5G在地震采集系统中的应用初探与展望

宋志翔

摘要：地震采集系统是油气地震勘探的核心工具，实现地震采集系统的无缆化对油气勘探行业的降本增效具有重大意义。通过5G在地震采集系统中应用的可行性分析，认为5G的高速率、大连接、低时延三大应用场景可以为地震采集系统无缆化提供良好解决方案。基于此，设计了应用5G的地震采集系统，为面向新时期的未来地震采集系统设计优化提供参考。

关键词：地震采集系统;节点地震仪;5G

中图分类号 TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）11-0223-03

人工地震勘探是用于寻找石油、天然气、煤炭等矿产资源的主要手段，高品质地震数据获取是地震勘探乃至整个油气工业的核心目标。野外地震数据采集是油气地震勘探工程中的首要工序，亦即最关键工序，其中，用于地震信号接收和记录的地震采集系统是核心工具之一[1-2]。因此，地震数据采集系统是决定地震数据品质的关键要素。

地震采集系统由地震仪及配套软硬件构成。根据数据传输方式，地震采集系统可以分为有缆系统和无缆系统，有缆系统是通过电缆将地震仪和仪器车等其他硬件系统连接，用于各类通讯和数据传输，无缆系统又可分为盲采和带无线通信功能两类[3]。其中，有缆系统的优势是能够对已布设地震仪所记录数据实现实时传输和全面质控，且支持对地震仪的集中供电，缺点是线缆数量多重量大、转场效率低、人工及经济成本高、单个设备缺陷影响施工效率等。与之对比，无缆系统没有线缆约束、施工方便快捷、人工及经济成本低。因此，尽管目前油气地震勘探领域的数据采集作业主要以有缆设备为主，但无缆设备的独特优势已使其逐渐显现部分替代甚至引领趋势[4-6]。

1 地震采集系统对无线通信技术的现实需求

油气勘探行业内最著名的地震采集系统生产商是法国CGG旗下的Sercel公司，所生产的SN408、SN428和SN508等有缆数字地震采集系统一直是应用最为广泛的产品，且目前诸多地震采集系统指标也是据其标准所制定的，如具有行业代表性的SN508系统（图1），其中，采集站（地震仪）之间、采集站与电源站、仪器车之间都是通过线缆连接，每个采集站也被称为一道[7]。作为有缆地震采集系统的代表，SN508系统具有实时数据回收和质控等很多优点，但并不能解决所有的地震勘探问题，特别针对复杂地表或高密度采集业务，有线地震仪具有的先天劣势显著，即便4芯数字信号电缆与早期的模拟信号电缆相比已经大大轻便，但在面对现今施工动辄就需要出动数万道、甚至十万道，乃至几十万道的采集站来说，其附带的线缆对运输和施工作业均是巨大负担。

无缆地震采集系统为上述问题的解决提供了可能。作为无缆采集系统核心的节点地震仪，比传统有缆地震仪更加轻便、灵活，采集效率更高，且支持在复杂地表或环境敏感区的正常施工，可以为复杂地区高效率高密度采集提供稳固支撑。纵观目前市场，节点地震仪的勘探方式已被勘探应用部门广泛接受并大力推广，逐步显现出行业引领态势。

虽然无缆系统弥补了传统有缆系统的诸多劣势，但是也存在施工质量控制难度大，不支持海量数据实时传输和质量控制，以及设备需要单独充电等方面的局限。为了兼顾两者的优势，节点地震仪需解决的关键技术问题就是所记录数据的实时传输和质控、同步和供电。其中，对海量节点地震仪实现采集数据的实时传输和进行实时质控是最大的技术难题，这两个难题的解决都需要依赖无线通信技术的进步。目前，地震采集装备供应商虽然也推出了利用无线技术（如Wi-Fi、4G）传输地震数据的节点地震仪，但与地震采集系统对无线网络的实际业务需求仍存在差距（表1），数据传输率（带宽）仍旧不能满足野外数据实时传输要求。

以通用的Wi-Fi技术为例，其频段是 2.4GHz，传输速率在2-5Mbps之间，只能满足少量设备的数据传输（<300道）。在常规应用计算中，按1ms采樣率计，每个采集站产生的纯数据量是24 Kbps。1000个采集站的数据量是24 Mbps，1万道采集站的数据量是240 Mbps，10万道采集站的数据量则是2.4 Gbps，由此可见，即使目前应用广泛且成熟4G通信技术也不能满足油气地震勘探领域中数字地震仪对数据传输速率的要求。

2 5G在无缆地震采集系统应用的可行性分析

5G网络是指在移动通信网络发展中的第五代网络，与之前第四代移动网络相比，体现出更多场景和更宽领域的应用特色。2015年9月，ITU（国际电信联盟）正式确认了5G的三大应用场景，分别是eMMB（Enhance Mobile Broadband，增强型移动宽带），uRLLC （Ultra Reliable & Low Latency Communication，低时延、高可靠通信）和 mMTC（Massive Machine Type Communication，海量物联网通信）。已有研究认为，5G的三大应用场景优势有助于破解当前无缆地震采集系统的现实困境[8-10]，为5G在无缆地震采集系统中的应用延伸提供可行性支撑依据（图2）。

