基于G 3iHD的动态滑扫高效采集质控研究及应用

齐永飞，段昌平，李国发，凌 海，刘 璞，陈新阳，聂明涛

(1.中国石油集团 东方地球物理公司国际勘探事业部，河北 涿州 072751;2.中国石油大学 地球物理学院，北京 102249)

1 引 言

随着宽频、宽方位、高密度地震采集技术越来越被油公司认可，可控震源高效采集技术也随之不断发展，业界先后涌现出已经得到规模化应用的滑动扫描(Slip Sweep，SS)、距离分离同步扫描(Distance Simultaneous Sweep，DS3)、距离分离同步滑动扫描(Distance Simultaneous Slip Sweep，DS4)、独立同步扫描(Independent Simultaneous Sweep,ISS)等高效采集技术[1]。2012年，中东地区首次推出以综合交替扫描、DS3及DS4为一体的动态滑动扫描采集技术，该技术结合地质目的层深度，以特定的震源空间距离和激发间隔时间为限制，从而最大限度地保证采集数据品质和施工效率。动态滑动扫描高效采集以其能够更好地平衡地震采集资料品质和勘探成本的优势逐渐得到国际油公司的青睐，除国内西部探区外，目前已经在沙特、阿联酋、阿尔及利亚及埃及国家的多个项目中应用，并取得良好的效果[2]。

2019～2020年度，G3iHD仪器系统在中东某项目成功实现了23万道数字单检的超大道数高密度地震采集，但采用的仍是常规的交替扫描施工方式。直到近期，G3iHD仪器系统才首次在中东某动态滑动扫描可控震源高效采集项目应用。该项目采用动态滑动扫描激发方式，配备6万道以上超级排列和40多台震源，无桩号施工模式，采集的地震资料品质和施工效率均达到了预期。同时，G3iHD仪器系统对应的数据新格式和系统新特性、动态滑扫质控新要求以及日均6TB级海量数据转储也为项目质控带来了挑战[3-5]。

2 基于G3iHD动态滑动扫描质控难点

基于G3iHD动态滑动扫描主要有以下几方面的质控(QC,Quality Control)难点：

1)高效采集必然需要超大道数作为支撑，该项目单炮激活排列超过2万道，整个排列超过6万道，排列面积近200平方公里，在复杂施工区域还需设置二级排列、蛇形排列以及多级光缆，如何确保换线后排列物理位置的准确性是质控的一大难点。不同于Serce仪器的单道单站模式[6]，G3iHD采集系统为单站4道模式，给超级排列质控带来了更大的挑战。

2)G3iHD配套VibProHD箱体的重锤和平板加速度表为SEG反极性。不同油公司对箱体极性有不同的要求，如何确保箱体极性符合油公司的特定要求是质控的要点和难点。

3)基于时间-距离规则(Time-Distance,T-D)的动态滑动扫描，需要同时考虑距离和时间因素，由激发震源距离推算出不同震源开始扫描的时间，如何验证生产中的炮是否符合相应的规则也是一个难点。

4)G3iHD仪器系统输出的辅助数据格式和内容具有新的特点，需要从中研究出与不合格炮相关的数据特征，才能快速精准地从日均18 000炮的数据中剔除不合格炮。

5)高效采集伴随着海量SEGD数据生成，G3iHD仪器系统生成的SEGD3.0数据有着独特的格式，如何对每天6TB的海量SEGD数据高效转储，并且进行精准的质控是面临的又一挑战。

6)高效采集对野外现场实时质控提出了新的要求。实现仪器和震源端的现场实时质控，能有效减少后续的补炮投入，避免出现严重的质量事件，是保证采集高效率进行的关键[5,6]。

3 基于G3iHD动态滑扫质控方法及应用

3.1 超级排列质控

大道数超级排列是实现高效采集的前提条件。项目施工中，工区内经常遇到高速、农场、军事区等大型障碍物，需要根据实际情况设置蛇形排列、二级排列、绕道以及多级光缆等非常规排列，一旦出现更换大线和站体，或排列站体突变，超级排列物理位置质控将成为一大难点[7]。

