一种无线节点仪布放设备的研制

刘 斌 朱 静 魏 冰 葛雪钦 蒋 伟

（中石化石油工程地球物理有限公司科技研发中心，江苏 南京 210000）

0 引言

随着地震勘探技术的不断发展，勘探设备也越来越先进，为了满足高效率、低成本、高质量地震勘探的需求，无线节点仪的推广应用越来越广泛。目前推广应用较好的节点仪有美国的Nuiseis、中国DTCC 的SmartSolo、中石油BGP 的Quantum、中石化SGC 的I-nodal。目前国内、外无线节点仪已经进入大规模应用阶段，节点仪在生产中的应用改变了传统的放炮模式和质控模式，取得了较好的应用效果。但是，目前国内、外节点仪配套的自动布放设备的研发还处于起步阶段，要生产出无线节点仪智能化的辅助布放设备及相应的配套软件，需要有专业的研发团队，且在机械自动化、人工智能、通信技术等方面具有较强的优势及相关研发经验。节点仪布放设备的研发主要是研发一种定位精度高、布放效率快、布放效果好、地形适应性强的节点仪布放设备，以解决以往人工布设效率低、成本费用高、健康、安全、环保（HSE）风险高等问题，达到自动化施工简便高效、布放效果满足要求的目的。该研究团队针对目前地震采集生产中主流节点仪的设备型号、尺寸和基本性能，研发了一种节点仪自动布放设备，大幅提高了节点仪布放效率。

1 工作原理

该节点仪自动布放设备如图1 所示，其包括布放机械装置和运载小车两部分，通过油料发电机向整体设备的布放，包括移动小车行进移动、取土装置掘进、节点仪投放、压实等布放过程提供总动力。其在-40℃～+80℃环境中具有长期可靠的工作能力，在油料充足条件下可持续提供动力。节点仪布放机械装置由连续掘土装置、掩埋装置、投料装置、工作小车平台、柴油发电机、液压泵、液压缸、控制单元、辅助元件、回收装置以及控制配件组成。节点仪自动布放的核心是节点仪布放装置控制技术，它是以时继为控制核心，通过设计控制电路、硬件接口电路，完成布放的联动自运行控制。

该设备用于无线节点仪的掘孔、投料、掩埋、压实的布放过程。整个节点仪的布放可实现半自动化操作，可与卫星通信并实现精准定位，自动输送节点仪至指定位置，进行布放，还可根据需要设定布放深度和速度，布放作业时仅需1人将节点仪进行批量上料并操作控制系统，即可实现节点仪在施工现场连续自动布放。该设备可在沙地、草原和泥地等软地表平坦地区直线推进布放，确保孔不被重埋，把节点仪精确地送入孔内，回填后将土壤压实，确保节点仪耦合良好。

图1 节点仪自动布放设备示意图

1.1 连续掘掩技术

（1）活塞杆外伸压入掘进。如图2 所示，活塞杆在a 状态开始下压掘进表土层，在b 状态达成预期行程，完成掘进动作。若在行进中阻力较大，可在随行气管中加压，辅以高压气体吹动土料，形成局部松动和预置空间。

（2）活塞杆回缩上拎掩埋。如图2 所示，活塞杆在b 状态下无须停留，即刻向上回缩，打开前端口。在重力作用下，工件前端会压入土料，前端拉链打开后，即可拨动土质完成取土动作。

（3）确保孔不被自行填充。如图2 的b 状态所示，在主筒隔离作用下，确保冲出孔后孔不被自行填充，给节点仪留有充足的空间。该设备具有在沙地、泥地及较软的土壤中钻孔（孔深度80mm～200mm，孔径可根据需求进行调整）的能力。

（4）节点仪投放与埋置。如图2 的c 状态所示，节点仪顺着投料筒滑入挖好的孔洞中，主筒装置底端对其做进一步压实，然后再上升至原来的高度。

1.2 联动投料技术

（1）前端闭合与投料止动互逆联动。如图3 的a 状态所示，上拎时止动卡（图3 中C1 所示）上移，传动侧板（图3 中C2 所示）与下端铰链板联动同步打开，节点仪进入投料筒后被固定在上方。待活塞杆上提并完成取土后，节点仪才进入主筒装置，准备投放。在b 状态下则相反。

图2 连续掘掩过程

图3 联动投料过程

（2）重力作用自动进料。如图3 的b 状态所示，在重力作用的推动下侧板（图3 中C3 所示）下压，铰链板（图3中C4 所示）闭合，止动卡（图3 中C1 所示）下移，节点仪在重力作用下进入主管下端，完成自动进料。

