井炮激發(fā)控制技術(shù)

0井炮激發(fā)控制新技術(shù)隨著油氣勘探的深入，油氣勘探的條件變得越來越復(fù)雜。地震勘探區(qū)向復(fù)雜的地表區(qū)域（如丘陵、山脈、城市和海灘通道）擴張。采集技術(shù)已經(jīng)從簡單的采集方法轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N方法的廣泛應(yīng)用。在國外的沿海油田區(qū)，中國的海南和香港先后進行了包括氣槍、振動器、井炮等激發(fā)源和觀測系統(tǒng)在內(nèi)的勘探和采集。同時,采集激發(fā)的日效需求也隨之增加,井炮從數(shù)百炮增加到2000炮甚至更多。井炮激發(fā)控制技術(shù)對井炮勘探項目的生產(chǎn)效率和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量有著直接影響,但是其發(fā)展與其它采集裝備技術(shù)的發(fā)展相比相對滯后。地震儀器也從傳統(tǒng)的有線儀器一家獨大,發(fā)展到以有線儀器為主體、獨立節(jié)點儀器混合應(yīng)用的局面;可控震源激發(fā)控制設(shè)備控制能力從十余臺震源車發(fā)展到250臺甚至更多;通訊方式從模擬電臺發(fā)展為WiFi和數(shù)字電臺,而且支持DSS、DSSS等全新的距離控制同步掃描方法。盡管模擬控制式井炮激發(fā)控制系統(tǒng)徹底退出了歷史舞臺,但是井炮激發(fā)控制原理及方法沒有出現(xiàn)本質(zhì)的技術(shù)變化,更多的是由電子技術(shù)等相關(guān)技術(shù)進步帶來的性能和功能的提升,主要包括以下幾點:(1)采用了基于單片機/微處理器技術(shù)的數(shù)字化電路進行信號處理和控制,同步精度有所提升;(2)改善了數(shù)據(jù)交互方式,由面板顯示拓展到以串口等方式輸出到計算機;(3)從單純的電臺中繼方式拓展了爆炸機中繼控制;(4)為了適應(yīng)多地震儀器聯(lián)機采集,發(fā)展了主、從工作模式;(5)內(nèi)置GPS或具備外部GPS接口用來獲取炮點的坐標(biāo),在地震儀器的配合下實現(xiàn)源驅(qū)動功能;(6)個別系統(tǒng)開始使用GPS時間進行本地時鐘校準(zhǔn)或直接使用GPS時間。1井炮激發(fā)控制定期維護現(xiàn)有井炮激發(fā)控制系統(tǒng)通常都由編碼器和譯碼器兩部分組成。使用時編碼器連接采集記錄儀器,譯碼器連接井炮炸藥雷管,采用無線電臺通訊的方式實現(xiàn)地震儀器采集與井炮激發(fā)的同步。只要使用無線電臺進行模擬載波通訊,就難免會受到環(huán)境條件不同程度的影響,具體表現(xiàn)為易受到環(huán)境條件、電臺型號等因素影響而難以滿足山地、叢林等復(fù)雜地形的應(yīng)用需求。由于通訊障礙,爆炸機無法被編碼器激發(fā)時,需要儀器主機變換停車位置靠近炮點,頻繁的儀器車搬家造成時間損失;即使架設(shè)了中繼電臺,不但時間延遲測試和設(shè)置操作復(fù)雜,而且生產(chǎn)項目不允許在使用電臺中繼激發(fā)和常規(guī)激發(fā)方式之間頻繁更換,爆炸機在不同電臺中繼之間需要改變通訊頻率才能完成中繼通訊;即使采用井炮激發(fā)控制系統(tǒng)自帶的中繼功能來拓展通訊距離,也需要進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置,并且在中繼模式和常規(guī)模式之間無法快捷切換,制約施工效率。由于使用的時間同步時序方式制約,當(dāng)前井炮激發(fā)控制系統(tǒng)無法進行多級中繼,其最大通訊距離被制約在20km范圍以內(nèi),復(fù)雜環(huán)境下通訊距離更短。