CN102073061A - 使用数字地听仪的地听信息高密度记录系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地听信息高密度记录系统，包括不少于四台数字地听仪、一个交叉站、两条数传电缆，数字地听仪通过数传电缆与交叉站进行通讯，数字地听仪包括三分量数字检波器或三分量MEMS传感器、滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、模/数转换器、卫星定位授时[GPS]系统、控制器及逻辑电路、传输总线接口，其中三分量数字检波器的三路输出顺序经过滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到控制器及逻辑器，控制器及逻辑电路连接有RS485接口和GPS系统，接收点由GPS系统定位。

Description

使用数字地听仪的地听信息高密度记录系统

技术领域

本发明涉及一种数字地听仪以及使用该数字地听仪的地听信息高密度记录系统，应用于石油、地质、煤田、工程勘探等领域，也可用于微地震(地下岩石破裂)监测和地下设施物体移动或震动监测。

背景技术

地听又称瓮听，最早应用于战国时期的城防战中。中国古代战争中就有用于侦测有声源目标方位的器材。据《墨子·备穴》记载：当守城者发现敌军开掘地道时，立即在城内墙下挖井，井中放置一口新缸，缸口蒙一层薄牛皮，令听力聪敏的人伏在缸上，监听敌方的动静。敌方开凿地道时所发生的音响在地下传播的速度高，而且衰减小，容易激起缸体共振，从而可以侦测地下敌人所在的方位。

石油和天然气是不可再生资源，是重要的战略物资，石油勘探仪器是地球物理勘探最为核心的装备。目前石油勘探仪器方面，长期以来我国一直处于落后的状态，国内勘探仪器基本全部依赖进口，这严重制约了我国石油地震物探事业和石油工业的发展。

人工地震(炸药埋入地表爆炸激发，可控震源车的震动)的震动引发地震波，由地表向地下传播，造成地层的反射波。本专利记录就是地层反射波的频率及幅值。

本专利将这种简易可靠的监听方法用于油田二次开发中，油田开采过程中，使用压裂、注水、注汽、加沙技术，引起油层附近岩层破裂，岩石破裂的震动波被地震检波器或MEMS传感器接收，经仪器放大、模数转换、数据处理、计算、编排、存储，根据收集到的信息，指导地下石油和天然气再次开发和利用。

可是，无论是国内还是国外，现有地震数字仪95％以上是车载仪器，体积庞大、重量大、搬运移动困难。对于有些山川河流地区，仪器车根本无法到达测线，需要人抬肩扛或直升飞机吊运，造成人力、物力上极大开销。

本专利就是针对上述不足，设计满足石油勘探、煤田勘探、矿产勘探等需要的高质量、低功耗、轻便、易操作、成本低廉的新型野外勘探仪器——数字地听仪以及使用该数字地听仪的地听信息高密度记录系统。

发明内容

本专利提供一种地听信息高密度记录系统，包括不少于二台数字地听仪、一个交叉站、两条数传电缆，数字地听仪通过数传电缆与交叉站进行通讯。

本专利是一种地听信息高密度记录系统，各地听信息高密度记录系统的交叉站之间通过无线网能够相互通讯。

此外，所述地听信息高密度记录系统中，数字地听仪包括三分量动圈式数字检波器或三分量MEMS传感器、滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、模/数转换器、卫星定位授时[GPS]系统、控制器及逻辑电路、传输总线接口，其中三分量动圈式数字检波器的三路输出顺序经过滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到控制器及逻辑器，控制器及逻辑电路连接有RS485接口和GPS系统，接收点由GPS系统定位。

进一步，所述地听信息高密度记录系统中，数字地听仪的程控放大器采用CS3301型地听放大器，数字地听仪的模/数转换器采用ADS1274高精度同步A/D转换器，数字地听仪的控制器采用FPGA和ARM2440单板机，数字地听仪的传输总线采用RS485总线，数字地听仪数据的存储装置为通过USB端口操作的U盘。

