史子樂，黃艷林，李 靜，黃浩璨，馮永江

(東方地球物理公司國際勘探事業(yè)部 河北 涿州 072750)

0 引 言

本世紀初以擺脫有線線纜束縛、自主記錄地震數據為設計原則的節(jié)點設備開始研發(fā)，各型節(jié)點設備在國際大的油公司支持下不斷面世。2007年左右Fairfield Nodal公司、Geospace公司先后推出Zland和GSR節(jié)點設備，Sercel公司研制推出了Unite節(jié)點儀器，INOVA公司研制了Hawk節(jié)點設備。這些節(jié)點設備以GPS授時系統為基礎，利用數據時間戳比，實現了節(jié)點設備自主記錄地震數據，成功擺脫了有線線纜的束縛。節(jié)點采集技術系統和裝備制造質量逐漸成熟并快速在石油勘探行業(yè)得到推廣應用。至今，全球已經生產了近百萬道陸上節(jié)點設備，成功應用到石油地震數據采集項目中，為石油物探行業(yè)提高生產效率、降低勘探成本、解決復雜地區(qū)勘探問題提供了設備保障。隨著2014年油價下跌，全球地震勘探行業(yè)經歷了近三年多的低價寒冬，縮減勘探成本、降低勘探風險、提高地震采集生產效率成為石油物探數據采集行業(yè)最強烈的需求。同時隨著電子元件小型化、微處理器的發(fā)展，如FPGA、DSP、ARM等，已經可以存儲、處理、傳輸海量的地震數據，并能夠更快速地處理復雜運算，儲能電池和數據通訊技術的發(fā)展也為移動操作系統解決方案創(chuàng)造了條件。近幾年各種新型陸上采集節(jié)點儀器設備如雨后春筍般推出市場，新概念節(jié)點設備正在不斷研發(fā)試驗中，這些新型節(jié)點設備正在不斷改變石油物探數據采集行業(yè)生產方式，改變著行業(yè)物探地震數據采集商的競爭力和市場競爭格局。

1 節(jié)點設備主要特點

節(jié)點設備相比有線設備最主要的特征是擺脫了線纜束縛，利用GPS授時、GPS定位和數據當地存儲的方式實現了地震數據的自主記錄。通過GPS授時系統獲得精準世界時，節(jié)點設備利用在采集數據上打時間戳的方法，實現采集數據的同步和后期數據處理；利用GPS定位確定自己的位置；利用數據存儲器實現數據的當地存儲。因此目前石油物探行業(yè)應用的各種節(jié)點設備，節(jié)點野外采集單元的電路設計原理都大同小異，不同節(jié)點產品間的差別僅在于產品對電路的優(yōu)化設計和某項功能的強調。

節(jié)點設備系統一般包括節(jié)點野外采集單元和數據下載管理支持系統。野外數據采集單元是節(jié)點設備的核心，其內部電路主要包括數據采集電路、存儲和控制電路、通訊和接口電路以及GPS授時電路等部分[1]。節(jié)點電路的核心部件是FPGA電路和ARM處理器，他們共同管理和控制GPS授時、地震信號數據采集、數據存儲管理、通訊和電源管理。節(jié)點設備野外采集單元原理圖如圖1所示。

圖1 節(jié)點設備野外記錄單元原理圖

2 主流節(jié)點設備

目前全球物探地震數據采集節(jié)點設備制造商至少有12家以上，全球石油物探行業(yè)廣泛應用的地震數據采集節(jié)點設備產品主要有Fairfield公司的ZLAND，GeoSpace公司的GSR和GSX,法國Sercel公司的Unite,INOVA公司的HAWK等，這幾種節(jié)點產品在全球石油物探行業(yè)應用最多，產品技術和質量已經非常成熟，已經在石油物探行業(yè)得到了很大程度推廣應用。

