CN101750629B - 一种差分定位随钻地震仪 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种满足随钻地震测量要求的差分定位随钻地震仪，该地震仪在钻井过程中，利用地震检波器测量钻头撞击地层产生的地震反射波，并将测量到的地震波转换为数字信号，与差分定位系统产生的位置信息、高精度GPS时标系统产生的时间信息和倾角传感器产生的地震检波器垂直信息组合，形成钻进过程中的地震数据，通过数据传输模块组成的钻井井场无线局域网，实现上述数据的高速实时传输。该装置能够实时无滞后的采集随钻地震系统中定点定时的地震波，对采集点实现高精度的差分定位，监控中心计算机可实现测线显示，精确计算道间距及偏移距，降低地震解释误差，同时利用倾角传感器，实时监测地震检波器的倾角变化。

Description

一种差分定位随钻地震仪

技术领域

本发明针对地震勘探领域中的随钻勘探新技术开发，同时也适用于石油、地质、煤炭等勘探领域，是高精度差分定位系统为基础的，可实现虚拟测线的新一代高性能实时地震数据采集系统。

背景技术

垂直地震剖面技术(VSP)是一种有效的井旁地震勘探方法。为了获取井旁垂直地震剖面，VSP数据采集时需中断钻井过程，在井中安放井下检波器，通过地面震源激发进行测量。由于在裸眼井中作业存在着风险，所以VSP测量通常在固井后进行。VSP测量是在钻井到达某一阶段时进行的，这种测量的滞后性使得人们在钻井过程中无法及时掌握钻头与目的层的相对位置，如果此时钻头已偏离目的层，就失去了调整钻头轨迹的最佳时机。而更多的情况则可能会因为费用太高或者地表条件不允许安置地面震源时，无法得到所需的井旁地震资料。

随钻地震方法以钻井作业中钻头破岩时产生的震动作为地下震源，通过安装在井架和钻杆顶端的传感器采集由钻杆传送上来的钻头震动信号，并通过地面测线上的地震仪采集经地层传播上来的钻头信号的直达波和反射波。由钻杆上采集到的信号通常称为参考信号，将参考信号经过预处理后与地面检波器的信号进行互相关和时移以及各种去噪处理，实时地确定钻头在地面地震时间剖面上的位置，并能实时地预测钻头前方的地层压力情况，从而协助钻井安全决策和优化套管设计，促进了随钻地震技术的发展。

普通地震仪系统针对大规模的地震勘探设计，设有庞大的中央控制器、绘图仪、磁带机、电台、发电机、空调、机箱、仪器车以及沉重的测线，设计测量通道为几千道甚至上万道，不适用于钻井随钻地震测量现场应用。

现有技术的地震记录系统大部分测量单元的模拟和数字组建分开设计，需要外部布线将一个或几个单元的地震检波器模拟组件与数字记录单元和遥测组件相连接，给现场施工带来许多不便。数字记录单元和遥测组件及地震传感器的操作是通过预先编程的情况下进行的，无法实时控制并监视数字记录单元和遥测组件及地震传感器。

普通地震仪通过勘探前的实验来设计检波器组的摆放位置，并计算相应的道间距和偏移距，但实际施工中由于实际环境的约束，检波器组的实际位置产生的道间距和偏移距无法保证与计算值的吻合，道间距的误差大小，直接影响到随钻地震的解释工作。另外，检波器组的倾角变化也是影响地震勘探精度的重要因素，目前的地震仪无法实现对此信息的实时监测。

发明内容

本发明的目的是为随钻勘探新技术提供地面地震数据采集支持，通过高精度的差分定位位置信息，监控中心计算机实现精确虚拟测线，计算出精确道间距及偏移距，降低地震解释误差，以获得高质量的随钻地震地面数据采集。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种满足随钻地震测量要求的差分定位随钻地震仪，它包括大动态范围地震检波器组，信号处理电路，差分定位系统，高精度GPS时标系统，WIFI数据传输模块，倾角传感器。该装置在钻井过程中，利用大动态范围的地震检波器测量钻头撞击地层产生的地震波，通过信号处理电路将测量到的地震波转换为数字信号，与差分定位系统产生的位置信息、高精度GPS时标系统产生的时间信息和倾角传感器产生的地震检波器垂直信息组合，形成钻进过程中的地震数据，基于WIFI数据传输模块形成的钻井井场无线局域网，实现上述地震数据的高速实时传输。

