智能節(jié)點采集系統(tǒng)：為油氣勘探裝上“無線千里眼

　　近日，中國石化科技部對石油物探技術研究院（簡稱：物探院）主導完成的”智能節(jié)點采集系統(tǒng)研發(fā)及應用“成果進行了鑒定，認為該成果有效解決了當前地震全節(jié)點采集生產中的實時數(shù)據傳輸難題，填補了油氣勘探野外施工無控盲采的技術空白，推動了新一代無線通信技術在地震采集行業(yè)中的發(fā)展，整體技術達到國際領先水平。

　　充分做好前期場內測試，才能保證野外應用滿足現(xiàn)場需求

　　近年來，隨著高密度地震勘探的實施，現(xiàn)有全節(jié)點采集時缺少實時數(shù)據傳輸和質控手段的問題越來越突出，而傳統(tǒng)有線數(shù)字地震儀的關鍵技術一直掌握在國外廠商手中。為實現(xiàn)技術自主可控，物探院決心啃下這塊”硬骨頭“。

　　實現(xiàn)全節(jié)點采集實時數(shù)據傳輸及作業(yè)質控，第一個要跨越的”山頭“就是研制布設于地面的一道道智能節(jié)點地震儀。為推進關鍵核心技術攻關，物探院迅速成立研發(fā)團隊，第一時間奔赴山東濟南商河勘探現(xiàn)場進行實地調研。

　　時值隆冬，研發(fā)團隊在雪地中布點測試，圍繞儀器埋深、極端天氣下使用條件、便捷回收和充電等問題展開”頭腦風暴“，經過多次調整與改版，最終完成了智能節(jié)點儀的工業(yè)設計及原型樣機開發(fā)?！痹跇訖C開發(fā)過程中，我們進行了多次高低溫、耐腐蝕性、電磁干擾等滾動測試?！拔锾皆很浖夹g研發(fā)室負責人洪承煜說，”只有充分做好前期的場內測試，才能保證野外應用滿足現(xiàn)場需求?！?/p>

　　節(jié)點儀的埋置地點多在沙漠、戈壁等地，地質條件復雜，常遇到高溫、積水、腐蝕等問題。研發(fā)團隊針對不同地質環(huán)境的施工需求，在研發(fā)自主定制通信協(xié)議技術、地震采集精確時間同步技術、智能節(jié)點低功耗控制技術、5G通信技術、5G模組及工業(yè)設計的基礎上，成功研制出防塵、防摔、耐腐蝕、耐寒、耐高溫、散熱性好的第一代Smart Point 5G智能節(jié)點地震儀（簡稱：5G節(jié)點儀）。

　　采集系統(tǒng)就像”核心網“，節(jié)點儀則是插進地里的一部部”手機“

　　有了設備，但5G節(jié)點儀采集到的數(shù)據要完成實時傳輸還需要一套完備的系統(tǒng)來支撐。研發(fā)團隊”趁熱打鐵“，集合傳統(tǒng)有纜系統(tǒng)和現(xiàn)有無纜系統(tǒng)的優(yōu)勢，研發(fā)出基于5G的智能節(jié)點地震采集系統(tǒng)（簡稱：5G節(jié)點采集系統(tǒng)），不僅能有效降低成本，而且在提高施工效率、實現(xiàn)數(shù)據回收及質量控制等方面具有突出優(yōu)勢。

　　該系統(tǒng)由5G核心網絡、智能化軟件系統(tǒng)、野外營地、人機施工系統(tǒng)、5G節(jié)點儀和云端平臺構成，每個節(jié)點儀中都裝備了5G模組用于通信和數(shù)據傳輸?！贝騻€比方，5G節(jié)點采集系統(tǒng)就像是'核心網'，各個節(jié)點儀是插進地里的一部部'手機'，云端平臺則充當'基站'，可以經由它們實現(xiàn)節(jié)點采集系統(tǒng)和大地之間的'通話'，實時精準地傳回地震采集數(shù)據。“物探院軟件所所長宋志翔介紹，”應用該系統(tǒng)，我們就有了油氣勘探的'千里眼'，可以遠程對現(xiàn)場進行質量控制，有助于高效采集數(shù)據?！?/p>