2.1 ZLAND節(jié)點

Fairfield公司的ZLAND節(jié)點設備是24位A/D轉換地震數據采集系統，單站單道，是商業(yè)化應用比較早的陸上數據采集產品，屬于數據盲采型，目前已經發(fā)展了兩代產品。野外采集單元包含必要的基本部件：電池、檢波器、電子控制板、模/數轉換、計時電路和存儲器，無線數據下載功能設計?？梢赃x擇使用內置檢波器或外接檢波器,客戶可以根據自己的要求選擇內置檢波器型號。根據GPS授時技術，操作人員用手持終端布設節(jié)點在接收點的位置。當節(jié)點內的GPS接收器啟動后，接收GPS衛(wèi)星的同步信號，內部鎖相環(huán)(PLL)時鐘開始有規(guī)律地使用GPS計時，模擬到數字轉換器(ADC)板被打開，從而自動連續(xù)采集地震數據，并將數據存貯于SD卡。節(jié)點內封裝有14.8V、13Ah的鋰離子電池組[2]。

ZLAND節(jié)點是早期商業(yè)化應用的產品，在電路設計上有些缺陷，如地震數據采集系統沒有實時信息交換能力，不能實時監(jiān)控野外排列，對野外資料質量不能及時了解等[3]。同時電池質量比較大，搬運不便。

2.2 GSR節(jié)點

GeoSpace公司的GSR節(jié)點設備，內部裝有24位模/數轉換器和4GB/8GBSD存儲卡，可以實現最長30 d的連續(xù)記錄。內置高靈敏度GPS接收器，保證記錄系統時鐘的精度。外殼是密封的，一端接檢波器，另一端接電瓶，該接口同時也是參數設置數據下載、電瓶信息交換、設備接地的連接口。GSR節(jié)點接通電瓶后經過3～10 min的自檢，就開始進行數據采集，屬于數據盲采型，在數據記錄的同時每6 min記錄環(huán)境信息，內容包含：經緯度坐標、高程、當前衛(wèi)星、電瓶電壓、地表溫度等信息。GSR優(yōu)點是質量量變輕，但在施工過程中電瓶持續(xù)供電能力較差，同時存在GPS時鐘漂移問題，影響記錄數據的穩(wěn)定性[4]。

2.3 UNITE節(jié)點

Sercel公司在研發(fā)UNITE無線系統時,首次采用了WiFi技術，節(jié)點可以與428有線系統聯合使用，把節(jié)點設備接入到有線系統中，也可以采用全盲采模式。UNITE采集單元(RAU)與內部電池的總重量1.6 kg，在RAU頂部的半球形內包含有WiFi和GPS天線，狀態(tài)指示燈可以顯示RAU每個器件的即時狀態(tài)(GPS，WiFi，電池，儀表和傳感器)。下部部分由兩塊對應電路板組成，一個用來接檢波器，另外一個用來接外部電池，端口也包含一個以太網接口，用來參數設置和數據回收，作為WiFi傳輸的一個補允。內置鋰離子電池，設計有可自主運行30 d的存儲器(16～32 Gb)。UNITE節(jié)點的RAU有不同的版本，連接不同類型的檢波器，RAU-1C版本的RAU連接標準檢波器，可與連接一個高靈敏度檢波器(如SG-5)，也可與一串傳統檢波器(如SG-10)相連。RAU-3版本可與三個連續(xù)接收點的三套檢波器相連或與一個模擬三分量檢波器相連。另外數字版本的RAU-D，在數字傳感器單元( DSU3SA)內部設置有基于MEMS技術的加速度傳感器。RAU可以被埋置到地下10 cm，不會影響GPS和WiFi的性能

2.4 HAWK節(jié)點

INOVA公司的HAWK節(jié)點設備，是2013年研發(fā)的。采集站的技術特點是采用了ARM926EJS處理器、SD存儲卡接口。支持模擬道個數1、2或3，支持數字道3C數字接口(1個VectorSeis檢波器)。數據存儲容量16 GB閃存。配置無線通信接口、藍牙和WiFi。檢波器外置，電源/網絡接口采用8針Dynacon接口。其中，2針用于電源，4針用于網口。LED狀態(tài)指示燈用于指示采集站的工作狀態(tài)、檢波器的工作狀態(tài)、GPS信號的狀態(tài)及電池的容量[5-6]。