为确保超级排列的准确性:

1)首先，野外查线工在正常单条排列首末道、蛇形和二级排列及绕道的两端做敲击测试，将野外实际测试道的线点号及对应的采集站序列号和仪器人员核对；

2)当出现换线或更新排列设置前后，输出每个接收道线点号及对应采集站序列号，对比排列变动前后的信息；

3)室内将野外敲击测试的线点号和采集站序列号、仪器日检或排列变更后输出的线点号和采集站序列号信息以及SEGD数据中真实对应的相关信息做互相对比，图1为某次更换站体之后的检测结果。如果出现大范围站体序列号匹配异常，则需要及时确认排列的准确性。

3.2 箱体极性质控

3.2.1 脉冲测试分析

目前震源箱体以428XL/508XT配套的VE464箱体和G3iHD配套的VibProHD箱体为主，前者加速度表为SEG极性[8]，后者加速度表为SEG反极性。因此根据SEG反极性的定义，从顶部敲击VibProHD箱体加速度表，其脉冲信号应该先下跳。所以在做震源脉冲测试时，平板向下运动，重锤向上运动，平板加速度表对应的脉冲信号应起始下跳，重锤对应的脉冲信号应起始上跳，以此来判别VibProHD加速度表的极性是否正确(图2)。

3.2.2 互相关子波极值分析

根据震源箱体加速度表极性不同(SEG极性或反SEG极性)，油公司对生产中的真参考信号与力信号的相位的要求也不同。对于VE464箱体加速度表而言，其极性为SEG极性，按照项目油公司要求，其真参考信号与力信号要180°反相，而G3iHD仪器系统配套的VibproHD加速度表为SEG反极性，根据要求真参考信号须与力信号保持同相。由于VibProHD为SEG反极性，为了确保真参考信号与力信号同相，则震源参考信号需要与真参考信号反相。因此，为确保VibProHD极性满足油公司对震源极性的要求，真参考信号、震源参考及力信号需要满足表1中的要求。

表1 不同箱体对真参考、震源参考及力信号的相位要求

从表1中可以看出，对于VibProHD箱体而言，真参考信号与震源参考信号反相，则二者互相关后的极大值应为负；真参考信号与力信号保持同相，则二者之间的互相关极大值应为正，如图3所示。以此可以作为箱体极性是否满足油公司要求的一项标准。

图3 真参考信号与震源参考互相关(左)，与力信号互相关(右)子波极大值

3.2.3 地震采集数据初至起跳分析

由表1可知，无论是采用VE464箱体还是VibProHD箱体，用于控制震源扫描的震源参考信号都与真参考信号反相，即震源参考信号同相，那么震源最终输出的信号方向应一致，因此采集的地震数据与真参考信号相关后，初始起跳也应该一致。如图4所示，按照同一油公司对极性的 要求，图4(a)为使用VE464箱体情况下采集的地震数据，图4(b)为使用与G3iHD配套的VibProHD箱体情况下采集的地震数据，二者初至初始均为负跳。因此，可以通过地震采集数据初至初始起跳对箱体极性是否正确做进一步质控。

图4 不同箱体采集数据初至初始起跳

3.3 动态滑动扫描时间—距离规则质控

时间—距离规则中各阶梯的时间点和距离点的制定，已经充分考虑到了距离限制的滑动扫描和距离限制的同步扫描对地震资料品质的影响，尤其是对邻炮的噪音干扰和对上一炮的谐波干扰。所以，在高效采集中，对时间—距离规则的质控非常重要。以往对时间-距离规则的质控，主要停留在计算出当前炮和上一炮的震源距离以及二者实际开始采集时间间隔，然后依据时间—距离规则推算出理论上当前炮可以开始采集的时间，将理论可采集的时间与实际采集时间对比分析，以此判断当前炮开始采集时间是否符合时间距离规则[9]。

