节点设备的发展趋势。

一方面满足高密度高覆盖次数的需求，另一方面可以大大缩短勘探周期，降低勘探风险和勘探成本。2017年底，Wireless Seismic、Geokinetics和TOTAL合作研发的下一代陆上地震综合采集系统METIS(Multiphysics Exploration Technology Integrated System)在巴布亚新几内亚热带雨林进行了野外试验，METIS系统DARTs节点的质量约300 g，所有组件使用环境无害材料制造，外壳采用可生物降解PLA材料制成，采用直升机一次性投放，采集完成后不再回收。生产时DARTs节点设备可实时将地震数据通过无线传输的方式从节点传输到中央记录仪器上，地震资料解释员可实时地处理分析地震数据并快速成像，从而快速评估数据质量和地质构造照明效果，实时调整和优化采集参数[13]。METIS陆上地震综合采集系统涵盖了从实时地震数据采集到实时处理和解释的所有地球物理工作流程。METIS系统DARTs节点的野外试验，标志着节点设备与勘探处理技术相结合取得了初步进展。

4.3 向体积小型化、布设与维护自动化方向发展

随着微电路和电池储能技术的进步，新型节点设备正向小型化方向发展、电池续航时间越来越长，野外布设自动化程度越来越高，将为节点设备应用于高道数高覆盖次数地震数据采集项目创造条件。自动化野外部署和回收、自动化充电、自动化数据下载以及支持野外直升机状态监测和数据下载的全自动化设计，将是未来节点设备的发展方向。

2017年底BP、ROSNEFT和WesternGeco三家公司合作研制的Cheetah节点设备在挪威和阿联酋进行了野外三维试验。这种节点设备质量更轻，只有几百克，价格更便宜，设备的维护充电将采用机器人自动化操作，野外布设将实现了自动化。通过超高密度节点布设，获得高覆盖次数的地震资料，解决难以到达的地区以及具有挑战性地质构造区的地质成像问题，实现业界领先成像效果。这些新型设备一旦试验成功，在陆上地震数据采集勘探史上将具有里程碑意义。

5 结束语

经过十几年的发展，节点设备已经得到了石油物探行业客户普遍认可，为困难地区地震勘数据采集提供了解决方案和设备支持。随着电子、通讯、GPS授时和微电路技术的发展，新型节点设备不断推出市场，节点设备发展将更加轻型化、小型化、自动化、与数据处理一体化，质量更轻，性价比更高，将为未来陆上地震勘探生产降本增产提供设备支持。新型节点设备产品正不断面世，何种节点最终适应和满足市场需求得到推广应用，将取决于生产实践的不断检验。