2.5 主流節(jié)點設備性能對比

目前市場主流的節(jié)點產品已經得到地震勘探行業(yè)的廣泛應用，這些節(jié)點設備采用自主記錄設計理念，確保了排列布設不再受道數和數據傳輸的限制，相比有線系統，設備布設更加靈活，解決了復雜地區(qū)排列鋪設難題，在山地、溝壑、油區(qū)和城區(qū)等復雜地區(qū)具有巨大優(yōu)勢。同時由于不需要維護排列，數據采集生產排除了排列故障因素影響，采集生產效率大幅提高，同時可以省去大量人工，人力成本大幅降低，在雨林、山地和大沙區(qū)域都具有節(jié)省人力和效率提高的優(yōu)勢。4種主流節(jié)點產品的性能對比統計見表1[7-8]。

表1 當前石油物探行業(yè)內主流陸地無線節(jié)點采集設備性能對比

3 新型節(jié)點設備

近兩年隨著高效混疊采集技術的發(fā)展和高密度高覆蓋次數地震技術對排列的需求，地震數據采集行業(yè)對節(jié)點設備提出了更高要求，同時微電路、高儲能電池和電子存儲設備的發(fā)展，為新型節(jié)點產品面世創(chuàng)造了條件。2017以來年質量更輕、電池續(xù)航時間更長、設備狀態(tài)可監(jiān)控的節(jié)點新產品不斷推出市場。2017年NOVA和Innoseis合作推出Quantum節(jié)點，GTI公司推出NuSeis節(jié)點，DTCC公司開始推廣SmartSolo節(jié)點設備。這些新型節(jié)點設備系統，在國際大油公司支持下，結合最新的勘探處理技術理念，正在以創(chuàng)新的設計思路，解決困難地區(qū)的數據采集生產中的接收問題。

3.1 Quantum節(jié)點

INOVA宣布與Innoseis公司聯合發(fā)展節(jié)點采集系統，產品 Quantum節(jié)點采集技術，把該節(jié)點技術整合到iX1軟件平臺中，為物探數據采集市場提供完整的野外地震采集作業(yè)支持。包括高效震源采集技術、快速數據下載、有線系統、節(jié)點和TZ系統的整合能力。節(jié)點設計更加輕巧，使超大道數排列布設和維護變得簡單、快速和經濟。2018年6月13日，INOVA宣布發(fā)行基于Android系統的Quantum QC應用軟件，該軟件允許對每個節(jié)點執(zhí)行QC檢查和測試，以便操作員能夠直觀地看到每個已部署節(jié)點的工作狀況。2018年11月，Quantum節(jié)點正在國內吉林通遼二維項目進行生產性試驗。

Quantum節(jié)點超低功耗技術使每一個節(jié)點都將做得更小，每個節(jié)點重量約650 g，電池壽命24 h連續(xù)記錄可達50 d，使節(jié)點設備擴展到百萬級采集規(guī)模，獲得更高分辨率成像和寬方位勘探成為可能。Quantum節(jié)點內置電池和檢波器，大幅降低了設備運輸和部署成本。配置了四型GPS系統(增加了北斗系統)，實現高精度的數據盲采。質量控制更可靠性和自動節(jié)點測試功能，以及利用藍牙技術實現野外現場質量控制和配置，確保了數據質量的一致性,從而消除返工的風險。一體化內置檢波器設計，在數據下載和充電時不需要拆解。數據管理更加高效，機柜式節(jié)點數據下載系統可提供約15MB/S的數據下載速度，8Gb存儲容量的節(jié)點10分鐘之內可完成下載。3小時可完成節(jié)點設備充電，便攜式數據回收解決方案可實現野外快速數據回收[9]。

