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          大興水利水電勘測研究會

          20項顛覆性勘探開發新技術(上),值得收藏!

          桔燈勘探2021-10-16 08:10:17
          當今世界油氣勘探開發正面對著自然環境惡化、資源品質劣化、油氣目標復雜化、安全環保嚴格化和能源結構多元化的嚴峻挑戰,越來越多的人們把油氣資源的發現和產量的增加寄希望于技術的革命,特別是頁巖氣、致密油等非常規油氣資源以及深水資源的勘探開發,使新技術、新方法、新裝備、新工具得到急速發展,訐多高端技術如雨后春筍般涌現出來,出現的一些前沿技術令人感嘆。
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          LPG無水壓裂技術
          國頁巖氣的大規模開發,引發了公眾對水力壓裂技術在水資源利用及環境保護方面越來越多的不滿和質疑,這一問題已經成為制約頁巖氣等非常規油氣資源開發的瓶頸。為此,加拿大Casfrac能源服務公司推出一項無水壓裂技術—液化石油氣( LPG)壓裂技術,以解決人們的疑慮。該技術在2011年世界頁巖氣大會上獲得首次設立的年度“世界頁巖氣獎”之后,2012年又獲得美國《勘探與生產》(E&P)雜志評選的增產技術創新獎。
          LPC無水壓裂技術主要是應用丙烷混合物替代水作為壓裂液進行壓裂作業,它是將丙烷壓縮到凝膠狀態,與支撐劑一起壓人巖石裂縫;這項技術具有有效裂縫長、支撐劑懸浮能力強、油藏類型適應范圍廣、無污染、零二氧化碳排放、可實現閉環循環、能夠100%回收利用等諸多優勢。

          在延長有效裂縫長度方面,常規水力壓裂在實際生產中只有20%-50%的裂縫長度對生產有貢獻,而LPG壓裂產生的裂縫全部為有效長度,因此,可以獲得更高的產量,可將最終采收率提高20% - 30%(圖)。在提高支撐劑懸浮能力方面,LPC以較高的黏度使支撐劑完全懸浮,避免了普通壓裂液由于黏度較低造成的支撐劑沉積現象,使產層打開更加完全,從而達到更好的壓裂效果。

          在環保方面,與水力壓裂液相比,LPG壓裂液具有低表面張力、低黏度和密度,以及能與儲層中的烴類物質相溶合、可再利用等多項優良屬性,從而獲得更多的有效裂縫、更大的初始產量、更優的環保效果和更長的油氣生產壽命(表)。在節約用水方面,LPG壓裂無需耗水,平均每口井可節省壓裂用水( 1.14- 4.54)×104m3。
          自2006年開始,Gasfrae公司應用LPG進行壓裂作業總計達1200多次,其中在加拿大有700多口井,在美國已相繼在得克薩斯、賓夕法尼亞、科羅拉多、俄克拉荷馬和新墨西哥等州開始試驗井的應用。最近,在紐約泰奧加縣,由200多戶居民組成的土地擁有者小組同意在其546kmz的土地上實施LPG無水壓裂技術。
          到目前為止,LPG技術的最大作業記錄為水平段長度1188.72m的水平井10級壓裂支撐劑用量453.59t;最大作業壓力為13050psi;最大泵速為50bhj/min.支撐劑的濃度0.96g/cm。在作業的45個不同的油藏、氣藏及凝析氣藏中,最大垂深達4008.12m,地層溫度分布在15-135℃范圍內。LPG無水壓裂技術已經得到雪佛龍、赫斯基、EOG、戴文能源、尼克森、Paramount、加拿大自然資源等超過50家公司的應用。
          作為一項發展中的新技術,LPG無水壓裂技術的推廣應用正茌逐漸由部分單井向大盆地或區塊發展,并有可能成為眾多石油公司的優選方案。即便不能完全主導壓裂開發市場,它也將在有特定需求的油氣區塊發揮重要作用。正如油基壓裂液成本高出水基壓裂液20倍,但一直持續應用至今,該技術對特殊地層的應用效果是不可替代的。

