一種全數(shù)字三分量vsp系統(tǒng)及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)及其測量方法，全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)由設(shè)置在井下的首尾依次相聯(lián)的數(shù)字探管、設(shè)置在井上的數(shù)據(jù)采集站、控制主機(jī)以及蓄電池組成；控制主機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序，通過以太網(wǎng)或USB方式直接與數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行連接，并通過數(shù)據(jù)采集站間接實(shí)現(xiàn)對各數(shù)字探管的控制，完成包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測的功能。本發(fā)明利用數(shù)字化思想，從傳感器、數(shù)據(jù)傳輸方式、探管控制方式方面，對傳統(tǒng)VSP設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)及其測量方法，解決已有VSP系統(tǒng)通信電纜笨重、施工效率低、不易擴(kuò)展和裁剪、不適合淺層VSP勘探的問題，儀器具有極其靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可極大提高勘探效率和精度。
【專利說明】—種全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)及其測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地球物理勘探儀器領(lǐng)域，具體涉及一種可用于油氣勘探和工程地震勘探中的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)及其測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]VSP(垂直地震剖面)作為當(dāng)前比較有效的地震勘探技術(shù)，具有常規(guī)地面地震勘探不可比擬的分辨率高和信噪比高的特點(diǎn)，越來越受到國內(nèi)外油氣行業(yè)的青睞。VSP儀器的發(fā)展經(jīng)歷了從最初的單分量到三分量、單級到多級、地面模數(shù)轉(zhuǎn)換到井下模數(shù)轉(zhuǎn)換、模擬傳輸?shù)綌?shù)字傳輸?shù)倪^程。隨著VSP技術(shù)的發(fā)展，其在復(fù)雜構(gòu)造和巖性勘探及油氣田開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。VSP技術(shù)在繼續(xù)完善常規(guī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，其數(shù)據(jù)采集方式明顯增多，施工效率明顯提高，所提供的地球物理信息在數(shù)量、種類和精度方面也都有了顯著的提高。為了適應(yīng)不同的勘探地質(zhì)目的，可以設(shè)計出各種各樣的觀測系統(tǒng)，這些新的觀測方式，為解決儲層精細(xì)構(gòu)造、儲層描述和儲層預(yù)測等提供了更大的發(fā)展?jié)摿?。近幾年來，VSP技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢已受到工程物探界的重視，在工程物探的應(yīng)用中主要用于地面地震反射層位標(biāo)定和速度結(jié)構(gòu)的高精度成像方面，且在國內(nèi)外都有一些地層淺部結(jié)構(gòu)和斷層探測中的應(yīng)用實(shí)例。
[0003]當(dāng)前多數(shù)VSP地震儀主要是針對深井VSP勘探使用設(shè)計的，儀器普遍體積龐大，比較笨重，功耗較高，施工工序復(fù)雜，不適合直接應(yīng)用于淺層地震勘探及工程地震勘探。世界上現(xiàn)階段用于VSP的地震儀，國外的主要有美國的NZ-1I和德國的SUMMIT地震儀，國產(chǎn)的有GDZ24 ;它們都還是集中式采集的地震儀，只能用模擬電纜把井下模擬地震信號傳輸?shù)降孛嬖偌羞M(jìn)行放大、采樣。這些地震儀基本只能完成地震信號采集功能。
[0004]統(tǒng)觀國內(nèi)外VSP儀器的發(fā)展，VSP勘探系統(tǒng)由單分量向三分量的發(fā)展已成為一種趨勢，3D3C VSP地震勘探已成為目前國內(nèi)外主要大型油氣田地震勘探的主流方法，廣泛應(yīng)用在各種大型油氣田勘探的實(shí)際生產(chǎn)中。檢波器是VSP系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，用來直接拾取弱地震信號，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，尤其是以高精度MEMS加速度傳感器為代表的電子檢測系統(tǒng)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對傳統(tǒng)地震勘探設(shè)備的更新升級提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。將高精度MEMS傳感器應(yīng)用于數(shù)字VSP測井系統(tǒng)，它具有機(jī)械式傳感器所不能比擬的性能優(yōu)勢，成為新型地震勘探儀器設(shè)計的主流；目前VSP勘探設(shè)備一般采用模擬電纜，將多組檢波器拾取到的模擬地震信號直接傳送到采集主機(jī)，并進(jìn)行集中轉(zhuǎn)換與處理的“集中式”數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常由于傳輸電纜較長，信號在傳輸過程中會產(chǎn)生多種高頻干擾，甚至引入與地震信號處于相同頻段的假頻信號(很難通過常規(guī)濾波方法濾除)，并進(jìn)一步導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常工作，同時由于采用多個檢波器共用一條傳輸電纜，不但會引入不必要的道間串音，組裝、維護(hù)都極為困難，并且現(xiàn)有三維VSP設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)對井下探管進(jìn)行操縱和狀態(tài)檢測，同時數(shù)字傳輸?shù)姆绞侥艽蟠筇岣咴O(shè)備的抗干擾能力。
