曹翔宇，劉永正，孟慶兵，齊樹松，崔 磊

(中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司海洋物探處 天津 300450)

0 引 言

地震勘探技術(shù)的進(jìn)展，推動了地震勘探采集設(shè)備的更新和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了多種新設(shè)備，Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)就是其中之一。Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全方位的地震數(shù)據(jù)采集，其遠(yuǎn)程單元(Z100節(jié)點)之間通過繩子(非電纜)連接，各個遠(yuǎn)程單元能夠獨立地進(jìn)行采集作業(yè)，因此可適應(yīng)海底地形變化劇烈的復(fù)雜地區(qū)，而常規(guī)的地震采集系統(tǒng)不能滿足這些復(fù)雜地形的需要[1]。

1 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)介紹

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)是美國 Fairfield公司生產(chǎn)的淺水型(0～300 m)節(jié)點式地震采集儀器，由遠(yuǎn)程單元(Z100節(jié)點)、甲板收放纜設(shè)備和后臺下載充電設(shè)備組成。其中，遠(yuǎn)程單元是實施地震數(shù)據(jù)采集的主體，也是整個系統(tǒng)的核心。遠(yuǎn)程單元內(nèi)置4個檢波器，包括1個水聽器和3個正交排列的陸地檢波器。遠(yuǎn)程單元由內(nèi)置鋰電池組供電，并依靠內(nèi)置芯片原子鐘保證樣點時間精度。通常，以2 ms的采樣間隔，其電量可支持連續(xù)30天的地震數(shù)據(jù)采集。

1.1 遠(yuǎn)程單元

遠(yuǎn)程單元是自主工作數(shù)據(jù)本地存儲且能適合0～300 m工作水深的采集單元，其外形如圖1所示。遠(yuǎn)程單元內(nèi)部有3組鋰電池，在充滿電狀態(tài)下可滿足連續(xù)30天的續(xù)航需求。遠(yuǎn)程單元內(nèi)部包括：主控制電路板、數(shù)據(jù)采集電路板、時鐘電路板、方位采集電路板、檢波器組等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 遠(yuǎn)程單元

圖2 遠(yuǎn)程單元內(nèi)部構(gòu)造

遠(yuǎn)程單元上有一個LED燈，用于顯示不同的遠(yuǎn)程單元狀態(tài)，每4 s顯示一次紅燈表示閑置模式，一閃(紅/綠)為原子鐘(CSAC)正在校準(zhǔn)；每4 s兩閃綠燈表示進(jìn)入采集模式。鑲嵌在遠(yuǎn)程單元黃色緩沖杠內(nèi)的遠(yuǎn)程單元RFID標(biāo)簽，用于在布放和回收遠(yuǎn)程單元時識別遠(yuǎn)程單元的序列號。每個遠(yuǎn)程單元管理一個地震道，布放時用高強(qiáng)度繩子將遠(yuǎn)程單元串接成采集鏈，并可通過改變鏈接遠(yuǎn)程單元的繩子間隔來滿足不同道間距需求。

遠(yuǎn)程單元的特性指標(biāo)如下：

重量：空氣中11.8 kg，水中5.6 kg

直徑：30.48 cm

高度：10.16 cm

作業(yè)水深：0～300 m

工作溫度范圍：-10 ℃～+60 ℃

電池續(xù)航： 30 d(2 ms采樣間隔)

地震檢波器個數(shù)：4個(1個水聽器，3個正交排列陸地檢波器)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器分辨率：24位

采樣間隔：0.5，1,2,4 ms

前置增益：0～36 dB,增量為6 dB

電池充電環(huán)境溫度范圍：+7.5 ℃～+40 ℃

充電時間：小于8 h

存儲容量：64 GB

增益精度：不大于0.5%

滿量程輸入(峰值)：2 500 mV@0 dB,625 mV@12 dB, 156 mV@24 dB,39 mV@36 dB[2]；

時鐘：CSAC時鐘

海底封靈敏度：8.9 V/Bar

陸檢靈敏度：0.570 V/in/s (22.4 V/m/s)

定位精度：±1.5°傾斜角，±5°方位角(在赤道的±50°以內(nèi)的緯度)

共模抑制比：海底封最小40 dB,陸檢最小90 dB

串音：海底封最小80 dB,陸檢最小100 dB

諧波畸變：<0.000 6%

低切濾波：1～10 Hz(可以設(shè)置無低切，選擇Remove DC offset)

相位：線性相位、最小相位

帶通濾波：0～82.6%奈奎斯特頻率[3]

