基于可控震源特征信号的一致性测试方法及应用.pdf

石油管材仪器92PETROLEUM TUBULAR GOODS&INSTRUMENTS2023年12 月经验交流基于可控震源特征信号的一致性测试方法及应用齐永飞!-2,李国发,段昌平,凌海”,刘璞”,陈新阳”，聂明涛2,艾华3（1.中国石油大学（北京）地球物理学院北京10 2 2 49；2.中国石油集团东方地球物理公司河北涿州0 7 2 7 50；3.英洛瓦（天津）物探装备有限责任公司河北涿州0 7 2 7 50）摘要：随着可控震源高效采集的广泛应用，传统的可控震源有线一致性测试方法耗时长、效率低等缺点日渐凸显，成为制约地震高效采集的主要因素之一。介绍了一种基于震源特性信号的可控震源一致性测试方法，该方法使用震源正常生产的震源特性信号数据与仪器编码器中的真参考信号进行合成、分析和比较，能很好地展示震源属性状态及震源仪器同步性，在中东某高效地震采集项目中进行了推广应用，实现了在生产不停工的情况下，达到可控震源质控的目的，取得了良好效果。关键词：震源特性信号；可控震源；一致性测试；高效地震采集中图法分类号:P631.4D0I:10.19459/ki.61-1500/te.2023.06.017Method and Application of Vibroseis Similarity Test Based on VSSQI Yongfei2,LI Guofa,DUAN Changping,LING Hai,LIU Pu,CHEN Xinyang,NIE Mingtao2,AI Hua(1.College of Geophysics,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.BGP,CNPC,Zhuozhou,Hebei 072750,China;Abstract:With the wide application of high-efficient seismic acquisition by vibroseis,the disadvantages of traditional hardware test,such aslong time consuming and low efficiency,have become increasingly prominent,which has become one of the main factors restricting efficientseismic acquisition.In this paper,a new method of hardware test based on Vibrator Sweep Signature(VSS)is studied.This method uses VSS dataproduced normally by the source to synthesize,analyze and compare with the true reference signal in the instrument encoder,It can well demon-strate the vibrator performance and the synchronization between vibrator and recording system and has been popularized and applied in an efficientseismic acquisition project in Middle East,achieving the good performance on quality control of vibriosis without production downtime.Key words:VSS;vibrioses;similarity test;high efficiency acquisition0引言可控震源有线一致性测试作为可控震源质控的关键环节之一，可以验证可控震源的状态属性、可控震源和记录仪器之间的同步性以及箱体加速度表的极性，一直以来都是业内讨论的热点。震源状态属性及震源和仪器的同步性直接影响到地震采集资料的品质。可控震源有线一致性测试（以下简称一致性测试）可以很好地对上述信息进行验证。