隨鉆地震地面地震數(shù)據(jù)采集裝置研制

1、隨鉆地震地面地震數(shù)據(jù)采集裝置研制鉆井信息中心 許海庭 曹忠誠 魏茂安 一、項目背景隨鉆RVSP技術(shù)是以鉆井作業(yè)中鉆頭破巖時產(chǎn)生的振動作為地下震源，通過安裝在井架和鉆桿頂端的傳感器采集由鉆桿傳送上來的鉆頭振動信號（通常稱為參考信號），并通過地面測線上的檢波器排列采集經(jīng)地層傳播上來的鉆頭信號的直達(dá)波和反射波，將參考信號經(jīng)過預(yù)處理后與地面檢波器的信號進(jìn)行互相關(guān)、時移以及各種去噪處理后，進(jìn)行地層特征評價。隨鉆RVSP原理示意圖見圖1。圖1隨鉆RVSP原理示意圖目前國外隨鉆地震系統(tǒng)地面測線采集采用的大多是石油物探的儀器和設(shè)備，并且按照石油物探的方法來進(jìn)行布置和測量，儀器設(shè)備數(shù)量多，連續(xù)記錄時間短，數(shù)據(jù)資

2、料的處理與解釋都需要專業(yè)操作人員和處理解釋軟件，這些專業(yè)軟件對于鉆井工程師來說一般不易掌握，需要物探專業(yè)人員參與，這種技術(shù)路線大大限制該項技術(shù)的發(fā)展與推廣。在分析總結(jié)國內(nèi)外隨鉆地震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新型隨鉆地震地面數(shù)據(jù)采集裝置。該裝置對鉆頭振動產(chǎn)生的直達(dá)波和反射波實現(xiàn)了高精度、高信噪比、大動態(tài)范圍的采集，同時依靠高可靠性的WIFI無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)采集裝置與地震數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的高速雙向通訊，最終實現(xiàn)高速、實時的隨鉆地震信號采集。并且該裝置可以實時響應(yīng)中心的指令，進(jìn)行模擬放大倍數(shù)遠(yuǎn)程在線設(shè)計、數(shù)字濾波的遠(yuǎn)程在線設(shè)計以及ADC通道自診斷等多種在線操作。圖2 地面地震數(shù)據(jù)采集裝置實物圖二、主要內(nèi)容

3、及創(chuàng)新點1、主要內(nèi)容（1）模擬輸入橋式平衡網(wǎng)絡(luò)設(shè)計地面地震數(shù)據(jù)采集裝置為三通道設(shè)計，其中兩道傳感器的信號通過50米的長線引入采集裝置，長線中會串入一些噪聲干擾。為了壓制長導(dǎo)線中串入的噪聲信號，提高抗干擾能力，在傳感器信號輸入端設(shè)計了橋式平衡網(wǎng)絡(luò)。圖3為噪聲輸入、輸出平衡網(wǎng)絡(luò)信號對比圖。圖3 噪聲輸入、輸出平衡網(wǎng)絡(luò)信號對比圖（2）24位地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)開發(fā)為實現(xiàn)高精度、高速度、大動態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換功能由基于技術(shù)的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波芯片CS5371、CS5376的設(shè)計來實現(xiàn)。隨鉆地震信號進(jìn)行初級放大、濾波后，由CS5371、CS5372組成的三通道4階調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，數(shù)字濾波器CS5

4、376接收調(diào)制器數(shù)據(jù)（MDATA）和溢出標(biāo)志輸出（MFLAG）時，生成調(diào)制時鐘（MCLK）和同步時鐘（MSYNC）。系統(tǒng)工作于2.048MHz時鐘頻率時，調(diào)制器產(chǎn)生512kbits的超采樣串行位流。模擬調(diào)制器與數(shù)字濾波器接口時序見圖4。數(shù)字濾波器在嵌入式微處理器SPI總線的控制下，進(jìn)行高達(dá)4階調(diào)制有效濾波。微處理器對數(shù)字濾波器的讀寫時序如圖5、圖6所示。圖4 模擬濾波器與數(shù)字濾波器接口時序圖5 微處理器讀CS376時序 圖6 微處理器寫CS376時序（3）濾波參數(shù)遠(yuǎn)程在線設(shè)計由于受井下地質(zhì)構(gòu)造、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆具類型井深及環(huán)境噪聲、測線布設(shè)等因素影響，隨鉆地震信號變化較大，在隨鉆地震信號采集的實

5、際應(yīng)用中允許通過在線改變數(shù)字濾波器的組合和濾波器參數(shù)來改變?yōu)V波器的輸出響應(yīng)，獲得較理想的濾波效果。一個高效率的濾波器的設(shè)計要做到乘法運(yùn)算最少、量化噪聲最小、系數(shù)敏感度最小等，還要有好的衰減特性、穩(wěn)定性，用一個濾波器很難達(dá)到以所有的要求。采用模塊化，多種濾波器級聯(lián)，多采樣率的結(jié)構(gòu)有助于實現(xiàn)高效率的濾波器。圖6為隨鉆地震數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計的數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)圖。第一節(jié)為3 級SINC濾波器組成的SINC濾波器鏈，第二節(jié)為2級FIR濾波器，第三節(jié)為2 級IIR 濾波器。在實際應(yīng)用中，支持遠(yuǎn)程在線設(shè)計，選取不同的濾波級別進(jìn)行輸出，以滿足復(fù)雜隨鉆地震信號處理、分析的需求。圖6 數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)圖（4）GPS時標(biāo)

