地球物理学报  2019, Vol. 62 Issue (10): 3964-3973   PDF    
高保真高分辨率遥测地震勘探采集系统研制及应用
杜立志1, 邱建慧1, 张琪2, 张晓培1     
1. 吉林大学建设工程学院, 长春 130026;
2. 上海骄鹏工程技术有限公司, 上海 200136
摘要:矿产资源勘探尤其是金属矿勘探具有地质条件复杂、勘探深度大、分辨率要求高等特点.常规地震勘探技术与装备难以满足复杂地形高精度三维地震勘探需求.针对该技术难题,研发一套高保真、高分辨率轻便分布式混合遥测地震勘探系统迫在眉睫.鉴于此本文开发了信号高保真高分辨率数据采集技术、实时通讯及采集单元无址链接技术和多媒介混合遥测技术等一系列关键技术.成功研制出SE863单站单道分布式混合遥测地震数据采集系统,该系统由31位高分辨率采集单元链、集3 G/4 G无线通讯及有线通讯的交叉数据管理站、便携式主控站以及测控软件组成.支持二维、三维高密度地震反射波勘探、散射成像、天然源透射成像等地震数据采集工作.利用该套系统与428XL地震数据采集系统进行同步对比,并将该系统交付第三方使用完成了1 km2三维地震勘探实验,结果表明该系统设备轻便、性能稳定、分辨率高、数据质量好,是我国具有完全自主知识产权的高精度轻便分布式地震勘探技术装备,大大增强了我国地震勘探技术核心竞争力.
关键词: 高保真      高精度      分布式      遥测      地震勘探系统     
Development and application of a high-fidelity and high-resolution telemetry seismic data acquisition system
DU LiZhi1, QIU JianHui1, ZHANG Qi2, ZHANG XiaoPei1     
1. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China;
2. Shanghai GeoPen Engineering Technology Company Limited, Shanghai 200136, China
Abstract: Seismic exploration is characterized by complex geological conditions, large exploration depth and high-resolution requirement. Conventional seismic exploration techniques and equipment used in oil and gas exploration are difficult to meet the needs of metallic ore exploration. To solve this problem, a portable distributed telemetry seismic exploration system (named SE863) is developed. A series of key technologies are studied, such as high fidelity and high resolution data acquisition, real time communication and unaddressable link of acquisition units and multi-media hybrid telemetry measurement. The system consists of a 31-bit high-resolution acquisition unit chain, 3 G/4 G wireless communication and wired communication cross-data management station, a portable main control station, and a set of software. Comparing with the 428XL seismic exploration system of Sercel and the test in 1 km2 3D seismic exploration show that this system has advantages of light equipment, stable performance, high resolution and good quality of data. It enhances the core competitiveness of seismic exploration technology of our country.
Keywords: High fidelity    High resolution    Distributed    Telemetry    Seismic prospecting system    
0 引言

地震勘探属于射线穿透直接成像类勘探,由于其具有探测深度大、勘探精度高等优点,成为沉积矿油气勘探领域的主要勘探手段,其有效勘探深度可达到上万米,且可分辨出几米的薄层,勘探精度非常高.然而,一直以来,受地震仪器系统庞大、机械震源无法上山及解译方法落后等因素影响,地震勘探应用于固体矿床尤其是金属矿勘探始终还面临诸多问题.近几年,随着国内外单位对金属矿地震技术与装备的研究投入加大,一些金属矿地震勘探的技术难题逐渐被解决.在南非的兰德盆地,利用地震反射直接揭示含金矿层的深部产状;在澳大利亚Mount Morgan矿区,利用地震技术在矿区南部的深部发现了新的块状硫化物矿体;加拿大萨德贝里矿集区,反射地震探测获得了控制镍-铜矿分布的火成岩体的深部延伸图象.国内近年也开展了金属矿地震理论与应用试验研究,取得了一定效果(孙明和林君,2001吕庆田等,2004李桐林等,2016).

