煤田地震勘探技术外业数据采集设备现状及发展趋势

2021-12-29左卫华张晨林

地质装备 2021年6期

左卫华，张晨林

(中国煤炭地质总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为煤田勘探主要的地球物理方法之一，该方法可以很好地了解煤田区域地质构造和煤炭资源的成煤结构形态，并可以实时解决煤炭资源开采过程中遇到的构造、地层和岩性等地质问题。随着地震勘探技术的发展，煤炭地震勘探从二维地震向三维地震转变，自1993年首次开展煤炭采区三维地震勘探以来，三维地震勘探在煤矿生产中已经得到广泛应用。目前正向着高信噪比、高分辨率、高保真度、高清晰度、高精度和定量分析的方向发展，在矿井隐蔽致灾因素的探测中发挥重要作用。随着电子信息技术的不断革新，我国煤炭地震勘探技术的应用仍有很大的发展空间。

1 煤炭系统地震数据采集设备的需求

地震数据采集系统是地震勘探关键技术之一，原始地震数据采集质量关系到地震勘探资料的质量，因此地震数据采集设备是煤炭勘探技术的核心装备保证。地震勘探数据采集系统应用于我国煤炭行业已经历了60多年，地震勘探采集装备从光点仪、模拟仪、数字仪、无线遥测仪到节点地震仪，这些采集系统原都是应用在石油勘探领域，从石油地震勘探应用到煤炭地震勘探，这些设备主要是国外引进，例如法国的Sercel、加拿大的Aries、美国的ION等，几乎占据了国内外地震勘探装备的大部分市场。目前国内也在研发生产一些地震勘探装备，大多处于仿制和研发阶段，未达到规模生产，缺少自主知识产权的核心技术，因此国家每年需要花费大量外汇去引进国外大型地震勘探装备[1-6]。

常规地震采集设备存在笨重、受限条件多、频带窄和灵敏度低等缺点，尤其是高密度精细三维地震采集施工中，超大量的地震电缆和检波器串的使用严重影响了施工效率，增加了施工成本。近几年随着网络技术、存储设备和高能锂电池储能技术的发展，节点设备变得更轻、更小、更集成，价格也更便宜。煤炭系统地震数据采集设备逐渐向轻量化、集成化、节点化和智能化转变。

2 国内外地震数据采集设备历史进展

2.1 国内发展概况

目前国内地震数据采集设备一般主要是工程地震仪，主要厂家有中地装(重庆)地质仪器有限公司的DZG系列高分辨率地震仪、DZS深层数字地震仪、EPS系列宽频地震仪、CZS系列宽频地震仪等；骄鹏科技有限公司的Mini-seis24A/48A综合工程探测仪、SE2404EI综合工程探测仪、SE2404NT遥测地震数据采集系统等。2003年东方地球物理公司推出3S地震仪器，集成RS、GPS与GIS技术，成功应用于河南煤田项目地震数据的野外采集工作，表明我国节点仪器的雏形初步形成[7-9]。

2.2 国外发展概况

20世纪末以来，地震勘探装备从有线向无线发展，摆脱了传输线缆的束缚，提高装备的轻便性。数据记录方式从人工记录逐步过渡到地震勘探设备自主记录，涌现了众多以自主记录地震数据为设计原则的无线节点设备，例如Geospace公司的GSR节点设备，Fairfield公司的ZLand无线节点设备，INOVA公司的HAWK节点设备。目前世界上已经生产出近百万道的陆上节点设备，进一步提高了陆上地震采集作业效率，降低了勘探成本，解决了复杂地区勘探难题。无线自主采集地震装备同样存在缺陷，例如设备在作业过程用户无法实时监控地震设备工作状态和数据质量。随着技术的发展进步，新型节点设备可实现实时状态监控，产品重量进一步减轻。例如：Sercel公司的WTU508节点，具备实时监控设备工作状态能力；GTI公司的NuSeis节点总质量仅有862 g；RT3仪器具有十几万道带道能力，可以实时传输采集数据；DTCC公司的SmartSolo节点设备价格也大幅降低。同时一些新概念的节点设备也在研发试验中，如Total公司研制的METIS系统飞镖节点检波器，实现了无人直升机野外布设，可实时传输地震数据；BP公司的Cheetah节点设备质量只有200 g，价格几十美元[10-12]。