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          納米材料壓裂技術
          米材料壓裂技術是指用納米壓裂球替代常規壓裂球進行多級壓裂作業的技術,它有助于在惡劣條件下經濟有效的開發石油資源,降低壓裂成本。目前,很多石油公司和技術服務公司實施了納米技術研發計劃,如貝克休斯、康菲、殼牌、沙特阿美、雪佛龍等。
          在多級水力壓裂中,當投球速度由44.7m/s突變為0時,尼龍等材料制成的壓裂球會發生變形,卡在滑套中,造成產量下降;當水平井段長度達到1828.8m以上或壓裂達到20級以上時,壓裂球的取出或清除變得困難,如果不能快速清理,會降低井的生產能力。

          In-Tallic納米壓裂球解決了這些問題,這種壓裂球由鎂、鋁、鎳等合金材料制成,相對密度小、強度高,可以在井中隨流體運移,打開滑套時能夠承受多重因素的影響,當壓裂作業完成后還可以自動溶解消失(圖)。這種球雖然制造成本稍高,但與不良作業造成的油氣井產量損失相比,其費用要低得多。

          貝克休斯公司已應用第一代納米技術開發了In-TalliC18mon壓裂球,目前每周可以坐產1500個,已商業化用于FraCPoint'rM水平井多級壓裂系統中。納米技術除了用于壓裂作業外,未來還可以用于配制新型鉆井液,提高鉆具冷卻效果;用于生產碳納米管,取代制造水下電纜的銅導線,具有更高的電能傳遞效果;還可以用于強化采油的化學劑等方面。

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          井下氣體壓縮技術
          井開采一般采用地面壓縮技術,地面壓縮技術要求壓縮機必須靠近氣井,但是對于海上的氣井來說,這是很難達到的,而且對于深海氣井,壓縮機性能要求較高,即使功率、壓縮能力等能達到海上氣井的要求,壓縮機的安置運行、設備維護等方面的投資也比較大。于是,人們開發了一項新的提高氣井生產能力的人工舉升技術—井下氣體壓縮技術( DownholeGaSCompressor)。

          井下氣體壓縮技術的工作流程與一般的人工舉升泵基本相同,其不同之處是完井的時候就在井下放置了氣體壓縮機。這種辦法尤其適用于海卜和深海環境的氣井。該技術是由CoarCGroup提出,Geary、Tullio等人研制了適合高溫高壓環境的井下氣體壓縮機(圖)??仆⒋髮W的MDMofazzal Hossain等人提出了井下氣體壓縮技術的理論背景,并研究了影響該技術開發效果的主要影響因素。
          研究發現,壓縮比是影響井下壓縮機運行的關鍵參數。氣井生產能力提高值受壓縮機壓縮比和運行功率的影響。安裝井下壓縮機的氣井,生產規律受氣藏供應能力、氣藏壓力、油管直徑、井深、井口壓力、壓縮比等參數的影響顯著。井下壓縮機的放置位置影響整個氣井的開發特征,放置到較低深度或者靠近中間射位置有利于獲得較高的生產速度。井下壓縮機最優的放置位置需要同時考慮生產能力、操作需要、射孔限制條件及壓縮比等參數的影響。
          井下氣體壓縮技術可以提高氣體產能30%,解決大量的多相流問題,可用于提高濕氣藏、干氣藏的開發效果和采收率,并可通過最小化流動壓力梯度,實現氣藏生產系統的優化。

