新型无缆采集系统功能特点及发展前景

王春田 闫志武 赵 忠

(1.中国地质大学 北京) (2.胜利油田物探公司 山东东营)

新型无缆采集系统功能特点及发展前景

王春田1、2闫志武2赵 忠2

(1.中国地质大学 北京) (2.胜利油田物探公司 山东东营)

随着物探采集技术和无线通信技术的发展,一种新型的无缆采集系统也应运而生,文章介绍了几种典型无缆系统的功能特点,与有线系统相比无线系统的优缺点,部分无缆系统的应用情况,对无缆系统应用前景进行了展望。

无缆系统;功能特点;应用前景

0 引 言

地震勘探技术的发展推动了地震仪器的发展,目前先进的有线采集系统可以完成超万道复杂地震数据采集任务,并且兼容目前最先进的数字检波器。近几年,无线通信技术的飞速发展,促进了无缆采集系统的发展。多个地球物理仪器生产商正在推出无线地震勘探采集系统,其中有些系统已完成了实验阶段,本文将结合不同无缆数据采集系统的特点,对无缆数据采集系统应用前景进行展望。

1 无缆数据采集系统简介

目前国际上约有10家仪器公司推出了无缆数据采集系统,根据数据采集和管理的特点可分为三类:盲采-自主数据采集、可进行远程实时QC监控、可进行远程数据实时回收采集。几种具有代表性的产品介绍如下。

1.1 法国SERCEL公司的Unite系统[1]

该系统是Sercel公司在IT无缆系统的基础上,与428XL系统技术整合生产的新型采集系统。系统利用了计算机网络技术和蜂窝技术,由独立的野外采集单元RAU和控制各个蜂窝内RAU集群的CAN组成,如图1所示。

野外采集单元RAU是独立的单元,单个RAU具有四个输入道,可以接四道模拟检波器或者接一个数字三分量点(428DSU3)。采集站内置锂电池,也可以外接电池。内置内存可以扩大到16 G B。自主记录模式下,可以记录数天。内置高灵敏度的GPS可以提供精确的同步时钟。

图1 unite采集单元

蜂窝节点CAN通过无线蜂窝技术控制在其范围内的各个野外采集单元RAU,在野外施工区域根据需要设置若干CAN,CAN接收主机指令,将其发送给蜂窝内的各RAU;RAU返回QC或部分地震数据给CAN,由CAN发送给主机。CAN与主机可以通过5.8 GHz频带的免许可无线网络进行数据交换也可以由光缆将数据回传到主机。数据回传模式如图2所示。

图2 数据回传模式

数据回收方式有三种:小道数野外生产时,可实时数据回收;高密度、大数据采集时,仅回收部分压缩的QC数据用来进行质量实时监控分析;自主数据记录,可以用SERCEL提供了便携的手持数据回收装置,在由作业人员现场回收数据或生产结束后进行数据回收。

1.2 美国I-Seis公司的SIGMA

该公司是美国SSC(Seismic Source Company)旗下子公司,SSC公司以QC和震源控制系统闻名,现在普遍使用的Boombox遥爆系统就是该公司的产品。该公司总结顾其它公司无缆采集系统的优点和不足,推出无缆数据采集系统——SIGMA。

SIGMA可以兼容任何种类的遥爆系统,配合本公司的FORCE2电控箱体,可以实现包括滑动扫描技术在内最新的震源扫描技术。它可以工作在任何地形,包括浅水、过渡带地表。SIGMA具有多种数据采集和传输模式,集成的操作软件界面友好,易操作。

采集站内置GPS接收器,在自主记录时,为数据提取提供准确的爆炸时刻时钟。

采集站类型为单站三道,可以设置为单道、两道或三道接收,可接三分量检波器。

采集站内置16G B固态数据存储器可保证数天的连续记录。

SIGMA提供两种天线,分别是无线mesh模式和WI-FI模式,其作用距离最大为7km。

该系统三种采集模式分别是:自主记录模式、网络无线模式、WI-FI全数据返回模式。

自主模式的工作原理同上述其它仪器类似。无线网络模式(mesh)方式其内置天线可以在平坦地区传输传输150 m,满足两道之间的距离传输,即可单独使用,也可配合MESH使用。在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以作为接入点和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号。各个采集站之间可以进行自由数据交换,克服了传统无线仪器只能主机与采集站之间点对点数据交换的瓶颈,适合于万道高密度地震采集。