6、設(shè)計在隨鉆地震數(shù)據(jù)采集中，時間基準(zhǔn)的測量精度要求非常嚴(yán)格，它直接影響到地震信號記錄的質(zhì)量。只有參考信號與地面采集信號具有精確、統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)，才能給數(shù)據(jù)分析和地震波反演工作提供所需的極有價值的數(shù)據(jù)。由GPS模塊組成的隨鉆地震時標(biāo)系統(tǒng)解決了隨鉆地震數(shù)據(jù)采集中的實時時標(biāo)問題。圖7為經(jīng)過時標(biāo)校時后27個通道的波形圖，圖8是進(jìn)行局部放大后的時標(biāo)誤差圖，可以測得同一時刻采集到的數(shù)據(jù)的最大時間偏差為40微秒。圖7 實測27道數(shù)據(jù)波形圖圖8 時標(biāo)誤差測試圖（5）高速無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)開發(fā)常規(guī)地震數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)大多采用有線數(shù)據(jù)傳輸，粗重的多芯電纜鋪設(shè)在排列上,地震信息以模擬形式傳輸,既要受到各種干擾,還會產(chǎn)生一定

7、的道間串?dāng)_。近幾年國外地震儀廠家也開發(fā)了無線遙測分布式地震儀，采用的是大功率的無線電臺，在抗干擾能力和靈活性上有了一定的提高，但是通訊頻率、速率和功率等問題也限制了設(shè)備的進(jìn)一步應(yīng)用，更不適合隨鉆地震長時間不間斷的高速率數(shù)據(jù)傳輸。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用的快速發(fā)展，使得地面地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用無線局域網(wǎng)具備了技術(shù)條件。與常規(guī)地震通訊手段對比，無線局域網(wǎng)通訊技術(shù)有以下優(yōu)點。l 全數(shù)字式傳輸,抗干擾能力強(qiáng)；l 采用2.4Ghz的高頻通訊，系統(tǒng)通訊速率高于2Mbps；l 靈活性強(qiáng)，可根據(jù)地形和實際環(huán)境，靈活布置；l 雙向高速無線通訊對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,提高了質(zhì)量控制能力；l 自動化程度高,操作靈活,便于維

8、護(hù)；l 成本較低，屬于一次性投資，避免類似有線電纜使用損耗問題。要實現(xiàn)隨鉆測量現(xiàn)場的無線局域網(wǎng)通訊，需要兩個因素，一是遠(yuǎn)距離的無線路由器應(yīng)用，滿足距離井場一公里左右的通訊，二是地震儀系統(tǒng)內(nèi)嵌入式的WIFI模塊開發(fā)，實現(xiàn)子站間無縫局域網(wǎng)的建立，圖9為現(xiàn)場通訊示意圖。圖9 系統(tǒng)通訊示意圖開發(fā)完成的WIFI無線局域網(wǎng)可實現(xiàn)地面測線完整信號覆蓋，結(jié)合WDS（無線分布式系統(tǒng)）技術(shù)，實現(xiàn)多級無線無縫漫游，整體帶寬不小于2Mbps。 圖10 采集裝置實物圖及帶寬變化圖2、創(chuàng)新點（1）隨鉆地震地面地震數(shù)據(jù)采集裝置采用WIFI技術(shù)作為采集現(xiàn)場雙向通訊手段，提高抗干擾能力并實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。（2）采用基于技術(shù)的2

9、4位模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)高精度、高速度、大動態(tài)范圍地震數(shù)據(jù)采集。（3）差分GPS的PPS信號和時間信息構(gòu)成的隨鉆地震采集系統(tǒng)時標(biāo)，達(dá)到了50微秒的時間精度。（4）在隨鉆地震信號采集的實際應(yīng)用中，可以通過在線改變數(shù)字濾波器的組合和濾波器參數(shù)來改變?yōu)V波器的輸出響應(yīng)，獲得較理想的濾波效果。三、應(yīng)用效果新研制的隨鉆地震地面地震數(shù)據(jù)采集裝置現(xiàn)已應(yīng)用于現(xiàn)場，進(jìn)行了6口井的隨鉆現(xiàn)場采集試驗，成功采集了不同鉆井工況下的隨鉆地震數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲得了隨鉆地震記錄剖面，其信噪比遠(yuǎn)高于常規(guī)地震剖面，能夠與常規(guī)VSP成果相媲美。 圖11 現(xiàn)場測試圖圖12 多道地震數(shù)據(jù)采集圖四、成果推廣前景近年來國外石油公司投入大量資金開展隨鉆地震技術(shù)研究，取得很大的成功，進(jìn)行了50多口井的現(xiàn)場應(yīng)用，已產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，但目前隨鉆地震系統(tǒng)的地震數(shù)據(jù)采集裝置大多采用石油物探的儀器和設(shè)備，設(shè)備昂貴并且與隨鉆地震數(shù)據(jù)采集要求有一定差距。依靠國家863項目“隨鉆地震技術(shù)研究”的