（3）节点仪存储箱可根据节点仪的外形尺寸进行调整或更换，一次装载节点仪的数量不少于100 只。

（4）适用环境。该设备可在-50℃～+80℃环境中长期、可靠工作，能在雨、雪等恶劣天气条件下正常工作。

1.3 压紧耦合与回填技术

该设备能精确地将节点仪送入孔内并压实周围土壤，确保节点仪与大地良好耦合良好。打孔的形状与尺寸可根据实际需求进行调整或更换，以确保放置后节点仪与大地能良好地耦合。

（1）回填土料。其主要来源有三类，一是上拎主筒时，前端铰链打开流入的土料；二是在上拎过程中，在侧方切口作用下切入侧面的土料进入主管对工件孔进行回填；三是加压吹管（备选），由上层向下吹入的土料。如图4 所示。

（2）压实方式。如图5 所示，该设备在a 状态下完成掘进、掩埋后，再次下压至b 状态，以短行程压实回填土和工件，加强节点仪与大地的耦合。

（3）整个布放过程1 人即可完成，并能在50 秒内完成1 个节点的布放。

2 主要结构

该设备整体结构简洁、紧凑，如图6 所示，其结构集成高，并配以人机交互界面，易于操作及维护。气动件具有较好的密封性能，可满足在野外施工的防尘、防雨、防风及照明需求，并具有有较好的防腐蚀、防日晒性能。

其三轮车架由方管焊接而成，表面以烤漆处理，具有一定的防锈能力，还具有一定的自重，可以减轻由于布放车移动和气缸运动带来的振动。相应位置设有连接孔，便于安装其他部件。三轮车机动性能强，通过地形复杂或沟、坎较多的路段时有较好的灵活性、安全性。

2.1 主筒装置

主筒装置包括上端侧弯部、下端竖直部、外侧吹管好侧面切口等，如图7 所示。主筒装置是下压取土、临时存放节点仪和投放节点仪的主要通道，其上端采用65°的坡度设计，便于节点仪在重力作用下自动滑落投入上一步钻好的孔洞中。

图4 回填土料

2.2 联动装置

联运装置如图8 所示，主要由止动卡、前端铰链板和侧面推杆组成，可形成止动与前端开合的同步互逆联动。

图5 压实过程

2.3 对心装置

对心装置采用球形对心方式，如图9 所示，其可在重力场作用下确保主筒指向地心，同时设置锁紧装置，有一定夹紧力，可确保稳固推进，也可主动设置倾斜角度压入。

图6 整体结构

图7 主筒装置

3 控制系统

根据节点仪布放使用指标和技术要求，该设备支持扩展选用PLC 作为控制器，扩展北斗定位系统接收器之间数据的发送与采集，并对采集数据进行解码。该设备可实现对无线节点仪的掘孔、取土、投料、掩埋及压实的联动布放过程的控制，对整个节点仪的布放可实现半自动化操作，且能自动输送节点仪至指定位置进行布放。可根据需要设定布放深度和速度。随着装载布放装置的小车向前移动，可连续自动地埋置节点仪。布放作业时仅需1 人即可完成。

3.1 行程自控

机械限位式行程自控如图10 所示，通过设置可调上、下限位，实现对活塞杆的行程控制，从而限制压入深度。

图8 同步互逆联动装置

图9 对心装置

图10 机械限位式行程控制

3.2 手动控制

通过手动操作节点仪布放装置的控制面板，包括油泵的启动、运行和停止，活塞杆的升、降，投料装置的单动和联动等布放动作，可实现对节点仪的半自动化高效布放。

4 结语

该文介绍的节点仪布放设备从孔洞掘进、取土、联动投料到最后的压紧回填，整个流程可在控制系统的控制下自动完成，并在江苏农田区施工现场进行了测试应用，取得了较好的应用效果。具体测试数据如下。1） 节点仪坑洞掘进。在30s 内完成了直径14cm、深度16cm～24cm 的深度掘进。2） 节点仪竖直投料技术。在15s 内将节点仪自动滑入坑洞成竖直状态，前部尖端耦合良好。3）节点仪压紧耦合与回填土技术。在20s 内完成了回填土，30s 内可进一步压紧耦合。4） 连续掘进、掩埋控制技术。在60s 内完成了一个工作周期的连续运行。节点仪布放状态和大地耦合基本达到平、稳、正、直且紧的要求，在平坦地区能够实现节点仪自动化高效布设。通过在江苏、山东的地震勘探节点仪采集作业的现场应用，初步实现了节点仪自动化布设，保证了生产进度，降低了人工成本，提高了生产效率。