基于可控震源特征信号的一致性测试方法及应用

2023-12-16齐永飞李国发段昌平陈新阳聂明涛

石油管材与仪器 2023年6期

齐永飞,李国发,段昌平,凌海,刘璞,陈新阳,聂明涛,艾华

(1.中国石油大学(北京)地球物理学院北京 102249; 2.中国石油集团东方地球物理公司河北涿州 072750; 3. 英洛瓦(天津)物探装备有限责任公司河北涿州 072750)

0 引言

可控震源有线一致性测试作为可控震源质控的关键环节之一,可以验证可控震源的状态属性、可控震源和记录仪器之间的同步性以及箱体加速度表的极性,一直以来都是业内讨论的热点。震源状态属性及震源和仪器的同步性直接影响到地震采集资料的品质。可控震源有线一致性测试(以下简称一致性测试)可以很好地对上述信息进行验证。传统的有线一致性测试方法,通常将震源箱体连接到生产排列,通过采集站采集震源箱体生成的震源参考信号、平板信号、重锤信号及力信号,将采集的信号传输至仪器并记录分析。传统的测试方法占用生产排列,要求震源集中测试,且受地表条件的影响,震源不一定一次性通过测试,需要更换不同的震动地点多次测试,影响施工效率[1-4]。在高效采集项目施工过程中,震源投入多、分布范围广,传统一致性测试方法耗时过长,已经不适用于目前的高效采集项目。使用G3iHD仪器进行野外采集生产时,基于震源特征信号(Vib Source Signature,VSS) 的可控震源一致性测试方法可以很好地弥补传统一致性测试方法的不足。该方法不需要停炮执行一致性测试,也无需集结震源,直接在生产中完成震源一致性测试所需信号的采集,最大程度减少了一致性测试占用的生产时间。

1 传统可控震源有线一致性测试方法

一致性测试基于震源的参考信号、平板信号、重锤信号及力信号,结合仪器的真参考信号,对震源的性能指标以及同步性进行验证。因此如何从震源获取相应的信号就成了一致性测试的首要条件。

在传统一致性测试中,无论是使用Sercel公司400系列仪器或508XT仪器,还是INOVA公司的G3iHD仪器,都是使用专用测试电缆将震源箱体接入生产排列,通过仪器启动震源,同时激活排列采集震源箱体生成的参考、平板、重锤及力信号,并将信号通过大线传输到仪器,然后与仪器真参考信号作对比分析,进行震源仪器同步性验证、震源参考和真参考信号一致性验证、震源状态属性监控、震源箱体加速度表极性验证等。

1.1 400系列和G3iHD的传统一致性测试方法

在400系列和G3iHD的传统的一致性测试中,首先震源需从不同位置搬迁集结至提前选定的排列处,断开生产排列并使用专用的测试电缆将震源箱体与排列上的采集站相连接,仪器停炮并设置不同的参数,最后仪器使用测试参数启动震源并采集所需要的信号存储到仪器服务器。测试完成后,指标正常的震源可以返回原炮点等待重新生产,而指标异常的震源则需在检修后重新测试直至指标满足要求。以中东某配置超过40台震源的大道数高效采集项目为例,从开始集结震源到所有的震源完成测试并完全恢复生产,需要将近5 h,严重影响了施工效率。

1.2 基于508XT采集系统的一致性测试方法

508XT仪器的一致性测试原理与400系列、G3iHD仪器一致,但是由于508XT的供电单元CX兼具了电源站和交叉站的功能,因此除了传统的一致性测试方法之外,可以在排列上通过CX的光缆口外接一段排列接入震源进行一致性测试,采集到的一致性测试数据可存储到炮数据的辅助道中。设备连接示意图如图1所示。该方法可以实现一致性测试与生产同步进行,测试过程中只是当前测试震源需要停炮,而其他的震源则不受影响,但仪器参数设置以及震源一次性不通过重新更换地点测试仍会对生产造成一定的影响[5]。

图1 508XT有线一致性测试方法设备连接示意图

上述测试方法有着共同的不足之处:震源特征信号经过采集站放大、模数转换、采样以及大线传输等,信号会有一定失真,影响后续数据分析。采集站之间存在一定的采样相位误差,不易判别震源和仪器不同步的时差是来自采集站体差异,还是震源启动时间误差。

2 基于VSS的一致性测试方法

为减少可控震源一致性测试对生产的影响,有效提高生产效率,INOVA公司在新版G3iHD仪器的基础上提出了基于VSS的震源一致性测试方法,测试方法如图2所示。

图2 基于震源特性信号的一致性测试方法示意图

基于VSS的一致性测试方法的特点为:

1)高效可控震源采集中,每台震源和地震仪器都采用独立GPS授时。基于GPS时钟的可靠精度,可控震源与仪器时钟上的误差为纳秒级,生产中可以认为两者具有一致的时钟。

2)可控震源以可控震源箱体GPS授时确定的零时刻(T0时)开始启动震源,仪器主机则以仪器箱体的GPS授时确定的零时刻(T0时)启动采集。

3)震源箱体在每一次的震源T0时刻开始采集记录震源参考信号、平板信号及重锤号,并由平板和重锤信号加权计算出力信号。

4)箱体记录信号数据通过U盘拷贝或者通过大线传输至仪器,仪器将箱体数据与真参考信号合并[3],形成一致性分析所需要的SEGD数据文件。

结合有线一致性测试目的,分别对基于VSS的一致性测试方法的合理性、可靠性做进一步分析。

2.1 震源状态属性监控

震源状态属性主要是通过力信号与真参考信号进行互相关分析,检查互相关后子波幅值是否水平、互相关后负时间轴的谐波值、平均值和峰值相位、平均值和峰值畸变、时间-频率曲线、基波及多次谐波分布等[7]。

使用VSS方式进行一致性测试,震源参考信号、平板信号及重锤信号都直接通过震源箱体采集,力信号由平板和重锤信号加权获得,信号不再通过采集站采样及大线传输到仪器并记录,减少了采集站之间的差异影响和传输过程的干扰,信号保真度更高,更能真实反映震源的振动性能。VSS数据结合仪器真参考信号,可以更好地分析震源状态属性。

2.2 加速度表极性验证

一般情况下,加速度表极性验证可以通过敲击加速度表和脉冲测试2种方式进行,但鉴于高效采集项目投入震源数量大,采用敲击每个加速度表的方式占用时间较长,通常都采用脉冲测试的方式。在脉冲测试信号的驱动下,重锤信号向上行,平板信号相对下行,平板和重锤的加速度表输出信号的起跳可用来检验系统的极性。如果重锤脉冲信号全部向下,平板脉冲信号向上,也就说明该加速度表极性符合SEG极性标准。反之,加速度表极性为反SEG极性标准。

基于VSS的一致性测试方法同样可以实现由仪器发出脉冲信号激发震源,并记录下平板和重锤加速度表的响应信号,通过判断脉冲信号的初始起跳方向,来判断加速度表极性是否正确。

2.3 震源和仪器启动时差验证

传统有线一致性测试方法以仪器箱体获得的GPS授时作为基准,将震源参考信号和仪器真参考信号做互相关处理,计算出震源和仪器的启动时差。一般这个启动时差会受到多个因素影响,包括震源箱体和仪器箱体GPS授时的同步性、基于GPS授时的激发模式下仪器箱体和震源箱体响应同步性、震源和仪器激发响应延迟、采集震源特征信号的站体差异和大线传输环节影响等。基于VSS的一致性测试方法也需要考虑上述仪器震源启动时间差的影响因素。

2.3.1 震源箱体和仪器箱体GPS授时的同步性

项目开工时,通过短基线检验、长基线检验、实时动态(Real Time Kinematic,RTK)重复检测检验,检定确定了震源导航定位GPS接收机性能合格,确保GPS接收机授时正常。采用GPS接收机授时,通过每秒脉冲数(Pulse Per Second,PPS)将震源箱体和仪器箱体的时间与标准GPS时间同步,进而完成震源箱体和仪器时间同步,时间精度保持在纳秒级[8]。因此,采用GPS授时情况下,震源箱体和仪器箱体在时间上高度同步,两者之间的差异可以不予考虑。

2.3.2 仪器箱体和震源箱体激发响应同步性

验证仪器箱体和震源箱体激发响应的同步性,可以通过分析对比仪器点火命令时间和震源接收到点火命令后开始触发时间间断(Time Break,TB)的时间(亦即箱体开始采集记录震源真参考信号的时间)是否一致。仪器开始采集的时间可以从仪器输出的日志文件中获取,震源触发TB的时间可以从震源箱体文件中获取,二者时间精度均达到微秒级。

一般情况下,仪器点火命令时间和震源开始触发TB的时间在微秒级上是一样的,如果二者量差超过一定门槛值(通常设置为20 μs),仪器将予以提示。这个比对也可以通过日常质控震源箱体数据和仪器日志文件来完成,目前还未发生过二者不一致的情况。所以,采用GPS授时情况下,仪器箱体和震源箱体激发响应同步性因素也可不予考虑。

2.3.3 震源和仪器启动响应同步性

在高效采集模式下,用于与地震数据互相关的仪器真参考信号一般固定不变,可以先不考虑。在震源端,因为箱体硬件或者固件的原因,用于液压传动控制模块的震源参考信号的实际生成时间与理论要求的TB时间会有一定的时间差,所以震源实际启动与理论TB时间存在一定的时间差。在基于VSS一致性测试方法中,震源箱体和仪器箱体均以TB时间为参考基准,无论实际震源参考是否已经生成,震源箱体都会在TB时间开始记录参考信号、平板信号及重锤信号并保存。所以将震源箱体记录下来的震源参考信号与仪器真参考信号进行互相关,可以观测出震源和仪器启动响应,这也是仪器和震源存在启动时差的主要原因[9-11]。

真参考信号和震源参考信号互相关模拟结果如图3所示。图3(a)为真参考信号和模拟的有4 ms延迟的震源参考信号,图3(b)为二者的互相关结果。可以看出,以同一时间为基准,真参考信号和震源参考信号如果有延迟,则互相关后就可以明显观测到相关子波峰值不在零时刻,对互相关函数做傅里叶变换即可算出精确的时间差值。