而实际上，这种质控方法存在很大的问题，没有考虑到当前炮开始采集不只是对相邻炮产生干扰，而且会对记录长度(扫长+听长)内的所有炮都会产生干扰。因此，当前炮应该与该炮开始采集时间之前一个记录长度内所有涉及到的炮进行比对。如图5所示，当前炮V4应分别与V1，V2，V3做对比。先计算出当前炮与记录长度内的各炮之间的距离，然后根据时间-距离规则计算出与各炮对应的理论可开始采集时间，从众多理论可采集时间中选取最为严格的时间(理论上可开始采集的最大时间)与当前炮实际开始采集时间进行对比。如果理论可开始采集时间晚于实际开始采集时间，则当前炮不符合动态滑动扫描规则，反之当前炮为合理激发，这样才能实现真正意义的时间—距离规则质控[10]。

图5 震源起震顺序示意图

如图6所示，采用传统质控方法(图6a)和新的质控方法(图6b)对比可以看出，新方法能够很好地检测出不符合动态滑动扫描规则的炮，而且从不符合规则的单炮数据的混叠程度(图6c)也可以看出新质控方法的必要性。

图6 常规时间-距离规则质控方法和新质控方法对比

3.4 基于G 3iHD辅助数据的不合格炮质控

G3iHD仪器系统输出的辅助数据格式和内容具有新的特点，研究出与不合格炮相关的数据特征是快速精准地利用辅助数据剔除不合格炮的关键。除对COG(Center of Gravity,COG)、震源相位、Dead Trace(死道)等具有明显不合格炮特征的信息进行质控外，震源状态码成为判别单炮是否合格的关键质控点。由于G3iHD使用了Hypersource技术[11,12]，震源和仪器通讯能力大大增强，没有专门针对通讯不畅的状态码[13]，因此G3iHD生成的震源状态码比较简明[14]：1 = OK, 20 = receiver spread issue, 30 = GPS accuracy warning, 14 = Accelerometer reversed or dead。很显然，对于代码20和代码14的炮将做废炮处理。尽管代码30的炮出现GPS精度报警，但箱体数据中炮点GPS(Global Positioning System,GPS)和测量精度信息均符合要求，可以考虑复测后不做废炮处理[15]。

同时，从辅助数据中也发现，有些炮代码为正常代码1，但是震源属性和坐标为0。经过分析发现，这些炮的箱体数据齐全，和同一炮点的正常炮对比，单炮数据显示和频谱分析均没有异常，如图7所示。初步推测这些炮点震源已经起震，只是在起震后各种原因，PSS(Post Sweep Service,PSS)数据没有返回仪器。所以，这些炮可以不作为废炮处理，后续需要将箱体数据中震源属性和坐标信息赋予PSS数据，以确保数据的完整性。

图7 震源属性值异常炮对比分析

3.5 基于QNAP的海量数据转储与质控

G3iHD仪器系统生成的SEGD3.0数据格式有着很大的不同，且仪器数据直接输出到QNAP(Quality Network Appliance Provider,QNAP)中，室内需要对每天6TB的海量SEGD3.0数据进行仪器返回的QNAP到室内磁盘阵列转储。同时，鉴于QNAP的存储灵活、高安全性及可循环性，以QNAP取代磁带作为上交数据的存储介质也将成为一种发展趋势。因此，室内还需要将每束线数据转储到用于上交的QNAP。

3.5.1 仪器QNAP到磁盘阵列转储与质控

针对G3iHD输出的SEGD3.0数据，KL-Seispro(一种软件名称)可以将仪器QNAP数据拷贝至室内磁盘阵列的同时，根据设定的浅层和深层时窗，通过计算时窗内幅值及能量筛选出可疑炮[16]。室内人员只需对可疑炮进行检查即可，大大提高了单炮质控效率和精确度。

辅助道是否有问题直接关系到原始地震采集数据的资料品质，因此辅助道质控也是数据质控的一个关键环节。通常选取一个正常的辅助道作为参考，将所有单炮数据中提取的对应辅助道与参考辅助道进行幅值相减，正常情况下，表相减后的样点值均为零(图8)，这样异常辅助道将会一目了然。

