节点地震仪器NuSeis与地震数字化系统(DSS)的联合应用

王德江，赵 杰，燕想吉，靳恒杰，康旭鹏，尚爱辉，李 恒，李 博，张治皓

(1. 东方地球物理勘探有限责任公司采集技术支持部 河北 涿州 072751；2.东方地球物理勘探有限责任公司国际勘探事业部 河北 涿州 072751；3.东方地球物理勘探有限责任公司塔里木物探处 新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

近十年来节点地震仪器以其轻便、成本低、采集高效等特点，被众多油公司所认可[1]。NuSeis节点地震仪器是由美国GTI公司推出的一款无线节点地震仪器，具有小型、轻便、高速、坚固耐用的特点。东方地球物理公司为配合节点仪器的迅速发展，研制开发了一款地震数字化系统。该地震采集控制系统具有高精度、高兼容的特点，能够与SERCEL和INOVA等主流可控震源控制箱体配套使用，与KLSeisII的RTQC实时监控系统完美兼容[2]。2019年荷兰壳牌石油公司及阿曼国家石油公司在阿曼42区块使用NuSeis无线节点仪器和地震数字化系统(DSS)完成ASHAQIYAH二维高分辨节点地震采集项目，解决了多组可控震源距离分离同步扫描的时间精度问题，达到了节点高效采集，并为项目获取良好效益提供了支撑。

1 NuSeis无线节点采集系统

1.1 NuSeis野外采集部分

NuSeis节点仪器采用瞬时动态范围广、底噪低的高质量A/D芯片，具有127 dB的瞬时动态范围，支持0.5 ms、1 ms、 2 ms 和4 ms 采样能力[3]。该节点内置13.4 Ah 锂电池，重量仅为0.690 kg，长209 mm，管径最大为 53.5 mm，内置5 Hz 自然频率检波器芯体或外接检波器串两种形式。 NuSeis节点集成GNSS-GPS、Glonass、Galileo等多种卫星定位系统，采用GPS授时，能够提供分米级精度的自身XYZ坐标。NuSeis节点每天定时进行内部噪音、总谐波畸变及脉冲响应等测试项目，自动进行检波器阻值、阻抗、外部噪音及埋置倾角等测试，并将测试结果保存在SD卡内。 NuSeis节点每秒中向外广播2次“健康状态”。8 GB内存卡(可充到32 GB或64 GB)具有长达560 h记录能力，如果每天12 h记录内置电池可提供46 d的续航时间，如果24 h连续施工，续航时间达到23 d[4]。

NuSeis节点适应能力强，适合沙漠、山地、农田及沼泽等地表，工作温度在-40 ℃ 至+75 ℃，能够在极严寒及酷热的地带正常工作，具有极强的防水功能。NuSeis 节点可以快速由内置检波器底座NRU(图1(a))更换为KCK 接头底座(图1(b))。为了避免在运输过程中的物理碰撞和方便野外布设人员携带，GTI 设计了节点包(图1(c))，每个包可以放2排，共10个节点。

图1 NuSeis节点设备

1.2 NuSeis查线平板电脑

查线工可以利用查线平板电脑(图2(a))检查节点状况，包括剩余电量、内存容量、GPS信息、记录状态等。由于查线平板电脑通过蓝牙与节点通讯，对查线工与节点间的距离有一定限制(10 m之内)，因此只能采用步行方式携带查线平板电脑逐个扫描节点状态。根据节点LED显示及平板电脑上节点状态(图2(b))对部分不合格节点进行现场替换。查线工返回营地后通过WIFI将平板电脑与云端相连，将野外节点信息上传到GTI服务器更新数据库。下载人员在室内对其他未绑定节点进行手工绑定，并检查野外节点埋置质量。

图2 NuSeis查线平板电脑

1.3 节点数据管理系统

NuSeis节点数据管理系统主要包括控制中心、SQL服务器数据库、节点下载单元、磁盘阵列、节点质控、云端、外部数据、施工项目以及野外质控部分等，如图3 所示。

图3 NuSeis节点数据管理流程

控制中心、数据下载及节点质控软件安装在微软WIN10专业版操作系统上，通过控制中心登录和管理数据SQL服务器数据库。下载数据存储在80 T的磁盘阵列上，运行节点质控程序调用磁盘阵列数据进行节点质量控制。

野外质控部分包括查线平板电脑及野外服务器。将简易型的野外数据库安装在野外仪器车内的WIN10系统上，每天将查线平板电脑通过WIFI与野外数据库连接，将节点的“健康状态”上传野外服务器进行更新，由野外现场仪器工程师负责检查节点状态，及时指导查线工排除节点故障，并将排列信息推送给DSC。同时每晚查线工将NuSite上的节点信息上传到营地SQL服务器，下载人员再次室内检查野外放线及节点桩号匹配情况，并将信息反馈回NuSite指导野外进行实地检查。

