煤田地震勘探技術(shù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

左衛(wèi)華，張晨林

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

地震勘探方法一直作為煤田勘探主要的地球物理方法之一，該方法可以很好地了解煤田區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和煤炭資源的成煤結(jié)構(gòu)形態(tài)，并可以實(shí)時(shí)解決煤炭資源開采過程中遇到的構(gòu)造、地層和巖性等地質(zhì)問題。隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，煤炭地震勘探從二維地震向三維地震轉(zhuǎn)變，自1993年首次開展煤炭采區(qū)三維地震勘探以來，三維地震勘探在煤礦生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。目前正向著高信噪比、高分辨率、高保真度、高清晰度、高精度和定量分析的方向發(fā)展，在礦井隱蔽致災(zāi)因素的探測中發(fā)揮重要作用。隨著電子信息技術(shù)的不斷革新，我國煤炭地震勘探技術(shù)的應(yīng)用仍有很大的發(fā)展空間。

1 煤炭系統(tǒng)地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備的需求

地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是地震勘探關(guān)鍵技術(shù)之一，原始地震數(shù)據(jù)采集質(zhì)量關(guān)系到地震勘探資料的質(zhì)量，因此地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備是煤炭勘探技術(shù)的核心裝備保證。地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于我國煤炭行業(yè)已經(jīng)歷了60多年，地震勘探采集裝備從光點(diǎn)儀、模擬儀、數(shù)字儀、無線遙測儀到節(jié)點(diǎn)地震儀，這些采集系統(tǒng)原都是應(yīng)用在石油勘探領(lǐng)域，從石油地震勘探應(yīng)用到煤炭地震勘探，這些設(shè)備主要是國外引進(jìn)，例如法國的Sercel、加拿大的Aries、美國的ION等，幾乎占據(jù)了國內(nèi)外地震勘探裝備的大部分市場。目前國內(nèi)也在研發(fā)生產(chǎn)一些地震勘探裝備，大多處于仿制和研發(fā)階段，未達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)，缺少自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，因此國家每年需要花費(fèi)大量外匯去引進(jìn)國外大型地震勘探裝備[1-6]。

常規(guī)地震采集設(shè)備存在笨重、受限條件多、頻帶窄和靈敏度低等缺點(diǎn)，尤其是高密度精細(xì)三維地震采集施工中，超大量的地震電纜和檢波器串的使用嚴(yán)重影響了施工效率，增加了施工成本。近幾年隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、存儲(chǔ)設(shè)備和高能鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)設(shè)備變得更輕、更小、更集成，價(jià)格也更便宜。煤炭系統(tǒng)地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備逐漸向輕量化、集成化、節(jié)點(diǎn)化和智能化轉(zhuǎn)變。

2 國內(nèi)外地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備歷史進(jìn)展

2.1 國內(nèi)發(fā)展概況

目前國內(nèi)地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備一般主要是工程地震儀，主要廠家有中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司的DZG系列高分辨率地震儀、DZS深層數(shù)字地震儀、EPS系列寬頻地震儀、CZS系列寬頻地震儀等；驕鵬科技有限公司的Mini-seis24A/48A綜合工程探測儀、SE2404EI綜合工程探測儀、SE2404NT遙測地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。2003年東方地球物理公司推出3S地震儀器，集成RS、GPS與GIS技術(shù)，成功應(yīng)用于河南煤田項(xiàng)目地震數(shù)據(jù)的野外采集工作，表明我國節(jié)點(diǎn)儀器的雛形初步形成[7-9]。