传统的有线一致性测试方法，通常将震源箱体连接到生产排列，通过采集站采集震源箱体生成的震源参考信号、平板信号、重锤信号及力信初投稿收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 6；修改稿收稿日期：2 0 2 3-0 7-2 9第一作者简介：齐永飞，男，19 8 5年生，高级工程师，中国石油大学（北京）资源与环境专业博士在读，现主要从事可控震源高效采集方法研究与数据质控工作。E-mail:文献标识码：A3.INOVA Geophysical,Zhuozhou,Hebei 072750,China)文章编号：2 0 9 6-0 0 7 7(2 0 2 3)0 6-0 0 9 2-0 5号,将采集的信号传输至仪器并记录分析。传统的测试方法占用生产排列，要求震源集中测试，且受地表条件的影响,震源不一定一次性通过测试,需要更换不同的震动地点多次测试，影响施工效率 1-4。在高效采集项目施工过程中，震源投入多、分布范围广，传统一致性测试方法耗时过长，已经不适用于目前的高效采集项目。使用G3iHD仪器进行野外采集生产时,基于震源特征信号（Vib Source Signature，V SS）的可控震源一致性测试方法可以很好地弥补传统一致性测试方法的不足。该方法不需要停炮执行一致性测试，也无需集结震源，直接在生产中完成震源一致性测试所需信号的采集，最大程2023年第9 卷第6 期度减少了一致性测试占用的生产时间。1传统可控震源有线一致性测试方法一致性测试基于震源的参考信号、平板信号、重锤信号及力信号，结合仪器的真参考信号，对震源的性能指标以及同步性进行验证。因此如何从震源获取相应的信号就成了一致性测试的首要条件。在传统一致性测试中,无论是使用Sercel公司40 0系列仪器或50 8 XT仪器，还是INOVA公司的G3iHD仪器,都是使用专用测试电缆将震源箱体接人生产排列，通过仪器启动震源，同时激活排列采集震源箱体生成的参考、平板、重锤及力信号，并将信号通过大线传输到仪器，然后与仪器真参考信号作对比分析，进行震源仪器同步性验证、震源参考和真参考信号一致性验证、震源状态属性监控、震源箱体加速度表极性验证等。1.1400系列和G3iHD的传统一致性测试方法在40 0 系列和G3iHD的传统的一致性测试中,首先震源需从不同位置搬迁集结至提前选定的排列处，断开生产排列并使用专用的测试电缆将震源箱体与排列上的采集站相连接，仪器停炮并设置不同的参数，最后仪器使用测试参数启动震源并采集所需要的信号存储到仪器服务器。测试完成后，指标正常的震源可以返回原炮点等待重新生产，而指标异常的震源则需在检修后重新测试直至指标满足要求。以中东某配置超过40 台震源的大道数高效采集项目为例，从开始集结震源到所有的震源完成测试并完全恢复生产，需要将近5h,严重影响了施工效率。1.2基于50 8 XT采集系统的一致性测试方法508XT仪器的一致性测试原理与40 0 系列、G3iHD仪器一致，但是由于50 8 XT的供电单元CX兼具了电源站和GPS时间同步重锤加速度表重锤伺服控制液压系统模块平板加速度表平板图2 基于震源特性信号的一致性测试方法示意图齐永飞等：基于可控震源特征信号的一致性测试方法及应用交叉站的功能,因此除了传统的一致性测试方法之外，可以在排列上通过CX的光缆口外接一段排列接人震源进行一致性测试,采集到的一致性测试数据可存储到炮数据的辅助道中。设备连接示意图如图1所示。该方法可以实现一致性测试与生产同步进行，测试过程中只是当前测试震源需要停炮，而其他的震源则不受影响，但仪器参数设置以及震源一次性不通过重新更换地点测试仍会对生产造成一定的影响 5FoceMs野外采集单元电瓶交叉站野外采集单元白白白白白白白白图150 8 XT有线一致性测试方法设备连接示意图上述测试方法有着共同的不足之处：震源特征信号经过采集站放大、模数转换、采样以及大线传输等，信号会有一定失真,影响后续数据分析。采集站之间存在一定的采样相位误差，不易判别震源和仪器不同步的时差是来自采集站体差异，还是震源启动时间误差。2基于VSS的一致性测试方法为减少可控震源一致性测试对生产的影响,有效提高生产效率,INOVA公司在新版G3iHD仪器的基础上提出了基于VSS的震源一致性测试方法，测试方法如图2所示。解码器震源特性信号辰源参考模数转换重售模数平板信模数传换震源参考信号触发器震源茶力信号93T可控震源GPS不再输出震源参考力信号电路重锤信号输出平板信号94.基于VSS的一致性测试方法的特点为：1)高效可控震源采集中，每台震源和地震仪器都采用独立 GPS 授时。