所述的差分定位随钻地震仪包括数据采集与处理单元、以差分定位数据为核心的特征参数单元、数据存储及传输单元三大单元，整体结构设计采用全密封防水设计，一块直径10cm的圆形电路板集成地震检波器组模拟输入、信号处理电路、差分定位系统、高精度GPS时标系统、WIFI数据传输模块、倾角传感器、大容量SD卡存储系统，外部接口为两个防水航空插头，一个为四芯插头，集成GPS天线及WIFI天线，实现地震数据双向传输、差分数据单向输入、控制指令双向传输以及GPS系统定位。另一个为两芯插头，连接大容量锂电池。

所述的数据采集及处理单元由模拟和数字两部分组成，模拟部分包括X、Y、Z三向通道模块、测试信号源、测试控制逻辑、24位Δ-∑型模数转换器。每路都含有输入保护电路、输入开关电路、低噪前置放大器芯片CS3301组成的前置处理放大电路。数字部分由数字滤波器CS5376A模块组，ARM微处理器单元及时序控制逻辑组成。

所述的特征参数单元由差分定位系统、GPS时标系统以及倾角传感器构成。

所述的GPS时标系统是指在GPS模块在接收一颗卫星以上的情况下，GPS定位有效，GPS输出精确的时间和秒脉冲信号，通过ARM微处理器把秒脉冲平均分割成更小的单位，获得微秒级的时标。当GPS定位无效时，GPS输出的秒脉冲信号不准，可以使用RTC时标系统的秒信号来代替GPS输出的秒脉冲信号，达到获得精确时标的目的。

所述的差分定位系统是指当GPS模块接收三颗GPS卫星以上时，可以提供定位信息，但GPS定位的精度为优于25m，精度无法满足钻井随钻地震测量对位置信息的要求，所以采用基准站-移动站差分定位技术来实现高精度位置信息采集。基准站-移动站差分定位技术采用两种GPS接收机。一种是基准站GPS，另一种是地震仪端GPS，并且已知基准站的坐标，在基准站建立GPS接收机基准站，通过GPS的定位数据和已知坐标点的数据解算出差分数据(RTCM)，再通过测量现场的WIFI无线局域网将误差修正参数实时播发出去，地震仪端通过数据链接收修正参数并传给GPS接收机，GPS接收修正参数后和自己的定位数据进行修正解算，即可将定位精度提高到厘米级。

所述的倾角传感器采用高精度MEMS芯片，仪器级精度，具有BIMOS信号限制电路，采用表贴工艺技术固定在电路板上，并具有自检测(Self-Test)功能，可实现BIT(Built-In-Test)检测，随温度和时间的变化仍有极好的可靠性和稳定性，测量精度可达0.15度，输出数字信号可以使监控中心实时监测地震仪的倾角变化，保证地震数据采集的精确性。

所述的数据存储及传输单元采用SD卡存储及WIFI无线局域网数据传输相结合的方式，在WIFI无线局域网被钻井现场电磁环境干扰导致通讯不畅的情况下，地震数据存储到SD卡内，SD卡容量最大支持16GB。

本发明的积极效果在于，为随钻勘探新技术提供地面地震数据支持，实现不规则三维勘探；能够适应钻井随钻地震测量的各种困难地形；实现高精度的差分定位，可用监控中心计算机实现精确虚拟测线，计算出精确道间距及偏移距，降低地震解释误差；利用倾角传感器，实时监测地震检波器的倾角变化，保证测量精度。

附图说明

图1为差分定位随钻地震仪电路示意图。

图2为以差分定位数据为核心的特征参数单元示意图。

具体实施方式

现结合说明书附图1和附图2，对本发明作进一步描述。

图1表示差分定位随钻地震仪电路示意图。地震检波器(1)采集钻头前方反射的振动信号，输出X、Y、Z三通道模拟分量，分别通过前置处理放大模块，进入双通道A/D转换芯片，输出数字信号至数字滤波器CS5376A(9)，经过设定的多级滤波后，通过SPI总线连接至ARM微处理器(12)进行处理。为了确保地震信号处理的稳定性，由数字滤波器CS5376A输出控制，令D/A测试模块(10)输出已知频率幅度的模拟信号代替地震检波器(1)输出，以检测整个采集电路的各项指标和特性。由数字滤波器CS5376A(9)提供时序逻辑(8)给整个采集电路的各个模块，对采集的数据进行同步。