　　為了讓5G節(jié)點儀能有更好的網絡通路，物探院還在研發(fā)過程中引入了自動化、人工智能、邊緣計算、大數(shù)據等技術，形成了面向節(jié)點采集系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網技術，研制出了野外5G組網技術與裝備，打通了基于5G通信的控制流程和數(shù)據通路?！苯涍^不斷打磨，我們定制開發(fā)的5G通信設備具備小型化、可移動、低功耗等優(yōu)勢，非常適用野外作業(yè)場景，而且研發(fā)的野外組網技術方法和專業(yè)軟件，也能良好支持5G通信基站部署地理位置設計?！拔锾皆很浖?G組網系統(tǒng)負責人林慶富說，”不僅如此，我們還與中國移動合作，開展大批量物聯(lián)網通信卡應用試點，大幅降低了數(shù)據流量資費，同時緊密跟進5G技術發(fā)展情況，持續(xù)保持組網技術領先優(yōu)勢。“

　　全節(jié)點采集技術邁向實時可控、實時可視、實時可評階段

　　創(chuàng)新之路，永無止境。在多次的實踐應用中，研發(fā)團隊發(fā)現(xiàn)5G節(jié)點儀還存在有纜監(jiān)控成本高、部分復雜區(qū)域布設困難等問題。為更好地完成地震數(shù)據采集任務，他們經過多次測試及實際工區(qū)應用，持續(xù)對原有5G節(jié)點儀進行迭代升級，研制出整體性能更佳的第二代產品，形成了面向采集生產現(xiàn)場的稀疏觀測排列測網監(jiān)控、全節(jié)點采集實時質控技術，以及實用化的增量式質控、有纜監(jiān)測線替代和環(huán)境噪聲自動監(jiān)測等多項特色方法與流程，實現(xiàn)了地震采集過程實時監(jiān)控，滿足了中心機儀器指揮系統(tǒng)”即放即所得“的應用需求，使全節(jié)點采集技術邁向實時可控、實時可視、實時可評階段。

　　截至今年5月，第二代5G節(jié)點儀已完成了1.5萬道生產，7個月內在野外完成了6個以上項目的實時質控試驗，與之前的采集流程相比，在特定探區(qū)獲得完整數(shù)據所需的質控時間縮短了3~4周。

　　“成功的產品需要經歷有用、好用、愛用的階段，5G節(jié)點采集系統(tǒng)還有很大的發(fā)展空間。相信在不久的將來，它有望在野外采集作業(yè)中實現(xiàn)全流程應用，帶來地震采集施工方式的變革，加快地震采集行業(yè)數(shù)智化進程，助力油氣勘探實現(xiàn)降本增效。”物探院軟件所黨支部書記袁暉說。

　　3年多來，5G節(jié)點儀先后在南方山地、東部平原、東北極寒地區(qū)等20個工區(qū)推廣應用，得到了業(yè)界高度認可。以南方山地的兩個項目--旺隆-鳴鳳三維采集項目和池溪三維采集項目為例，自應用5G節(jié)點采集系統(tǒng)后，已多次刷新工區(qū)采集日效紀錄。

　　“過去我們要背著一條條接有很多采集設備的電纜進行勘探監(jiān)控，現(xiàn)在有了無線技術，不僅擺脫了笨重的電纜，而且能更快、更準、更輕松地找到油氣?！辈荚O儀器的勘探人員切身感受到了智能節(jié)點采集系統(tǒng)帶來的變化。

　　地震勘探數(shù)據采集進入無線時代

　　□石油物探技術研究院原副院長、總工程師 趙改善

　　地震勘探儀器經過了從光點地震儀、模擬地震儀到數(shù)字地震儀的發(fā)展歷程，而數(shù)字地震儀則從有線地震儀、無線遙測地震儀發(fā)展到節(jié)點地震儀?？梢哉f，節(jié)點地震儀的發(fā)展將地震勘探數(shù)據采集從有線時代帶入無線時代，顯著提高了地震勘探對山地、城鎮(zhèn)等復雜地表條件與人居環(huán)境的適應性和靈活性，滿足了油氣地震勘探向大規(guī)模、高密度、寬方位（全方位）、高精度、高效率、低成本、綠色化發(fā)展的技術要求，降低了野外作業(yè)的勞動強度和用工量，提升了地震勘探生產效率和野外作業(yè)的HSE水平。