节点从野外被收回后在营地除尘，然后将节点的头部倒插在数据下载面板内，在下载界面上每个节点显示连通状态后点击下载按钮即可将节点的所有信息下载到磁盘阵列。根据用户要求可以输出SEGY 和SEGD格式的地震数据和质控数据。数据下载完成后将节点移到充电面板内充电，当节点充电完成后指示灯显示绿色，充电人员即可将其收起放入节点包。

1.4 节点数据格式

NuSeis节点能记录来自GNSS 卫星的相位和距离信息，室内下载时将这些时间信息写到数据固定道头上，作为后续数据切割的标记。数据切分主要是根据每一炮的TB时间将对应的有效地震信息从连续道集内分隔出来，并完成数据与地面力信号的相关[5]。NuSeis节点提供的数据格式包括SEG-Y V1.2和SEG-D V2.0。每个接收点的地震数据为60 s道长的连续记录数据，每道数据重复一个样点值，记录起始时间规定从整秒开始记录并整秒结束，如果节点在UTC时间15:24:43 GPS锁定，则从15:25:00.000开始记录，该道的结束时间为15:25:59.999。

2 地震数字化系统(DSS)

为了适应节点仪器的高速发展趋势和减少对其他有线采集仪器设备的占用率，东方地球物理公司开发了一款地震数字化系统(Digital Seismic System,简称DSS)，集任务分配、质量监控、可控震源导航于一体。DSS的技术优势在无线节点项目尤为明显，可根据实际生产进度实时调整各组可控震源任务量，能够灵活地做好生产的协调与指挥，实时监控可控震源QC数据及搬点精度。具有直观而精确的导航功能[6]。在阿曼42区块节点项目施工中，配备地震数字化系统控制多组可控震源采用距离同步扫描激发模式放炮，实现了震源TB时间0 ms误差无桩号高效采集作业。

DSS系统包括安装在仪器车上的数字地震控制器(Digital Seismic Commander 简称为DSC)和安装在每台可控震源车上的数字地震终端(Digital Seismic Guide简称为DSG)两部分组成，其工作流程如图4所示。配置DSG系统的2台震源根据预装的SPS文件导航到要激发的炮点位置后发送位置信息给DSC，DSC计算并判断震源间的距离是否符合时间距离规则(TD规则)，如果震源间距离小于14 km则不符合TD规则，则通知震源继续移动；若果震源间距离大于14 km，DSC则发送点火命令(Fire Order)给DSG，DSG根据GPS时钟在约定的延迟时间同时启动2台震源箱体按扫描参数开始扫描，震源箱体记录各自的TB时间、参考扫描信号、平板信号、重锤信号及力信号，以及震源XYZ坐标和属性报告等，并推送给本车的DSG。DSG将扫描报告通过数字电台定期发送给DSC，DSC将每一炮的TB时间、实际炮点坐标、震源QC报告及排列报告等信息生成Vibrator Point报告，供技术人员进行资料整理和质量控制。震源操作手在工作结束时将每台震源每次扫描的力信号文件和扩展QC文件下载。

图4 地震数字化震源控制流程

3 无线节点地震采集应用实例

3.1 作业流程

在项目开工之前对全部的NuSeis节点进行极性及状态测试，要求极性符合SEG极性。与大部分无线节点一样，NuSeis节点需开工前设置好仪器施工参数，包括采样间隔、前放增益、滤波器参数、极性及记录时间。日间施工作业记录时间设置为06:00-18:00。

测量组首先进行接收点桩号标识放样，在测量标志点位置放线组使用定制的锥形工具打眼或挖坑埋置节点，保证节点与大地耦合良好，如图5(a)所示。在农田、戈壁等平坦地形，每个节点组配置2名放线人员，1人挎着节点包，负责挖坑和连接节点和小线，另1人负责用节点激活节点，白色指示灯亮后将节点正置5～10 s，待头部绿色LED灯闪烁5次后，将节点垂直放入坑内埋置，确保顶部塑料壳体露出地面增强GPS和蓝牙信号。在沙漠地表，为防止节点丢失，需将节点套在钢丝绳上直立放入坑内埋置,埋入地下15 cm，钢丝绳另一端套在纤维杆上，如图5(b)所示。旗杆距离节点50 cm，以防止旗杆产生微震。这样NRU节点布设完成，节点开始搜索GNSS信号和进行启动测试，待GNSS信号锁定和完成测试后进入记录状态。后续的查线人员使用查线平板电脑(NuSite)延测线检查收集节点的“健康状态”，并根据坐标为每个节点匹配线号、桩号，对错误的节点进行重新布设或更换，确保节点处于“recording”状态。