eMBB场景就是现在使用的移动宽带（移动上网）的升级版，在这种场景下，网络带宽速率可以达到10 Gbps以上，这为地震采集系统的实时数据传输和质量控制需求提供有力支撑。

mMTC是典型的物联网场景，单位面积的大量终端需要通过网络支持同时接入。地震数据采集系统需要在待施工区域部署数以万计的地震仪，期间需要实现对地震仪的全面控制和实际采集数据的迅速完整地实时回传。因此，无线地震数据采集系统即是典型的mMTC场景。那么，将其引入到地震采集系统，可以有效解决当前节点地震仪无法实时质控的技术难题，并且5G具有10万以上的带道能力，叠加mMTC场景优势，从而实现对野外施工的实时质量监控。

uRLLC类场景是指网络的时延很低。目前主流的5G带内定位网技术，可以完成5G移动通信带内高精度定位网络及高精度同步网络，如能将其运用于无缆地震数据采集系统，预计在时间同步上可达到1ms，在定位精度上达到亚米级别。那么，地震数据采系统完全可以设计一套基于5G网络的精确授时方案，从而摆脱卫星授时的约束。

3 基于5G的地震采集系统初步设计

近年来，5G在我国取得了突飞猛进的发展，并逐步在移动宽带、交通、医疗、工业物联网等领域都出现了较为成熟的应用案例。在油气地震勘探行业，凭借前述的高速率、大连接、低时延三大技术优势，5G在地震采集系统中也展现了良好的应用前景，基于5G的地震采集系统是为当前的系统升级，设计构想如图3所示。

基于5G的地震采集系统由5G核心网络、智能化软件系统、野外营地、人机施工系统、节点地震仪和云端平台构成，系统中每个节点地震仪中都装备5G模组用于通信和数据传输，各个构成部分均可以通过5G网络作为无线通讯手段。具体的构建思路和工艺流程如下：（1）智能化软件系统通过5G网络下发各类指令，实现软件系统与所布设节点地震仪的通讯，可获得节点地震仪的位置、工作状态、实时参数等信息;（2）节点地震仪记录的实际采集数据通过5G网络上传云端服务器，依据施工具体作业要求，可以进行实时回传、分段回传和命令回传;（3）野外营地利用5G网络从云端服务器下载节点地震仪所记录数据，实现实时的数据整理及质量监控，此外，还可通过5G网络获取異常节点地震仪信息并通知人机施工系统实现节点地震仪更换;（4）人机施工系统通过5G网络获取节点地震仪布设设计信息，反馈实地布设结果，进而完成待采集工区滚动施工。这一设计构想集合了传统有缆系统和现有无缆系统的优势，大幅降低人力成本和经济成本，在施工效率和数据回收及质控等方面具有突出优势，对促进地震采集施工由现状的劳动密集型转向技术密集型生产大有裨益，如能实现该设计的成功应用，将有望彻底变革地震采集的施工方式。

4 结语

通过地震采集系统对无线通信技术的需求分析，针对野外地震采集设备无缆化现实需求，本文立基于5G应用于无缆地震采集系统的可行性分析，认为5G的高速率、大连接和低时延等个性特征在地震采集系统的无缆化中具有良好的应用前景，据此对未来基于5G的地震采集系统进行了初步设计构想。

5G在各行各业的落地都取得了一定的应用成果，将其运用于新时期无缆地震采集系统是对现有油气地震勘探领域地震数据采集的一项技术革新，对扩充该领域理论与实践研究内容具有积极意义。本文研究立足于5G的突出优势和鲜明特征，分析其在地震数据采集行业应用的理论可行性，但是不可回避的是，5G本身也存在着信号穿透能力弱、基站覆盖范围面积小、5G模组能耗高的问题，因此综合考虑5G网络成本、与运营商合作、节点地震仪功耗等问题将是本研究今后深入探讨的重点方向。

参考文献：

[1] 罗福龙.地震数据采集系统综述和展望[J].中国石油勘探，2007，12（2）：41-46，84.

[2] 郭建，刘光鼎.无缆存储式数字地震仪的现状及展望[J].地球物理学进展，2009，24（5）：1540-1549.

[3] 唐成鸽，刘厚裕.塔中沙漠地区石油地震勘探数据采集技术[J].勘探地球物理进展，2004（6）：407-414.

[4] 施继承，史子乐，黄艳林，等.全球陆上节点地震数据采集设备现状与市场需求分析[J].物探装备，2019，29（1）：5-9.

[5] 张帅帅，张林行，林君，等.遥测地震仪发展综述[J].地球物理学进展，2014，29（3）：1463-1471.

[6] 陈瑛，宋俊磊.地震仪的发展历史及现状综述[J].地球物理学进展，2013，28（3）：1311-1319.

[7] 张贝贝，齐永飞，鄂殿梁，等.Sercel 508XT采集系统在物探领域中的应用[J].石油管材与仪器，2017，3（5）：79-82.

[8] 李继蕊，李小勇，高云全，等.5G网络下移动云计算节能措施研究[J].计算机学报，2017，40（7）：1491-1516.

[9] 张平，陶运铮，张治.5G若干关键技术评述[J].通信学报，2016，37（7）：15-29.

[10] 王东明，张余，魏浩，等.面向5G的大规模天线无线传输理论与技术[J].中国科学：信息科学，2016，46（1）：3-21.

【通联编辑：梁书】