基于GPS 时钟的可靠精度,可控震源与仪器时钟上的误差为纳秒级，生产中可以认为两者具有一致的时钟。2)可控震源以可控震源箱体GPS授时确定的零时刻(TO时)开始启动震源，仪器主机则以仪器箱体的GPS授时确定的零时刻(TO时）启动采集。3）震源箱体在每一次的震源TO时刻开始采集记录震源参考信号、平板信号及重锤号，并由平板和重锤信号加权计算出力信号。4)箱体记录信号数据通过U盘拷贝或者通过大线传输至仪器，仪器将箱体数据与真参考信号合并 3,形成一致性分析所需要的SEGD数据文件。结合有线一致性测试目的,分别对基于VSS 的一致性测试方法的合理性、可靠性做进一步分析。2.1震源状态属性监控震源状态属性主要是通过力信号与真参考信号进行互相关分析，检查互相关后子波幅值是否水平、互相关后负时间轴的谐波值、平均值和峰值相位、平均值和峰值畸变、时间频率曲线、基波及多次谐波分布等 7 。使用VSS方式进行一致性测试,震源参考信号、平板信号及重锤信号都直接通过震源箱体采集，力信号由平板和重锤信号加权获得，信号不再通过采集站采样及大线传输到仪器并记录，减少了采集站之间的差异影响和传输过程的干扰，信号保真度更高，更能真实反映震源的振动性能。VSS数据结合仪器真参考信号，可以更好地分析震源状态属性。2.2加速度表极性验证一般情况下,加速度表极性验证可以通过敲击加速度表和脉冲测试2 种方式进行，但鉴于高效采集项目投人震源数量大，采用敲击每个加速度表的方式占用时间较长,通常都采用脉冲测试的方式。在脉冲测试信号的驱动下，重锤信号向上行，平板信号相对下行，平板和重锤的加速度表输出信号的起跳可用来检验系统的极性。如果重锤脉冲信号全部向下，平板脉冲信号向上，也就说明该加速度表极性符合SEG极性标准。反之,加速度表极性为反SEG极性标准。基于VSS的一致性测试方法同样可以实现由仪器发出脉冲信号激发震源，并记录下平板和重锤加速度表的响应信号，通过判断脉冲信号的初始起跳方向，来判断加速度表极性是否正确。2.3震源和仪器启动时差验证传统有线一致性测试方法以仪器箱体获得的GPS授时作为基准，将震源参考信号和仪器真参考信号做互石油管材与仪器相关处理,计算出震源和仪器的启动时差。一般这个启动时差会受到多个因素影响，包括震源箱体和仪器箱体GPS授时的同步性、基于 GPS授时的激发模式下仪器箱体和震源箱体响应同步性、震源和仪器激发响应延迟、采集震源特征信号的站体差异和大线传输环节影响等。基于VSS的一致性测试方法也需要考虑上述仪器震源启动时间差的影响因素。2.3.1震源箱体和仪器箱体CPS授时的同步性项目开工时，通过短基线检验、长基线检验、实时动态（Real TimeKinematic,RTK）重复检测检验，检定确定了震源导航定位GPS接收机性能合格,确保GPS接收机授时正常。采用GPS接收机授时，通过每秒脉冲数(Pulse PerSecond,PPS）将震源箱体和仪器箱体的时间与标准GPS时间同步,进而完成震源箱体和仪器时间同步,时间精度保持在纳秒级 8 。因此,采用GPS授时情况下,震源箱体和仪器箱体在时间上高度同步，两者之间的差异可以不予考虑。2.3.2仪器箱体和震源箱体激发响应同步性验证仪器箱体和震源箱体激发响应的同步性，可以通过分析对比仪器点火命令时间和震源接收到点火命令后开始触发时间间断(Time Break,TB)的时间（亦即箱体开始采集记录震源真参考信号的时间）是否一致。仪器开始采集的时间可以从仪器输出的日志文件中获取，震源触发TB的时间可以从震源箱体文件中获取，二者时间精度均达到微秒级。一般情况下，仪器点火命令时间和震源开始触发TB的时间在微秒级上是一样的,如果二者量差超过一定门槛值（通常设置为2 0 s），仪器将予以提示。这个比对也可以通过日常质控震源箱体数据和仪器日志文件来完成，目前还未发生过二者不一致的情况。所以,采用GPS授时情况下，仪器箱体和震源箱体激发响应同步性因素也可不予考虑。2.3.3震源和仪器启动响应同步性在高效采集模式下,用于与地震数据互相关的仪器真参考信号一般固定不变,可以先不考虑。在震源端，因为箱体硬件或者固件的原因，用于液压传动控制模块的震源参考信号的实际生成时间与理论要求的TB时间会有一定的时间差,所以震源实际启动与理论TB时间存在一定的时间差。在基于VSS一致性测试方法中,震源箱体和仪器箱体均以TB时间为参考基准,无论实际震源参考是否已经生成，震源箱体都会在TB时间开始记录参考信号、平板信号及重锤信号并保存。