煤田地震勘探技術外業數據采集設備現狀及發展趨勢

左衛華，張晨林

(中國煤炭地質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域地質構造和煤炭資源的成煤結構形態，并可以實時解決煤炭資源開采過程中遇到的構造、地層和巖性等地質問題。隨著地震勘探技術的發展，煤炭地震勘探從二維地震向三維地震轉變，自1993年首次開展煤炭采區三維地震勘探以來，三維地震勘探在煤礦生產中已經得到廣泛應用。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展，在礦井隱蔽致災因素的探測中發揮重要作用。隨著電子信息技術的不斷革新，我國煤炭地震勘探技術的應用仍有很大的發展空間。

1 煤炭系統地震數據采集設備的需求

地震數據采集系統是地震勘探關鍵技術之一，原始地震數據采集質量關系到地震勘探資料的質量，因此地震數據采集設備是煤炭勘探技術的核心裝備保證。地震勘探數據采集系統應用于我國煤炭行業已經歷了60多年，地震勘探采集裝備從光點儀、模擬儀、數字儀、無線遙測儀到節點地震儀，這些采集系統原都是應用在石油勘探領域，從石油地震勘探應用到煤炭地震勘探，這些設備主要是國外引進，例如法國的Sercel、加拿大的Aries、美國的ION等，幾乎占據了國內外地震勘探裝備的大部分市場。目前國內也在研發生產一些地震勘探裝備，大多處于仿制和研發階段，未達到規模生產，缺少自主知識產權的核心技術，因此國家每年需要花費大量外匯去引進國外大型地震勘探裝備[1-6]。

常規地震采集設備存在笨重、受限條件多、頻帶窄和靈敏度低等缺點，尤其是高密度精細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重影響了施工效率，增加了施工成本。近幾年隨著網絡技術、存儲設備和高能鋰電池儲能技術的發展，節點設備變得更輕、更小、更集成，價格也更便宜。煤炭系統地震數據采集設備逐漸向輕量化、集成化、節點化和智能化轉變。

2 國內外地震數據采集設備歷史進展

2.1 國內發展概況

目前國內地震數據采集設備一般主要是工程地震儀，主要廠家有中地裝(重慶)地質儀器有限公司的DZG系列高分辨率地震儀、DZS深層數字地震儀、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遙測地震數據采集系統等。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，成功應用于河南煤田項目地震數據的野外采集工作，表明我國節點儀器的雛形初步形成[7-9]。

2.2 國外發展概況

20世紀末以來，地震勘探裝備從有線向無線發展，擺脫了傳輸線纜的束縛，提高裝備的輕便性。數據記錄方式從人工記錄逐步過渡到地震勘探設備自主記錄，涌現了眾多以自主記錄地震數據為設計原則的無線節點設備，例如Geospace公司的GSR節點設備，Fairfield公司的ZLand無線節點設備，INOVA公司的HAWK節點設備。目前世界上已經生產出近百萬道的陸上節點設備，進一步提高了陸上地震采集作業效率，降低了勘探成本，解決了復雜地區勘探難題。無線自主采集地震裝備同樣存在缺陷，例如設備在作業過程用戶無法實時監控地震設備工作狀態和數據質量。隨著技術的發展進步，新型節點設備可實現實時狀態監控，產品重量進一步減輕。例如：Sercel公司的WTU508節點，具備實時監控設備工作狀態能力；GTI公司的NuSeis節點總質量僅有862 g；RT3儀器具有十幾萬道帶道能力，可以實時傳輸采集數據；DTCC公司的SmartSolo節點設備價格也大幅降低。同時一些新概念的節點設備也在研發試驗中，如Total公司研制的METIS系統飛鏢節點檢波器，實現了無人直升機野外布設，可實時傳輸地震數據；BP公司的Cheetah節點設備質量只有200 g，價格幾十美元[10-12]。

目前國外節點設備的全球主要制造商大約有13家，投入生產的節點設備有14種，正在研發的新型節點設備有2種以上[13, 14]。全球地震勘探采集領域在用的節點設備已經超過百萬道，占比越來越高。圖1展示了主流節點采集單元，表1給出幾種具有代表性的節點設備產品的性能指標。