1.2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

Z100節(jié)點采集系統(tǒng)硬件設(shè)備連接如圖3所示，整個系統(tǒng)主要由節(jié)點船儀器房的工作站(WORKSTATION)、服務(wù)器(SERVER)、盤陣(NAS)、頻率掃描儀(RFID READER),節(jié)點船后甲板的充電樁(CHM)、時鐘模塊(TCU)、遠(yuǎn)程單元(REMOTE UNIT)、掃描天線(RFID Antenna)以及安裝在震源船上的槍控記錄系統(tǒng)(SAFE)構(gòu)成。

圖3 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成簡圖

1.2.1 節(jié)點船甲板部分硬件

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)甲板部分的硬件由時鐘控制板塊(TCU)、充電樁(CHM)、GPS天線、遠(yuǎn)程單元、頻率掃描天線(RFID Antenna)及安裝在震源船上的槍控記錄系統(tǒng)(SAFE)構(gòu)成。

1)TCU：時鐘控制模塊，外部連接GPS天線，內(nèi)置有芯片原子鐘(CSAC)。位于充電樁(CHM)附近，為所有遠(yuǎn)程單元提供GPS時鐘同步。每秒1個脈沖(pps)信號從GPS接收器進(jìn)入TCU板。GPS接收器和TCU板之間的串行接口允許電路板獲取確切的日期和時間。TCU板使用GPS規(guī)定的1pps信號來產(chǎn)生所需的同步信號。信號用于在啟動期間同步遠(yuǎn)程單元時鐘。數(shù)據(jù)采集停止時也用于測量時鐘漂移量。

2)CHM：充電下載模塊(充電樁)，連接遠(yuǎn)程單元后開始對遠(yuǎn)程單元進(jìn)行充電，同時CHM將下載到的遠(yuǎn)程單元數(shù)據(jù)傳到用戶管理系統(tǒng)(SMS)中的數(shù)據(jù)存儲位置。

3)RFID：頻率掃描儀，RFID系統(tǒng)的功能是在遠(yuǎn)程單元被鋪設(shè)和回收時對其進(jìn)行電子掃描，RFID系統(tǒng)的目的是將遠(yuǎn)程單位與特定的地震接收站相關(guān)聯(lián)，在鋪設(shè)和回收過程中，這些遠(yuǎn)程單元排除人為錯誤部署。掃描遠(yuǎn)程單元的RFID標(biāo)簽，并將標(biāo)簽數(shù)據(jù)與從導(dǎo)航系統(tǒng)接收到的信息聯(lián)系起來，當(dāng)節(jié)點船沿著一個地震接收線前進(jìn)時，就完成了這個任務(wù)，存于數(shù)據(jù)庫中。

4)SAFE：槍控記錄系統(tǒng)，是安裝在炮船上的設(shè)備，SAFE接收導(dǎo)航頭段和槍控信息，SAFE文件包括具體的炮點信息和精確的GPS時間。SAFE文件是輸出炮集數(shù)據(jù)前必要文件。

1.2.2 節(jié)點船儀器房部分

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)儀器房部分包括Z100工作站，服務(wù)器，盤陣、交換機(jī)、頻率掃描閱讀器(RFID READER)。

1)工作站：基于Microsoft Windows 7平臺，安裝Z系統(tǒng)的客戶端軟件，為操作員提供圖形用戶界面(GUI)。

2)服務(wù)器：帶有Symmetricom?GPS 時間和頻率接收器卡的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，安裝服務(wù)器端軟件，用來管理后甲板的充電樁(CHM)和時鐘模塊(TCU)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理。

3)盤陣：用來存儲從遠(yuǎn)程單元下載的數(shù)據(jù)，作為輸出磁帶前的臨時存儲媒介。

4)RFID READER：RFID閱讀器功能是在鋪設(shè)排列和回收排列時遠(yuǎn)程單元序列號的掃描。在RFID格窗中顯示遠(yuǎn)程單元序列號及坐標(biāo)，并將遠(yuǎn)程單元序列號和坐標(biāo)所生成文件存于數(shù)據(jù)庫。

5)交換機(jī)：Z100系統(tǒng)的用戶管理系統(tǒng)(SMS) 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供8個10千兆端口，用于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫、盤陣(NAS)單元和工作站之間的通信，48個千兆端口為工作站、充電樁、后甲板設(shè)備之間提供通信路徑。

1.3 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

運行在工作站(WORKSTATION)上的遠(yuǎn)程單元軟件系統(tǒng)由管理控制(Management Console)、數(shù)據(jù)輸出(Media Output)、地震數(shù)據(jù)可視化(Seismic Visualization)、頻率掃描界面(RFID Interface)、系統(tǒng)應(yīng)用(Zsystem Utilities)、數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入(ExportImportJobDB)6個APP構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)作業(yè)流程軟件應(yīng)用

