節(jié)點(diǎn)技術(shù)在煤炭系統(tǒng)地震勘探采集儀器中的應(yīng)用

張晨林 左衛(wèi)華

摘要：地震勘探作技術(shù)為一種重要的勘探方法，可以經(jīng)濟(jì)、有效的發(fā)現(xiàn)資源和解決資源開(kāi)采過(guò)程中遇到的構(gòu)造、地層、巖性等問(wèn)題。煤炭地震勘探發(fā)展過(guò)程中地震野外數(shù)據(jù)采集、地震數(shù)據(jù)處理和地震解釋都取得了重大成就，隨著節(jié)點(diǎn)技術(shù)在地震勘探方面的廣泛應(yīng)用，本文在介紹無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)與無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備分類的基礎(chǔ)上，闡述了礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了GSR采集設(shè)備在煤炭系統(tǒng)地震勘探中的應(yīng)用，文章最后也結(jié)合時(shí)代特征，分析了節(jié)點(diǎn)在新一代煤炭系統(tǒng)地震勘探采集儀器中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：節(jié)點(diǎn)技術(shù);煤炭系統(tǒng);地震勘探

引言

在地球物理勘探技術(shù)手段中，地震勘探是分辨率最高的構(gòu)造探測(cè)技術(shù)。在地面物探中，地震勘探成為石油天然氣、煤炭資源勘查的首選技術(shù)。但是，煤礦井下地震勘探技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用相對(duì)滯后。究其原因，一是煤礦井下地震勘探的介質(zhì)條件既非半空間又非全空間，波場(chǎng)傳播規(guī)律非常復(fù)雜，難以將地面上成熟的二維、三維地震勘探技術(shù)不加改變地直接移植到井下;二是相對(duì)于電磁法探測(cè)手段而言，適于煤礦井下地震勘探的本安型、便攜式、多通道儀器較少，地震儀器成為制約煤礦井下地震勘探技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。因此，急需對(duì)煤礦井下地震勘探技術(shù)與裝備開(kāi)展研究，以發(fā)揮煤礦井下地震勘探技術(shù)的用途。依托國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目的支持，開(kāi)發(fā)出基于節(jié)點(diǎn)式、存儲(chǔ)型、無(wú)纜、便攜、本安防爆的礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀，適應(yīng)了煤礦井下高精度槽波地震探測(cè)的技術(shù)需求。

一、無(wú)線節(jié)點(diǎn)儀器介紹

1.1無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)傳統(tǒng)的有線地震采集系統(tǒng)，應(yīng)用無(wú)線節(jié)點(diǎn)開(kāi)展地震采集具有以下優(yōu)勢(shì)：①?zèng)]有數(shù)據(jù)傳輸帶寬的限制，理論上采集道數(shù)可無(wú)限擴(kuò)展，為超高密度地震采集奠定了基礎(chǔ)，提高了地震勘探解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的能力;②消除村莊、工農(nóng)業(yè)場(chǎng)站等復(fù)雜地表?xiàng)l件對(duì)接收排列的制約，可實(shí)現(xiàn)接收點(diǎn)的準(zhǔn)確放樣（聶明濤等，2016;史子樂(lè)等，2019;路交通等，2020）;③在野外放樣完成后，即刻開(kāi)始自主不間斷接收地震數(shù)據(jù)，不存在排列不通的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)接收;④接收的地震數(shù)據(jù)存貯在各個(gè)節(jié)點(diǎn)終端，采集完成后回收至室內(nèi)的連續(xù)記錄（母記錄），可在室內(nèi)靈活定義切分單炮使用的接收排列，根據(jù)地震資料處理的需要增加采集實(shí)際覆蓋次數(shù)，改善地震資料品質(zhì)。

