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地震数据采集设备现状及市场需求

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摘要:GPS设备、电子设备和高储能电池在体积、价格、存储容量、电池续航等方面的发展为地震数据采集节点设备小型化、集成一体化和自动化创造了条件。自2014年油价下跌,地震勘探行业经历了近四年的行业低谷,各油公司为了降低勘探成本、缩短勘探周期和减少勘探风险,对节点设备提出了强烈需求,促使各种类型节点装备不断涌现。各种针对不同客户群,解决地震勘探问题的节点设备纷纷推出市场,各种新概念节点技术和节点装备也正在研发中。全球节点设备市场正处在自由竞争阶段。本文介绍了节点设备的发展历程,总结了目前陆上采集市场主要节点设备,指出了节点设备发展面临的挑战并分析了市场需求。

关键词:陆上节点设备;节点采集设备;地震数据采集;发展挑战;市场需求

引言

在技术创新和高效生产的双重需求下,近年来各国际大油公司、物探公司和装备制造商积极进行勘探装备的创新,纷纷推出各种类型的陆上地震数据节点采集设备。很多油公司基于项目成本、施工效率、资料质量和环保要求等各种因素,正以积极开放的态度接受节点技术,同时各大物探公司在高效生产、降低成本和安全风险压力下,也在大力推广应用节点设备。随着网络技术、存储设备和高能锂电池储能技术的进一步发展,节点设备变得更轻、更小、更集成,价格也更便宜[1~2]。2018年以来,越来越多的项目招标要求提供节点采集技术方案,甚至有的客户在招标时指定特定品牌的节点采集设备。各种新型节点采集技术概念和新型装备正在不断推出,物探行业竞争形势正在发生深刻变化。掌握节点采集装备发展动态,把握全球物探采集市场竞争形势变化,对提高物探服务商的市场竞争力具有重要意义。本文就全球陆上地震数据节点采集设备现状与市场需求进行分析与介绍。

1节点仪器的发展现状

本世纪初,以摆脱有线线缆束缚、自主记录地震数据为设计原则的各型节点设备不断面世。这些节点设备以Geospace公司的GSR节点、Fairfield公司的Zland以及INOVA公司的HAWK节点为代表,具有自主记录数据、摆脱线缆束缚、大量节约人工的特点,一经面世就在地震采集行业得到迅速地推广和应用。至今,全球已经生产了近百万道陆上节点设备,为陆上地震采集生产提高作业效率、降低勘探成本、解决复杂地区勘探难题提供了设备保障。但这些节点设备均属于“盲采”型,用户无法监控设备工作状态和数据质量。设备重量、电池续航、数据存储、设备丢失、价格居高等因素也制约了其在全球范围的大规模推广[3]。2014年油价大跌,近四年多的油价低谷使油公司和服务公司都承受了巨大的经营压力,节点设备重新受到业界重视。物探行业降低勘探成本、提高生产效率、降低勘探风险的强烈需求,促使物探装备制造商纷纷推出各种新型陆上节点采集设备。这些新型设备主要解决了设备实时状态监控、产品重量以及价格问题,如Sercel公司的WTU508节点可实时监控设备工作状态;RT3仪器既达到了十几万道带道能力,又能实时传输采集数据;GTI公司的Nu-SeisTM节点重量减少到862g;DTCC公司的Smart-Solo节点单道价格力争降低到100美元[4~5]。这些设备在近两年纷纷推出市场,受到业界关注。目前新概念节点仪器也正在研发试验中,如Total公司正在研制METIS系统飞镖节点检波器,可实时传输地震数据,该节点设备外壳由可降解材料制成,野外布设实现了无人直升机投放,一次性投放不再回收,价格低廉;BP公司的Cheetah节点设备重量只有200g,价格设计在几十美元。这些新概念的节点仪器,在国际大油公司的支持下,结合最新的勘探处理技术,正在以创新的设计思路,不断研发面世。

2主流节点设备产品介绍

截止2018年上半年,生产节点仪器的全球设备制造商至少有13家,投入商业化生产的节点设备有14种,正在研发的新型节点设备有2种以上。全球物探采集市场在用的节点设备已经超过百万道,节点设备市场占比越来越高,如北美和澳大利亚等人工成本较高地区,节点设备的市场占有率已经超过70%。全球陆上节点设备产品参数统计见表1。