WI-FI全数据回收模式是利用WI-FI无线传输技术和采集单元之间的中继功能,可以将全部数据回传到中央记录单元。

1.3 美国FAIRFIELD公司的Z系列

该系统属于自主采集型,美国Fairfield公司主要生产无线遥测地震仪,该公司生产的Telseis、Box无线遥测地震仪在中国滩浅海地震勘探中曾经得到广泛的应用,近几年,Fairfield公司利用先进的无线技术,研制了新一代无缆采集系统“Z system”,包括“Z Land”、“Z 700”、“Z 3000”等产品,适用于从陆地到深海的广大领域。

“Z system”中采集站、检波器、电池、GPS合为一体。“ZLand”采用了高硬度塑料做外壳,内置可重复充电的高性能锂电池,十分便于陆地施工。“Z 700”、“Z 3000”可用于海上二维或三维勘探,内置了声纳二次定位系统。“Z 700”投放深度最深可达700 m,“Z 3000”,投放深度最深可达3 000 m。采集结束后,通过声纳系统控制使其浮起,电缆船将其收起。当“Z 700”和“Z 3000”下水前用 GPS授时,放入水下后靠内部精密的晶振提供时钟。

美国Fairfield公司的Z-land陆地无缆系统在美国已完成了千道以上的采集实验,在沙特红海海深海区1350道z700正在施工。

另外还有几家公司的无缆系统也处于试验和试生产阶段。

美国ASCENT GEO公司ULTRA G5无缆系统。自2001年开始第一代无缆系统G1发展到现在G5,功能逐渐完善,系统逐步成熟。2009年该公司G5系统在天津塘沽和428仪器进行了联合采集。

美国Geospace公司GSR系统,内置GPS天线和标准时钟,现场可通过WIFI方式进行QC和数据回收。目前已完成地震勘探项目4个,另有两个勘探项目在实施过程中。09年美国DAWSON地球物理公司一次性购买了几千道 GSR。该系统已在美国、加拿大、墨西哥等十几个地区做了测试和实验。

美国ION公司Firefly(萤火虫)无缆陆上地震采集系统采用微型采集站方式、无缆连接、单站单道、三分量(全波)数字检波器采集;系统集地震仪器、测量、采集设计于一体,可以实现全过程的施工生产计划和坐标定位。2008年Firefly 2萤火虫系统第一次在美国北科罗拉多投入商业化生产。2009年东方物探引进了一套FireFly地震采集系统并进行了野外生产试验。

2 无缆系统的特点[2、3]

2.1 优 点

无电缆,自主数据记录。独立式的采集站内置高灵敏度GPS接收器、大容量的固态数据存储器和大容量电池,具有连续记录十几天以上的能力。通过爆炸系统记录的GPS时间辨别每个激发点的爆炸零时,根据需要从记录体中灵活提取出每道的记录数据。

采取先进的无线通讯技术,无需无线电入网许可。由于传输方式的多样化,克服了传统无线仪器只能仪器主机与采集站之间点对点通信距离短的不足,更加适合高密度布点。

新型仪器通过数据编辑软件,采用SEG数据格式与目前在用地震采集系统同时使用,较好地解决了不同仪器系统传输协议的问题。

理论上不受道数限制,可无限布设,适合于高密度地震采集。

由于无缆,减少了有线系统中的电缆,减少设备运输量和野外工作量,减少了由于电缆连接引起的排列接触问题,节省了定期更换电缆的费用。

由于是自主采集,减轻了操作员的劳动强度,后期数据回收和数据整理造成的工作增加和减少野外工作量相比是值得的。

2.2 缺 点

大部分无缆系统都是自主采集,不能实时回传数据将不能对数据质量进行监控,不利于及时发现问题,数据回收后发现问题会面临补炮的经济损失。另外,采集单元一旦丢失会造成数据缺失,影响采集效果,严重的情况需补炮。即使可以回收QC或全部数据,由于地形复杂性,无线传输一定受到影响,施工中可操作性不强。

