可控震源高效采集在地震仪器中的实现方法分析*

罗兰兵 张 洁 程虎军 颜 良

(英洛瓦物探装备有限责任公司 天津 072751)



·仪器设备与应用·

可控震源高效采集在地震仪器中的实现方法分析*

罗兰兵 张 洁 程虎军 颜 良

(英洛瓦物探装备有限责任公司 天津 072751)

可控震源高效采集技术已逐步成为勘探市场所关注、推广的一项核心技术。文章从地震仪器的角度，介绍可控震源高效采集技术的实现机理，分析实现过程中的关键技术，并探讨了当前存在的问题。

可控震源；高效采集；地震仪器；海量数据

0 引 言

20世纪50年代，前苏联及美国Conoco石油公司首次将可控震源技术应用于地震勘探[1]。可控震源凭借其激发信号可控、安全环保的优势，逐渐成为主要的施工震源[2、3]。为了提高施工效率，人们首先应用类似井炮的交替扫描技术(Flip-Flop)，日效最高可达2000炮[1]；1996年，Rozemond率先应用滑动扫描技术(Slip-sweep)，生产效率提高2倍多[4]，但这种施工方式会在记录中产生交叠部分，形成谐波干扰；随着可控震源控制技术及地震数据处理技术的发展，各种谐波压制技术的广泛应用推动了高效采集技术的发展。在此基础上，接连出现V1、DS3、ISS等高效采集技术[5～7]。本文从地震仪器的角度，介绍可控震源高效采集技术的实现机理，分析实现过程中的关键技术，并探讨当前存在的问题。

1 可控震源高效采集实现机理

目前，在勘探生产中常用的可控震源高效采集技术有：交替扫描、滑动扫描、DSSS和ISS。其中，交替扫描是两组或多组震源交替施工[3]；滑动扫描是多组震源以滑动时间为间隔依次施工[4]；DSSS是多组震源按一定距离间隔分布、同步滑动施工[5]；ISS是多组震源分别在指定施工区域独立施工[7]。

不论采集何种施工方式，其实现机理是相通的。均是通过地震仪器按一定的时距规则激发管理可控震源，可控震源完成扫描作业后返回放炮信息，然后由地震仪器从记录数据中根据放炮信息提取单炮记录。不同的高效采集技术的主要差异就在时距规则的制定：交替扫描下震源的激发必须保证在上一炮记录完成时才能进行；滑动扫描下震源间必须确保指定的滑动时间间隔；DSSS中同步激发的震源必须保障不小于12 km的间隔，同时还需要保障滑动时间；ISS则需要确保分区的独立，相邻震源间使用弱相关性的扫描信号。

通过对比分析，汇总不同高效采集模式下地震仪器的技术需求，见表1。

表1 不同高效采集模式下的技术特点

由此可见，对地震仪器而言，要实现可控震源高效采集必须解决以下四项关键技术：

1)源通信控制技术。震源的激发、放炮信息的回收均是通过仪器与震源间的通讯控制实现的。通信能力决定着震源管理数量，控制技术决定着施工效率。随着高效采集下震源组数成倍增长，对该技术提出了更高要求。

2)全网GPS同步技术。震源和地震仪器是两个分立的设备，震源的每炮激发都以GPS时刻标识。地震仪器只有实现全网GPS同步才能保证激发与记录的同步，使数据统一在GPS时刻下。

3)超级排列连续采集技术。在高效采集下，炮与炮之间没有明确的时间间隔，同时震源间距要求地面排列保证足够大的施工覆盖。因此超级排列连续采集技术是实现高效采集技术的基础。

4)海量炮数据分离技术。高效采集下，超级排列、连续采集的应用，使得地震数据几何级增长，而且需要保障数据接收的同时完成多个炮数据的分离处理。处理的延时将制约效率的提升。

2 关键技术分析

2.1 源通信控制技术

源通信控制技术中，通信能力的实现基于仪器所使用的编码扫描发生器及所配置的通信电台；控制技术的实现基于编码器的通信协议及电台的带宽及调制方式。目前在野外施工中常用两类技术方案：TDMA电台方案和UHF/VHF模拟电台方案。