1)Management Console：作為主應(yīng)用程序，可以對遠(yuǎn)程單元進(jìn)行檢測、充電控制、獲取詳細(xì)的遠(yuǎn)程單元信息、Trouble shooting及數(shù)據(jù)下載，同時具有導(dǎo)入各種輔助數(shù)據(jù)和進(jìn)行質(zhì)量控制的功能；

2)Media Output：可以將下載的遠(yuǎn)程單元數(shù)據(jù)以連續(xù)道集、炮集的格式輸出到移動硬盤等媒介，同時可以完成對遠(yuǎn)程單元的時鐘漂移量校正和角度旋轉(zhuǎn)。

3)Seismic Visualization：以圖形化的形式對下載的遠(yuǎn)程單元數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和分析。

4)RFID Interface：用于讀取甲板釋放的遠(yuǎn)程單元SN號及接收導(dǎo)航的點位信息，將SN號與STATION 建立對應(yīng)關(guān)系，并將此信息存入數(shù)據(jù)庫；

5)Zsystem Utilities：用于生成各種質(zhì)控報告、查看道頭、查看和刪除NAS占用的空間；

6)ExportImportJobDB：在多節(jié)點船作業(yè)時用于導(dǎo)出和導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫文件，來實現(xiàn)多節(jié)點船的數(shù)據(jù)庫共享。

2 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)作業(yè)流程

2.1 遠(yuǎn)程單元滾動作業(yè)流程

整個作業(yè)流程如圖5所示。

圖5 遠(yuǎn)程單元滾動作業(yè)流程簡圖

從對遠(yuǎn)程單元自檢開始，待遠(yuǎn)程單元電量充滿且完成時鐘馴服后，遠(yuǎn)程單元便進(jìn)入可啟動狀態(tài)。遠(yuǎn)程單元啟動后便切換到可釋放狀態(tài)，接下來后甲板便可進(jìn)行遠(yuǎn)程單元的鋪設(shè)作業(yè)。完成遠(yuǎn)程單元鋪設(shè)后，待炮船完成激發(fā)作業(yè)后,節(jié)點船可按計劃將遠(yuǎn)程單元回收到甲板上，室內(nèi)遠(yuǎn)程單元處理人員便可以接線下載數(shù)據(jù)，所有遠(yuǎn)程單元完成數(shù)據(jù)下載后遠(yuǎn)程單元處理人員可以進(jìn)行各種報告的生成，并進(jìn)行質(zhì)量控制對不適合再次鋪設(shè)的遠(yuǎn)程單元進(jìn)行標(biāo)記和替換，接著便可對收上來的遠(yuǎn)程單元進(jìn)行自檢，為下條測線的鋪設(shè)做準(zhǔn)備。從遠(yuǎn)程單元開始下載數(shù)據(jù)到再次啟動遠(yuǎn)程單元的整個過程中，遠(yuǎn)程單元一直處于充電和時鐘校正狀態(tài)。

2.2 Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)軟件作業(yè)流程

2.2.1 建立新工區(qū)

使用Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)施工時需要在生產(chǎn)前建立新工區(qū)的數(shù)據(jù)庫以及參數(shù)，通常以工區(qū)區(qū)塊名字來命名。建立新工區(qū)時除了需要知道區(qū)塊介紹信息，還需要區(qū)塊對應(yīng)的坐標(biāo)系以及SPS(SPS、RPS、關(guān)系文件X)文件。通常以測線的名字命名。建立工區(qū)時需要理論設(shè)計兩個文件：SPS和RPS[4]。在測線管理窗口中建立測線，并將SPS、RPS文件導(dǎo)入該工區(qū)測線中即完成了該測線數(shù)據(jù)庫的建立。注意：如果實際的炮點、檢波點樁號和導(dǎo)入SPS、RPS里的不匹配，將會導(dǎo)致資料無法下載，所以務(wù)必要保證SPS、RPS文件中的樁號與實際一致[3]。