隨著節(jié)點儀器和有線地震儀器連續(xù)采集方式的應(yīng)用,傳統(tǒng)的由安裝在地震儀器主機上的編碼器來控制譯碼器激發(fā)的方式,對生產(chǎn)效率的制約更加突出,甚至很多節(jié)點儀器在生產(chǎn)中根本沒有用于安裝儀器主機的儀器車和高大的通訊電臺天線塔,這使得傳統(tǒng)的遙控爆炸同步系統(tǒng)作業(yè)更加困難。同時現(xiàn)有遙控爆炸同步系統(tǒng)在獲取井口坐標(biāo)等操作時過程復(fù)雜,也制約了源驅(qū)動技術(shù)在井炮采集中的應(yīng)用。當(dāng)前源驅(qū)動應(yīng)用時需要炮手將爆炸機放置在炮點位置進行位置獲取,增加了炮手背負(fù)爆炸機移動的距離,無法對坐標(biāo)缺失的情況做出正確的響應(yīng),例如即使遇到炮線短路這樣的情況需要再次激發(fā)時,也要重復(fù)炮點位置采集的操作,額外增加了工作量。2同步配合,確保井炮激發(fā)在地震采集系統(tǒng)中,要求儀器的記錄和震源的啟爆達(dá)到嚴(yán)格的同步,這是井炮激發(fā)控制的最根本目標(biāo)。同步技術(shù)是實現(xiàn)這一根本目標(biāo)的基礎(chǔ),不同的同步方式也決定了井炮激發(fā)控制設(shè)備的架構(gòu),因此同步技術(shù)的優(yōu)化是整個井炮激發(fā)控制技術(shù)進展的基本條件。要實現(xiàn)同步,即要求地震儀器啟動采集與井炮激發(fā)的動作同時,這顯然需要二者能夠進行有效地協(xié)調(diào)控制。同步方法有多種分類,根據(jù)通訊方式可以分成無線同步和有線同步;根據(jù)時間計算的方式可分為相對時間同步和絕對時間同步;根據(jù)編碼方式則有更多的劃分方法。對井炮激發(fā)控制而言,真正起決定作用的是時間計算的方式,因為同步的最終目的就是確保數(shù)據(jù)采集和井炮激發(fā)的動作發(fā)生在相同的時刻。如何實現(xiàn)時間上的同步對通訊方式和功能實現(xiàn)具有重大的影響。2.1啟爆與啟動之間的同步機制相對時間同步方式,也稱時序同步,當(dāng)前使用的井炮激發(fā)設(shè)備普遍使用這種同步方式?，F(xiàn)有的時序同步采用了基于無線電臺傳輸“同步碼”及專門的識別技術(shù)使兩者之間既能唯一地、可靠地相互溝通,又保證了激發(fā)與記錄儀器啟動之間的嚴(yán)格同步。編碼器、譯碼器之間的工作過程如下:首先,譯碼器充電完畢后向編碼器發(fā)來準(zhǔn)備就緒信號,然后儀器主機向編碼器發(fā)出啟動命令。編碼器產(chǎn)生并通過電臺發(fā)送一組含有保密碼(也稱啟動碼)的同步碼,持續(xù)發(fā)送預(yù)先設(shè)定的一段時間后,進入放炮延遲階段,當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時,編碼器向儀器主機發(fā)送時鐘TB,啟動儀器主機進行數(shù)據(jù)采集。譯碼器接收同步碼后進行比較,如果同步碼一致,則在同步碼結(jié)束時刻發(fā)出信號進入放炮延遲等待,當(dāng)計時值與編碼器設(shè)置值相同時,就發(fā)出點火指令,啟爆雷管。這樣就使炮點的炸藥爆炸與儀器開始記錄這兩個動作發(fā)生在同一時刻,實現(xiàn)了雷管啟爆與啟動記錄之間的同步。雷管啟爆后譯碼器向編碼器發(fā)送井口時間和驗證TB等信息。(2)絕對時間同步絕對時間同步則要求編碼器、譯碼器之間有統(tǒng)一的時間,雙方通過在約定的時間點分別啟動儀器主機和雷管。在雙方都有高精度的統(tǒng)一時間的條件下,只要約定了動作的時間信息即可實現(xiàn)高精度的同步。