一種新型節點采集系統試驗

吳學兵

(中石化石油工程地球物理有限公司,江蘇南京211100)

2014年以來,國際原油市場價格急劇下降和持續低迷,極大地限制了油公司勘探投資,迫使地球物理承包商采用輕資產、低成本、高效率模式來維持運營、謀取生存。站在油公司角度,物探新裝備的發展既要切實解決勘探需求,又要降低投資風險和勘探成本[1]。節點采集系統以其低成本、高效率運作成為國內外地球物理公司的首選。從2016年以來,節點采集系統得到快速發展,成為國內外物探公司的應用熱點[2];其在物探裝備市場上的占有率也不斷提升[3]。另一方面,陸上地震勘探面臨著復雜地表條件、施工環境和地下地質目標的挑戰[4-8],迫使地震采集方式不斷改變,需要不斷提高空間采樣密度和覆蓋次數的寬方位采集來提高地下成像和屬性描述精度[9-12]。這種采集方式嚴重受采集周期和成本的限制,尤其是在復雜地表情況下。某地球物理公司于2019年在秋里塔格三維區塊利用節點系統克服了刀片山、鋸齒峰、大高程地表有纜系統無法鋪設的難題,成功突破了勘探禁區。為適應低成本、高密度、復雜地表環境的地震采集需要,中國石化研發并測試了一套新型的節點采集系統——I-Nodal。為驗證該節點系統的采集性能,我們設計并實施了野外山地環境的采集試驗,利用有纜(商用)系統、一種商用節點系統和I-Nodal系統各400道平行布設了3條排列,點對點布設兩種節點與有纜系統的外接檢波器串。沿排列方向進行激發,完成了二維地震數據采集。對采集數據進行了嚴格的參數一致性處理分析。

1 節點采集系統介紹

我們將新研發的節點采集系統命名為I-Nodal(圖1a)。為滿足野外現場施工要求,該節點采集系統輕便、體積小、操作簡便。每個節點外形為圓筒形(11.5cm×15.4cm的圓柱體),質量為1500g,底部可外接尾椎或平板。節點設計為既可內置地震檢波器芯體,也可外接檢波器串。內置檢波器芯體可選用5Hz或10Hz高靈敏度動圈檢波器芯體。外接檢波器串時需要一根轉換電纜,外接串數不受限制。節點內置電池容量為120Wh,在溫度為-40℃～70℃環境下,可以連續工作25d。在平原、沙漠等地表環境,可采用皮卡車運送方式,一個周轉箱可裝24個節點;在山地環境,采用背包方式,一個包可以放8個節點。將該節點系統與DTCC公司的IGU-16(圖1b)、GTI公司的NuSeis(圖1c)、INOVA公司的Quantum(圖1d) 等行業內典型在用節點系統進行了技術指標(表1)和物理指標(表2)的對比。

由于不同節點儀器對同類指標定義方式、測量方法、物理意義表達有所差異,因此,不同節點儀器的同類指標不宜量化比較。同時,這些指標的量值差異不影響地震資料品質[13],本文只對這些指標進行簡單對比分析。從技術指標對比來看,I-Nodal采用了目前行業最高的32位模數轉換器,采樣率為0.25～4.00ms,選項更多,整體來看,技術指標略優于其它3種節點系統。

圖1 4種節點系統照片

從表2可以看出,與其它類型節點系統相比,I-Nodal體積和質量略大。內置檢波器均采用動圈式電磁檢波器,均有5Hz、10Hz高靈敏度檢波器芯體可選。盡管檢波器制造廠家不一樣,但檢波器技術指標總體一致。

表1 不同節點系統技術指標

表2 不同節點系統物理指標

2 野外試驗

試驗區位于中國南方山地,海拔為300～1350m,屬中-低山區,地形陡峭,沖溝陡崖,丘陵斜坡等地貌相互交錯。采用炸藥震源激發,平行布設了3條二維排列(圖2),3條排列各布設420道、排列長度為10.5km,2種節點與有纜接收點做到了同點布設(圖3,外圍為2串20DX-10檢波器串;中間圓頂蓋為I-Nodal;中間方型頂蓋為IGU-16)。試驗對比了2種節點系統與1種有纜系統的采集性能。排列1采用的是本文研發的I-Nodal節點,排列2采用商用有纜428XL,排列3采用商用節點系統IGU-16。節點內置檢波器與有線系統的外接檢波器都是采用工作原理相同的動圈式電磁檢波器,其中,2種節點內置相同技術指標的單支高靈敏度10Hz電磁檢波器(靈敏度約為80V/m/s),有纜系統外接并聯的2串20DX(10Hz)電磁檢波器,每串檢波器由6串2并組合方式的12支檢波器組成(靈敏度約為120V/m/s)。共激發521炮,覆蓋次數13次,滿覆蓋長度達到5.6km。

圖2 3條排列布設示意

圖3 2種節點與有纜檢波器串同點布設示意

3 施工結果

該試驗區屬于高大山地環境,施工難度極大,排列布設采用了最原始的身背肩扛方式。圖4是節點和有纜系統的野外施工照片。有纜系統設備包括:交叉電纜、含采集單元的數傳電纜、交叉站、電源站、電瓶、檢波器串等,設備類型多、體積和質量大。節點極為簡單,每個節點就是一個獨立的采集單元。設備投入數量如圖5所示。420道有纜系統布設施工時,每個勞工只能布設6道(1根半鏈、12串檢波器,每串檢波器6kg,總質量為96kg)。從布設、檢波器埋置到建立排列,總共70人,耗時4d(白天作業);420道節點系統布設分成5個小組,每個小組3人,共耗時1.5d(白天作業),3種系統施工效率如表3 所示。