3.2 NuSeis節(jié)點

2015年GTI公司在歐洲EAGE年會上發(fā)布了新一代地震節(jié)點設備—NuSeis，產品一經面世就得到了Shell、BP、OXY和康菲等國際大油公司的認可。NuSeisTMNRU-1C節(jié)點具有24位的數據通道，內置或外置電池，內置或外置檢波器，整合高精度GNSS和GPS衛(wèi)星接收器，無線數據下載等特點。質量862 g，有利于擺放，減少了地震作業(yè)人力成本。設計了節(jié)點機械化自動部署系統，采用ADS V3節(jié)點自動部署系統，可一次裝載部署160個節(jié)點，一名駕駛員就可操作，使用機械將節(jié)點部署在接收點位置上，每個地震隊能夠完成3萬-10萬道節(jié)點的布設能力。NuSeisTMNRU-1C節(jié)點存在的缺點是電池續(xù)航時間偏短，設備充電時間6小時較長。同時設備雖然設計為長棒型，有利于自動化部署，但在堅硬地表地形下不利于節(jié)點的部布設[10]。

3.3 SmartSolo節(jié)點

DTCC公司的SmartSolo無線節(jié)點采集儀器是DTCC公司的一種新型地震節(jié)點采集設備產品，是一款智能節(jié)點設備，具有輕便、智能、高可靠性和低成本的特點。

SmartSolo最大的優(yōu)勢是價格降到單道100 ＄左右[11]，成為目前已經投入生產的節(jié)點產品中最具有性價比優(yōu)勢的產品。

SmartSolo主要特點：節(jié)點結構緊湊，體積小(95 mm×103 mm)；質量設計為共1.1 kg(含電池和尾錐)；可以通過手機APP，完成施工部署和提供技術支持；在每天12 h工作模式下，可以連續(xù)記錄50 d；內置8 GB閃存(可擴展至32 GB)；可選外接電池或檢波器；傳感器自檢和GPS定位；內置DT-SOLO高靈敏度檢波器(可選10 Hz和5 Hz)[11]。SmartSolo節(jié)點在價格上已經非常具有競爭力，但相比近期的新型節(jié)點設備，沒有設計設備監(jiān)控和無線下載，產品仍為完全盲采方式，是其最大的缺點。

3.4 新型節(jié)點設備性能對比

近期市場新出現的這三種新型節(jié)點設備，質量更輕，均在1 kg左右，昆騰節(jié)點做到了只有650 g，方便了野外布設，適用于高道數高密度的排列生產。設備續(xù)航能力更強，昆騰節(jié)點做到了24 h連續(xù)記錄50 d。除SmartSolo外，其它兩種設備工作狀態(tài)均可監(jiān)控，為及時了解設備狀態(tài)和獲取數據提供了可能。這些新型節(jié)點產品正在推廣階段，大范圍應用仍等待市場的檢驗。三種新型節(jié)點產品的性能對比統計見表2。

表2 三種新型陸地節(jié)點采集設備性能對比[7-9]

4 節(jié)點設備的發(fā)展

4.1 地震成像質量需求推動節(jié)點設備發(fā)展

地震數據行業(yè)的強烈需求推動節(jié)點設備的不斷發(fā)展,高效采集技術和更高地震成像質量需求推動著節(jié)點設備的發(fā)展。連續(xù)四年的低油價使油公司和物探服務公司都面臨巨大經營壓力，在降低勘探成本，減少施工風險的因素推動下，新的高效采集技術和采集裝備正在不斷涌現，以BP公司ISS高效混采技術、CGG公司UBA高效混疊采集技術、東方物探公司UHP超高效技術為代表的高效混疊采集處理技術正在迅速推廣應用，這些高效采集技術最大限度地利用了野外震源激發(fā)資源，生產日效達到2～5萬炮以上。高效混疊采集技術相比常規(guī)采集技術，需要更大的排列片和排列滾動，而常規(guī)的有線接收設備已經無法滿足生產需要。隨著這些震源高效混疊采集處理技術不斷發(fā)展成熟推廣，利用新型節(jié)點設備提供穩(wěn)定接收排列支持成為高效生產的迫切需求，高效混疊采集技術和節(jié)點設備結合將成為物探行業(yè)主要競爭平臺[12]。隨著物探數據采集業(yè)務的回暖，市場競爭將刺激市場對節(jié)點設備的需求。

