2014年以来, 国际原油市场价格急剧下降和持续低迷, 极大地限制了油公司勘探投资, 迫使地球物理承包商采用轻资产、低成本、高效率模式来维持运营、谋取生存。站在油公司角度, 物探新装备的发展既要切实解决勘探需求, 又要降低投资风险和勘探成本^[1]。节点采集系统以其低成本、高效率运作成为国内外地球物理公司的首选。从2016年以来, 节点采集系统得到快速发展, 成为国内外物探公司的应用热点^[2]; 其在物探装备市场上的占有率也不断提升^[3]。另一方面, 陆上地震勘探面临着复杂地表条件、施工环境和地下地质目标的挑战^[4-8], 迫使地震采集方式不断改变, 需要不断提高空间采样密度和覆盖次数的宽方位采集来提高地下成像和属性描述精度^[9-12]。这种采集方式严重受采集周期和成本的限制, 尤其是在复杂地表情况下。某地球物理公司于2019年在秋里塔格三维区块利用节点系统克服了刀片山、锯齿峰、大高程地表有缆系统无法铺设的难题, 成功突破了勘探禁区。为适应低成本、高密度、复杂地表环境的地震采集需要, 中国石化研发并测试了一套新型的节点采集系统——I-Nodal。为验证该节点系统的采集性能, 我们设计并实施了野外山地环境的采集试验, 利用有缆(商用)系统、一种商用节点系统和I-Nodal系统各400道平行布设了3条排列, 点对点布设两种节点与有缆系统的外接检波器串。沿排列方向进行激发, 完成了二维地震数据采集。对采集数据进行了严格的参数一致性处理分析。

我们将新研发的节点采集系统命名为I-Nodal(图 1a)。为满足野外现场施工要求, 该节点采集系统轻便、体积小、操作简便。每个节点外形为圆筒形(11.5cm×15.4cm的圆柱体), 质量为1500g, 底部可外接尾椎或平板。节点设计为既可内置地震检波器芯体, 也可外接检波器串。内置检波器芯体可选用5Hz或10Hz高灵敏度动圈检波器芯体。外接检波器串时需要一根转换电缆, 外接串数不受限制。节点内置电池容量为120Wh, 在温度为-40℃~70℃环境下, 可以连续工作25d。在平原、沙漠等地表环境, 可采用皮卡车运送方式, 一个周转箱可装24个节点; 在山地环境, 采用背包方式, 一个包可以放8个节点。将该节点系统与DTCC公司的IGU-16(图 1b)、GTI公司的NuSeis(图 1c)、INOVA公司的Quantum(图 1d)等行业内典型在用节点系统进行了技术指标(表 1)和物理指标(表 2)的对比。

图 1(Fig. 1)

图 1 4种节点系统照片 a I-Nodal; b IGU-16; c NuSeis; d Quantum

表 1

表 1 不同节点系统技术指标 I-Nodal IGU-16 NuSeis Quantum 模数转换器/位 32 24 24 24 采样率/ms 0.25, 0.50, 1.00, 2.00, 4.00 1.00, 2.00, 4.00 0.50, 1.00, 2.00, 4.00 1.00, 2.00, 4.00 可编程增益 x1, x2, x4, x8, x16, x32, x64 x1, x2, x4, x8, x16 x1, x2, x4, x8, x16, x32, x64, x128 x1, x2, x4, x8, x16 输入信号幅度 1.768VRMS @ x1 1.768VRMS @ x1 2.12VRMS @ x1 3.535VRMS @ x1 -3dB带宽 0.83 Nyquist 0.83 Nyquist 0.83 Nyquist 0.83 Nyquist 等效输入噪声 (2ms采样) 0.74μV @ x1 0.22μV @ x4 0.10μV @ x16 0.08μV @ x64 0.71μV @ x4 1.5μV @ x1 0.4μV @ x4 0.16μV @ x16 1.408μV @ x1 0.368μV @ x4 0.132μV @ x16 实时动态范围 (2ms采样) 127dB @ x1 127dB @ x4 122dB @ x16 114dB @ x64 116dB@ x1 123dB@ x4 128dB @ x1 128dB @ x4 124dB @ x16 整体动态范围 150dB 未提供 140dB 148dB 谐波失真 < 0.1% with geophone -106dB -120dB < 0.1% with geophone 阻带衰减 >120dB >120dB >120dB >120dB 增益精度 0.10% 1.00% 0.25% 1.00%