2.2 國外發(fā)展概況

20世紀(jì)末以來，地震勘探裝備從有線向無線發(fā)展，擺脫了傳輸線纜的束縛，提高裝備的輕便性。數(shù)據(jù)記錄方式從人工記錄逐步過渡到地震勘探設(shè)備自主記錄，涌現(xiàn)了眾多以自主記錄地震數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)原則的無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備，例如Geospace公司的GSR節(jié)點(diǎn)設(shè)備，F(xiàn)airfield公司的ZLand無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備，INOVA公司的HAWK節(jié)點(diǎn)設(shè)備。目前世界上已經(jīng)生產(chǎn)出近百萬道的陸上節(jié)點(diǎn)設(shè)備，進(jìn)一步提高了陸上地震采集作業(yè)效率，降低了勘探成本，解決了復(fù)雜地區(qū)勘探難題。無線自主采集地震裝備同樣存在缺陷，例如設(shè)備在作業(yè)過程用戶無法實(shí)時(shí)監(jiān)控地震設(shè)備工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)質(zhì)量。隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，新型節(jié)點(diǎn)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控，產(chǎn)品重量進(jìn)一步減輕。例如：Sercel公司的WTU508節(jié)點(diǎn)，具備實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)能力；GTI公司的NuSeis節(jié)點(diǎn)總質(zhì)量僅有862 g；RT3儀器具有十幾萬道帶道能力，可以實(shí)時(shí)傳輸采集數(shù)據(jù)；DTCC公司的SmartSolo節(jié)點(diǎn)設(shè)備價(jià)格也大幅降低。同時(shí)一些新概念的節(jié)點(diǎn)設(shè)備也在研發(fā)試驗(yàn)中，如Total公司研制的METIS系統(tǒng)飛鏢節(jié)點(diǎn)檢波器，實(shí)現(xiàn)了無人直升機(jī)野外布設(shè)，可實(shí)時(shí)傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)；BP公司的Cheetah節(jié)點(diǎn)設(shè)備質(zhì)量只有200 g，價(jià)格幾十美元[10-12]。

目前國外節(jié)點(diǎn)設(shè)備的全球主要制造商大約有13家，投入生產(chǎn)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備有14種，正在研發(fā)的新型節(jié)點(diǎn)設(shè)備有2種以上[13, 14]。全球地震勘探采集領(lǐng)域在用的節(jié)點(diǎn)設(shè)備已經(jīng)超過百萬道，占比越來越高。圖1展示了主流節(jié)點(diǎn)采集單元，表1給出幾種具有代表性的節(jié)點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)品的性能指標(biāo)。

1. SmartSolo；2. NuSeis；3. Quantum；4. GCL；5. WiNG；6. RT3；7. Nimble node；8. HardVox；9. eSeis；10. i-node

表1 當(dāng)前典型節(jié)點(diǎn)地震儀器主要性能指標(biāo)及特點(diǎn)

3 地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備的現(xiàn)狀

近些年煤炭勘探項(xiàng)目開始使用節(jié)點(diǎn)地震采集系統(tǒng)，但是“盲采”式節(jié)點(diǎn)設(shè)備無法監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作狀態(tài)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)設(shè)備停止工作或被盜而造成數(shù)據(jù)缺失[15, 16]。由于煤炭地震勘探不同于石油的超大道數(shù)、超高覆蓋地震設(shè)計(jì)，對單道數(shù)據(jù)的丟失非常敏感，所以“盲采”的工作方式至今仍很難完全應(yīng)用于煤炭勘探項(xiàng)目中。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)煤炭系統(tǒng)現(xiàn)有地震勘探采集設(shè)備約11.7萬道(見表2)，總局系統(tǒng)(一勘局、水文局、江蘇局和物探院)有14800道，僅占13%。目前總局系統(tǒng)的大部分地震勘探采集設(shè)備已嚴(yán)重老化，不能滿足勘探市場的需求，因此需要開展儀器針對性的研究與攻關(guān)。研發(fā)一套適用于煤炭地震勘探可實(shí)時(shí)監(jiān)控的國產(chǎn)地震采集系統(tǒng)，發(fā)揮“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的優(yōu)勢，不僅可擺脫國外儀器廠商的壟斷，同時(shí)為總局“三個(gè)地球”建設(shè)提供強(qiáng)有力的裝備保障。

表2 煤炭系統(tǒng)主流地震勘探設(shè)備統(tǒng)計(jì)表

綜上所述，煤炭系統(tǒng)主流地震勘探設(shè)備有以下特征：

(1)道數(shù)少且分散。超過10000道的只有新疆局、吉林局和涿州云彤公司。

(2)設(shè)備陳舊且落后。法國Sercel的428XL和408UL基本都是10年前的設(shè)備；較新的設(shè)備有河南局引進(jìn)的Sercel的508，江蘇局、新疆局、西安分院、神華和甘肅局引進(jìn)的Sercel的DSU1河北局引進(jìn)的G3i，以及一局、山東局和遼寧局引進(jìn)的SmatSolo。

