地震仪器在复杂区高密度地震勘探中的应用

甘志强，杨 晗，尹弋赞，郭俊超，高丰婉

(1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司装备服务处 河北 涿州 072751;2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司西南物探分公司 四川 成都 610213)

0 引 言

随着油气勘探开发的不断深入，深层油气藏识别、油气藏精细描述以及掌握剩余油气资源分布已经成为油田增储上产的重要研究对象，勘探条件日趋复杂，促进以“两宽一高”为特征的大规模高精度地震勘探方法推广应用，使得地震勘探作业进入了大道数时代。地震勘探作为油气勘探最为重要、有效的技术手段，能够获取地壳深部更为精细的地质结构和属性，而作为地震勘探的核心装备，地震仪器技术的实施效果，直接关系到物探采集资料的品质、施工作业的效率和成本[1-3]。在高精度勘探的大背景下，恶劣的地表条件、复杂的地下构造、复杂的储层储集空间，对物探技术提出越来越高的要求，也为地震仪器高效作业带来了新的挑战。

地震仪器的本质功能是将动态地震波转换为静态地震数据，在此过程中最为重要的是保持电信号幅度、频率和相位特性恒定不变。自20世纪30年代第一代地震仪器诞生开始，迄今地震仪器已经发展到第五代，不仅在系统带道能力、工作方式、激发源管理、采集数据精度、响应频率范围等方面有效满足了地球物理勘探的需求，在排列管理、海量数据传输与存储等配套应用技术方面也得到了长足的进步。近年来，随着卫星授时、数据存储、无线传输等相关技术的不断发展，以“无缆”为主要特征的节点式地震仪器、无线地震仪器等用于解决地震勘探过程中某些特定问题的各类采集设备应运而生，在很大程度上提高了地震仪器对于大道数、复杂地表条件下地震勘探作业的适应能力。需要强调的是，不同类型和结构的地震仪器在野外应用过程中都会表现出各自的优势和缺点，比如有线仪器复杂地表穿越能力差、节点仪器不具备实时的噪音监视、无线仪器续航时间短等问题。针对这些问题，本文从高精度地震勘探作业特征及需求出发，从工作原理、技术优势和应用效果方面阐述了以北斗短报文通讯、卫星定位、卫星授时等为关键技术支撑的有线和节点联合采集、分布激发控制、自主激发控制等地震仪器创新应用技术，并对这些新的作业技术进行了分析和讨论。

1 高精度地震勘探作业的难点及需求

高精度地震勘探的地质目标往往是结构复杂、埋藏较深、隐蔽性强的油气构造，对于采集资料的信噪比和分辨率有着更高的要求，由于地震波在地层中的传播速度每秒高达数千米，只有确保布设在地面数万甚至数十万个采集通道完全同步工作(误差在μs级以内)，才能有效地分辨埋深在几千米之下的薄砂层(10 m级)。在这样的技术背景下，如何高质量、高效率地完成野外地震数据采集任务，也就成为高精度勘探需要考虑的重点问题之一。目前，在实施高精度地震勘探作业的过程中，面临的主要难题包括：

1)传统有线仪器带道能力有限，且由于电缆的束缚导致其在复杂地表环境很难实施大规模地震采集作业，限制了高精度物探采集施工设计方法的实施效果。另外，大规模采集作业时，海量设备的运输、收放、采集排列、供电保障等均将成为影响生产效率和采集数据质量的因素。

2)新近出现的节点仪器虽在带道和地表穿越能力方面具有很强的优势，但在排列状态和采集数据实时监控方面存在不足，存在质量风险。大规模采集作业时，海量节点单元充电的工作量很大，且存在较高的安全风险，数据下载、合成等环节也会导致数据交付滞后的问题。

3)传统使用的源激发控制系统一般采用单个编码器和多个译码器组成的架构，由于支持译码器数量、无线通讯受限等多方面的原因，使其无法很好地适应大规模或超大规模的地震数据采集作业。

地震勘探是地壳深部油气探测的主要方法，而地震仪器是获取高品质勘探资料的关键。面向深层地震勘探开发过程中油气藏精细描述的终极目标，突出高效率、低成本、高精度，地震仪器需要具备超大道数采集能力、复杂环境或地表的适应能力、更短的排列准备时间以及低功耗、高可靠性和易于收放的优良特点，同时能够支持突破现有作业流程的创新采集施工作业方法。

2 地震仪器创新应用方法

2.1 有线和节点联合采集

有线和节点联合采集通过对2种不同设计理念、不同工作方式采集设备的灵活应用，能够有效解决传统有线仪器实时带道能力有限、节点仪器无法进行实时噪音监视和工作状态质量控制等问题，能够满足大道数、高密度以及地表复杂区域采集对地震仪器的需求，可有效提升采集系统对大道数地震勘探作业的适应能力。由于不同仪器厂家、不同型号的地震仪器会呈现出不同的技术特性，这种创新的地震仪器应用方法要求参与联合作业的节点和有线仪器系统能够支持相同的采集参数，且系统的幅频响应、相频响应以及时间延迟特性应一致，更为最要的是如何实现不同类型地震仪器的时间同步，这是获取高品质地震资料的基础，也是能否开展有线和节点联合采集作业的必要的前提条件。