研制高精度、轻便、分布式地震仪器系统是实现复杂地形固体矿床勘探的基础.金属矿地震系统是集合了当代最先进的电子技术、通讯技术、计算机技术以及传感技术等于一体的综合系统(张帅帅,2015).地震勘探系统从20世纪30年代诞生开始,经历了从模拟记录地震仪到集中式数字地震仪再到遥测数字地震仪的发展历程,目前已发展到第七代产品(陈瑛和宋俊磊,2013刘振武等,2013).其通道数从集中式的6道发展到万道甚至十万道以上的大型地震勘探系统(林君和张晓培,1991张帅帅等,2014).地震采集系统的技术核心不断向末端转移,即从以地震仪为核心,发展到以采集站为核心,再向以检波器为核心的方向发展.目前国外在金属矿地震仪器研发方面处于领先地位,美国Geometrics公司的StrataNZ便携式地震仪、美国一些大学与达拉斯折射技术公司合作生产的Reftek-125微型单道地震仪、法国Sercel公司的428XL地震勘探系统等应用较为广泛.其中428XL为全数字地震仪器的典型代表,整个接收系统的动态范围达90 dB以上,实现了全数字化万道以上实时采集.最新一代地震仪器以有线G系统、无线仪器RT2、节点仪器UNITE、HAWK等为代表(刘振武等,2013).G3i地震数据采集系统设计为单站4道,是中国石油与美国ION公司合作开发的地震数据采集系统,已在国内外多个项目中应用.

地震仪按数据传输方式分为有线遥测地震仪、无缆地震仪,无缆地震仪无需铺设线缆,施工效率会大大提高(吴海超等,2012高立兵和靳春光,2014张正峰等,2015李怀良等,2015张晓普,2016).而在大道数地震数据采集的情况下,由于受到无线通讯技术组网复杂、传输速率低等技术条件的限制,完全无线遥测无法满足现场采集的大数据量实时显示与质量控制要求.因此,目前地震仪采用无线加有线的混合遥测方式是有效解决这一技术问题的最佳途径.为了开发具有完全自主知识产权的地震勘探系统,经过反复论证,科学技术部863计划资源环境技术领域确立了十二五“863”计划“深部矿产资源勘探技术”项目“轻便分布式遥测地震勘探系统”课题.针对复杂地形及城市具有较多施工障碍条件下地震勘探需要,研制无线加有线的混合遥测地震勘探系统.经过四年的研究,课题组掌握了信号高保真及高分辨率数据采集技术、实时通讯及采集单元无址链接技术和多媒介混合遥测技术等一系列关键技术.采用单站单道分布式结构,利用31位高精度、高分辨率采集技术,其动态范围大于120 dB;突破了有缆实时通讯技术以及混合遥测数据交换技术,实现了理论最大带道能力大于20000道.整套系统轻便灵活、道扩展性强,可自由组成数十道至上万道完整的地震勘探系统,以完成二维、三维高精度地震勘探工作.

1 系统总体设计

地震信号高保真实时采集及分布遥测技术是集大动态范围地震信号高精度高分辨率模数转换、实时采集、远程分布式遥测通讯之综合技术,是组成现代数字化地震勘探仪器的核心技术.本文研制的SE863分布式遥测地震勘探系统组网结构及核心技术组成如图 1所示,采集单站组成站链无址双向级联,组成一个排列,每个排列由一个交叉站管理,再通过多个排列交叉站组成三维观测系统.交叉站与便携式主机间根据现场地形情况分电缆数据连接、光缆数据连接、3 G/4 G公共无线网络通讯及2.4 G/5 G-wifi连接等多种链接方式.交叉站本身可以自主管理和采集数据,采用定时或长时控制单站采集数据,所有数据都在交叉站内校验、整理、解编和压缩存于本地并将数据实时上传.交叉站间通过有线(电缆或光纤)或无线通讯实现对采集系统的通讯与控制.整套系统实现了分层分级数据管理,即保证了数据传输稳定性,也提高了传输速率.

图 1 地震勘探系统组成及核心技术框图 Fig. 1 Block diagram showing composition and core technology of telemetry seismic exploration system

系统另外一个特点为轻便化设计.采集单元为单站单道,单站体积9.0 cm×7.1 cm×16.4 cm,重量350 g.主控单元采用12伏电瓶供电,采用工控计算机控制,其体积小设备轻便.该套系统即可以应用于地形较好的工作环境,也可以应用于复杂地形,仪器车无法到达的山区,以及城市地下空间三维高精度地震勘探中.