(3)高度依賴進(jìn)口。煤炭系統(tǒng)應(yīng)用的主流地震設(shè)備除河北局引進(jìn)的2500道G3i是合資公司(INOVA公司，中石油東方公司占51%股份、美國ION公司占49%股份)生產(chǎn)的，其他全部是國外進(jìn)口，其中法國Sercel的設(shè)備占到83.06%。

4 地震數(shù)據(jù)采集設(shè)備的發(fā)展趨勢

研制具有高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、大存儲(chǔ)量、高可靠性、低功耗、低重量、低失真、低成本、數(shù)據(jù)可回傳的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)式地震采集系統(tǒng)是煤炭系統(tǒng)地震采集設(shè)備發(fā)展的必然趨勢，但仍需解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：

(1)高靈敏度、寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍地震傳感器。隨著煤炭地震勘探深度加深，地震探測的頻帶向低頻拓展，低頻地震探測技術(shù)受到較廣泛的關(guān)注。檢波器的頻帶寬度對地質(zhì)目標(biāo)分辨率與信噪比的改善具有重要意義，因此成為影響和制約深部地震勘探發(fā)展的重要因素之一。在此基礎(chǔ)上利用低成本、高可靠的5～200 Hz檢波器，實(shí)現(xiàn)高精度、高信噪比、寬頻帶信號(hào)的接收。

(2)高精度、低功耗授時(shí)鎖相。高精度授時(shí)是節(jié)點(diǎn)式地震儀的重要技術(shù)指標(biāo)，研究基于GPS系統(tǒng)授時(shí)的高精度授時(shí)鎖相技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗與高精度的技術(shù)功能。

(3)大動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、高可靠的數(shù)據(jù)采集和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)?！皟蓪捯桓摺币殉蔀槟壳暗厍蛭锢砜碧降闹黝}，要求地震數(shù)據(jù)采集儀器具備高保真、寬頻帶、高精度、大動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)。提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?、存?chǔ)的安全性，實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)拇髣?dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無誤碼采集、可靠存儲(chǔ)。掌握目前國際前沿?cái)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過企業(yè)的質(zhì)量體系控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)式地震儀的小型化、低功耗、高性能、智能化、高可靠性的結(jié)合，是縮短產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程、提升產(chǎn)品的質(zhì)量和一致性的關(guān)鍵點(diǎn)；掌握國際通用數(shù)據(jù)壓縮和存儲(chǔ)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式與國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式相兼容，是實(shí)現(xiàn)軟件處理的便捷性的關(guān)鍵點(diǎn)。

(4)數(shù)據(jù)質(zhì)量和環(huán)境狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)。為降低數(shù)據(jù)采集過程中的數(shù)據(jù)缺失風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，節(jié)點(diǎn)設(shè)備應(yīng)該集成節(jié)點(diǎn)電池電壓、節(jié)點(diǎn)溫度、節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)等位置信息、節(jié)點(diǎn)GNSS狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)傳感器零位狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和采集參數(shù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

(5)智能組網(wǎng)技術(shù)。通過本地?zé)o線WIFI、遠(yuǎn)程N(yùn)B-IoT(低傳輸成本)等多種傳輸方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過4G/5G實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮傳輸(壓縮率為1∶3～1∶4)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)地震波形數(shù)據(jù)的傳輸和監(jiān)控。

5 結(jié)語

由以上數(shù)據(jù)和分析可以清晰看出，目前國內(nèi)煤炭系統(tǒng)地震采集設(shè)備型號(hào)繁多、設(shè)備陳舊是突出問題，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前對勘探市場的需求。適用于煤炭系統(tǒng)勘探的可實(shí)時(shí)監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)地震儀器應(yīng)具備以下特點(diǎn)：高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度、大存儲(chǔ)量、高可靠性；低功耗、低重量、低失真、低成本；狀態(tài)可監(jiān)測、數(shù)據(jù)可回傳。

我們期待著更穩(wěn)定、更可靠的適用于煤炭系統(tǒng)地震勘探的可實(shí)時(shí)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)地震采集系統(tǒng)盡早地投入到野外生產(chǎn)施工中。