所以将震源箱体记录下来的震源参考信号与仪器真参考信号进行互相关，可以观测出震源和仪器启动响应，这也是仪器和震源存在启动时差的主要原因 9-1。真参考信号和震源参考信号互相关模拟结果如图32023年12 月2023年第9 卷第6 期所示。图3(a)为真参考信号和模拟的有4ms延迟的震源参考信号,图3(b)为二者的互相关结果。可以看出，以同一时间为基准,真参考信号和震源参考信号如果有4103F一真参考信号一震源参考信号（4ms延迟）2F止-1-2F-3F-40根据上述分析可以看出，VSS方法可以很好地测试出震源和仪器的启动响应同步性，且与受采集站体差异和大线传输影响的传统测试方式相比,基于VSS数据的一致性测试方法测量出的启动时间差更为精准。3基于VSS的可控震源一致性测试方法的应用中东某项目采用G3iHD仪器系统高效采集，在实际DataTrace(mV)VTime(s)51-40-20-2044，0Correlation WaveletvTime(ms)100-50Amplitude(dB)vFrequency(Hz)-10-20-30-020406080105Amplitude(dB)vFrequency(Hz)vTime(s)250225-200-175-150-125-100-75-50-25-003.2仪器和震源启动时差对比分析传统有线一致性测试和VSS一致性测试启动时差对比如图5所示。可以看出，VSS一致性测试也可以很齐永飞等：基于可控震源特征信号的一致性测试方法及应用延迟,则互相关后就可以明显观测到相关子波峰值不在零时刻,对互相关函数做傅里叶变换即可算出精确的时间差值。0.40.20增-0.2-0.40.6F-0.8F345时间/(a)）真参考信号和震源参考信号显示图3真参考信号和震源参考信号及互相关模拟结果号波形相对更为平稳。DataTrace(mV)vTime(s)251-100-100-215,45FullCorrelation Wavelet(dB)vTime(s)25-_50-75-100-50100Testif-iVersion 2.12h,licebce2739013478 nexf update6.?Verif-iLtd(a)传统有线一致性测试图4传统有线一致性测试方法和基于VSS的一致性测试方法对比图95WWW8-1.96.2-0.15-0.1-0.05时间/(b)真参考信号和震源参考信号互相关显示生产中成功应用了基于VSS的一致性测试方法，并在应用前对相同震源的同一震次进行了传统有线一致性测试和基于VSS 的一致性测试的对比分析。3.1震源状态属性对比分析图4是传统有线一致性测试方法和基于VSS的一致性测试方法的对比图,可以看出,采用基于VSS 的一致性测试,35Hz以内的相位差更平稳，真参考信号与力信号互相关后子波负时间轴的谐波能量相对更低，力信89Frequeney(Hz)vTime(s)96-75-50-25-1210.12Phase Lag(degrees)Frequency(Hz)151010-21020304050.60708000.051012LowFreq.Dist(%)vTime(o)40-30-20-10-960.10.150.209Corelation WaveletvTime(ms)Full Correlation Wavelet(dB)vTime(s)-25-50-75100-10050Amplitude(dB)vFrequency(Hz)-10-20-21012-14-2542-56-71-86-100dBdownon peak10121012Frequeney(Hz)vTime(s)96-7550-25-50100-30-0Amplitude(dB)Frequency(Hz2)vTime(s)250-225-200-175-150-125-100-75-50-25-0好地分析出仪器和震源的启动时差。且理论上这种测试方法计算出的启动时差更接近实际启动时差。对于GPS授时情况下，一般会要求启动时差在10 s级以内。