1.1 信号高保真、高分辨率数据采集技术

地震信号经过深部地层传播到地面已变得非常微弱,因此通过检波器变换的电信号非常微小(微伏级),再利用电缆长距离传输微小的电信号势必受到干扰无法保真.所以先进的地震仪器需要将采集单元尽量靠近传感器以求保真信号.地震仪器是由成千上万个采集通道组成的庞大系统,采集通道要具有同步采集功能,所以每个通道实际就是一个采集单元,采集单元将地震信号转换成数字信号再通过电缆实时传输到数据交叉站,再由交叉站通过多种媒介(电缆、光缆或无线通讯)传输至中央控制器,这就是分布式遥测采集技术.

高分辨率数据采集是现代数字地震仪器的一个标志.地震信号传播具有很大的动态范围,故要求仪器要有很高的采集分辨率才能很好地反映出地下数千米的地层信息.为提高系统的线性度和保真度,采用ADS1282高分辨率31位模数转换器,这对于利用反射、散射、绕射技术成像的固体金属矿床地震勘探尤为重要.为满足高精度地震数据采集需要,本文设计了一种高集成度、单通道地震数据采集单元,其结构组成如图 2所示,该单元需要实现单道地震信号的拾取、数据转换、存储及数据传输功能,采用新型模/数转换器ADS1282进行数据转换.

图 2 采集单元组成框图 Fig. 2 Block diagram of acquisition units

ADS1282是一款针对工业应用、具有极高性能的31位ΔΣ型模数转换器(ADC).该转换器具有4阶、固有稳定ΔΣ调制器,具有优良的噪声和线性特性;该调制器的输出既可与片上的数字滤波器联合使用,也可旁路输出到加速处理滤波器;片上多路选择器(MUX)既提供用于测量的附加外部输入,也可与内部自检电路相连;片上可编程放大器(PGA)具有极低的噪声和高输入阻抗;数字滤波器可通过编程选择不同的滤波器组合方式;同时片上具有增益及失调检测寄存器支持系统校准功能.ADS1282的额定工作温度范围为-40~+85 ℃,最大工作范围可达125 ℃,适用于能源探测、地震检测、高精度仪器仪表等要求苛刻的工业应用领域.ADS1282可获得高保真度、高信噪比、高分辨率的数字信号,同时利用它的数据选择器及校准引擎实现自检和系统校准功能,从而保证采集信号质量不随时间、地点、环境和条件而变化.利用ADS1282设计实现的数字化采集单元具有低功耗、小体积、高精度、高分辨率的特点.

1.2 实时通讯及采集单元无址链接技术

分布式遥测地震仪器先进性一个很重要的指标是数据采集的实时性.地震勘探仪器主要特点是布置区域大,通常三维勘探时数千道仪器布置在几十平方公里范围,由于分布式仪器数据采集转换都是在前端,数据需通过媒介传输回主站.传输距离长,数据量又非常大,所以能否在短时间内实时将数据收集回来关系到地震勘探的施工效率和成本.先进的遥测地震仪器通常在数据采集完成同时或延时数秒即回收数据,这需要仪器在采集数据的同时无误地传输数据,由于采集单元与主站距离远、需要分级传输,每个链路上的单元站既是数据采集者又是数据传输者,为了降低单元站功耗.单元站线路设计不能过于复杂,所以技术难度很大.

系统采集链路通讯利用STM32F103片上的2路高效的SPI接口,扩展出了左右侧通讯电路.系统的数据流可以自动完成从左向右,或者从右向左的数据传输.为了适应接口隔离的变压器,通讯采用了步进启动模式.一旦监测到来自端口的信号,便立即进入低速同步检测启动模式,完成同步后,在最后一个同步信号后,启动高速DMA通讯模式.数据流支持边采集、边传输的连续数据流模式,以及采集完接收主机要数据命令的间歇性数据流模式.

系统的每一个采集通道对应一个采集单元,现场要链接成千上万个采集单元,每个采集单元链接地址是动态定义的,也就是说每个单元在级联前都是一样的,只有连接成链路后才由主站分配地址给每个子站,按链接顺序自动定义,这给野外工作带来极大的方便,也是这种地震仪器先进性的表现.

为了保证实时性,现有技术条件下无线电传输无法满足,系统采用差分电缆传输技术,利用四芯电缆传输数字信号,同时利用其馈电给每个单元站供电,使得系统在复杂的野外环境下简便、稳定、实时地完成采集工作.