另外，所述地听信息高密度记录系统中，交叉站包括通讯接口、现场可编程门阵列[FPGA]、无线传输模块、卫星定位授时[GPS]系统、控制器、存储装置。

进一步，所述地听信息高密度记录系统中，交叉站还包括显示装置。

再者，所述地听信息高密度记录系统中，系统还通过交叉站无线网连接到震源控制中心，震源控制中心收集来自各交叉站的信息，并控制交叉站工作。

进一步，所述地听信息高密度记录系统中，震源控制中心由遥控爆炸机和带有无线收发功能接口板的手持笔计本计算机组成，遥控爆炸机能够启动震源，形成人工地震。

附图说明

图1为本专利二维地听信息高密度记录最小系统图；

图2为本专利三维地听信息高密度记录最小系统图；

图3为本专利地听信息高密度记录系统中的数字地听仪方框图；

图4为本专利地听信息高密度记录系统中的交叉站方框图；

图5为地听仪的A/D数据采集流程图；

图6为数据上传流程图。

具体实施例

如图1所示，其中示出了本专利的二维地听信息高密度记录小系统图，其可包括6台数字地听仪、一个交叉站、两条数传电缆，数字地听仪通过数传电缆与交叉站进行通讯，是一种局部集中式管理系统，图1中虽然示出了6台数字地听仪，但其数量不限于6台，2台以上的数字地听仪即可实现本专利。

如图2所示，其中示出了本专利的三维地听信息高密度记录最小系统图，其由图1所示的四个二维地听信息高密度记录最小系统构成，各交叉站之间双向通讯。

RS 485是在工业检测现场应用非常广泛的现场总线，4-6台数字地听仪通过RS485总线与交叉站相连，组成局部集中式最基本小型系统，根据需要，本领域技术人员可以多组组合，为二维或数万道三维地球物理勘探，提供满足道数需要的灵活解决方案，其无需繁重的电缆，无需主机，无需庞大的仪器车，使得地面部暑的设备数量减少，将环境影响降到最低水平。

下面对系统的各部分进行详细介绍。

如图3所示，其中示出了本专利的数字地听仪，其包括三分量数字检波器、滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、同步模/数转换器、卫星定位授时[GPS]系统、控制器(本实施例是ARM2440工业单片机)及FPGA、传输总线接口——长线传输RS485接口，其中三分量数字检波器的三路输出顺序经过滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到控制器及逻辑电路，控制器及逻辑电路带有存储功能，例如通过USB端口存入U盘，控制器及逻辑电路连接有RS485接口和GPS系统，接收点由GPS定位。本实施例中的三分量数字检波器可由三分量MEMS传感器所代替。

本专利的数字地听仪用了三个信号采集通道，既可以三个单分采集，又能进行三分量采集，达到采集灵活性，为互换使用的MEMS微机电三分量检波器店定了基础。

由于反射波，折射波受地层影响，一般情况会逐渐减弱，并受到电磁及地表风吹草动使得地下微震波形发生畸变和干扰，这就要求将这些干扰波滤除掉，再将滤波后有效波进行不失真的放大，使这些有效波控制在模数转换器最佳转换的电压幅度范围之内。这就要求程控放大器必须具有优越的噪声特性和极小的总谐波失真率的特点，放大器CS3301恰恰具有很好的噪声性能和极小的总谐波失真率的优点，正好适用于微弱信号检测领域。

将模拟地震信号放大到2-4VPP后，恰恰是AD转换器的最佳转换区间，本专利采用ADS1274是一款高精度A/D转换器，具有24位精度，是一种宽动态范围的新型A/D转换器，可实现4通道同步数据采集。ADS1274具有62kHz的带宽，最高采样频率可达128KS/s，主要特性包括：①采用差动输入方式，所以输入端可直接与传感器或微小的电压信号相连；②采用∑一Δ结构，具有宽泛的动态范围和24位无差错编码；③采用低噪声增益可编程放大器(PGA)，可扩展动态范围，提高分辨率；④内部采用三阶数字滤波器，可滤除电源波纹和其他干扰；⑤采用多种内部自校正技术，用于校正失调电压，校准满刻度误差；⑥提供SPI或FRAME-SYNC接口；⑦提供高速、高分辨率、低功耗和低速4种工作模式可以供用户选择；⑧采用独立供电，+5V模拟电源，1.8V数字电源，

通过ADS1274转换后的数字量按道序通过SPI口传入FPGA串转并后，再传入ARM2440单板机，在ARM中进行数字滤波，然后仍按道序以地球物理数据格式皙定格式[SHAKELUN]格式存入USB，另一路按标准RS485通讯模式长线(100-500M)传输送到交叉站。