1.2無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備分類

無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)備繁多，需要結(jié)合地表?xiàng)l件、勘探目標(biāo)、生產(chǎn)高效管理等多種因素，優(yōu)選出符合生產(chǎn)項(xiàng)目的最優(yōu)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。國(guó)際物探設(shè)備市場(chǎng)主流節(jié)點(diǎn)設(shè)備至少有七種類型，傳統(tǒng)有線采集設(shè)備公司開(kāi)發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)備爭(zhēng)奪節(jié)點(diǎn)市場(chǎng)份額，如Sercel公司Unite INOVA公司Hawk節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要外接檢波器電源，增加野外施工工序及難度，但可與其有線系統(tǒng)兼容，視為其有線采集系統(tǒng)補(bǔ)充，該優(yōu)勢(shì)是其它節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)所缺失的;Geospace GSX節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要外接電源及檢波器，且設(shè)備相對(duì)笨重，增加野外施工難度與勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)備暴露地表存在較大丟失風(fēng)險(xiǎn);Sercel是比較著名的歐洲大陸采集設(shè)備的開(kāi)發(fā)商，其開(kāi)發(fā)的UniteRAU，節(jié)點(diǎn)儀器，也得到了較為良好的應(yīng)用。該設(shè)備的優(yōu)勢(shì)較為明顯，其內(nèi)容存量足夠大，達(dá)到了8GB之多，在全世界范圍內(nèi)也首屈一指。其供電方式更為靈活，采用了備用內(nèi)置電池，也可根據(jù)用戶需求使用外部電池。其具有靈活的數(shù)據(jù)回收方式，不但能夠和其它節(jié)點(diǎn)設(shè)備一樣，采用站體整體回收連線下載的方式，也可以采用Harcester與CAN的連接，對(duì)野外1km范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)加以回收。該設(shè)備能夠和傳統(tǒng)有線采集設(shè)備428XL聯(lián)合使用，滿足不同人群的使用需求。另外，設(shè)備的供電能力、內(nèi)存能力十分強(qiáng)大，能夠確保在野外環(huán)境中，保持較長(zhǎng)的連續(xù)工作時(shí)間。這些不同的無(wú)線節(jié)點(diǎn)儀器，能夠?qū)Σ煌瑢哟挝锾叫枨蠹右詽M足。如果單從勞動(dòng)量、操作難度上來(lái)說(shuō)，GSR顯然更具優(yōu)勢(shì)，特別是經(jīng)過(guò)具體項(xiàng)目實(shí)踐，也證明其記錄時(shí)間長(zhǎng)、重量輕、操作簡(jiǎn)單等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。具體參數(shù)見(jiàn)表1所示。

綜合節(jié)點(diǎn)設(shè)備各種系統(tǒng)參數(shù)特性，考慮施工強(qiáng)度、作業(yè)成本、項(xiàng)目周期、勘探目標(biāo)等因素，最終選擇Nuseis節(jié)點(diǎn)作為某地震采集項(xiàng)目施工設(shè)備。一方面能夠減少野外作業(yè)人員及車(chē)輛，減少成本，在復(fù)雜地表?xiàng)l件下利于布設(shè)掩埋，具有較好隱蔽性，減少被盜風(fēng)險(xiǎn);另一方面續(xù)航時(shí)間符合施工周期、良好耦合特性提升數(shù)據(jù)品質(zhì)。Nuseis節(jié)點(diǎn)采集站內(nèi)置24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、10Hz檢波器、瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍127db。

二、礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)要求

在煤礦井下開(kāi)展槽波地震勘探的儀器，應(yīng)該滿足以下基本需求[31）本安防爆。這是通用的強(qiáng)制性技術(shù)要求。

在煤礦井下有瓦斯、煤塵等爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中使用的所有設(shè)備，其防爆性能必須符合CB3836.1-2010《爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求》和GB 3836.4-2010《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型““保護(hù)的設(shè)備》的相關(guān)規(guī)定。

2）技術(shù)先進(jìn)。這是基本的推薦性技術(shù)要求。

在煤礦井下溫度、濕度、煤塵等復(fù)雜工況條件下，儀器工作要滿足高穩(wěn)定性、高可靠性、低功耗、長(zhǎng)時(shí)間采集等特殊要求;在性能指標(biāo)上，以滿足探測(cè)需要為前提，盡可能實(shí)現(xiàn)高采樣率、大動(dòng)態(tài)范圍、可靈活擴(kuò)展、適應(yīng)性強(qiáng)等。

3）施工快捷。

這是可選的推薦性技術(shù)要求。在煤礦井下開(kāi)展地震勘探時(shí)，作業(yè)區(qū)附近的生產(chǎn)活動(dòng)必須停止，這就要求儀器便攜、施工快捷、工序簡(jiǎn)單、用人較少等。