采用絕對時間同步時,編碼器、譯碼器之間的控制關(guān)系包括:首先,譯碼器充電完畢后向編碼器發(fā)送準(zhǔn)備就緒信號,然后儀器主機向編碼器發(fā)出啟動命令。編碼器通過電臺向譯碼器發(fā)送啟爆的時間信息,當(dāng)達(dá)到預(yù)先約定時,編碼器向儀器主機發(fā)送時鐘TB,啟動儀器主機數(shù)據(jù)采集;譯碼器發(fā)出點火指令,啟爆雷管。這樣就使炮點的炸藥啟爆與儀器開始記錄這兩個動作在同一時刻發(fā)生,實現(xiàn)了啟爆與啟動記錄之間的同步。雷管啟爆后譯碼器向編碼器發(fā)送井口時間和驗證TB等信息。2.2基于獨立工作方式的激發(fā)系統(tǒng)設(shè)計方案從絕對時間同步的控制分析中可以看到,絕對時間同步只需要傳送啟爆的時間信息。因此,編碼器可以向譯碼器重復(fù)發(fā)送啟爆時間信息,而且編碼器和譯碼器之間的通訊延遲只要滿足在預(yù)定的啟爆時間之前完成啟爆時間傳輸即可。這樣,可以不再受電臺通訊延遲的影響,而可以采用更加靈活的通訊方式,如數(shù)字電臺和商用通訊網(wǎng)絡(luò)等。編碼器和譯碼器之間的通訊主要用于約定啟爆時間和回傳激發(fā)控制信息。在編碼器和譯碼器采用預(yù)先設(shè)定的啟爆時間后,如每個整數(shù)分鐘時間,編碼器和譯碼器之間無需進行通訊,此時可由譯碼器將井口時間和驗證TB等信息進行本地存儲,在需要時再通過無線通訊或本地下載方式傳送給儀器主機。在這種方式下,井炮激發(fā)作業(yè)的靈活性將得到顯著提高。同時,對于連續(xù)采集的節(jié)點儀器,只需譯碼器能夠定時進行激發(fā)即可完成整個野外采集工作。為了進一步增強井炮激發(fā)控制系統(tǒng)的靈活性,可以通過定時信息更新等方式來對獨立工作的譯碼器參數(shù)進行設(shè)置,以滿足多組譯碼器協(xié)同工作下的動態(tài)調(diào)整,從而實現(xiàn)井炮激發(fā)控制系統(tǒng)帶有動態(tài)控制的自主工作模式。按照這樣的設(shè)計,傳統(tǒng)井炮激發(fā)控制系統(tǒng)架構(gòu)將發(fā)生變化,原有的編碼器的功能定位將以指令控制為主,甚至可以集成到地震儀器中,而且也不再是井炮激發(fā)控制設(shè)備的必要組成部分。3井炮激發(fā)控制系統(tǒng)的設(shè)計下一代井炮激發(fā)控制系統(tǒng)基本架構(gòu)不會有大的變化,但是編碼器的功能將隨著同步方式優(yōu)化和功能定位的變化而相應(yīng)地變化,尤其隨著同步方式的優(yōu)化其功能于傳統(tǒng)意義上的編碼器將發(fā)生本質(zhì)的變化。為了滿足各種復(fù)雜工作環(huán)境并達(dá)到最佳的采集效率,全新的井炮激發(fā)控制系統(tǒng)包括指令控制器和譯碼器兩部分。其中,譯碼器具備獨立工作所需的軟、硬件,這就要求全新的井炮激發(fā)控制系統(tǒng)不僅采用全數(shù)字控制技術(shù),更要在繼承和保持具備傳統(tǒng)井炮激發(fā)控制系統(tǒng)激發(fā)工作模式優(yōu)點的基礎(chǔ)上進行全新的功能設(shè)計。在野外應(yīng)用中,系統(tǒng)架構(gòu)進行優(yōu)化的同時,需要充分重視通用性原則的應(yīng)用,考慮到生產(chǎn)項目成本等,井炮激發(fā)控制設(shè)備從硬件上將最大限度體現(xiàn)通用型和可替代性,指令控制器和譯碼器將采用統(tǒng)一的硬件架構(gòu),實現(xiàn)互換特性。3.1節(jié)點儀器放炮方式優(yōu)化下一代井炮激發(fā)控制系統(tǒng)的激發(fā)工作模式,按照是否需要通訊劃分為無線放炮模式和自主放炮模式兩大類,如圖1所示。