数据不论是现场回收或是基地回收,回收工作量非常大,特别是在复杂地形,人员必须靠近采集单元。数量大时容易出现错误,数据的合并工作量也很大。

布设时单点设定位置和参数工作量大,现场施工人员多人操作容易出错。

3 无缆数据采集系统应用前景

无缆数据采集系统要推广和发展,首先看它比现有有线采集系统具备的优势,对用户来说看重该系统能否提高采集质量、能否具有高的稳定性、能否提高生产效率,方便组织施工,减少施工成本、能否解决有线系统不能解决的问题。

从技术性能和数据采集方式看,无缆系统对地震采集数据的质量没有提高。但无缆系统最大的优势是道数可以无限扩展,而有线系统随着道数的增加会存在建立排列难、主机数据管理难度大等缺点。无缆系统最大的缺点是数据回传和质量监控问题。

目前情况下,无缆采集系统施工观念的接受需要一个过程,在万道以内,地形不太复杂的环境下施工,有线系统还是存在一定的优势,无缆系统要推广只能作为有线系统的补充,与有线系统联合采集。

无缆系统目前发展的着力点是:与目前有线系统的结合,分不同区域采集,不方便有缆系统布放的特殊地形用无缆系统,将无线系统和有线系统共用一个数据平台,数据统一管理和整合,有三种方式:

一种是像SERCEL公司UNITE系统,有线428设备和无线的UNITE设备共用一个中央控制单元,工区中根据不同的地表条件,对不同的设备进行布设,428主机对数据进行统一管理和记录,这种情况根据观测系统一炮中的数据可能来自有线系统和无线系统,有主机进行编排合成一个SEG格式的文件,这种方式因无缆部分道数少,数据能够回传,数据的合并与管理难度小;

另一种方式是一个工区分为两部分,一部分用有线系统,另一部分用无线系统,两种系统单独采集,根据观测系统单独施工,最后数据合并。但这种方式由于满足满覆盖要求,施工中会增加一定的工作量;

第三种是将无线系统采集单元插在有缆系统中间作为接收点的加密,用有线系统进行质量监控,由于密度大,在高密度高覆盖次数采集时,即使部分数据丢失对整个采集效果几乎没有影响。

需要解决的几个问题:

1)因数据不能回传,数据回收工作量大,后期的数据合并整合易出错,厂家应在数据回收和整合的软件方面多下功夫,特别是选择有用的数据回收,否则回收数据量太大。

2)数据能够及时回传,质量能够实时监控是任何甲方喜欢的方式,随着无线传输线技术的发展和更成熟,能够传回QC和整个数据将更有前景。

3)野外布设的方便性,特别是参数设置和与测量成果的对应性,数据回收尽量在现场回收,解决好电池及充电问题,方便于野外施工。

4 结束语

地球物理勘探仪器向低功耗、小型化、高精度和智能化发展。一方面是地球物理勘探技术对地球物理勘探仪器不断提出要求,另一方面,MEMS、无线通信、计算机技术和电子技术不断飞速发展,为新一代勘探仪器的发展提供了可能。

新型仪器从推出到实际推广应用还有一定的距离,许多软硬件对采集方法及施工作业的适应性还需要在实际应用中改进与完善,相信随着无线技术的发展,数据可以快速回传到中央处理单元,或者人们认可自主采集的方式,基于无线通信技术的地球物理勘探仪器将得到广泛应用和发展。

[1] 法国Sercel公司.unite技术手册.2008(资料)

[2] CPS/SEG北京2009国际地球物理会议暨展览论文集.2009

[3] 易碧金.GPS时钟同步法地震勘探仪器的设计与实现[J].石油仪器,2005,19(1)

Features and prospects of the cableless seismic acquisition sys- tem.

Wang Chuntian,Yan Zhiwu and Zhao Zhong.

Advanced radio transmission technology has promoted the development of a new kind of cableless seismic acquisition system.This paper mainly introduces the features of the typical cableless system,including the advantages and disadvantages compared with the cable system.It also predicts the future application and prospects of the cableless system.

cableless system;feature;prospect

P631.4+3

A

1004-9134(2010)05-0001-03

王春田,男,1966年生,高级工程师,1989年毕业于石油大学,现在胜利油田物探公司仪器管理中心从事仪器技术工作。邮编:257001

2010-04-10编辑梁保江)

PI,2010,24(5):1～3

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