1.3 多媒介混合遥测技术

本文研制的SE863系统采用独特的混合遥测通讯技术,该技术包括单站链路电缆通讯技术、交叉站间电缆/光缆/无线电通讯技术.这种混合遥测通讯技术可以使系统以交叉站为单元无缆任意布置,每个交叉站负责控制连接在自身上的采集单元采集、管理及上传,每个交叉站与主控站间采用2 G/3 G/4 G乃至即将发展的5G通讯,这样就可以按照野外实际工作环境,特别是复杂地形下灵活布置采集单元,减少由于地形影响电缆无法布置的问题,形成一种有缆无缆混合遥测的采集系统,这是目前无线通讯技术条件下最好的选择.

随着移动通信技术的演化,目前使用的第四代移动通信技术(4 G)具有高带宽、高质量信号传输、低时延的特点,使得遥测地震仪器利用4 G技术实现地震数据的采集、数据高速传输及地震记录的实时监控得以实现.SE863系统采用4 G技术作为远程通讯平台,如图 3所示,主要由地震交叉站和移动终端两部分组成.

图 3 网络结构图 Fig. 3 Network structure diagram

数据采集链路由交叉站和多个单站单道采集站组成,多个交叉站组成一个完整的数据采集网络.交叉站通过以太网端口与主控单元连接,用于管理采集链路上地震数据采集进程.为了实现移动终端机对交叉站的远程控制,交叉站内置有4 G无线通讯模块.交叉站上电启动4 G无线通讯模块,按照VPN配置向Internet上的VPN Router发起VPN连接,当通过认证检测后,会为当前的交叉站分配一个私有IP地址.同样配置在移动终端中的4 G无线通讯模块连接正常后,也会为该移动终端分配一个私有IP地址.这样可以利用交叉站和移动终端的私有IP地址,建立基于TCP/IP网络通讯协议的通讯链路,从而可以通过移动终端远程控制交叉站,实现远程地震数据的采集、数据的传输等功能.

地震交叉站在地震采集链路上扮演着非常重要的角色,主要负责管理采集链路中采集站的控制、运行及数据上传和下发等工作.交叉站采用ARM嵌入式系统为主控单元,利用以太网口与控制单元建立的基于UDP通讯协议下的链接,实现采集站编码、采集参数下发、采集状态的建立以及采集数据的上传和存储等功能.

交叉站内部构建非对称数据交换单元和无线级联单元,分别构建有线网络和无线网络两种组网途径.主控站可以通过有线接入单元或者无线接入单元连入交叉站主干通讯网,完成控制指令的发送和地震数据的回收.非对称数据交换单元通过动态侦测主控站的位置,设计地震数据的传输途径,以降低无效数据转发,提高通讯带宽.

2 对比测试与应用

为了验证整套系统的技术性能,开展野外三维实测试验工作,通过与国外先进的单站遥测地震仪器的同步技术对比,测试本系统的技术性能指标及工作效率.本次仪器野外试验工作区位于松原市前郭县查干花镇西北方向直线距离约8 km的一处草原上(见图 4).本次实验分两步完成,首先在仪器对比工作区进行,两套系统同点、同步平行采集,工作量为1线束共124炮.然后在SE863生产工作区,使用SE863地震遥测系统进行满覆盖1 km2的三维地震采集,工作量为11线束共1364炮.两次实验对比的观测系统如表 1所示.

图 4 工作区交通位置图 Fig. 4 Map showing location of work area
表 1 实验观测系统参数表 Table 1 Parameters of observational system for tests

试验中,具体的采集参数如下:

(1) 仪器参数

仪器型号:SE863轻便遥测式地震勘探系统/法国428XL数字地震仪

采样间隔:1 ms

记录长度:4 s

回放长度:2 s

前放增益:0 dB/12 dB(SE863/428XL)

记录格式:SEG-2/SEG-D(SE863/428XL)

(2) 接收参数

检波器类型:60 Hz检波器

组合图形:单串3个检波器一字型顺线点组合

(3) 激发参数

震源类型:法国2013款NOMAD65,65000磅(28吨级)可控震源

扫描频率范围:5~120 Hz

震动台数:双震源(对称炮旗组合激发)