图8 参考辅助道相减质控效果

3.5.2 磁盘阵列到上交数据QNAP的转储与质控

不同于由头块—地震道数据块-EOF(End of File,EOF)三部分组成的磁带数据格式[17]，QNAP存储数据是以字节流的形式生成合并文件，没有数据块的概念，数据块之间也没有间隙，每炮结尾也没有EOF标识，所以转储速度相对较快。QNAP数据上交要求将多个炮文件合并为一个SEGD数据文件，根据 SEG 标准，最终确定磁盘格式的SEGD3.0数据以128字节的存储单元标签SUL(Storage Unit Label,SUL)开头，后跟可选的 TOC(Table of Contents,TOC)信息，其后是地震数据主体部分。

在数据合并过程中，输入整条线束的多文件SEGD数据，并按照TB时间升序排序(Time Break,TB)；选择关键参数，包括数据格式、数据合并类型、数据大小门槛值；导入共计128字节的存储单元标签SUL信息；导入包括SEGD 版本、数据类型、工区、虚拟带盘号等信息在内的TOC头块，共448字节。由多文件转储为单一SEGD数据后，在室内需要对文件号总数及顺序、总道数、记录长度等进行质控，并导入Final SPS(“最终炮点文件”)文件，与合并数据中的单炮数据的道头字进行比对，确保数据正确性和完整性[18]，如图9所示。

图9 QC检查SEGD数据

3.6 基于G 3iHD的现场实时质控

对于每几秒一炮的高效采集作业，震源和仪器的有效生产时间非常关键。根据G3iHD仪器系统以及VibProHD箱体数据存储架构，在震源端和仪器端同时实现现场实时监控，发现废炮及时补放，可以减少后续震源补炮绕路时间，同时也能够避免重大质量事件的发生，进而有效提高施工效率和现场质控水平。

3.6.1 基于VSC的震源端实时监控

基于VSC(Vibrator Service Center,VSC)导航的震源端实时质控，允许现场设定震源出力、相位及畸变等门槛值，超过门槛值会自动报警提示震源操作手(图10)，操作手根据提示在搬点前及时补放，避免下一炮结束后再返回补放，有效提高了单组震源工作时间，从而提高了整体的施工效率。

3.6.2 仪器端辅助道实时质控

辅助道是否正常直接关系到采集数据是否合格。仪器现场选定正确的辅助道作为参考道，并从采集的数据中实时提取每炮的辅助道与之对比，如果发现异常及时报警，提示仪器当值人员，避免出现大范围采集数据不合格的情况，如图11所示。

3.6.3 基于SEGD数据信息实时提取的排列位置监控

在超级排列设置绕道、蛇形排列及二级排列过多时，存在站体与地震道突变的情况，直接造成排列错道引起的大量不合格炮。为此，在仪器端开发实时提取每炮SEGD数据中每道的线点号及采集站体号[19,20]，并将对应的道信息实时连续地与上一炮的相应信息做对比，如果出现大范围接受点与采集站体不一致的情况，则需要及时通知查线工确认，避免产生大范围的错道,如图12所示。

图12 排列位置信息实时监控

3.6.4 基于SEGD数据信息实时提取的关键参数监控

仪器参数是否正确直接关系到采集数据是否符合油公司的要求。仪器每次重启后需要设置大量的参数，手动检查很容易出现纰漏[21,22]。图13展示了技术人员开发的在仪器现场直接对比仪器重启或故障前后的参数的软件，遇到异常参数设置及时提示，避免参数设置错误。同时，实时读取并监控SEGD数据中的记录长度、扫长、增益等关键参数是否正确，进一步确保了采集数据的正确性[23]。