TDMA电台是利用TDMA(Time Division Multiple Access) 时分多址技术，如图1所示。把时间分割成周期性的帧(frame)，每一个帧再分割成若干个时隙，每个时隙分配给一个震源组；由震源组上的从电台向仪器上的主电台发送信号；在GPS提供定时和同步的条件下，仪器上的主电台可以分别在各时隙中接收到各震源组的信号而不混淆；同时，仪器向多个震源发送的信号，也都按顺序安排在预定的时隙中传输，各震源组只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信息区分并接收下来，从而实现仪器对多组震源的通信控制。

图1 源通信TDMA方案示意图

VHF/UHF模拟电台，相比普通模拟电台使用了更高的通讯频率，使用了高频载波的负载能力更强，能有效提高通讯带宽，满足数据通讯要求。普通模拟电台只需要满足基本的语音通讯要求，波特率一般为12 K Baud/s；VHF/UHF模拟电台可工作在50 K Baud/s下，最高可达80 K Baud/s；因此同样的数据量，VHF/UHF模拟电台可用更短的时间完成交互，从而保证在一个放炮间隔内完成对所有震源组的状态轮询，确保地震仪器对多组震源的实时管理。

综上，TDMA电台利用并发功能管理更多的震源组，而VHF/UHF模拟电台通过提高传输带宽轮询管理更多的震源组，从不同的角度解决了高效采集下震源组增加的问题，保障了地震仪器与震源组之间的信息交互。然而随着施工范围的进一步扩大，从传统的15 km扩展至25 km～30 km，现有的通信技术在通信距离、覆盖范围上又迎来新的挑战。目前人们正通过电台中继的方式提高通信距离，同时也在探讨3G、4G等最新通信技术的可行性。

2.2 全网GPS同步技术

对于节点地震仪器，通过给所有站体设备配备GPS模块实现全网GPS同步。而对于有线地震仪器，考虑到设备成本和站体功耗，通常只在仪器主机上安装GPS，然后通过时钟锁定、延迟标定等方式实现全网GPS同步，同步过程如图2所示。

图2 全网GPS同步示意图

全网时钟包含三个部分：GPS时钟、仪器主机系统时钟、站体时钟。其中GPS时钟由外接的GPS模块提供；仪器主机系统时钟由主机里的CPU提供；地面站体时钟由站体内置的高精度晶振提供。地面站体通过延迟测试可以得到每个站体与仪器系统时钟的时间，通过时钟恢复技术对站体时钟做补偿，从而保证与仪器主机系统时钟同步，但此时的站体时钟还不包含GPS时刻信息；GPS模块提供秒脉冲和TimeMark时刻信息，仪器主机通过时钟锁定将秒脉冲的脉冲沿与系统时钟的时钟沿对齐，并将TimeMark信息GPS时刻与秒脉冲绑定，从而实现 GPS时刻与仪器主机系统时钟以及站体时钟的同步标定。

然而在实际施工生产中，由于复杂地形或恶劣环境，可能出现没有GPS信号或信号较弱的情况。人们正在探讨应用差分GPS参考站，完善全网GPS同步技术。

2.3 超级排列连续采集技术

相对于常规施工方式，可控震源高效采集是多个炮点同时采集或激发，因此需要更多的排列进行采集，通常是常规施工单炮记录道数的3至4倍以上，如果是DS3方式则需要的道数更多，因此要实现单炮2至3万道记录的可控震源高效采集施工，地震仪器的实时带道能力将需要10万道以上。因此，超级排列连续采集技术需要支持更高的系统实时道能力和排列实时道能力。

对于排列实时道能力，随着光纤技术的广泛运用，光缆交叉线的实时道能力已经达到万道以上。通过多组交叉线的使用，野外排列的布设已经可以达到数十万道以上。而对于系统实时道能力，随着IT技术的发展，仪器主机应用万兆网络提高系统的接入流量；应用磁盘阵列扩展系统的存储容量；使用高性能服务器提升系统处理能力；从接入、处理、存储等方面保障数十万道超级排列实时的连续采集施工。