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          天然氣水合物開采技術
          然氣水合物(可燃冰)是一種地球上尚未商業化開采的新能源,資源量十分豐富,據估算全球資源總量約為2.1×106m3,相當于全球已探明傳統化石能源總量的2倍左右,主要分布在美國阿拉斯加北坡、加拿大北極、墨西哥灣北部、日本南海海槽和中國南海等區域。
          目前已有30多個國家和地區開展了天然氣水合物的開發研究。2012年美國、日本等國合作在阿拉斯加北坡進行了水合物開采試驗。2013年3月日本在其近海海域的水合物開采試驗采用降壓法和二氧化碳置換法取得成功。
          降壓法是利用儲層與井筒之間的壓力梯度驅動可動流體從儲層流向井筒,贗力降迅速傳遍整個儲層,使天然氣水合物在局部區域內失去穩定條件,導致天然氣水合物分解為天然氣和水;二氧化碳置換法是通過向天然氣水合物沉積層中注入二氧化碳置換出天然氣,在釋放天然氣的同時,以水合物的形式埋存二氧化碳。在日本愛知縣和三重縣近海海域的開采經過3個階段的生產試驗成功采出12×106m3天然氣。試驗取得成功,這意味著天然氣水合物的開采邁出了重要的一步。
          天然氣水合物開發前景廣闊,全球眾多國家積極投入相關研究。2013年2月,美國能源部宣布投資500萬美元資助13個單位開展7個針對天然氣水合物的研究項目。加拿大、日本、韓國、中國、印度、德國、新西蘭等國家也都制訂了天然氣水合物研究計劃,組織開展了資源調查、鉆探、試驗開采及環境影響評價等一系列研究。
          美國和日本分別計劃在2015年和2018年實現商業化開采。美國國家石油委員會預測,美國將在2050年前實現墨西哥灣等海上天然氣水合物的大規模開采。但是,與常規油氣資源相比,天然氣水合物的開發依然面臨著技術、成本和環境等多方面的難題與挑戰。
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          建立海底工廠技術

          洋油氣資源,特別是深水油氣資源是未來能源的主要來源之一,現已成為世界各國爭相開發的重要領域。建立海底工廠系統將在其中扮演著重要角色。
          海底工廠主要由四部分組成:海底增壓系統、海底氣體壓縮系統、海底分離與產出水回注系統、未凈化海水輸送系統(圖)。其中最前沿和最核心的技術是油氣井采出流體的海底增壓和分離技術,其成功實施能夠提高油氣最終采收率,減少海面處理設備昀投入,減少對環境的破壞,在海底進行水和砂的處理,從而提高海洋油氣田的經濟效益。
          挪威北海Asgard油氣田首次商業化部署了海底天然氣壓縮系統,包括氣體冷卻器、氣液分離器、增壓機和水下管匯等,可將油氣田采出流體經相同管線輸送至50km外的海洋平臺,預期可大幅提高氣藏最終采收率,新增產量約2.8×108bhl油當量。挪威國家石油公司的遠程控制帶壓開孔封堵技術是在不停輸情況下,通過遙控裝置在管道上進行T型焊接,然后遠程控制打孔機在輸送管道上打孔,對管線壓力和流量不產生任何影響。該技術獲得了2013年OTC聚焦新技術獎。挪威國家石油公司的海底工廠計劃將在2015年一季度竣工并投入使用。
          安哥拉Pazflor油田部署了多品級合采海底分離系統,利用世界首創的大型海底設施來分離天然氣和凝析油(油和水),從4個獨立的儲藏中生產出兩種不同黏度的油產品。該系統采用管式分離器,這是整個油井產出物多相分離技術的創新性突破,可以使一些采用常規海底生產系統無法開采的油藏變得經濟可采。巴西坎坡斯盆地Marlim油田部署r世界上第一個用于分離深水海底重質油與水的系統,柯破了浮式生產裝置的瓶頸,可以在水深近900m處分離重質油、氣體、砂屑和水,產出水經凈化處理后被重新注入油藏。
          海底工廠可以節約更多的能源,提高了能源效率,是深水和惡劣環境下油氣田開發技術的一個重大突破,將成為北極等惡劣環境、深水衛星油田開發的有效手段。
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          寬頻地震勘探技術
          頻地震勘探技術是實現高精度地震勘探的重要方法之一,能夠獲得薄層和小型沉積圈閉的高分辨率圖像,并實現深部目標體的清晰顯示,提供更多的地層結構及細節信息,提高地震資料的解釋水平,同時提供更加穩定的反演結果,有利于更快、更準確地自動拾取層位,甚至可以用來指導巖性和流體的直接檢測。西方地球物理公司、CGC等多家公司相繼推出寬頻地震采集與處理技術,并已經在全球很多地區進行了應用。
          要獲得寬頻譜的地震信息,可以在震源激發時盡可能產生較寬的頻譜,還可以在接收和數據處理過程中盡量保持寬頻信息。在陸上地震數據采集中,對于可控震源進行適當設計,定制掃描,激發低頻信號,利用檢波器能夠記錄低于2Hz的低頻信息。在海上數據采集中,可通過對拖纜的不同布設方式,如變纜深采集、上纜與下纜采集方法獲得寬頻信息。