其中,無線放炮模式分為無線常規(guī)、無線中繼和網(wǎng)絡(luò)模式;自主放炮模式分為自主獨立放炮和帶有分時通訊的受控獨立放炮模式。(1)無線常規(guī)方式為常用施工的方式。此方式下由譯碼器先給指令控制器發(fā)送點火請求,指令控制器收到此點火請求后,再發(fā)送點火允許時間信息至譯碼器,然后再按設(shè)定的時刻由指令控制器啟動儀器采集,譯碼器激發(fā)井炮。譯碼器激發(fā)井炮后經(jīng)固定時間長度的對井口信息的測量后返回給指令控制器,同時將信息進行本地存儲。編碼器指令控制器收到譯碼器的返回信息后,向儀器的輔助道輸出相應(yīng)標(biāo)識,并通過串口或網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)字格式的信息。(2)無線中繼方式是常規(guī)無線方式的通訊距離拓展,主要完成譯碼器與指令控制器之間的中繼通訊。在無線中繼方式下,將譯碼器A設(shè)置為中繼使能,譯碼器A不但自身保留無線常規(guī)方式井炮激發(fā)的能力,而且對指令控制器向其它譯碼器發(fā)送的指令進行中繼傳送。這樣譯碼器B、譯碼器C、譯碼器D與指令控制器即可通過譯碼器A實現(xiàn)遠(yuǎn)距離放炮,如圖2所示。此時譯碼器A還可以以常規(guī)模式進行施工。這種控制方式比目前同類進口設(shè)備要靈活很多,并且無線中繼方式不會使系統(tǒng)的同步精度降低。(3)無線放炮的網(wǎng)絡(luò)模式是無線常規(guī)方式的拓展,主要利用商用網(wǎng)絡(luò)完成指令控制器和譯碼器之間的信息交換。根據(jù)商用網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況,可以極大地拓展指令控制器和譯碼器之間的通訊距離,利用較高的帶寬還可以實現(xiàn)更多激發(fā)質(zhì)控信息的傳輸。對于擁有較高精度統(tǒng)一時間的CDMA網(wǎng)絡(luò),可以提高譯碼器對衛(wèi)星授時或高精度內(nèi)部時鐘的依賴程度,提高作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性或進一步降低設(shè)備成本。(4)自主獨立工作方式是完全依賴譯碼器的時間進行施工的模式,選用該模式需設(shè)定時間間隔和啟動時間。激發(fā)井炮后,對井口時間、驗證TB值、UTC時間和坐標(biāo)位置進行存儲。在配合有線地震儀器使用時,指令控制器和譯碼器需要具備相同的時間間隔設(shè)定,指令控制器在約定時間截止前選通秒脈沖信號來啟動儀器采集,實現(xiàn)采集啟動與井炮激發(fā)的同步。在與節(jié)點儀器配合使用時則無需指令控制器,但是需要相應(yīng)的軟件對保存在譯碼器內(nèi)的激發(fā)質(zhì)控信息進行下載和輸出,以滿足節(jié)點儀器數(shù)據(jù)合成的需要。(5)受控獨立方式是自主獨立工作方式的進一步優(yōu)化,在受控獨立方式中保留自主獨立工作方式的各項特征,同時利用階段性的通訊方式將排列的狀態(tài)信息和必要的指令進行傳輸,在譯碼器上顯示可激發(fā)的炮點信息,提高獨立激發(fā)的質(zhì)量控制水平。同時利用通訊鏈路,對已經(jīng)完成激發(fā)的炮點信息進行傳遞,實現(xiàn)集中的質(zhì)量控制和查詢。3.2源驅(qū)動方式下的啟動在采集中可直接形成單炮記錄是有線地震儀器相對于節(jié)點儀器的突出優(yōu)點,無線放炮模式又是激發(fā)源控制系統(tǒng)與有線地震儀器常用的配套工作方式,源驅(qū)動功能的應(yīng)用可以顯著提高井炮激發(fā)的效率。