目前，仪器主机已经达到每天TB级的数据处理能力，管理数十万道甚至百万道的野外排列。随着排列道数的增长，超级排列连续采集技术的研究重点逐步由扩展道能力过渡到保障排列稳定性、可靠性，缩短异常处理时间，保障高效采集的稳定运行。

2.4 海量炮数据分离技术

海量炮数据分离技术通过搭建多核多任务主机系统实现，通过合理调配计算资源，充分利用高性能服务器的多核多线程能力，并发处理海量炮数据，缩短数据处理耗时，提高施工效率。

多核多任务主机系统如图3所示，在应用层，将数据采集、处理等业务划分为多个相互独立的任务；在操作系统层，通过CPU资源调配，为每项任务配备进程管理，对于子任务还可分配独立线程；在物理层，为每项进程合理分配CPU计算资源。在超级排列连续采集工作状态下，地震数据不断涌入，但对于单炮数据的处理可以相对独立，因此在从连续记录中抽取炮数据的过程中，可以为每个单炮数据分配一个处理线程，提高并发数和处理效率，缩短处理周期，避免因为处理滞后导致的接入数据阻塞。

图3 海量炮数据分离示意图

随着高效采集技术的发展，人们提出了更高的要求，如现场实时的质量监控。功能的增加要求海量炮数据分离技术不但要提升系统数据处理能力，还需要系统模块更加灵活从而应对不同的施工要求。

3 结 论

随着可控震源高效采集广泛应用，该项技术已经成为勘探市场所关注、推广的一项核心技术。通过对高效采集流程机理的分析，只有确保地震仪器采集与震源激发的同步、仪器对多组可控震源的管理、超级排列的数据连续记录及处理，才能保障高效采集技术的顺利实施。

通过对关键技术的分析，地震仪器在源通信控制技术、全网GPS同步技术、超级排列连续采集技术和海量炮数据分离技术上仍有提升的空间，从施工效率和数据品质上支撑可控震源高效采集技术的进一步发展。

[1] 凌 云，高 军，孙德胜.可控震源在地震勘探中的应用前景与问题分析[J].石油物探，2008,47(5)：425-438.

[2]陶知非，苏振华，赵永林.可控震源低频信号激发技术的最新进展[J].物探装备，2010, 20(1)：1-5.

[3]倪宇东，王井富，马 涛.可控震源地震采集技术的进展[J].石油地球物理勘探，2011, 46(3)：349-356.

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[5] JackBouska. Distance separated simultaneous sweeping for fast clean vibroseis acquisition[J]. Geophysical prospecting, 2010, Vol.58：123-153.

[6]Jean-Jacques Postel, Julien Meunier, Thomas Bianchi, et. V1: Implementation and application of single-vibrator acquisition[J]. The Leading Edge, 2008：604-608.

[7] Ian Jack, Brian Taylor, Dave Howe, et. Independent simultaneous sweeping - a method to increase the productivity of land seismic crews[J]. SEG Technical program expanded abstracts, 2008, Vol.27：2826-2830.

Realization of HPVS in Seismic Data Acquisition System

LUO Lanbing ZHANG Jie CHENG Hujun YAN Liang

(INOVAGeophysical，Tianjing072751,China)

High-productivity vibroseis is becoming a core technique in seismic market. From the view of instrument tech, the paper reviews realization mechanism of different high-productivity vibroseis modes, analyzes the key techniques and discusses the remained problems.

vibrator， high-productivity vibroseis， seismic instrument， mass data

“十二五”国家重大科技专项项目：新一代一体化全数字地震仪器。课题编号：2011ZX05019-002。

罗兰兵，男，1970年生，高级工程师，1991年毕业于江汉石油学院地震仪器及测量技术专业，现为东方地球物理公司科技带头人，长期从事地震仪器应用及研发工作。E-mail:Luo.Lanbing@inovagen.com

P631.4+37

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2096-0077(2015)01-0087-03

2014-12-15 编辑：韩德林)