　　節(jié)點地震數(shù)據采集是地震勘探技術的一次重大變革，已經在能源與礦產資源勘探、工程勘察、防災減災、重大工程安全監(jiān)測、城市地下空間探測、地球科學研究等領域得到了廣泛應用，未來必將持續(xù)釋放強勁活力。但節(jié)點地震勘探技術發(fā)展不僅僅是地震勘探儀器的變革，同時也伴隨著地震數(shù)據采集模式、數(shù)據處理模式和數(shù)據應用模式的變革。

　　節(jié)點地震儀的應用使得地震勘探數(shù)據采集模式實現(xiàn)了從集中式向分布式轉變，將促進地震勘探野外作業(yè)流程和施工管理模式的優(yōu)化與變革。節(jié)點分布式地震數(shù)據采集模式正向著長時間連續(xù)觀測、主動源與被動源融合采集、密集采集與稀疏采集共存、實時監(jiān)控與實時回傳、節(jié)點布設與回收自動化輔助等方向發(fā)展。

　　節(jié)點地震數(shù)據處理模式將向著自動化處理流程和智能化分析等方向發(fā)展，需要有相應的主動源與被動源地震數(shù)據處理、非規(guī)則觀測系統(tǒng)地震數(shù)據處理功能的支持。增量式數(shù)據處理功能和處理流程的創(chuàng)新將建立全新的增量式地震數(shù)據處理模式，在某些應用場景下這種增量式地震數(shù)據處理可以按實時和自動化流程模式開展。

　　節(jié)點地震數(shù)據應用模式將向著應用領域與應用場景多樣化、地震數(shù)據采集處理解釋軟硬件系統(tǒng)一體化、被動源環(huán)境噪聲信息深度應用、主動源與被動源信號融合應用等方向發(fā)展。

　　為充分挖掘節(jié)點地震勘探技術發(fā)展的潛力、釋放節(jié)點地震勘探技術發(fā)展的活力， 應對節(jié)點地震勘探技術的發(fā)展進行系統(tǒng)性思考與規(guī)劃，實現(xiàn)節(jié)點地震勘探儀器裝備、地震數(shù)據采集模式、數(shù)據處理模式和數(shù)據應用模式的同步發(fā)展與變革。

　　一是對節(jié)點地震勘探技術進行系統(tǒng)化研究，形成節(jié)點地震儀器裝備、采集技術、處理技術和應用技術的系統(tǒng)化體系，充分挖掘節(jié)點地震勘探技術的巨大潛力并發(fā)揮應用價值。

　　二是以應用場景為引導，實現(xiàn)節(jié)點地震勘探技術與信息通信技術的融合發(fā)展，通過節(jié)點儀器、5G和衛(wèi)星無線通信、人工智能、云計算、無人機、機器人等技術的融合發(fā)展，實現(xiàn)實時數(shù)據采集、自動化數(shù)據處理和智能化數(shù)據分析解釋，構建面向不同應用場景的節(jié)點地震勘探一體化系統(tǒng)。

　　三是以開放的心態(tài)推動行業(yè)協(xié)調發(fā)展，形成節(jié)點地震儀和節(jié)點地震數(shù)據管理的開源架構，構建開放式地球物理生態(tài)系統(tǒng)，促進節(jié)點地震勘探技術的良性發(fā)展，實現(xiàn)地球物理行業(yè)的應用領域拓展與長期可持續(xù)發(fā)展。