2.2設(shè)計(jì)理念

礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀的設(shè)計(jì)理念可以概括為“節(jié)點(diǎn)式設(shè)計(jì)、獨(dú)立型激發(fā)、分布式采集、三通道存儲(chǔ)、集中式回收”，這些設(shè)計(jì)理念較好地呼應(yīng)了煤礦井下地震儀器設(shè)計(jì)的客觀需求，其主要特點(diǎn)體現(xiàn)在[4-5：

1）節(jié)點(diǎn)式設(shè)計(jì)是指儀器無(wú)主機(jī)、無(wú)大線、無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)式地震儀集傳統(tǒng)的分布式儀器的主機(jī)、采集站、交叉站、電源站于一體，可以靈活布設(shè)、方便采集，但又遵守統(tǒng)一的時(shí)間約定。

2）獨(dú)立型激發(fā)是指可以獨(dú)立同時(shí)激發(fā)（ISS，independent simultaneous shooting）方式采集，對(duì)震源激發(fā)時(shí)間不作任何制約，可在確保安全的情況下同時(shí)放炮，大幅提高了作業(yè)效率，縮短了采集時(shí)間。

3）分布式采集是指以各個(gè)節(jié)點(diǎn)式地震儀為單元，按照設(shè)計(jì)的位置布設(shè)接收點(diǎn)，獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集道數(shù)可以自由擴(kuò)展。

4）三通道存儲(chǔ)是指每臺(tái)節(jié)點(diǎn)式地震儀設(shè)計(jì)為3個(gè)通道，可以滿足三分量采集的需求。

5）集中式回收是指井下數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，全部數(shù)據(jù)在回到地面后利用高速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中回收。

綜上可知，基于“節(jié)點(diǎn)式設(shè)計(jì)、獨(dú)立型激發(fā)、分布式采集、三通道存儲(chǔ)、集中式回收”的儀器設(shè)計(jì)理念，礦用節(jié)點(diǎn)式地震儀實(shí)現(xiàn)了本安防爆、技術(shù)先進(jìn)、施工快捷的要求，每個(gè)采集通道的折合質(zhì)量約1 kg，為煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

三、GSR采集設(shè)備在煤炭系統(tǒng)地震勘探中的應(yīng)用

3.1 ?GSR儀器設(shè)備簡(jiǎn)介

OYO GeoSpace 公司開(kāi)發(fā)的 GSR 無(wú)線節(jié)點(diǎn)儀器（圖 1），是一種無(wú)線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有輕便、靈活、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，可適應(yīng)不同環(huán)境要求的地震數(shù)據(jù)采集儀器，具有野外采集部分和室內(nèi)下載及合成功能。GSR 無(wú)線節(jié)點(diǎn)外觀見(jiàn)圖 1。

GSR 節(jié)點(diǎn)儀器的野外數(shù)據(jù)采集部分由采集站、電池和檢波器串構(gòu)成。 GSR 采集站內(nèi)置 24 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 4 GB/8 GB 存儲(chǔ)卡、內(nèi)置測(cè)試信號(hào)發(fā)生器及高靈敏度內(nèi)置 GPS 接收器等，功能齊全，每站可接收 1 — 4 道近 30 天可連續(xù)記錄。

GSR系統(tǒng)的室內(nèi)下載及合成包括質(zhì)控和數(shù)據(jù)處理部分。GSR節(jié)點(diǎn)儀器采集數(shù)據(jù)經(jīng)DTM（Digital Terrain Model）單元，將原始數(shù)據(jù)下載至磁盤(pán)陣列，經(jīng)由處理系統(tǒng)處理，形成連續(xù)道集的SEGD文件。該文件每道長(zhǎng)度為60s，每個(gè)站每天生成1個(gè)SEGD文件。截取的每次激發(fā)的有效地震數(shù)據(jù)，是通過(guò)震動(dòng)源記錄終端得到的SIT表或者激發(fā)儀器的操作員電子板報(bào)所得，故SIT表記錄每次激發(fā)的GPS時(shí)間。

GSR無(wú)線節(jié)點(diǎn)采集系統(tǒng)一般由GSR、檢波器和電池組成，應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)圖2。