-12Phase Lag(degrees)vFrequency(Hz)10-1020406080105Testif-iVersion 2.12b,licehce 2739013478 next update6.2Verif-iLtd(b)基于VSS的一致性测试1012Low Freq.,Dist(%)vTime(a)42=30-20-10-2102030405060708096246101012-14254271-5686-100dBdownonpeak101296石油管材上仪器2023年12 月VibratorStartTimeTileforTestsPrinted on All Results PagesRecordtoProcessRecordFound325Vibrator DeseriptionVIB#15Normalised Correlation Wavelet:0.24-0.25-0.5-0.75-1-10075-5025Post-Correlation Amplitude(dB)-10-20-30-03.3加速度表极性测试分析震源箱体加速度表极性测试同样可以在生产中同步进行。首先通过G3iHD仪器系统软件制作用于测试的脉冲信号文件,在系统中生成脉冲信号,并将脉冲测试信号发送到震源的VibProHD箱体。然后在仪器上勾选需要进行测试极性的震源，则该震源将会在下一次起震中采用极性测试脉冲信号激发震源。VSS脉冲测试分析如图6 所示。VibproHD箱体加速度表为反SEG极性，平板脉冲测试响应信号初始下跳，重锤脉冲测试响应信号初始上跳。参考零值线VibratorStartTimeRecorded on 10th April*21 at 05:42:40TitleforTestsProce55edon10thApril2021at 9:25:05PrintedonAll Results PagesReferenceChannelNo.HarmonicsDataChannclSampleInterval(ms)2.00AAAALAAA255075100Time(ms)Phase Lag(Degrees)10.0-5.00.0-5.0-10.020406080Frequency(Hz)(a)传统有线一致性测试启动时差分析图5传统有线一致性测试和基于VSS的一致性测试启动时差对比10 15 min 的一致性测试时间。4)采用CPS同步时钟，且信号输出不受大线传输和采集站体的样点相位差影响，仪器震源启动时差更为精确，震源参考、平板、重锤及力信号更真实。真参考信号Recordedon10thApril*21at18:08:02Processedan 10thApril 2021at9:46:10StartTimeError(us)RecordtoProcess2SweepLength(a)2Full CorrelationWavelet(dB)0-20-40-60-80-100-121010s210203040506070800090Frequency(Hz)ReferenceChannel汇RecordFoundData Channel1VibratorDescriptionVIB#15Normalised Correlation Wavelet0.24-AAAAAAAA-0.25-0.5-0.75-1510120Time(s)No.HarmonicSampleInterval(ms)2.00-100-15-50-250255075100Time(ms)Post-CorrelationAmplitude(dB)-10-20-30-2)测试震源根据高效采集时间距离规则正常起震，无需中断或连接采集排列，仪器不用停炮。3)震源无需集、散，箱体会对震源生产的每一炮都采集一致性测试所需要的信号，测试分析不受时空限制，可任意选择不同炮点数据，避免震源一次性没通过测试更换地点重做的现象，这样可节省每台或每组震源4结 论StartTimeError(us)-2SweepLength(s)2Full Correlation Wavelet(dB)0-20-40-60-80-Phase Lag(Degrees)15.010.0-0.0-10.0-15.0-204060Frequceney(Hz)(b)基于VSS的一致性测试启动时差分析-580105Time(s)102030405070809096Frequency(Hz)1022震源参考信号重锤脉冲信号3数4平板脉冲信号5时间/ms图6 VSS脉冲测试分析3.4应用效果通过采用基于VSS的可控震源一致性测试方法，该高效采集项目取得良好应用效果。1)仪器无需停炮设置测试参数，真正做到一致性测试与生产同步进行。可控震源高效采集项目震源投入数量大，单位时间内生产效率高，传统的有线一致性测试方法因耗时长、占用生产排列,进而影响生产效率。