源驅(qū)動功能可以在所有無線工作模式下使用,同時為了減少使用譯碼器定位井口位置而產(chǎn)生的移動距離,在應(yīng)用源驅(qū)動功能時設(shè)計了井口定位器來獲取炮點的坐標(biāo)。井口定位器可作為譯碼器的附屬設(shè)備,僅在源驅(qū)動模式下使用。井口定位器和譯碼器采用軟件綁定方式實現(xiàn)配套。在源驅(qū)動方式下,井口定位器固定在距炮線頂端1m距離處(可根據(jù)炮點距離和誤差控制半徑進行調(diào)整),在連接炮線時將井口定位器放置在井口,井口定位器通過短距離無線通訊將獲取的坐標(biāo)傳送給譯碼器。譯碼器在發(fā)送充電就緒信息時傳送到指令控制器,儀器根據(jù)指令控制器發(fā)來的炮點坐標(biāo)自動選擇激發(fā)所對應(yīng)的排列,實現(xiàn)源驅(qū)動功能。在每次激發(fā)完成后,譯碼器和激發(fā)控制器都會將炮點的坐標(biāo)信息與激發(fā)信息一同進行存儲。3.3cd通訊網(wǎng)絡(luò)無線放炮方式下需要依賴無線通訊,井炮激發(fā)控制系統(tǒng)對無線通訊方式的支持能力對系統(tǒng)的應(yīng)用有重要的影響作用。由于全數(shù)字井炮激發(fā)控制系統(tǒng)采用了絕對時間進行同步,因此完全可以支持模擬通訊電臺,而且考慮到模擬通訊電臺依然有較大的在用數(shù)量,這是全數(shù)字井炮激發(fā)控制系統(tǒng)所必備的。為了與無線通訊技術(shù)發(fā)展相適應(yīng),系統(tǒng)也必須支持?jǐn)?shù)字電臺。同時考慮到無線電臺在應(yīng)用中存在的問題,需要增加商用網(wǎng)絡(luò)來拓展系統(tǒng)的通訊能力。根據(jù)應(yīng)用區(qū)域商用網(wǎng)絡(luò)覆蓋的不同,可以選用不同的商用網(wǎng)絡(luò),但是需要系統(tǒng)支持商用網(wǎng)絡(luò)的類型。可以采用與支持多種型號的電臺通訊相同的硬件接口,不同類型的商用網(wǎng)絡(luò)需要相應(yīng)硬件進行支持,而且不同網(wǎng)絡(luò)硬件較難建立在統(tǒng)一的硬件接口之上。因此,在系統(tǒng)中將多種商用網(wǎng)絡(luò)的支持作為可選擇的拓展功能,默認(rèn)情況下系統(tǒng)集成CDMA通訊網(wǎng)絡(luò)硬件,同時預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口進行拓展。在使用了CDMA商用網(wǎng)絡(luò)后,不但井炮激發(fā)控制系統(tǒng)提供了備用時間信息,更重要的是系統(tǒng)中的指令控制器和各譯碼器之間具備了網(wǎng)絡(luò)通訊能力,只需要較少的數(shù)據(jù)流量和信號覆蓋強度就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的正常工作,對于城區(qū)等復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)將具備良好的適應(yīng)性。同時,考慮到CDMA時間同步模塊的信號穩(wěn)定,不易受到電源、外界無線電干擾,不對系統(tǒng)內(nèi)其它部件工作造成影響;CDMA校時系統(tǒng)硬件尺寸小,易于安裝便攜封裝,可以采用內(nèi)置接收天線方式,可作為系統(tǒng)時間的補充校正,也可以在無線電臺方式下使用CDMA商用網(wǎng)絡(luò)來提高時間精度。相對于GPS時間信息來說,CDMA時間同步模塊內(nèi)置能精確同步于格林威治世界時(UTC),它通過CDMA商用通訊網(wǎng)絡(luò)獲取GPS時間信息,只要能接收到CDMA通訊信號,CDMA時間同步模塊就能穩(wěn)定輸出1ms精度級別的時