          變纜深拖纜采集技術的拖纜深度是一個變量,由淺到深,隨著偏移距的增大而增加,通常纜深變化范圍在5~ 50m內,以優化地震信號的帶寬(圖)。變纜深采集的地震數據頻譜范圍為2.5 - 150Hz,比常規數據頻譜寬很多。
          ION、TCS等公司開發了寬頻數據處理技術,通過數據處理拓寬常規拖纜數據的頻譜。采集技術的拖纜深度是一個變量,由淺到深,隨著偏移距的增大而增加,通常纜深變化范圍在5~ 50m內,以優化地震信號的帶寬。變纜深采集的地震數據頻譜范圍為2.5 - 150Hz。比常規數據頻譜寬很多。ION、TCS等公司開發了寬頻數據處理技術,通過數據處理拓寬常規拖纜數據的頻譜。
          寬頻地震技術從設備、采集設計、處理、反演各個方面進行研究,在各種情況下,低頻端和高頻端頻譜的拓寬均顯著提高了地震資料品質,尤其改進了對鹽下、玄武巖下深部地質環境的穿透力和照明,為地震資料解釋提供依據,提高了地震資料的解釋水平。

          圖為墨西哥灣BroadSeis二維地震數據成像結果與常規拖纜數據結果對比,從圖中可以看出,寬頻數據明顯提高了深部目標成像質量。

          圖為在澳大利亞西北部進行的BroadSeis寬頻勘探,由于沒有子波旁瓣的干擾,獲得波峰更尖的子波,提高了成像分辨率,能夠更真實地反演地層,并且對一些微小構造也能清晰成像,提供了詳細的深部目標層層位描述。目前,國外先進的寬頻地震技術采用單點激發、單點接收、室內組合處理的方式,形成了采集一處理一解釋一體化的寬頻地震勘探技術方案,應用范圍涉及海上、陸上、海底。

          盡管在陸上寬頻信息激發與接收、海上變纜深寬頻地震數據的處理方面仍面臨重大挑戰,但寬頻地震技術能有效提高深部復雜目標的成像質量,改善反演結果,指示地下含油氣屬性,國外公司仍在不斷對其完善,未來應用前景廣闊。

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          百萬道地震采集技術
          更好地勘探更深、更復雜、更致密的巖石系統中的儲層,油氣公司一直期盼地震數據質量有更大的跨越。地震勘探逐漸向著更高密度、更多道數發展,尤其陸上地震勘探,開發百萬道陸上地震采集系統,實現大道數地震數據采集是未來地震采集的主要發展方向和重大目標。
          Sercel公司在2013年SEC年會上發布了508XT地震采集系統。該系統具有實時百萬道數據記錄能力,能夠實現超高分辨率的地震成像,508系統以X -Tec-h新一代交叉技術架構為基礎,使用了智能網絡技術,實時存取數據,實現零停工期。特有的局部數據存儲、自動重選路由及質量控制等性能,使508系統能夠實現不間斷生產。
          該系統使用新一代MEMS技術的高性能數字傳感器,記錄數據的噪聲水平將降低3倍,系統重量大幅減少,能耗相對較低,對檢波器的兼容性也更強,可兼容單分量或多分量模擬與數字榆波器,可進行電纜和無纜聯合采集。

          殼牌公司正在開發的新一代百萬道地震采集系統有兩種,分別為光纖地震采集系統和無纜采集系統,這兩套系統都具有系統重量輕、帶道能力高、能夠接受寬頻信號的優勢,低頻端能夠記錄IHz甚至低于IHz的信息,能大大提高作業效率,降低勘探成本。殼牌采用PCS公司光纖傳感技術,開發用于陸上的光纖地震采集系統(圖)。這套接收系統的電纜將利用自動化車載工具通過線圈滾動進行布設,適用于較平坦的地形,可降低成本,提高效率。該系統不需要電源及電子裝置,可以埋藏地下用于永久油藏監測,穩定好性。