3节点设备发展的挑战

地震勘探采集生产主要受到两个因素制约:一是震源激发因素,二是排列接收因素。有线设备接收地震信号时线缆主要有三个作用:(1)向远程采集站传送计时信息;(2)发送远程指令;(3)通过线缆传回质量控制信息、采集状态信息和地震数据[6]。在进入工区困难时,人们就希望采用独立分布式节点设备来代替有线设备,以连续激活自主记录地震数据。而不管何种节点设备,要想实现线缆的功能,首先需要解决的问题是授时问题。目前全球物探市场上绝大多数节点设备采用GPS授时,采用的主体技术基本一致,主要区别是强调某项功能和电路的优化设计。节点单元的原理框图见图1,节点仪器内部电路主要包括数据采集电路、存储和控制电路、通讯和接口电路以及GPS授时电路等部分[6]。节点设备核心部件是FPGA电路和ARM处理器,它们共同管理和控制GPS授时、地震信号数据采集、数据存储管理、通讯和电源管理。目前市场上各种节点设备的功能各有侧重,采集质量要求高的,数据采集电路和GPS授时系统质量越高;强调数据存储的,要求SD卡和电池续航能力就高;强调实时监控功能的,就要增加通讯电路。因此,目前市场上的各种节点设备面对不同的地形和客户需求,突出某方面的优势。图1节点设备单元原理图

3.1GPS授时问题

不管何种陆上节点设备,其基本设计理念都是采用GPS授时方式实现各节点设备时钟的严格同步,最终利用时间对比合成各节点接收的地震信号数据。因此,GPS授时精度直接影响节点设备最终合成数据的质量。GPS的时钟使用的是世界协调时UTC,它可以满足在不同时区人们对世界标准时刻的要求,保证了世界上的所有时钟都有一个统一的时间。在每个GPS卫星上有原子钟与UTC时间同步,地面接收器可通过接收GPS信号,确定自己位置和UTC时刻来校准自己的时钟。但是GPS授时功能需要确定GPS用户位置和用户时钟与GPS主钟标准时间的偏差。因此,GPS授时需要接收4颗卫星的信息来定位,之后再接收1颗卫星的NEMEA协议中含有的UTC时间信息,即可确保时钟信号的准确性。截止2005年,世界上使用GPS单信道C/A码进行授时的精度可达11.5ns,使用多信道C/A码进行授时的精度可达5.7ns[7]。GPS授时精度完全能满足地震数据的需要,但条件是必须保证GPS信号连续跟踪校准。一般节点设备都要求小于15min的校准。主要原因是节点设备电路中的振荡器随时间累计误差大,而且易受环境温度影响。在一般的勘探工区,GPS授时均没有问题。但是在GPS信号接收困难的地区(如地处热带茂密雨林、节点深埋地下或者浅水下时)将出现问题。目前的解决办法有三个:(1)使用高质量的晶体振荡器,但这样会大幅提高节点设备价格,一般制造商都不会采用;(2)采用深海节点设备的原子钟计时,但价格昂贵,没有大规模使用的必要;(3)采用外部时钟同步和内部时钟混合同步技术来保证节点单元的时钟精度,即节点单元布设的排列区域设置大功率精确时间信号发送装置,进行精确对时信号的播发。利用节点单元内的ARM处理器的CPIO通用接口,连接低功耗、高灵敏度接收电路,定时接收精确时间信号以完成节点单元内部时钟的校准,保证节点单元具有较高的时钟精度。目前陆上节点设备解决GPS授时问题,用第三种方法最为可行[6]。

3.2质量监控问题

盲采式节点设备无法监控节点设备工作状态,导致节点设备停止工作或被盗而造成数据缺失。大部分客户在权衡安全和成本与地质资料质量后,最终还是选择了有线设备。虽然目前大道数、高覆盖地震设计对单道数据的丢失率的容忍度增大,但完全“盲采”式的接收方式仍不被某些客户所接受。2017年Sercel公司推出WTU508节点设备实现了实时状态监控;WirelessSeismic公司推出了RT3,实时进行数据传输。实时监控是节点设备的一个发展方向。

3.3功耗问题

功耗问题直接影响节点设备的电池配备和续航时间。GPS授时需要定时接收GPS信号,并在FP-GA电路控制下进行时钟调整,这部分所需功耗较高。数据通讯电路和存储电路均有较大的功耗,直接影响到节点设备的续航时间。目前节点设备产品在理想状态下的续航时间为15~30天。部分节点设备使用一段时间后,电池续航时间大大缩短,更换电池和频繁充电抵消了节点设备节省人工的优势;同时还增加了电池组,从而增加了节点设备的重量。而如果想降低功耗,则需要减少电路而牺牲设备的功能。因此目前市场上的节点设备都是在功能和功耗上找到一个平衡点。减少电路功耗和提高电池续航能力是节点设备发展需要解决的问题。

3.4小型化、自动化收放问题

新型节点设备研发重点是重量和体积,更轻更便宜和集成一体化是节点设备的发展方向,这样才能适应超大道数采集生产的需求。同时由于节点设备功能设计各有侧重,不同类型节点设备在外形上都有很大差别。要想实现节点设备在几十万道高道数和超级地震队推广,需要解决野外埋置、设备回收、数据下载和电池充电的自动化设计,以满足大道数和超级地震队减少人工成本的需求。