随着相关技术的不断进步，卫星授时技术逐步应用到地震数据采集作业各环节。现有的G3i、508XT、UniQ等有线设备均支持卫星授时方式工作，而卫星授时技术本身就是节点仪器实现自主采集的核心技术。因此，可以选用卫星授时作为关键技术，实现有线和节点联合采集的精准同步。基于卫星授时的有线和节点联合采集作业工作流程如图1所示[4-5]。

图1 有线和节点联合采集作业工作流程

有线、节点联合采集作业方式技术优势如下:

1)充分发挥节点仪器无需布设电缆的优点，可在人员密集区、高速公路、河流、无工农许可等地震电缆不易布设区域弥补有线仪器实时带道能力不足的缺陷，增强数据采集的完整性与灵活性，确保高精度地震勘探技术的应用效果。

2)充分利用有线仪器环境噪音监视的功能对作业现场主要噪声源进行实时监控，降低采集过程中的环境干扰，确保采集数据质量。

3)由于节点仪器没有电缆的束缚，使得联合采集系统平均单道质量较纯有线方式轻，减少了放线工作量和排列用车的数量，降低了野外排列收放作业的工作量和施工作业的风险，也给后勤保障减轻压力。

2.2 自主激发控制

在地表条件特别复杂的环境下(比如高大山体、密林等)开展地震数据采集作业时，由于设备、人员以及通讯等方面的原因，会出现无法起爆炮点，或炮点起爆后质控数据无法回传，从而严重影响了生产效率，甚至导致了质量事故的发生，成为高精度地震勘探技术在复杂区域大规模应用迫切需要解决的问题之一。利用北斗短报文、时钟保持、时间槽控制、卫星授时、轨迹导航等关键技术，实现了地震数据采集和炮点激发的独立同步作业，突破了山地、密林等常规作业方式受限区域的炮点高效激发的技术瓶颈，井炮施工作业效率提高30%以上[6-7]。北斗独立激发系统硬件组成如图2所示。

图2 北斗独立激发系统硬件组成图

2.3 分布激发控制

随着勘探规模的不断增大，对炮点的激发效率提出了更高的要求，激发日效由原来的几十或几百炮，到目前的几千炮，甚至更高。另外，激发点所在位置与仪器之间的距离，即炮点激发的控制距离也日趋增大。近些年来多个勘探项目的实际运作情况表明，传统采用中央主机集中式管理的激发控制架构在面对超大规模地震勘探作业时，存在难以突破的质量和效率瓶颈，难以满足大道数作业的需求。地震仪器的发展历程是由小道数到大道数，由集中式再到分布式，借鉴这一技术理念，以卫星授时技术为基础引入一种分布激发控制的技术思路，缩短炮点激发控制所需的通讯距离，增加炮点激发控制的灵活性，实现炮点的更高效率激发控制，工作示意图如图3所示。

图3 分布激发控制示意图

分布激发控制器的硬件实物图、控制终端软件界面分别如图4、图5所示。施工作业时，分布激发控制器与源同步激发系统的编码器连接，并向控制终端软件转发来自译码器的Ready消息，根据控制终端下发的启爆指令控制译码器启动。需要提到的是，若来自译码器的Ready消息中包含位置信息，则可实现自动激发作业。

图4 分布激发控制器硬件实物图

图5 分布激发控制终端软件界面

3 应用效果

有线和节点联合采集技术是满足复杂探区(如山前带、城乡接合部)超大道数采集的关键支撑，能够确保参与采集的地震道样点同步精度达到10 μs级，且实际接收的道数可按需任意扩展。该创新的勘探作业方式不仅利用了节点布设灵活、环保、轻便等特点，而且还利用了有线仪器可实时监视环境噪声等特点，扩展接收能力的同时确保了数据质量和施工效率。不同类型仪器采集数据对比如图6、图7所示[8]。

图6 不同类型仪器采集的炮集数据对比

图7 不同类型仪器采集的数据剖面对比

自2017年在玉门窟窿山项目首次应用以来，解决了青海红山、北疆四棵树、塔里木克深5、秋里塔格等30余个三维项目的高精度地震勘探难题，满足了超大道数采集的需要。2020年上半年，在塔里木某三维项目应用2种节点仪器、1种有线仪器进行联合采集作业，解决了该项目在山地、城镇、井场、公路、河流等复杂地表条件下的高密度、高覆盖次数的地震数据采集问题。

自主激发控制系统成功研发后就一直处于供不应求状态，目前已经成为山地、丛林、沟壑等复杂探区的必配，已经完成近20个勘探项目30余万炮的井炮激发任务，典型的应用案例是2017年6～8月在玉门探区某三维项目应用了12套，创造了平均每天409炮、最高每天1 012炮的探区纪录；2018年10～12月在青海探区某三维项目应用了22套，创造了平均每天941炮、最高每天2 019炮的探区纪录。