4.2 節(jié)點設備與勘探處理技術一體化結合

解決地質問題、提高勘探精度、降低勘探成本和風險是各大油公司研制和應用新型節(jié)點設備的主要目的，因此節(jié)點設備與勘探處理技術一體化結合是節(jié)點設備的發(fā)展趨勢。

一方面滿足高密度高覆蓋次數的需求，另一方面可以大大縮短勘探周期，降低勘探風險和勘探成本。2017年底，Wireless Seismic、Geokinetics和TOTAL合作研發(fā)的下一代陸上地震綜合采集系統METIS(Multiphysics Exploration Technology Integrated System)在巴布亞新幾內亞熱帶雨林進行了野外試驗，METIS系統DARTs節(jié)點的質量約300 g，所有組件使用環(huán)境無害材料制造，外殼采用可生物降解PLA材料制成，采用直升機一次性投放，采集完成后不再回收。生產時DARTs節(jié)點設備可實時將地震數據通過無線傳輸的方式從節(jié)點傳輸到中央記錄儀器上，地震資料解釋員可實時地處理分析地震數據并快速成像，從而快速評估數據質量和地質構造照明效果，實時調整和優(yōu)化采集參數[13]。METIS陸上地震綜合采集系統涵蓋了從實時地震數據采集到實時處理和解釋的所有地球物理工作流程。METIS系統DARTs節(jié)點的野外試驗，標志著節(jié)點設備與勘探處理技術相結合取得了初步進展。

4.3 向體積小型化、布設與維護自動化方向發(fā)展

隨著微電路和電池儲能技術的進步，新型節(jié)點設備正向小型化方向發(fā)展、電池續(xù)航時間越來越長，野外布設自動化程度越來越高，將為節(jié)點設備應用于高道數高覆蓋次數地震數據采集項目創(chuàng)造條件。自動化野外部署和回收、自動化充電、自動化數據下載以及支持野外直升機狀態(tài)監(jiān)測和數據下載的全自動化設計，將是未來節(jié)點設備的發(fā)展方向。

2017年底BP、ROSNEFT和WesternGeco三家公司合作研制的Cheetah節(jié)點設備在挪威和阿聯酋進行了野外三維試驗。這種節(jié)點設備質量更輕，只有幾百克，價格更便宜，設備的維護充電將采用機器人自動化操作，野外布設將實現了自動化。通過超高密度節(jié)點布設，獲得高覆蓋次數的地震資料，解決難以到達的地區(qū)以及具有挑戰(zhàn)性地質構造區(qū)的地質成像問題，實現業(yè)界領先成像效果。這些新型設備一旦試驗成功，在陸上地震數據采集勘探史上將具有里程碑意義。

5 結束語

經過十幾年的發(fā)展，節(jié)點設備已經得到了石油物探行業(yè)客戶普遍認可，為困難地區(qū)地震勘數據采集提供了解決方案和設備支持。隨著電子、通訊、GPS授時和微電路技術的發(fā)展，新型節(jié)點設備不斷推出市場，節(jié)點設備發(fā)展將更加輕型化、小型化、自動化、與數據處理一體化，質量更輕，性價比更高，將為未來陸上地震勘探生產降本增產提供設備支持。新型節(jié)點設備產品正不斷面世，何種節(jié)點最終適應和滿足市場需求得到推廣應用，將取決于生產實踐的不斷檢驗。