扫描次数:1次

扫描长度:20 s

震动出力:80%

2.1 同步对比试验

同步对比实验在仪器对比工作区进行,如图 5a为采集单元,图中左下接收单元为SE863采集站;图 5b为交叉站,图中蓝色为428XL交叉站;图 5c为主控单元,图中右侧深红色的集中式测控系统为SE863主控单元.两套系统采取双线(428XL和SE863)同时接收的施工方式,即同一炮激发时,两种采集系统同时接收,保证采集条件完全一致(即在相同的客观环境条件,相同的激发震源,相同类型的60Hz检波器接收,不同的只是两种仪器系统),在428XL仪器车上设置一个相对触发TB时钟,来保证震源激发时428XL和SE863两种地震采集系统同时接收地震波信息.

图 5 仪器对比双线施工现场 (a)采集站;(b)交叉站;(c)主控单元. Fig. 5 Photos of double-line work site for instrument comparison (a) Data acquisition unit; (b) Cross station; (c) Main control unit.

在研制的SE863分布式遥测地震勘探系统与428XL的同步比测数据中随机抽取1炮,图 6图 7为两种仪器的原始单炮记录对比,其中SE863仪器采集的数据中800~1000 ms处的反射波组层次更清晰,分辨率高.

图 6 SE863仪器原始单炮记录 Fig. 6 Original single-shot seismic record of instrument SE863
图 7 428XL仪器原始单炮记录 Fig. 7 Original single-shot seismic record of instrument 428XL

图 8为两种仪器处理的二维地震时间剖面效果对比,处理参数一致,可以看到全区标志层反射波组清晰,浅、中、深各层位反射信息一致性很好.截取记录200~1600 ms记录做频谱分析,如图 9所示,SE863采集的数据其频谱在90~105 Hz处其能量较428XL采集的数据高频成份丰富.

图 8 地震时间剖面对比 (a) SE863;(b) 428XL. Fig. 8 Comparison of seismic time profiles
图 9 叠加剖面频谱对比 (a) SE863; (b) 428XL. Fig. 9 Comparison of stacked frequency spectrum profiles

从单炮和叠后频谱图中可知,SE863地震数据采集系统高频成份丰富,分辨率更高.

2.2 SE863系统三维地震测试

为了进一步验证系统工作效率和可靠性,利用SE863系统做了1 km2的三维勘探工作.本次三维地震生产工作时长5天,平均日放炮273炮,最高日放炮372炮.原始资料合格率和空炮率都达到设计要求,整套系统及附属设备在施工期间,没有出现采集链、采集站、交叉站和电源站的损坏问题.原始资料合格率100%,全区空炮率0%,测量成果合格率100%,具体细节如表 2所示.图 10为数据处理后的数据体三维显示剖面,图 11为共中心点剖面图,地震反射层位清晰,图 12图 13为地震等时切片.从地震成果剖面看3.0 s以内各套地层有足够的反射能量,反射层次清晰,层间信息丰富,分辨率高.

图 10 处理后三维地震数据体显示 Fig. 10 3D seismic data body after processing
图 11 Inline144线地震时间剖面 Fig. 11 Seismic time profile of Inline144
图 12 TIME300 ms时间切片 Fig. 12 300 ms time slice
图 13 TIME290 ms时间切片 Fig. 13 290 ms time slice
3 结论

随着地震勘探技术的发展和勘探环境的日益复杂化,对地震采集系统的动态范围、精度及分辨率的要求日益提高,迫切需要研发高精度地震勘探装备.本文开展了轻便分布式遥测地震勘探系统研究,重点研究了信号高保真、高分辨率数据采集技术、实时通讯及采集单元无址链接技术和多媒介混合遥测技术.通过与法国Sercel公司的428XL地震系统同步对比测试及本系统三维地震采集实验,说明本文研制的SE863轻便分布式遥测地震勘探系统在采集质量、工艺、实用性和耐用性方面已经满足高精度三维地震勘探的需要.整套系统轻便、工作方式灵活,具有高分辨率、大动态范围特点,是我国具有完全自主知识产权的高精度轻便分布式地震勘探技术装备,增强了我国地震勘探技术的核心竞争力.

致谢  感谢在震源研制、试验过程中给予支持和帮助的专家、同事和同学们,感谢为本文审稿并提出建议的专家.
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