表 1 不同节点系统技术指标

表 2

表 2 不同节点系统物理指标 I-Nodal IGU-16 NuSeis Quantum 外部尺寸 12.00×16.00(圆筒形) 9.50×10.30×11.80 5.35×20.9(长圆筒形) 11.70×10.50×10.70 质量/g 1500 1100 690 650 5Hz检波器 SENSOR SM-5 东莞达耐美 DT-Solo 5Hz SENSOR SM-5 SENSOR SM-5 自然频率/Hz 5±7.5% 5±7.5% 5±7.5% 5±7.5% 假频/Hz >150 >170 >150 >150 失真 < 0.1% < 0.1% < 0.1% < 0.1% 开环灵敏度/(V·s·m-1) 80 80 80 80 10Hz检波器 SENSOR SM24HS 东莞达耐美 DT-Solo 10Hz GEOSPACE GS-ONE SENSOR SM24HS 自然频率/Hz 10±3.5% 10±3.5% 10±3.5% 10±3.5% 假频/Hz >240 >240 >240 >240 失真 0.05%(典型值) < 0.10% 0.05%(典型值) 0.05%(典型值) 开环灵敏度/(V·s·m-1) 85.8±3.5% 85.8±3.5% 85.8±3.5% 85.8±3.5%

表 2 不同节点系统物理指标

由于不同节点仪器对同类指标定义方式、测量方法、物理意义表达有所差异, 因此, 不同节点仪器的同类指标不宜量化比较。同时, 这些指标的量值差异不影响地震资料品质^[13], 本文只对这些指标进行简单对比分析。从技术指标对比来看, I-Nodal采用了目前行业最高的32位模数转换器, 采样率为0.25~4.00ms, 选项更多, 整体来看, 技术指标略优于其它3种节点系统。

从表 2可以看出, 与其它类型节点系统相比, I-Nodal体积和质量略大。内置检波器均采用动圈式电磁检波器, 均有5Hz、10Hz高灵敏度检波器芯体可选。尽管检波器制造厂家不一样, 但检波器技术指标总体一致。

试验区位于中国南方山地, 海拔为300~1350m, 属中-低山区, 地形陡峭, 冲沟陡崖, 丘陵斜坡等地貌相互交错。采用炸药震源激发, 平行布设了3条二维排列(图 2), 3条排列各布设420道、排列长度为10.5km, 2种节点与有缆接收点做到了同点布设(图 3, 外围为2串20DX-10检波器串; 中间圆顶盖为I-Nodal; 中间方型顶盖为IGU-16)。试验对比了2种节点系统与1种有缆系统的采集性能。排列1采用的是本文研发的I-Nodal节点, 排列2采用商用有缆428XL, 排列3采用商用节点系统IGU-16。节点内置检波器与有线系统的外接检波器都是采用工作原理相同的动圈式电磁检波器, 其中, 2种节点内置相同技术指标的单支高灵敏度10Hz电磁检波器(灵敏度约为80V/m/s), 有缆系统外接并联的2串20DX(10Hz)电磁检波器, 每串检波器由6串2并组合方式的12支检波器组成(灵敏度约为120V/m/s)。共激发521炮, 覆盖次数13次, 满覆盖长度达到5.6km。

图 2(Fig. 2)

图 2 3条排列布设示意

图 3(Fig. 3)

图 3 2种节点与有缆检波器串同点布设示意

该试验区属于高大山地环境, 施工难度极大, 排列布设采用了最原始的身背肩扛方式。图 4是节点和有缆系统的野外施工照片。有缆系统设备包括: 交叉电缆、含采集单元的数传电缆、交叉站、电源站、电瓶、检波器串等, 设备类型多、体积和质量大。节点极为简单, 每个节点就是一个独立的采集单元。设备投入数量如图 5所示。420道有缆系统布设施工时, 每个劳工只能布设6道(1根半链、12串检波器, 每串检波器6kg, 总质量为96kg)。从布设、检波器埋置到建立排列, 总共70人, 耗时4d(白天作业); 420道节点系统布设分成5个小组, 每个小组3人, 共耗时1.5d(白天作业), 3种系统施工效率如表 3所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 节点IGU-16(a)和有缆系统428XL(b)野外施工照片

图 5(Fig. 5)

图 5 设备投入数量 a I-Nodal; b IGU-16; c 428XL; d检波器串

表 3

表 3 3种系统施工效率 系统 施工人数 每人负责道数 10.5km排列布设时间/h 设备总质量/kg(有缆含2串检波器) I-Nodal 15+3 28 18 630 IGU-16 15+3 28 18 462 428XL 70+6 6 54 6720

表 3 3种系统施工效率

从施工效率来看, 在该山地施工环境中, 相同道数的节点质量小于有缆系统(含检波器串)质量的1/10, 用工人数小于有缆系统的1/4, 施工时间少于有缆系统的1/2。

遵循“参数相同, 变量唯一”的试验分析对比原则, 采用相同地震数据处理流程(图 6), 对野外地震数据进行如下处理与分析:

图 6(Fig. 6)

图 6 地震数据处理流程

1) 剔除坏道、不正常道;

2) 测试并优选各项处理参数, 如去噪、速度分析等;

3) 分析相同覆盖次数下不同采集系统采集数据的叠加成像效果;

4) 自动增益控制(automatic gain control, AGC)、分频显示(10~20Hz, 20~40Hz, 40~80Hz);