相比而言,基于VSS的可控震源一致性测试方法优势明显。力信号1)能够在实现震源仪器同步性、震源参考和真参考信号一致性、震源振动性能及箱体加速度表极性验证的同时，做到真正意义上的震源一致性测试不停炮，最大限度降低停工时间，提高生产效率。2)基于VSS 的可控震源一致性测试方法规避了采集站采样和大线传输的干扰，震源仪器启动时差更为精准，震源特征信号更真实，分析结果更能反映震源的真实状态，有利于震源设备的维修保养。3)该方法在实际高效采集项目中的应用,既保障了可控震源状态，同时也提高了采集项目的生产效率，取得了良好的应用效果。(下转第10 0 页）100.同平台YS129H2-2井,水平段仍由UTE近钻头测量系统施工，下入井深2 7 0 7 m,此时水平段施工57 m，剩余1493m（含50 m口袋），层位位于龙一1-1小层顶部，井斜9 0.5,方位18 1。该井地质要求在龙一1-1小层的中下部穿行，距五峰较近，水平段前1350 m地层相对稳定，倾角变化频繁，依靠近钻头工具实时参数调整轨迹及时控制能保证钻遇率 1。后10 0 m突遇倾角变大，定向增斜到9 8.5,实钻轨迹相对龙一11小层仍在不断下切，导致出箱体进入五峰组。实钻水平段长1450 m，钻遇率为9 4.5%。3结论1)UTE近钻头测量系统具有方位伽马和近钻头井斜测量功能，并能够实时地进行井眼的伽马成像。它适用性广，故障率低，地质导向和实时决策能力更强。2)UTE近钻头测量系统MWD部分具有测量井下环空压力、管内压力以及振动测量的功能，可以协助判断井下工况和钻进震动情况，实现安全钻井。3）四川昭通区块的实践证明,UTE近钻头测量系统是针对薄储层和构造复杂地层开发的有力工具，提高了目的层钻遇率、钻井成功率和采收率。参考文献1李继博，钱德儒,郑奕挺，等.近钻头伽马高精度实时成像+石油管材仪器技术研究与应用 J.石油钻探技术，2 0 2 1，49（3）：135-141.2吴振华，陈颖杰，等.近钻头方位伽马射线成像工具在超薄油藏中的地质导向新技术 J.国外测井技术,2 0 11（2）：65 68.3胡斌,马鸿彦,黄秉正，等.近钻头方位伽马随钻测量系统的研制与应用 J.石油钻采工艺,2 0 2 1,43（5）：6 13-6 18.4杨晓峰.Centerfire双间距补偿型随钻测井系统 J.石油仪器,2 0 12,2 6(1):30-33.5】杨晓峰.座键式LWD循环套技术改进与应用 J.石油管材与仪器,2 0 15,1(6):8 6-8 7.6杨晓峰.FEWD地层评价随钻测井系统及其现场应用J.石油仪器,2 0 14,2 8(6):47-49.7李文斌,刘永贵，王大力，等.随钻测量系统在波浪水平井中的应用 J.石油钻采工艺，2 0 0 5,2 7（5）：2 6-2 9.8】杨晓峰.近钻头CGDS-LWD侧向测井技术研究及应用，石油仪器,2 0 11,2 5(2):14-15.9杨晓峰.Trim-LWD随钻感应测井系统原理和现场应用，石油仪器,2 0 11,2 5(1):33-34.10】向长生,王智锋,亢武臣.随钻自然伽马地层边界模型分析,石油钻采工艺,2 0 13,35(1):112-114.11赵成刚,周强,王磊，等.旋转导向技术在吉林油田水平井钻井施工中的应用，石油管材与仪器,2 0 15，1（5）：6 5-69.（编辑：屈忆欣）+2023年12 月(上接第9 6 页)参考文献1聂明涛，叶朋朋，魏铁，等.WTU无线节点与有线仪器联合应用实例 J.地质装备，2 0 2 2,2 3（6）：2 0-2 4.2聂明涛，占春启,郎文立,等.6 串1并与3串2 并检波器串连接方式对比分析 J.石油管材与仪器,2 0 2 2,8(6)：8 1-84,90.3聂明涛,魏铁,齐永飞，等.可控震源高效采集中TD规则的研究与应用 J.石油工业技术监督,2 0 2 0,36(8)：1-5.4孙军和,张慕刚,邢振国.可控震源有线一致性测试的思考和改进 C/SPG/SEG南京2 0 2 0 年国际地球物理会议论文集（中文），南京：中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司,2 0 2 0:1431-1433.5杨艳平,仲明惟,刘晓辉.一种震源有线一致性同步测试技术在高效采集生产中的应用 J.物探装备，2 0 18,2 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