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

表1 當前典型節點地震儀器主要性能指標及特點

3 地震數據采集設備的現狀

近些年煤炭勘探項目開始使用節點地震采集系統，但是“盲采”式節點設備無法監控節點設備工作狀態，導致節點設備停止工作或被盜而造成數據缺失[15, 16]。由于煤炭地震勘探不同于石油的超大道數、超高覆蓋地震設計，對單道數據的丟失非常敏感，所以“盲采”的工作方式至今仍很難完全應用于煤炭勘探項目中。

經統計，國內煤炭系統現有地震勘探采集設備約11.7萬道(見表2)，總局系統(一勘局、水文局、江蘇局和物探院)有14800道，僅占13%。目前總局系統的大部分地震勘探采集設備已嚴重老化，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。研發一套適用于煤炭地震勘探可實時監控的國產地震采集系統，發揮“產、學、研”相結合的優勢，不僅可擺脫國外儀器廠商的壟斷，同時為總局“三個地球”建設提供強有力的裝備保障。

表2 煤炭系統主流地震勘探設備統計表

綜上所述，煤炭系統主流地震勘探設備有以下特征：

(1)道數少且分散。超過10000道的只有新疆局、吉林局和涿州云彤公司。

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

(3)高度依賴進口。煤炭系統應用的主流地震設備除河北局引進的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)生產的，其他全部是國外進口，其中法國Sercel的設備占到83.06%。

4 地震數據采集設備的發展趨勢

研制具有高動態范圍、高靈敏度、大存儲量、高可靠性、低功耗、低重量、低失真、低成本、數據可回傳的實時狀態監測節點式地震采集系統是煤炭系統地震采集設備發展的必然趨勢，但仍需解決以下幾個關鍵問題：

(1)高靈敏度、寬頻帶、大動態范圍地震傳感器。隨著煤炭地震勘探深度加深，地震探測的頻帶向低頻拓展，低頻地震探測技術受到較廣泛的關注。檢波器的頻帶寬度對地質目標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展的重要因素之一。在此基礎上利用低成本、高可靠的5～200 Hz檢波器，實現高精度、高信噪比、寬頻帶信號的接收。

(2)高精度、低功耗授時鎖相。高精度授時是節點式地震儀的重要技術指標，研究基于GPS系統授時的高精度授時鎖相技術，同時實現低功耗與高精度的技術功能。

(3)大動態范圍、低功耗、高可靠的數據采集和標準數據壓縮存儲。“兩寬一高”已成為目前地球物理勘探的主題，要求地震數據采集儀器具備高保真、寬頻帶、高精度、大動態范圍的特點。提高數據傳輸的帶寬、存儲的安全性，實現地震數據快速傳輸的大動態實時數據無誤碼采集、可靠存儲。掌握目前國際前沿數據采集、數據處理技術，通過企業的質量體系控制，實現節點式地震儀的小型化、低功耗、高性能、智能化、高可靠性的結合，是縮短產品的開發進程、提升產品的質量和一致性的關鍵點；掌握國際通用數據壓縮和存儲管理技術，實現數據格式與國際標準數據格式相兼容，是實現軟件處理的便捷性的關鍵點。

(4)數據質量和環境狀態實時監測技術。為降低數據采集過程中的數據缺失風險，實現節點數據質量控制，節點設備應該集成節點電池電壓、節點溫度、節點經緯度坐標等位置信息、節點GNSS狀態、節點傳感器零位狀態、節點數據存儲和采集參數等信息進行實時監測。

(5)智能組網技術。通過本地無線WIFI、遠程NB-IoT(低傳輸成本)等多種傳輸方式實現實時監測，通過4G/5G實現數據的實時壓縮傳輸(壓縮率為1∶3～1∶4)，實現節點質量數據或實時地震波形數據的傳輸和監控。

5 結語

由以上數據和分析可以清晰看出，目前國內煤炭系統地震采集設備型號繁多、設備陳舊是突出問題，已經不能滿足當前對勘探市場的需求。適用于煤炭系統勘探的可實時監測的節點地震儀器應具備以下特點：高動態范圍、高靈敏度、大存儲量、高可靠性；低功耗、低重量、低失真、低成本；狀態可監測、數據可回傳。

我們期待著更穩定、更可靠的適用于煤炭系統地震勘探的可實時監測節點地震采集系統盡早地投入到野外生產施工中。