工作时，地下震动信息被数字检波器或MEMS传感器接收，接收到的模拟量信息送入滤波器，去除杂波，保存有效波，此波形传送到程控放大器进行放大，再接入50/60HZ陷波器，消除外来的工业交流电干扰，再接入匹配放大器，通过匹配放大器调理后的模拟信号恰好是模数转换器的最佳输入值。三个分量X、Y、Z模拟量经过同步模数同步转换后，形成了按时序X、Y、Z逐道摆放的数字量。这种数字量经ARM工业单片机处理按SHAKELUN数据格式通过USB端口存入U盘中，U盘中数据随时可通过RS485接口长线传输，以10MBP/S上传到上位机交叉站。

由程序给数字地听仪设定识别号IP码，上位机通过这个IP码，从RS485接口中提取该数字地听仪中存储的数据。图6示出了数字地听仪的数据上传流程图。

本专利的数字地听仪具有24位分辨率，120dB的瞬时动态范围，小于0.2μV的输入噪声，具有高密度，高分辨率、大动态范围、高信噪比、高保真度以三道存贮能力。

本专利的数字地听仪采样率为1/8，1/4，1/2，1.0，2.0，4.0，8.0和16.0ms，它既适合于煤田和油气田勘探，也适合于浅层地震勘探。

本专利的数字地听仪具有独立采集和存储功能，能单独放在油田中长期监测油田开采过程、地下构造变化，可视为一个三分量或独立的三道地震仪，数台单独摆放，可用于油田开采过程中地下岩石破裂监测。

本专利的数字地听仪的电源打开后，无须人工干涉，长时间按预定程序工作，具有组建灵活、成本低的特点，维护、扩展极为方便。

如图4所示，其中示出了本专利的地听信息高密度记录系统中使用的交叉站，也称中间站，其包括通讯接口——RS485总线接口、现场可编程门阵列[FPGA]、无线传输模块——3G高速数传模块、卫星定位授时[GPS]系统、控制器——ARM工业单片机、显示装置——液晶显示器、存储装置——U盘。

交叉站接收从各个数字地听仪通过RS485接口送过来的逐道数据采集信息，经过FPGA进入数字滤波并由控制器进行短暂存储，以SEG-Y标准的地球物理格式寄存到U盘中，还可以在显示器进行波型显示，测试结果显示，参数设置显示等。

交叉站控制本系统中自检、数字地听仪指标检测、数传状态，并将结果通过无线传输模块上传到震源控制装置，震源控制装置根据各采集点的状态，进行实时监测，严格控制采集数据的质量，交叉站还将最终数据按时序和道序以特定的SEG-Y格式再次存入USB盘中，作为备份。

图5示出了数字地听仪的A/D数据采集流程图.

达到起动同步，在GPS授时脉冲控制下，所用的CLK每秒被GPS的授时秒脉冲校准，，必须同时接收到三颗卫星有效信号定位才能精确，卫星定位授时信息才能作为有效数据进行存储，数据存储后，卫星再来的第一个授时脉冲前沿作为起动脉冲。

震源控制中心由遥控爆炸机和带有无线收发功能接口板(例如3G接口板)的手持笔计本计算机组成。手持计箅机具有通过例如3G对各交叉站扫描查寻功能，实时掌控各交叉站的工作状态，再以指导各交叉站的工作。各交叉站工作正常后，指挥遥控爆炸机起爆，或发送编码信息起动震源，形成人工地震。

地听信息高密度记录系统的电源管理有自供电及外供电两种方式：

自供电：在控制器板下方放有装着12V小型具有太阳能电池板电池金属盒，通过电源插头给数字地听仪供电。

外供电：通过数传电缆由交叉站中电源站给数字地听仪供电。

供电的电缆是六芯专用电缆[四芯双绞线两芯电源线]，它仅负责传输数字化后的地震信号，所以道间距可任意改变，大大提高了野外工作效率。

由以上描述可知，本专利的数字地听仪将采集到的数据存储为SHKELUN格式的数据文件，多点采集的数据最后集中后转换成地球物理格式(SEG-Y)，以便后期进行处理、分析，获取有用信息。