目前国外节点设备的全球主要制造商大约有13家，投入生产的节点设备有14种，正在研发的新型节点设备有2种以上[13, 14]。全球地震勘探采集领域在用的节点设备已经超过百万道，占比越来越高。图1展示了主流节点采集单元，表1给出几种具有代表性的节点设备产品的性能指标。

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

表1 当前典型节点地震仪器主要性能指标及特点

3 地震数据采集设备的现状

近些年煤炭勘探项目开始使用节点地震采集系统，但是“盲采”式节点设备无法监控节点设备工作状态，导致节点设备停止工作或被盗而造成数据缺失[15, 16]。由于煤炭地震勘探不同于石油的超大道数、超高覆盖地震设计，对单道数据的丢失非常敏感，所以“盲采”的工作方式至今仍很难完全应用于煤炭勘探项目中。

经统计，国内煤炭系统现有地震勘探采集设备约11.7万道(见表2)，总局系统(一勘局、水文局、江苏局和物探院)有14800道，仅占13%。目前总局系统的大部分地震勘探采集设备已严重老化，不能满足勘探市场的需求，因此需要开展仪器针对性的研究与攻关。研发一套适用于煤炭地震勘探可实时监控的国产地震采集系统，发挥“产、学、研”相结合的优势，不仅可摆脱国外仪器厂商的垄断，同时为总局“三个地球”建设提供强有力的装备保障。

表2 煤炭系统主流地震勘探设备统计表

综上所述，煤炭系统主流地震勘探设备有以下特征：

(1)道数少且分散。超过10000道的只有新疆局、吉林局和涿州云彤公司。

(2)设备陈旧且落后。法国Sercel的428XL和408UL基本都是10年前的设备；较新的设备有河南局引进的Sercel的508，江苏局、新疆局、西安分院、神华和甘肃局引进的Sercel的DSU1河北局引进的G3i，以及一局、山东局和辽宁局引进的SmatSolo。

(3)高度依赖进口。煤炭系统应用的主流地震设备除河北局引进的2500道G3i是合资公司(INOVA公司，中石油东方公司占51%股份、美国ION公司占49%股份)生产的，其他全部是国外进口，其中法国Sercel的设备占到83.06%。

4 地震数据采集设备的发展趋势

研制具有高动态范围、高灵敏度、大存储量、高可靠性、低功耗、低重量、低失真、低成本、数据可回传的实时状态监测节点式地震采集系统是煤炭系统地震采集设备发展的必然趋势，但仍需解决以下几个关键问题：

(1)高灵敏度、宽频带、大动态范围地震传感器。随着煤炭地震勘探深度加深，地震探测的频带向低频拓展，低频地震探测技术受到较广泛的关注。检波器的频带宽度对地质目标分辨率与信噪比的改善具有重要意义，因此成为影响和制约深部地震勘探发展的重要因素之一。在此基础上利用低成本、高可靠的5～200 Hz检波器，实现高精度、高信噪比、宽频带信号的接收。

(2)高精度、低功耗授时锁相。高精度授时是节点式地震仪的重要技术指标，研究基于GPS系统授时的高精度授时锁相技术，同时实现低功耗与高精度的技术功能。

(3)大动态范围、低功耗、高可靠的数据采集和标准数据压缩存储。“两宽一高”已成为目前地球物理勘探的主题，要求地震数据采集仪器具备高保真、宽频带、高精度、大动态范围的特点。提高数据传输的带宽、存储的安全性，实现地震数据快速传输的大动态实时数据无误码采集、可靠存储。掌握目前国际前沿数据采集、数据处理技术，通过企业的质量体系控制，实现节点式地震仪的小型化、低功耗、高性能、智能化、高可靠性的结合，是缩短产品的开发进程、提升产品的质量和一致性的关键点；掌握国际通用数据压缩和存储管理技术，实现数据格式与国际标准数据格式相兼容，是实现软件处理的便捷性的关键点。

(4)数据质量和环境状态实时监测技术。为降低数据采集过程中的数据缺失风险，实现节点数据质量控制，节点设备应该集成节点电池电压、节点温度、节点经纬度坐标等位置信息、节点GNSS状态、节点传感器零位状态、节点数据存储和采集参数等信息进行实时监测。

(5)智能组网技术。通过本地无线WIFI、远程NB-IoT(低传输成本)等多种传输方式实现实时监测，通过4G/5G实现数据的实时压缩传输(压缩率为1∶3～1∶4)，实现节点质量数据或实时地震波形数据的传输和监控。