5) 浅、中、深目的层拾取窗口信噪比分析、频谱分析(频率、频宽等)。

从段试验单炮资料的原始单炮、10~20Hz、20~40Hz、40~80Hz分频扫描记录(图 7至图 10)可以看出: I-Nodal、428XL、IGU-16这3套系统得到的单炮记录波组特征相似, 在浅、中、深层均有目的层反射信息, 且较为清晰, 有效信息丰富。

图 7(Fig. 7)

图 7 经AGC后的不同系统地震单炮记录 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 8(Fig. 8)

图 8 不同系统的10~20Hz分频扫描记录 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 9(Fig. 9)

图 9 不同系统的20~40Hz分频扫描记录 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 10(Fig. 10)

图 10 不同系统的40~80Hz分频扫描记录 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

利用室内定量分析软件对原始地震数据进行信噪比分析, 分析时窗选取位置如图 11a所示; 3种系统的信噪比分析结果如图 11b至图 11d所示。由图 11可以看出, I-Nodal、428XL、IGU-16 3套采集系统资料在浅层、中层、深层的信噪比基本一致。图 12给出了3种采集系统在浅、中、深层的单炮记录频谱分析结果。由图 12可以看出, 当f＜100Hz, 浅、中、深层频率曲线趋势基本一致, 当f＞100Hz, 2种节点仪器高频信号较为丰富, 尤其中深部, 在深部2种节点仪器频率曲线基本重合。表明2种节点采集系统比有缆系统具有高频端的带宽优势, 与理论上由于有缆系统外接检波器串本身的串并联组合效应对带宽的抑制相吻合。

图 11(Fig. 11)

图 11 分析时窗选取位置(a)与I-Nodal(b)、428XL(c)、IGU-16(d)3种系统信噪比分析结果

图 12(Fig. 12)

图 12 单炮记录频谱分析结果 a浅层时窗; b中层时窗; c深层时窗

抽取相同的炮集记录, 采用相同参数的数据处理流程, 得到不同采集系统的叠加剖面(图 13)和2~8Hz、10~20Hz、20~40Hz、40~80Hz、50~100Hz分频扫描剖面(图 14至图 18)。对比分析不同系统的叠加剖面可以看出: 3套采集系统剖面特征相似度高, 无明显差异。资料整体信噪比高, 目的层反射特征较好, 构造特征清楚。

图 13(Fig. 13)

图 13 不同采集系统的叠加剖面 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 14(Fig. 14)

图 14 不同采集系统叠加剖面2~8Hz分频扫描结果 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 15(Fig. 15)

图 15 不同采集系统叠加剖面10~20Hz分频扫描结果 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 16(Fig. 16)

图 16 不同采集系统叠加剖面20~40Hz分频扫描结果 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 17(Fig. 17)

图 17 不同采集系统叠加剖面40~80Hz分频扫描结果 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

图 18(Fig. 18)

图 18 不同采集系统叠加剖面50~100Hz分频扫描结果 a I-Nodal; b 428XL; c IGU-16

对叠加剖面进行能量、信噪比、道集间频谱分析, 结果见图 19、图 20。整体来看, 3套系统能量略有差异。有缆系统能量最强(由于有缆系统外接2串检波器, 与节点单只检波器相比具有更高的灵敏度), 2种节点采集系统能量相似(内置相同灵敏度的单只检波器芯体)。但在信噪比和分辨率上基本无差异, 有效信息丰富、成像效果较好。总体来看, 3种采集系统地震资料品质基本相当, 无明显差异。

图 19(Fig. 19)

图 19 分析时窗选取位置(a)以及3种系统能量(b)和信噪比(c)分析结果

图 20(Fig. 20)

图 20 叠加剖面频谱分析结果 a浅层时窗; b中层时窗; c深层时窗

本文概要介绍了研发的新型节点采集系统的技术指标和采集性能, 并与现有的有缆系统、商用节点系统进行了参数和采集试验对比, 形成以下认识。

1) 研发的节点系统采集到的资料与国际先进的有缆系统、商用节点系统采集到的资料品质一致, 数据无明显差异。

2) 与有缆系统相比, 节点采集系统能够有效解决复杂山地环境对施工带来的挑战, 大幅节省用工人数, 提高施工效率, 降低生产成本, 减轻施工过程中的HSSE风险。

3) 在高信噪比地区, 内置单支高灵敏度检波器的节点系统可以替代外挂检波器串的有缆系统, 获取相同品质的地震资料。同时, 有缆系统由于外接检波器串组合牺牲了信号频宽; 节点使用单支检波器采集资料高频信号更为丰富。这一优势在“二宽一高”采集中, 有利于提高地震资料分辨率和地震成像精度。

节点采集系统目前已在国内陆续推广应用。节点系统不仅可以克服复杂地表施工带来的挑战, 还为高密度、宽方位采集提供了低成本实现的可能。建议更进一步的研究着眼于适应节点采集系统的施工方式、观测系统设计、节点连续采集带来的大数据利用等方面。