ARM微处理器采集由差分定位系统(14)输出的厘米级精度的定位信息、高精度GPS时标系统(16)输出的毫秒级的时标信息、倾角传感器(17)输出的倾角变化信息，并与数字滤波器CS5376A(9)输出的地震数据组合，完成数据的处理，通过WIFI模块(11)组成的现场无线局域网，发送至监控中心。

在WIFI无线局域网被钻井现场电磁环境干扰导致通讯不畅的情况下，地震数据存储到SD卡(13)内，SD卡容量最大支持16GB。

图2是以差分定位数据为核心的特征参数单元原理框图，差分定位系统由基准站GPS接收机(20)及地震仪端GPS接收机(27)组成，并且已知基准站的坐标，基准站GPS接收机(20)获取GPS的标准定位数据(22)与已知精确坐标(21)解算出RTCM差分数据(23)，通过测量现场的WIFI无线局域网将误差修正参数实时播发出去，地震仪端GPS接收机(27)通过数据链接收修正RTCM差分数据(24)，与其本身产生的标准定位数据进行修正解算，即可获得厘米级GPS差分定位信息输出至ARM微处理器(29)进行储存处理。

GPS时标系统由地震仪端GPS接收机(27)及RTC时标系统(31)组成。GPS接收机(27)定位有效时，输出包括精确的时间和秒脉冲信号的GPS时间信息(28)至ARM微处理器(29)，把秒脉冲平均分割成更小的单位，获得微秒级的时标，当GPS接收机(27)定位无效时，GPS输出的秒脉冲信号不准，可以使用RTC时标系统(31)输出的秒信号来代替GPS时间信息(28)输出的秒脉冲信号，达到获得精确时标的目的。

倾角传感器采用高精度MEMS芯片(32)，输出倾角模拟信号至倾角传感微处理器(30)，测量精度可达0.15度，输出数字信号至ARM微处理器(29)进行存储处理，通过WIFI无线局域网使监控中心实时监测地震仪的倾角变化，保证地震数据采集的精确性。

Claims (3)

1.一种满足随钻测量要求的差分定位随钻地震仪，其特征在于：包括数据采集与处理单元、以差分定位数据为核心的特征参数单元、数据存储及传输单元三大部分，其中，数据采集与处理单元由模拟和数字两部分组成，进行地震波的采集和模数转换，特征参数单元为地震数据处理提供地理信息和GPS时标，并对检波器的倾角变化进行实时监控，数据存储及传输单元采用SD卡(13)存储和WIFI无线网络传输相结合保证数据传输的完整性；所述地震仪整体结构设计采用全密封防水设计，一块直径10cm的圆形电路板集成地震检波器(1)模拟输入，前置放大器(2)、双通道A/D转换器(5)及数字滤波器(9)组成的信号处理电路，差分定位系统(14)，GPS时标系统(16)，WIFI数据传输模块(11)，倾角传感器(17)，SD卡存储系统(13)，外部接口为两个防水航空插头，一个为四芯插头，集成GPS天线(19)及WIFI天线(18)，实现地震数据双向传输、差分数据单向输入、控制指令双向传输以及GPS系统定位，另一个为两芯插头，连接锂电池(15)；所述数据采集及处理单元由模拟和数字两部分组成，模拟部分包括X、Y、Z三向通道地震检波器模块(1)、D/A测试模块(10)、模拟交叉开关(7)、双通道24位Δ-∑型模数转换器(5)；每路都含有输入保护电路、输入开关电路、低噪前置放大器芯片CS3301组成的前置处理放大电路(2)，数字部分由数字滤波器CS5376A模块(9)，ARM微处理器单元(12)及时序控制逻辑(8)组成；GPS时标系统(16)在GPS定位有效时，利用GPS接收机(27)输出时间和秒脉冲信号，通过ARM微处理器(29)把秒脉冲平均分割成更小的单位，以此获得微秒级的时标，在GPS定位无效时，GPS接收机(27)输出的秒脉冲信号不准，可以使用RTC时标系统(31)的秒信号来代替GPS输出的秒脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的差分定位随钻地震仪，其特征在于：数据存储及传输单元采用SD卡存储(13)与无线局域网数据传输相结合的方式，在WIFI无线局域网被钻井现场电磁环境干扰导致通讯不畅的情况下，地震数据存储到SD卡内，SD卡容量最大支持16GB。

3.根据权利要求1所述的差分定位随钻地震仪，其特征在于：差分定位系统(14)可实现误差小于20cm的精度定位。

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