后期数据处理软件的主要功能包括：

1)数据文件的读取、格式转换、波形显示、部分数据截取等基本功能。软件能同时打开多个文件，进行同步处理，并对多个文件对比处理。

3)数据的滤波、去直流、频谱分析等基本数字信号处理功能。滤波可以去除一些高频噪声，频谱分析可以分析信号的特点，有助于分析信号来源类型。

4)地震信号的自动识别。在监测过程中，系统会收到外界干扰，产生一些记录波形。软件通过一些算法自动识别哪些是真正的地震信号，而哪些是干扰。

5)震源参数计算。根据地震信号数据计算震源参数，例如P波、S波到时差，震源位置，震动方位角，震动大小等。震源参数的计算采用多种算法，并能对不同算法的计算结果进行比较。根据震源计算结果可以得到震源分布的散点图，也可以得到随时间变化的微地震散点图，对裂缝变化进行动态显示。

6)裂缝三维空间形态描述。根据对大量地震数据的计算确定裂缝的位置、方向，以及发展变化方向，并且软件以图形化的方法表示裂缝的几何形态及变化趋势。

本专利地听信息高密度记录系统在数据采集过程中进行数字滤波，在地球物理勘探过程中属于首例，更利于有效波显示，提高原始记录信噪比

本专利地听信息高密度记录系统在华北油田，辽河油田，中原油田，四川，广西，陕北等油井压裂过程中进行实地监测。

本专利的地听信息高密度记录系统与现有技术比较具有明显技术优势和有益效果，如下：

1、本发明改变了原石油地球物理勘探的布站方法，参见对比表1、表2

表1：地听信息高密度记录系统(多站局部集中式)与进口常规布站比较表

表2：石油地球物理勘探常用野外数据采集仪器与地听信息高密度记录系统主要功能对比表

2、GPS秒脉冲是地听信息高密度记录系统记时基准，在二维或三维施工中，无论采用多少台数字地听仪，计时系统都由GPS脉冲进行同步。

3、具有实时监控功能，信息记录准确可靠，后期地质资料处理与常规勘探资料处理相同，只需将SEG-Y格式资料U盘交计算中心，或自编排后通过ENTER网发往计算中心。

4、地听信息高密度记录系统中所采用的数字地听仪，交叉站都由本人自行设计.是本发明重要组成部份。

上述实施例仅是优选的和示例性的，本领域技术人员例如可以根据本专利的描述，采用不同的放大器、模数转换器、控制器、传输总线、存储装置等来实现本专利，其都由本专利的保护范围所覆盖。

Claims (8)

1.一种地听信息高密度记录系统，包括不少于二台数字地听仪、一个交叉站、两条数传电缆，数字地听仪通过数传电缆与交叉站进行通讯。

2.一种地听信息高密度记录系统，包括不少于二个的如权利要求1所述的地听信息高密度记录系统，各地听信息高密度记录系统的交叉站之间能够相互通讯。

3.如权利要求1或2所述的地听信息高密度记录系统，其中数字地听仪包括三分量动圈式数字检波器或三分量MEMS传感器、滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器、模/数转换器、卫星定位授时[GPS]系统、控制器及逻辑电路、传输总线接口，其中三分量动圈式数字检波器的三路输出顺序经过滤波器、程控放大器、50/60HZ陷波器、匹配放大器后到达同步模/数转换器，经转换后输入到FPGA，数据经FPGA串转并后送入单片机，单片机连接有RS485接口和GPS系统，接收点由GPS系统定位。

4.如权利要求3所述的地听信息高密度记录系统，其中数字地听仪的程控放大器采用CS3301型放大器，数字地听仪的模/数转换器采用ADS1274高精度A/D转换器，数字地听仪的控制器采用ARM2440单板机，数字地听仪的传输总线采用RS485总线，数字地听仪的控制器及逻辑器的存储装置为通过USB端口操作的U盘。

5.如权利要求1或2所述的地听信息高密度记录系统，其中交叉站包括通讯接口、现场可编程门阵列[FPGA]、无线传输模块、卫星定位授时[GPS]系统、控制器、存储装置。

6.如权利要求5所述的地听信息高密度记录系统，其中交叉站还包括显示装置。

7.如权利要求1或2所述的地听信息高密度记录系统，该系统进一步通过交叉站连接到震源控制中心，震源控制中心收集来自各交叉站的信息，并控制交叉站工作。

8.如权利要求7所述的地听信息高密度记录系统，其中震源控制中心由遥控爆炸机和带有无线收发功能接口板的手持笔计本计算机组成，遥控爆炸机能够启动震源，形成人工地震。

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