通過(guò)實(shí)例應(yīng)用，可知GSR無(wú)線節(jié)點(diǎn)儀器具有以下優(yōu)勢(shì)：①穩(wěn)定的工作特性，使得節(jié)點(diǎn)儀器較大減少了建排列和差排列的時(shí)間，避免了有線儀器因大線或者少數(shù)電源站不通致使停止采集的現(xiàn)象，為野外作業(yè)提高效率;②實(shí)現(xiàn)了無(wú)限大道數(shù)據(jù)采集，使得采集設(shè)備減少，以致于對(duì)野外施工人員和運(yùn)載車(chē)輛的需求大幅減少，降低了項(xiàng)目運(yùn)作成本;③采集站間無(wú)大線鏈接，避免部分外界因素產(chǎn)生的干擾，降低采集站噪音水平，提高資料信噪比;④GSR無(wú)線節(jié)點(diǎn)儀器適用于復(fù)雜地表，滿足在山地、高風(fēng)險(xiǎn)雷區(qū)及牧區(qū)等復(fù)雜地帶區(qū)域的施工要求，有效規(guī)避有線儀器架設(shè)過(guò)路線造成的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

3.2設(shè)備組成簡(jiǎn)介

GSR是一種新型無(wú)線地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輕便、靈活、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、可適應(yīng)不同環(huán)境要求的自主存儲(chǔ)式節(jié)點(diǎn)式地震數(shù)據(jù)采集儀器。

3.2.1野外采集部分

GSR采集系統(tǒng)的野外數(shù)據(jù)采集部分由采集站、電池（如圖1所示）和檢波器串三部分組成。GSR采集站功能齊全，內(nèi)置24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、高靈敏度內(nèi)置GPS接收器等。

3.2.2質(zhì)控部分Line view查線助手

Line view外形類似便攜式的手提電腦，如圖3所示，具有無(wú)線監(jiān)測(cè)功能，能夠藍(lán)牙搜索到設(shè)定范圍內(nèi)采集單元查線時(shí)刻多種信息，主要包括已采集數(shù)據(jù)量、GPS信號(hào)、坐標(biāo)、檢波器連接、檢波器埋置等常規(guī)采集儀器所能獲得的一切質(zhì)控信息。查線過(guò)程中或者室內(nèi)質(zhì)控時(shí)發(fā)現(xiàn)該道存在任何問(wèn)題，可及時(shí)采取相應(yīng)整改措施，如更換電瓶、重新連接和埋置檢波器等。

3.2.3數(shù)據(jù)處理部分

主要包括數(shù)據(jù)下載單元、磁盤(pán)陣列、數(shù)據(jù)管理單元（工作站）、電池充電設(shè)備（如圖2所示）等。正常的倒排列期間需要將GSR采集單元和電瓶分別拉回營(yíng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和充電工作。GSR節(jié)點(diǎn)采集儀器的關(guān)鍵在于高精度的時(shí)鐘系統(tǒng)和穩(wěn)定的記錄系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中GSR內(nèi)置每6min左右時(shí)鐘與GPS進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)，確保內(nèi)部時(shí)鐘的精度，室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)使用GoeMerge軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)將這些時(shí)間信息標(biāo)記在數(shù)據(jù)道頭上，作為后續(xù)數(shù)據(jù)切割的標(biāo)記。切分用的每一炮的TB來(lái)自于激發(fā)系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器，由安裝在激發(fā)源上的輔助記錄設(shè)備如SDR或DSG進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)切分主要是按照每一炮的TB將對(duì)應(yīng)的有效地震信息從連續(xù)道集內(nèi)分割出來(lái)，并完成數(shù)據(jù)的相關(guān)。

3.2.4儀器一致性差異解決

在具體的工作中，為了降低施工成本和確保復(fù)雜區(qū)域檢波點(diǎn)布設(shè)點(diǎn)位的正點(diǎn)率，通常將GSR無(wú)線節(jié)點(diǎn)地震采集儀器與傳統(tǒng)有線地震采集儀器聯(lián)合采集施工。筆者單位使用的是法國(guó)Sercel公司的428XL有線數(shù)字地震采集儀。由于來(lái)自不同的生產(chǎn)商，其硬件指標(biāo)、參數(shù)不同，兩套儀器之間會(huì)存在一致性差異，這種差異會(huì)造成數(shù)據(jù)處理的比較差異。在采集工作中，需要檢查計(jì)算兩套儀器之間的系統(tǒng)延遲差異（主要是首樣點(diǎn)的取值方式），并通過(guò)修改GSR地震預(yù)處理軟件的軟件算法以統(tǒng)一儀器首樣點(diǎn)的取舍，使兩種儀器保持一致性。