4全球物探市场对节点设备的需求分析

4.1行业高效采集生产对节点设备提出的新需求

随着地震勘探技术的发展,大道数、高覆盖次数成为地震行业技术设计的趋势,超级地震队高效生产成为行业主要的生产模式。地震采集生产道数越来越大,采集生产效率也越来越高(日效可达几万炮),每炮几万道的地震排列产生了海量地震数据,这些地震数据的实时传输对有线仪器的数据传输能力提出了极大的挑战。虽然有线设备的交叉线已经普遍采用光缆,但仍然难以满足日益增长的海量数据实时传输的需求。高效采集对超级地震队施工组织也提出了更高的要求。维护和保持几万甚至几十万道有线排列的稳定越来越困难,有线设备越来越不适应高效采集和超大道数的地震采集生产,而独立自主记录的节点设备无论在排列维护、数据记录、所需人工和生产组织上都具有明显的优势。由检波器、电池和存储设备高度集成的节点设备由于其简便、轻巧和适合超大道数等特点,将成为未来地震勘探仪器发展的主流。地震勘探市场需求推动着节点设备不断发展,随着节点技术的不断发展和成熟,节点设备增效降本和降低勘探风险的优势将进一步发挥,高效采集+节点技术将成为物探行业新的竞争平台。

4.2以国际大油公司为推手,物探市场对节点设备需求不断增强

目前节点设备的市场需求主要集中在国际大油公司,如SHELL、BP、TOTAL和OXY等,其主要原因是这些国际大油公司是新勘探技术的引导者和推动者,对新的勘探技术和勘探方法报以极大的开放态度,舍得投资去研发和试验。另外,这些公司对降低勘探成本、提高地质资料品质有强烈需求,对降低人力成本、提高生产效率和降低HSE风险也有很高的要求。2018年已经有多个油公司在招标书中要求投标方提供节点技术方案,有的则指定节点方案为技术标的评标标准,有的客户甚至指定承包商使用特定型号的节点设备投标。国际大油公司(如TO-TAL公司和BP公司等)也正在大力主导研发新概念的节点设备。国际大油公司正在成为应用节点设备的推手,物探市场对节点设备的需求不断增强。

4.3节点设备各项优势助力其在全球范围推广

目前节点设备应用区域主要是北美地区、拉美地区和澳大利亚等人工成本高和环保要求高的地区。预计随着节点技术和设备的不断成熟,节点设备在中东地区大规模推广将成为趋势,全球物探市场对节点设备需求将急剧上升。随着节点设备的成熟与发展,具备实时质控功能的节点设备将不断涌现。节点设备的重量在不断减轻,电池容量在不断增加,数据存储能力在不断提高,价格也在大幅降低。这些因素推动着节点设备不断得到各油公司和物探服务公司的认可,市场份额不断扩大。高效采集生产对排列的要求,也推动了节点采集设备的不断推陈出新。随着震源高效混叠采集和处理技术的不断发展与成熟,地震勘探高效激发因素瓶颈基本得到解决,而新型节点设备可以很好地解决接收因素的瓶颈,为进一步提高地震采集生产效率创造条件。随着节点设备的不断完善和优化,未来陆上采集市场将是节点设备的市场,将获得非常广泛的应用。

4.4各种新型节点设备将经受市场优胜劣汰的考验

目前全球物探主要节点设备功能各有侧重,各有自己的客户群,还没有一种节点产品进行过五万道以上的超大型三维采集项目,各型产品处于市场自由竞争阶段,新推出市场的节点产品正在接受市场的检验。可以预计在未来1~3年,新的重量更轻、价格更低的节点设备将会出现。各种节点设备经过市场洗礼后将优胜劣汰,性价比最优的节点设备将逐渐占领市场。

5结束语

针对地球物理勘探的高分辨率、高密度和高效采集的技术需求,地震勘探仪器将朝着高环境适应性和超大带道能力方向发展。同时,随着采集规模的扩大,地震仪器的价格也将成为实施高密度采集的重要影响因素。节点仪器摆脱了地震电缆的束缚,可以满足各种复杂环境的布设需求,且理论上没有带道能力的制约,这是节点地震仪器快速发展的主要原因。随着节点技术和装备的不断发展,重量和价格会进一步下降,预计大道数高效采集技术加上集成一体化节点设备将很快成为地震采集高端市场新的竞争平台。

参考文献

[6]夏颖,刘卫平,甘志强等.节点仪器面临的挑战与发展趋势.物探装备,2017,27(5):281-284.

[7]王卿等.基于GPS技术进行精确授时的方法[J].电气电子教学学报,2007,29(4).

作者:施继承 史子乐 黄艳林 李静 冯永江 单位:东方地球物理公司国际勘探事业部市场开发部

地震数据采集设备现状及市场需求责任编辑:张雨    阅读:人次