          另外,殼牌公司采用惠普公司的MEMS傳感器和網絡技術,開發新一代百萬道接收系統(圖),能夠接收低于2Hz的超低頻信息,是一套無纜、超靈敏、百萬信道的傳感器系統,布設靈活,帶道能力更強,將促進高密度、寬頻地震采集技術進一步發展。

          無論是常規資源還是非常規資源,無論是老油田還是復雜的勘探新領域,面對深層復雜地質目標成像、非常規資源甜點識別、陸上永久油藏監測等陸上地震數據采集面臨的重大挑戰,開發新一代百萬道地震采集系統,可降低勘探成本,提高作業效率,解決深層地震資料反射能量弱、信噪比低、偏移成像難等一系列問題。

          盡管百萬道采集系統尚未實現商業化應用,但其記錄能力是目前行業內所獨有的,將成為推動陸上地震革命性進展的利器;同時,也在實現寬頻、高密度、寬方位采集中發揮關鍵作用,能夠優化油田開發方案,提高最終采收率。

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          全波形反演技術
          波形反演方法利用疊前地震波場的運動學和動力學信息重建地下速度結構,具有揭示復雜地質背景下構造與巖性細節信息的潛力。隨著油氣勘探復雜程度的加深,全波形反演技術將成為改善成像效果、完善速度模型的主要手段,為區域深部構造成像及演化分析、淺表層環境調查、宏觀速度場建模與成像、巖性參數反演提供有力支撐,但由于其計算量大、算法不穩定等因素,給實際應用帶來了許多困難,一直未能廣泛投入商業化應用。
          近年來,隨著計算機計算能力的不斷提高,全波形反演技術應用也不斷發展,多家公司都在進行全波形反演的研究與試驗,特別是聲波全波形反演在實際中得以應用。已經有許多實例證明全波形反演利用地震波場的全部信息,能夠獲得質量好的高分辨率速度模型,改進了成像質量,可用于精細地質解釋。

          CGG公司分別對大偏移距、全方位、寬頻海上拖纜數據、海底電纜數據采集、常規拖纜采集及BroadSeis寬頻數據進行了全波形反演,驗證了不用數據進行全波形反演技術的優勢。在墨西哥灣采集了大偏移距、全方位、寬頻數據,利用全波形反演建立精確速度模型,進行更詳細的地質解釋,描述了不同的地質構造。圖對比了全波形反演箭后的地質模型,如圖所示,通過全波形反演建立的速度模型清晰描繪了斷層及鹽巖頂部構造,并探測到碳酸鹽巖和頁巖構造,相對應的疊前深度偏移成像質量明顯改善。

          在巴倫支海挪威海域Samson穹隆區域采集了窄方位數據,利用全波形反演建立淺層速度模型,增加了速度場的波數信息,改善了復雜地質構造成像質量。此外,速度模型的改進也為后面的構造解釋打下良好基礎。圖顯示了初始速度模型和全波形反演速度模型的疊前深度偏移成像結果,成像質量明顯改善。

          目前全波形反演技術的研究主要集中在如何利用大偏移距數據全波形反演改善深部構造成像、如何利用低頻數據進行全波形反演,如何進行彈性波和聲波信號的全波形反演,如何去掉全波形反演中的多次波和繞射波,以及對于全波形反演的一階近似如何快速收斂等方面。隨著計算機計算能力的不斷提高,該技術應用將不斷拓展。

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          光纖地震采集技術
          于大型油藏,應用四維地震進行永久性測量是直接提供油藏流體及油藏體積連通性圖像的重要途光纖采集系統,現已完成野外試驗。用四維地震監測油藏,光纖地震系統不僅具有成本和性能優勢,而且解決了電子系統的不穩定運行等問題,更適用于大型排列的永久性海底油藏監測。與拖纜、海底電纜、海底節點等技術相比,用光纖系統進行永久油藏監測具有更好的耦合效果,降低噪聲,減少聲波在水中的單程旅行路徑;受天氣、水流影響小,靈活性更高;只需動用一次地震船,有效降低重復勘探成本等。
          光纖地震傳感系統的重要特征主要包括:在傳感點無電子部件或無電力需求;通過遙感技術控制方向;長距離、多路解碼技術令地震數據可以進行模擬傳輸;傳感器性能極好、可靠性高。常規地震測量系統的電纜非常厚重,標準電纜的重量在水中時為3.0kg/m,而光纜的重量在水中時僅為0.3kg/m。光纖檢波器及光纜重量減小,使得測量系統的安裝方式更靈活,安裝費用更低。
          光纖傳感和傳輸的固有優勢促進了它在地震勘探領域的應用。光纖地震系統永久油藏監測是通過小型船只將光纜滾筒下到海床上,然后用水下機器人(ROV)將光纜鋪設到挖好的電纜溝內,或用挖掘式ROV將光纜定位埋設到海床下。