2.2.2 遠(yuǎn)程單元收放

遠(yuǎn)程單元由特殊的繩子連接，每個遠(yuǎn)程單元上都有一個環(huán)形扣以便和繩子的梨形環(huán)連接在一起。遠(yuǎn)程單元在投放前都要經(jīng)過各種檢測，如自檢、時鐘校正等，以確保遠(yuǎn)程單元狀態(tài)良好并處于采集狀態(tài)。每個遠(yuǎn)程單元上都有一個頻率掃描(RFID)標(biāo)簽，頻率掃描系統(tǒng)能夠識別此標(biāo)簽并把標(biāo)簽上遠(yuǎn)程單元的號碼和坐標(biāo)信息傳到記錄系統(tǒng)；對于其它節(jié)點船所放的遠(yuǎn)程單元，可以通過手工布站的方式及其對應(yīng)的檢波點樁號加入到所定義好的數(shù)據(jù)庫中。

2.2.3 檢波器定位放炮采集

遠(yuǎn)程單元通過連接聲學(xué)應(yīng)答器一同布在排列中，定位船通過定位聲學(xué)應(yīng)答器來定位遠(yuǎn)程單元位置。處理后得到RPS，導(dǎo)入Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)內(nèi)在輸出數(shù)據(jù)時將遠(yuǎn)程單元實際位置寫在數(shù)據(jù)的道頭中[5]。

2.2.4 數(shù)據(jù)下載和時鐘校準(zhǔn)

遠(yuǎn)程單元回收后，通電開始自動下載數(shù)據(jù)并對遠(yuǎn)程單元中的電池組充電，數(shù)據(jù)自動下載至磁盤陣列上。同時得到時鐘的漂移量，遠(yuǎn)程單元的時鐘由時鐘模塊(TCU)的時鐘校準(zhǔn)。

2.2.5 放炮采集

在震源船的槍控記錄系統(tǒng)(SAFE)通過電臺將放炮的數(shù)據(jù)同步傳到節(jié)點船數(shù)據(jù)庫中，為提取炮數(shù)據(jù)提供準(zhǔn)確時間。

2.2.6 質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)下載結(jié)束后，通過生成RMS圖質(zhì)控弱道死道等，在定位報告中查看遠(yuǎn)程單元水下形態(tài)(tilt)值及異常。在生成的時鐘失鎖(LOL)報告中檢查遠(yuǎn)程單元是否存在時鐘鎖相環(huán)失鎖問題，通過排列總結(jié)(line summary)監(jiān)控遠(yuǎn)程單元水下停止采集以及數(shù)據(jù)分段問題。

2.2.7 數(shù)據(jù)輸出

通過質(zhì)量監(jiān)控，確保地震資料的完整無誤后，選擇是否需要旋轉(zhuǎn)，將地震記錄系統(tǒng)連續(xù)道集或者炮集寫到移動硬盤上或者通過磁帶機(jī)寫到IBM3592磁帶上。

3 應(yīng)用案例及經(jīng)驗

2018年由東方地球物理勘探公司引進(jìn)Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)并投入到某三維項目中進(jìn)行地震采集作業(yè)，該項目區(qū)域為平臺密集、海底管線星羅棋布的淺水區(qū)。面對如此復(fù)雜的項目區(qū)域，海洋物探處將自身節(jié)點勘探經(jīng)驗與Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)相結(jié)合，完成近4萬個遠(yuǎn)程單元的鋪設(shè)和回收，順利地完成項目施工。該項目Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)所采集的地震資料具有信噪比良好、分辨率高、噪音小、同相軸清晰等特點[6]。甲方處理中心對此設(shè)備獲得的地震資料非常滿意。

Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)的特點使其能適應(yīng)該項目異常復(fù)雜的地形，遠(yuǎn)程單元可沉放于300 m的海底,幾乎不受環(huán)境的干擾，是常規(guī)OBC采集和拖纜采集不可實現(xiàn)的。節(jié)點采集技術(shù)可以彌補(bǔ)一些傳統(tǒng)采集方法的短板。將節(jié)點采集技術(shù)與海底電纜或者深水拖纜采集技術(shù)配合使用，能夠在復(fù)雜水域獲得很好的采集效果，避免地震資料空白區(qū)，對區(qū)域整體勘探、開發(fā)有著十分重要的意義。隨著石油勘探向復(fù)雜水域的推進(jìn)，節(jié)點采集技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛[7]。

4 結(jié)束語

東方地球物理公司將自己成熟的作業(yè)經(jīng)驗與Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)先進(jìn)的技術(shù)相結(jié)合， 經(jīng)過1年多的生產(chǎn)，將該系統(tǒng)成功用于淺水區(qū)及過渡帶作業(yè)中。它很好地解決了有線、無線同時接收的問題，取得了優(yōu)質(zhì)的地震資料。然而Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)的配套收放設(shè)備和節(jié)點船的甲板機(jī)械化程度還需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高，以便為Z100節(jié)點地震采集系統(tǒng)提供支持和保障[8]。