2020年10～11月，研制的分布激发控制器在长庆探区某三维勘探项目首次应用，将工区内同时工作的编码器由一个变为多个，同时在现场工作的译码器也达到了30台以上，缩短了编码器和译码器之间的距离，结合优化的激发控制算法，大幅提高了该项目的井炮激发效率，取得了最高时效315炮，最高日效3 186炮的应用效果。

4 分析与讨论

随着油气勘探开发不断深入，地表条件与地下构造越来越复杂，勘探精度要求越来越高，如果要实现突破性进展，必须依靠技术进步与创新。地震仪器是地球物理勘探最有效的工具之一，其技术性能和应用效果直接关系到采集地震资料的品质。面对20万道级的地震数据采集规模，传统地震仪器采用的有线仪器采集作业，单编码器管理多个译码器的激发控制架构已显得捉襟见肘，无法很好地适应高密度大道数地震数据采集的需求，在山地、丛林、城区等复杂地表区表现得尤为明显。

在地震数据采集方面，有线和节点联合采集技术已经成为以“宽频带、宽方位、高密度”为特征的高精度勘探项目的最佳地震仪器采集作业应用新方式，特别中国的地震勘探环境往往都是城镇与农田并存、山地与戈壁并存、现代交通与厂矿并存，更需要这种新型的采集作业方式。近些年来，为了更好地保障高精度地震勘探技术的实施效果，有线和节点联合采集已经由最初的1种有线仪器和1种节点仪器联合作业，逐步演变为1种有线仪器和2种甚至更多种的节点仪器联合配合使用；在联合采集作业时的有线仪器应用方式也由1台主机集中管理演变为2台甚至更多的有线仪器主机分区管理。这些更加灵活的有线和节点联合采集方式已经在塔里木佳木3、库车北等三维项目得到了成功应用。30余个勘探项目的成功应用案例，有力证明了有线和节点联合采集技术是复杂探区实现超大道地震数据采集的重要支撑，在今后一段时间内，该项采集方式会成为高精度地震勘探的重要依靠。

在炮点激发控制方面，本文提出的自主激发控制和分布激发控制的源激发作业新方法和配套装置能够很好地解决传统依赖无线通讯和单编码器集中管控进行炮点激发控制带来的效率和质量瓶颈，从而更好地满足高精度地震勘探的需求。自主激发控制方式借助卫星授时、时钟保持、时间槽控制以及北斗远程启停控制等关键技术，通过改变传统激发作业流程的方式，彻底解决山地、密林等电台通讯受限区域的炮点高效激发问题；分布激发控制方式借助卫星授时、少量的必要信息交互，缩短了源激发控制系统编码器、译码器之间的距离，并以多组管理的方式扩展了激发控制译码器数量的上限，提升了传统源激发设备对于大规模地震勘探作业的适应能力，特别适合用于通讯条件较好区域的炮点分组高效激发作业。

5 结 论

地质勘探要求的不断提高,地震勘探逐渐转向精细构造勘探。高精度地震勘探技术是解决深层油气藏和复杂构造油气藏识别的有效方法，必将成为推动国内油气储量又一次大幅增长的主要技术手段。相比于以往使用的地震勘探方法，高精度地震勘探对地震仪器的技术性能和应用效果提出了更高的要求，包括采集设备的复杂地表穿越能力、最大同时采集通道数，以及源激发控制设备最大同时工作译码器数量、无线通讯距离等。本文从高精度地震勘探作业的难点和需求出发，从技术原理、工程应用效果角度出发对有线和节点联合采集、自主激发控制、分布激发控制等地震仪器技术创新应用方法进行了阐述、分析和讨论，得到如下结论：

1)有线和节点联合采集通过集合不同类型地震仪器的技术优势，解决有线仪器实时带道能力有限，以及节点仪器无法进行实时噪音监视和工作状态质量控制等问题，提升高精度地震勘探技术的实施效果，适合用于地表条件复杂、无线通讯条件差的探区施工作业。

2)自主激发控制作业模式通过使用卫星授时、时钟保持、时间槽控制以及北斗远程启停控制等关键技术，使得数据采集和炮点激发环节相互独立，突破了山地、密林等区域由于无线通讯受限而带来的效率和质量瓶颈。

3)分布激发控制作业模式通过借助卫星授时和少量的必要信息交互的方式，改变了传统使用的单编码器集中管控的源激发作业方式，适合用于通讯条件较困难区域的大规模地震勘探作业。

油气资源勘探的突破性进展，必须依靠技术进步与创新。有线和节点联合采集、自主激发控制、分布激发控制等地震仪器技术创新成果能够很好地解决高精度地震勘探过程中的技术难题，提升采集地震资料的品质，可为今后超大规模地震勘探作业提供技术参考。