图5 NuSeis节点埋置方式

野外节点部署完成后，将排列信息发送给DSC，仪器工程师根据野外施工安排分配施工任务给每台可控震源。可控震源采取自主放炮模式或控制放炮模式实现震源高效激发，DSG将震源出力、相位、畸变等状态信息实时回传DSC进行质控，DSC自动确定是否进行补炮，实现放炮全自动化，极大程度减轻了仪器工程师的工作压力。

完成采集后，将节点取出并倒置5～10 s钟使其结束记录。节点回收到营地清点数量并除尘以后，下载节点数据并充电。处理人员利用每次扫描的力信号与节点数据根据TB时间相关，合成SEGY等格式地震数据。

3.2 采集质量控制

质量控制贯穿在施工的每个环节，野外采集期间定期对野外节点进行质控，沿测线用查线平板电脑收集节点发送的“健康信息”，对停止记录的节点进行更换。在沙漠区需要更频繁地检查节点状态，对倾倒的节点及时重新埋置激活，保证测线节点的完好率。

在节点下载过程中生成“Deployment”、“Segment”和“spread”3个Excel 格式状态文件，包含了每天的测试结果、接收的卫星个数、GNSS 信息、坐标、高程、桩号、序列号、CPU 状态、记录状态、倾斜度、排列噪音、电阻、畸变、电量等一系列信息，利用这3个文件可以实现对节点在野外工作状态的全方位监控。

对节点下载数据的质控方面，利用KL-NodeQM软件读取每个节点的SEGY数据检查数据的完整性及记录质量；根据DSG返回的TB时间信息将节点数据与可控震源的力信号进行互相关运算，通过抽取检波点道集来检查GPS时钟及节点的性能。

3.3 应用效果

2019～2020年在阿曼42区块项目中，东方地球物理公司利用NuSeis节点和DSS地震数字化系统施工，采用距离同步激发扫描技术模式，实现了震源同步启动零误差。生产中投入两套DSC系统交替控制震源施工，减少沙漠搬家停工时间，高效地完成了无桩号节点沙漠二维项目采集项目，在效率和质量上达到了预期效果。该项目采用2 台可控震源(2台备用)12 h作业，平均日效达到1 500炮以上。图6 展示的二维测线的初叠时间剖面中，资料信噪比及同相轴连续性等方面均取得满意的效果，能够清晰地看到深层构造形态。

图6 NuSeis节点项目现场初叠时间剖面

4 分析与讨论

无线节点仪器与有线地震仪器系统相比，具有很大的优势：

1)节点施工作业流程优化、作业成本降低。测量组和放线班合并，取消了电瓶组，过路组等。由于摆脱了电缆的负担，每车运输的道数大幅增加，与有线仪器施工相比，减少工人66 名，减少车辆15 台，降低了作业成本。

2)节点状态稳定。节点不受天气变化影响，无漏电现象发生，理论上无断排列时间，提高了有效作业时间。在项目运作期间，同区同时间段有线设备作业的地震队因突发天气原因停工72 h，节点运作项目没有受到影响。

3)节点环境适用性强。尤其是沙漠、农田和村庄等复杂地表，避免了常规有线仪器架设过路线或铺设过路胶皮带来的安全风险，同时减少了对环境的破坏，更加符合当前行业对环保高标准的要求。

4)节点数据可处理性强。节点仪器单点连续记录，可进行室内节点组合，接收道数可以任意抽取，实现不同覆盖次数叠加，不受观测系统的影响。

通过野外应用，与有线仪器相比，由于自身的特性，节点仪器存在以下缺点:

1)在无网络设施的戈壁、沙漠等作业环境，无法对野外排列状态提供实时监控，对于一些突发情况(如强噪音)和需要动态监控的重点区域(沙漠，村庄)无法做到有效反馈。

2)节点因其体积较小容易被沙漠掩埋，在施工中遭到损坏。

3)节点的蓝牙信号弱。若节点完全掩埋或外接小线组合基距过大，查线人员无法乘车靠近节点，查线平板电脑无法收到节点的蓝牙信号，无法乘坐车辆高效查线。

4)节点GPS收敛慢，需要放置20 min以上充分收敛才能查线。

5)目前节点质量控制缺少行业标准，不同节点的标准可能不一样。缺少节点施工和下载数据检查软件及流程。

5 结束语

同传统有线地震采集系统相比，节点仪器与地震数字化系统配套作业改变了以往有线地震仪器作业模式，简化了野外施工流程，减少了野外人员和车辆数量,提高了工作效率，降低了施工成本。随着电子、5G通讯和微电路技术的进步，节点仪器将向小型化、自动化及数据处理一体化方向发展，采用多种信号传输方式解决节点通讯问题，达到与地震数字化系统高效配套应用，有效实时对节点及震源工作性能进行监控及远程监控，增加人工智能成分以减少人工劳动强度。在复杂地区节点及地震数字化系统将会发挥更大的作用。