          目前,主要有CGG、PGS、TGS這3家公司擁有利用光纖系統進行海底油藏監測服務的能力,CGG公司OptoWave系統最大應用水深為500m,PGS公司OptoSeis系統和TGS公司Stingray系統最大應用水深為3000m,適用于深水永久油藏監測(圖)。另外,殼牌與PGS合作也成功開發了陸上光纖采集系統,現已完成野外試驗。

          光纖傳感系統的采用象征著從數字傳輸到光學模擬傳輸的發展,光學高頻載波將提供從傳感點到導向儀器的極好模擬傳輸,更容易轉換成供數據存儲和處理的數據格式。光纖測量系統適用于惡劣作業環境,具有高可靠性和耐用性,是今后地震勘探的有力競爭產品,采用光纖系統進行永久油藏監測具有非常大的發展潛力,是一項有發展前景的技術。

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          海底節點地震勘探技
          前海底地震數據采集主要有海底電纜(OBC)采集、海底節點(OBN)采集兩種方式,其中海底電纜數據采集作業受到海底地形限制,海底節點地震系統則具有較高的靈活性,系統布設、回收更加方便,并能夠獲得全方位保真數據,提高地震成像質量,提高四維勘探的可重復性,改善油藏監測結果,受到石油公司的高度重視。

          海底節點地震觀測方法就是將地震儀通過水下機器人(ROV)直接布放在海底,地震儀自備電池供電,震源船單獨承擔震源激發任務。當震源船完成所有震源點激發后,ROV回收海底地震儀,下載數據并進行處理與解釋(圖)。

          目前市場上主要有CCG公司Trilobit系統、FirefieldNodal公司2700系統和23000系統、OYO公司CBX泵統等,最大應用水深可達3000m(圖)。海底節點地震數據采集已經進行了大量應用,尤其在油藏監測領域應用效果顯著。道達爾公司在安哥拉海上Dalia油田、雪佛龍公司在英國西設得蘭群島都進行了海底節點勘探。殼牌在墨西哥灣布設了1000套節點系統進行水驅油藏監測。從最后一個節點回收完畢,到第一次數據處理結果完成,共歷時2個月,有效指導了水驅開發方案。

          殼牌在短周期內進行油藏監測,有3個關鍵因素:

          一是獲得高品質海底節點數據;

          二是利用海底節點技術進行數據采集具有較高靈活性,可根據需求選擇節點數量;

          三是利用單船進行震源排列和節點布設,大大減少了采集腳印。

          這種方法大大縮短了作業周期,降低了勘探開發成本。

          目前,多家公司都在研發新型海底節點采集裝備。SeabeDCeosoultion公司正在開發的SpiceRack海底節點項目,主要研究海底節點自動化地震數據采集裝備及技術方法,以提高采集精度、降低采集成本、減少作業時間為目標,預計這一研究成果對海底地震勘探技術的進步和發展有著重要的影響。

          殼牌公司正在研發的FlyinGNode新一代海底節點地震裝備,采用GoScience公司專有的環形水下自動運載裝備,將檢波器布設到設計好的位置,采集完數據后回到船上進行數據回收(圖),克服了節點裝備采用水下機器人進行節點布設的速度慢等難題。

          FairFieldNodal公司正在研發的Z100系統(圖),是一款用于淺水地震數據采集的節點系統,應用水深為0-100m,系統體積小、重量輕,能夠連續記錄30d,并在每天數據下載后自動進行全系統質量控制測試。因此,新一代海底節點技術將推動海底地震勘探取得重大突破。


          未完待續,敬請期待下期......

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