图13 SEGD关键参数实时监控

3.6.5 基于RTQC的单炮数据实时监控

单炮数据实时评价是实现现场实时监控的重要环节之一[24]。RTQC(Rreal Time Quality Control,RTQC)通过对单炮能量、幅值、频率及信噪比等计算对比[25]，可以有效识别出天然地震干扰(图14)、高压线干扰、震源空震、断排列或静电干扰造成的死道等异常炮，实现了对单炮数据的实时监控。

图14 单炮数据现场实时监控

4 质控应用效果分析

1)结合G3iHD仪器采集系统单站多道的特性，采取对二级排列、蛇形排列及多级光缆等非常规排列进行多端点野外现场敲击测试，现场排列变更站体信息对比，室内敲击测试、日检测试及SEGD数据对应信息等三方对比，最大限度地确保了6万道级超级排列的物理准确性。项目运行以来，没有出现排列错道造成的不合格炮。

2)在深入研究SEG极性、反SEG极性以及不同极性下对真参考信号与力信号关系的要求后，针对G3iHD配套的VibProHD箱体，采用脉冲测试平板和重锤初始起跳验证，真参考信号、震源参考信号及力信号互相关分析，采集数据初至起始方向对比等方法，很好地确保了箱体极性符合油公司的要求，进而确保了采集数据的正确性。

3)突破以往对动态滑动扫描的时间-距离规则质控方法，全面考虑当前炮与记录长度内的所有炮的距离和扫描间隔时间做比对，选择将最小容忍度的开始采集时间与当前炮实际采集时间进行比对，进而判别当前炮开始采集的合规性，确保了采集数据真正意义上符合动态滑动扫描时间距离规则，避免出现不符合规则混叠数据，保证了地震采集资料的品质。

4)通过研究G3iHD仪器系统输出的辅助数据格式和内容的新特点，在保留常规COG超标、震源相位超标、死道等明显不合格炮特征的质控外，深入分析了G3iHD输出的震源状态码以及对应的箱体数据和单炮数据，进一步确定了不合格炮相关的数据特征，有效提高了不合格炮甄别的效率和精准度。

5)基于QNAP的海量数据转储及质控方法，确保了每天6TB级海量数据由仪器QNAP到室内磁盘阵列的转储与质控，实现在转储的同时对单炮数据进行质控，并列出可疑炮，有效提高了单炮质控效率和精准度，大大降低了人员劳动强度。同时，也实现了磁盘阵列到上交数据QNAP的高效转储(约为磁带转储的2倍)，并对多个炮文件合并为一个SEGD数据文件进行了有效质控，确保了上交数据的完整性和正确性，实现数据上交零错误。与以往磁带转储方式相比，基于QNAP的转储也大大减低了数据转储成本。

6)基于G3iHD仪器系统内部数据库结构及VibProHD箱体数据存储方式，实现了震源端的震源状态实时监控、仪器端基于SEGD数据的辅助道实时质控、排列变更实时质控、仪器关键参数实时质控以及RTQC单炮实时质控，这些质控的应用确保了异常炮及时补放，减少了后续补炮的震源投入和时间消耗，有效提高了仪器和震源工作时间，进而提高了施工效率。同时，也避免了大范围不合格炮的情况发生，大大提高了野外现场质控水平。

5 结 语

鉴于地震资料品质和单位面积内勘探成本的综合考虑，动态滑动扫描可控震源高效采集仍是当前中东和北非地区各油公司的优先选择。在无线节点采集技术没有完全得到各油公司的采用之前，有线仪器仍然是高效采集的主力采集系统，而业界在海外项目能够成功实现动态滑动扫描高效采集的仪器系统只有Sercel出品的428XL/508XT和INOVA出品的G3iHD系统。随着G3iHD仪器在国际高效采集项目中的首次成功应用，在可预见的未来一段时间内，G3iHD仪器系统在国内外可控震源高效采集勘探中将具有广阔应用空间和前景。本文中基于G3iHD仪器系统的特性研究出的一系列动态滑动扫描高效采集质控方法，在中东某高效采集项目中得到很好的应用，取得了良好的效果，对后续类似G3iHD高效采集项目的质控研究具有重要的指导和借鉴意义。