　　新聞會客廳

　　問：智能節(jié)點地震技術裝備，對地震采集工作產生了哪些影響？

　　答：智能節(jié)點地震技術裝備的研發(fā)應用給地震采集領域帶來的變革是全方位的。地震儀從傳統(tǒng)有線數(shù)據采集傳輸?shù)揭?guī)模化基于5G無線網絡實時采集數(shù)據傳輸，是一次重大的技術變革，主要體現(xiàn)在兩個方面。一是大幅降低了野外采集施工成本，從而有能力加大地震數(shù)據采集密度。相比傳統(tǒng)地震檢波器，這些節(jié)點儀能更方便地部署在更廣泛的區(qū)域，實現(xiàn)高密度數(shù)據采集，進而提高地下目標成像分辨率，能更清晰地獲取地下油氣儲層的詳細情況。二是引領了地震一體化技術的進步。智能節(jié)點地震采集系統(tǒng)中的實時數(shù)據傳輸和定位技術為未來采集、處理一體化打下了基礎。系統(tǒng)可以完成基于數(shù)字孿生的觀測系統(tǒng)自動設計，方便野外隨時進行變形觀測，再將數(shù)據實時傳輸至云處理中心，通過增量遞進式處理成像流程，最終實現(xiàn)“采集完成即處理完成”的“實時成像”終極目標。

　　問：智能節(jié)點地震技術還需要解決哪些技術和工程轉化問題？

　　答：在節(jié)點端，要不斷完善相關設備在野外復雜應用場景的適用性，持續(xù)創(chuàng)新攻關檢波器高低頻響應特性、待機時間、儀器小型化、國產元器件替代率等問題。在組網系統(tǒng)方面，要與國內主要通信研發(fā)單位合作完成公網、私網無縫銜接技術研發(fā)，解決野外復雜地表條件下萬道級甚至十萬道級大面積分布節(jié)點終端設備的并發(fā)通信問題。在軟件系統(tǒng)方面，要不斷優(yōu)化現(xiàn)有軟件體系和模塊，加強現(xiàn)場數(shù)據實時質量控制，提升野外采集端軟件的易用性，同時要布局并加快增量式實時處理成像技術的研發(fā)。

　　兩代節(jié)點儀“大比拼”

　　地震數(shù)據采集是地震勘探業(yè)務流程不可或缺的基礎環(huán)節(jié)，節(jié)點地震儀實現(xiàn)了對地球震動信號的分布式、高精度、數(shù)字化感知與記錄存儲，而5G智能節(jié)點地震儀更進一步實現(xiàn)了地震信號觀測的實時遠程感知、監(jiān)控與數(shù)據傳輸。由物探院研制的Smart Point 5G智能節(jié)點地震儀目前已迭代到2.0版，兩代節(jié)點儀到底有什么區(qū)別呢？

　　1.重量更輕、體積更小

　　第一代節(jié)點儀采用桶形設計，第二代節(jié)點儀采用主流梯形結構設計，且重量較第一代減輕了1/4，僅為1.2千克，體積也縮小了一半，大幅提高了便攜性和易布設性，能進一步減少人員和車輛投入，提高物探采集施工效率。

　　2.集成化程度更高、可靠性更強

　　相比第一代節(jié)點儀，第二代節(jié)點儀大幅提高了元器件的集成化程度，兩塊板卡減少到1塊、主板布線從3層增加到6層，同時保留了原有的全部功能，例如5G現(xiàn)場實時數(shù)據回傳、巡檢、參數(shù)配置、遠程喚醒等。高度的集成化進一步提高了Smart Ponit節(jié)點儀的可靠性和環(huán)境適應能力。

　　3.功耗更低、續(xù)航時間更長

　　與第一代節(jié)點儀相比，第二代節(jié)點儀在數(shù)據傳輸效率不降低的情況下，在線功耗降低了25毫瓦，而且通過重新制定電源管理策略，整體功耗也實現(xiàn)了大幅下降。更低的功耗，意味著更少的電池投入。第二代節(jié)點儀僅用8節(jié)18650型號的鋰電池就能達到25天的分時續(xù)航時間，提高了在復雜野外環(huán)境的連續(xù)施工能力。

　　4.天線接收和發(fā)射無線信號性能更優(yōu)

　　第一代節(jié)點儀使用“BDS+GPS+QZSS”天線，第二代節(jié)點儀則使用了面積更大、干擾更小的定制化多頻段天線，有效提高了天線增益強度、天線空間信號強度分布和輻射模式均勻性、天線與傳輸線的阻抗匹配程度，并擴大了天線有效工作頻率范圍。更優(yōu)的天線參數(shù)，更有利于提高5G傳輸?shù)姆€(wěn)定性和復雜施工環(huán)境的適應能力。（于曉東 楊尚琴）

　　轉自：中國石化報

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