圖4 節點IGU-16(a)和有纜系統428XL(b)野外施工照片

圖5 設備投入數量

從施工效率來看,在該山地施工環境中,相同道數的節點質量小于有纜系統(含檢波器串)質量的1/10,用工人數小于有纜系統的1/4,施工時間少于有纜系統的1/2。

表3 3種系統施工效率

4 資料處理及分析

遵循“參數相同,變量唯一”的試驗分析對比原則,采用相同地震數據處理流程(圖6),對野外地震數據進行如下處理與分析:

1) 剔除壞道、不正常道;

2) 測試并優選各項處理參數,如去噪、速度分析等;

3) 分析相同覆蓋次數下不同采集系統采集數據的疊加成像效果;

4) 自動增益控制(automatic gain control,AGC)、分頻顯示(10～20Hz,20～40Hz,40～80Hz);

5) 淺、中、深目的層拾取窗口信噪比分析、頻譜分析(頻率、頻寬等)。

從段試驗單炮資料的原始單炮、10～20Hz、20～40Hz、40～80Hz分頻掃描記錄(圖7至圖10)可以看出:I-Nodal、428XL、IGU-16這3套系統得到的單炮記錄波組特征相似,在淺、中、深層均有目的層反射信息,且較為清晰,有效信息豐富。

利用室內定量分析軟件對原始地震數據進行信噪比分析,分析時窗選取位置如圖11a所示;3種系統的信噪比分析結果如圖11b至圖11d所示。由圖11可以看出,I-Nodal、428XL、IGU-16 3套采集系統資料在淺層、中層、深層的信噪比基本一致。圖12給出了3種采集系統在淺、中、深層的單炮記錄頻譜分析結果。由圖12可以看出,當f<100Hz,淺、中、深層頻率曲線趨勢基本一致,當f>100Hz,2種節點儀器高頻信號較為豐富,尤其中深部,在深部2種節點儀器頻率曲線基本重合。表明2種節點采集系統比有纜系統具有高頻端的帶寬優勢,與理論上由于有纜系統外接檢波器串本身的串并聯組合效應對帶寬的抑制相吻合。

圖6 地震數據處理流程

圖7 經AGC后的不同系統地震單炮記錄

圖8 不同系統的10～20Hz分頻掃描記錄

圖9 不同系統的20～40Hz分頻掃描記錄

圖10 不同系統的40～80Hz分頻掃描記錄

圖11 分析時窗選取位置(a)與I-Nodal(b)、428XL(c)、IGU-16(d)3種系統信噪比分析結果

圖12 單炮記錄頻譜分析結果

抽取相同的炮集記錄,采用相同參數的數據處理流程,得到不同采集系統的疊加剖面(圖13)和2～8Hz、10～20Hz、20～40Hz、40～80Hz、50～100Hz分頻掃描剖面(圖14至圖18)。對比分析不同系統的疊加剖面可以看出:3套采集系統剖面特征相似度高,無明顯差異。資料整體信噪比高,目的層反射特征較好,構造特征清楚。

圖13 不同采集系統的疊加剖面

圖14 不同采集系統疊加剖面2～8Hz分頻掃描結果

圖15 不同采集系統疊加剖面10～20Hz分頻掃描結果

圖16 不同采集系統疊加剖面20～40Hz分頻掃描結果

對疊加剖面進行能量、信噪比、道集間頻譜分析,結果見圖19、圖20。整體來看,3套系統能量略有差異。有纜系統能量最強(由于有纜系統外接2串檢波器,與節點單只檢波器相比具有更高的靈敏度),2種節點采集系統能量相似(內置相同靈敏度的單只檢波器芯體)。但在信噪比和分辨率上基本無差異,有效信息豐富、成像效果較好?？傮w來看,3種采集系統地震資料品質基本相當,無明顯差異。

圖17 不同采集系統疊加剖面40～80Hz分頻掃描結果

圖18 不同采集系統疊加剖面50～100Hz分頻掃描結果

圖19 分析時窗選取位置(a)以及3種系統能量(b)和信噪比(c)分析結果

圖20 疊加剖面頻譜分析結果

5 結論

本文概要介紹了研發的新型節點采集系統的技術指標和采集性能,并與現有的有纜系統、商用節點系統進行了參數和采集試驗對比,形成以下認識。

1) 研發的節點系統采集到的資料與國際先進的有纜系統、商用節點系統采集到的資料品質一致,數據無明顯差異。

2) 與有纜系統相比,節點采集系統能夠有效解決復雜山地環境對施工帶來的挑戰,大幅節省用工人數,提高施工效率,降低生產成本,減輕施工過程中的HSSE風險。

3) 在高信噪比地區,內置單支高靈敏度檢波器的節點系統可以替代外掛檢波器串的有纜系統,獲取相同品質的地震資料。同時,有纜系統由于外接檢波器串組合犧牲了信號頻寬;節點使用單支檢波器采集資料高頻信號更為豐富。這一優勢在“二寬一高”采集中,有利于提高地震資料分辨率和地震成像精度。

節點采集系統目前已在國內陸續推廣應用。節點系統不僅可以克服復雜地表施工帶來的挑戰,還為高密度、寬方位采集提供了低成本實現的可能。建議更進一步的研究著眼于適應節點采集系統的施工方式、觀測系統設計、節點連續采集帶來的大數據利用等方面。