四、節(jié)點(diǎn)在新一代煤炭系統(tǒng)地震勘探采集儀器中的應(yīng)用

在2013年，Sercel公司推出了新一代地震勘探儀器，508XT，儀器應(yīng)用X-Tech構(gòu)架，改變了傳統(tǒng)儀器的理念，對(duì)節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，以期達(dá)到1百萬(wàn)道以上的帶道能力。在該設(shè)備當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了有線設(shè)備、無(wú)線設(shè)備Unite的良好融合，實(shí)現(xiàn)了理想的混用模式。同時(shí)，對(duì)428XL的便捷功能加以繼承，極大的簡(jiǎn)化了野外設(shè)備。在508XT系統(tǒng)當(dāng)中，沒(méi)有設(shè)置獨(dú)立的電源站、交叉站等設(shè)備，由CX-508地面設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了數(shù)傳單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、野外控制等功能。系統(tǒng)應(yīng)用了節(jié)點(diǎn)技術(shù)，CX-508實(shí)際上就是1個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，其內(nèi)部的內(nèi)存冗余達(dá)到了4GB，在每個(gè)CX-508中，通過(guò)排列均能夠管控74道DSU-508，或64道FDU-508。另外CX-508不但能夠?qū)?jié)點(diǎn)單元進(jìn)行管理，同時(shí)可發(fā)揮交叉站的功能，提升光纜交叉線的傳輸速率，達(dá)到1Gbps以上。此外，由于結(jié)合了CX-508單元、節(jié)點(diǎn)技術(shù)，在大線傳輸中，能夠達(dá)到40 Mbps的速率。

與所有的節(jié)點(diǎn)儀器一樣，508XT對(duì)GPS的依賴性很強(qiáng)，地面設(shè)備CX-508和Unite Rau等都內(nèi)置了GPS GPS除了同步采集之外，對(duì)于RAU還有定位甚至防盜的作用。508XT可以實(shí)現(xiàn)有線和無(wú)線RAU的混用，如圖4所示。無(wú)線的設(shè)備也可以通過(guò)CX-508實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的QC信息，當(dāng)有線排列“失聯(lián)”之后，CX-508啟動(dòng)無(wú)線工作模式，除了不能回傳地震采集數(shù)據(jù)外，實(shí)時(shí)QC電瓶管理等信息可以通過(guò)無(wú)線回傳，此時(shí)的CX-508無(wú)線最大回傳距離為1 km。

結(jié)論

經(jīng)過(guò)近些年快速發(fā)展，無(wú)線地震采集系統(tǒng)已經(jīng)成為煤炭系統(tǒng)地震勘探重要組成部分，雖然存在節(jié)點(diǎn)儀器狀態(tài)、環(huán)境噪音無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控的盲采弊端，存在節(jié)點(diǎn)丟失、被盜等風(fēng)險(xiǎn)，但節(jié)點(diǎn)儀器發(fā)展的潮流無(wú)法阻擋，且逐漸朝著輕便低廉、智能化、自動(dòng)化部署等方向發(fā)展，使得百萬(wàn)道級(jí)地震采集未來(lái)成為可能，預(yù)計(jì)未來(lái)在地震采集市場(chǎng)中將占據(jù)越來(lái)越多市場(chǎng)份額。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，靈活及高密度的節(jié)點(diǎn)采集使得地震數(shù)據(jù)品質(zhì)得到提升，驗(yàn)證了無(wú)線節(jié)點(diǎn)采集的有效性、可靠性及優(yōu)越性，相信未來(lái)越來(lái)越多煤炭系統(tǒng)公司將傾向于采用節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地震勘探部署。

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[9] 黃光南. 一種基于節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的地震走時(shí)層析成像方程[C]// 2015中國(guó)地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì). 0.

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[11] 雷坤乾. 節(jié)點(diǎn)在新一代地震勘探采集儀器中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量， 2018， 038（002）：84-85.