[0005]鑒于VSP技術(shù)在地震勘探中的多種優(yōu)勢，雖然國外在該領(lǐng)域已經(jīng)有了相關(guān)產(chǎn)品，但多數(shù)儀器為專用于深層油氣田的大型地震勘探，專門針對淺層地震勘探及工程地震勘探的VSP系統(tǒng)還比較少，而國內(nèi)由于VSP應(yīng)用研究起步較晚，基本上還沒有真正意義上的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的VSP測井系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品，針對國內(nèi)油氣勘探行業(yè)及其他工程地震勘探領(lǐng)域?qū)SP系統(tǒng)的巨大需求，以及在實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)中不得不大量依賴于進(jìn)口設(shè)備的事實(shí)，成功研制出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能、低功耗、便攜式三分量數(shù)字VSP系統(tǒng)。
[0006]名詞解釋:VSP，也稱為垂直地震剖面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就在于提供一種解決已有VSP系統(tǒng)通信電纜笨重、施工效率低、不易擴(kuò)展和裁剪、不適合淺層VSP勘探的問題，具有功耗低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、勘探效率高、適合淺層地震勘探的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)及其測量方法。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是這樣的:
[0009]一種全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，包括首尾依次相聯(lián)的數(shù)字探管、數(shù)據(jù)采集站、控制主機(jī)以及蓄電池。
[0010]其中數(shù)字探管設(shè)置在井下，由三分量MEMS檢波器、模擬信號處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、主控模塊、RS485地址自適應(yīng)通信模塊以及電機(jī)驅(qū)動單元組成，三分量MEMS檢波器用于拾取地震信號，經(jīng)模擬信號處理單元處理、再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，暫存到主控模塊，經(jīng)打包封裝后通過RS485地址自適應(yīng)通信模塊上傳至數(shù)據(jù)采集站，電機(jī)驅(qū)動單元連接推靠臂，用于推靠數(shù)字探管緊貼井壁。
[0011]數(shù)據(jù)采集站由第一控制器STM32F407、RS485通信模塊ADM2582E、以太網(wǎng)通信模塊DP83848、電源轉(zhuǎn)換模塊、控制存儲單元、擴(kuò)展USB接口、GPS通信接口和外部中斷觸發(fā)電路組成，其中RS485通信模塊ADM2582E和以太網(wǎng)通信模塊DP83848分別用于其與數(shù)字探管和控制主機(jī)進(jìn)行通信，電源轉(zhuǎn)換模塊將12V蓄電池電壓進(jìn)行升壓、降壓以及降噪處理，為數(shù)字探管和數(shù)據(jù)采集站提供電源，控制存儲單元負(fù)責(zé)RS485與以太網(wǎng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，并暫存數(shù)字探管和控制主機(jī)間的指令和數(shù)據(jù)，擴(kuò)展USB接口用作數(shù)據(jù)采集站和控制主機(jī)間的備用通信接口，GPS通信接口用于連接GPS授時模塊，可獲取井口的GPS坐標(biāo)和時間，外部中斷觸發(fā)電路用于獲取外部震源產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號。
[0012]控制主機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序，用于對整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、指令控制、數(shù)據(jù)顯示、處理、存儲功能。
[0013]數(shù)字探管和數(shù)據(jù)采集站間設(shè)有絞車，二者通過四芯鎧裝電纜進(jìn)行連接，所述四芯鎧裝電纜由絞車進(jìn)行下放和回收，絞車上集成有測量數(shù)字探管下放深度的光碼盤。
[0014]數(shù)字探管中，模擬信號處理單元包括串聯(lián)的多路模擬切換電路、同向跟隨器、抗混疊濾波電路和單端轉(zhuǎn)差分電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元為A/D轉(zhuǎn)換器，主控模塊為自帶存儲器的第二控制器STM32F405RG，第二控制器STM32F405RG還與RS485地址自適應(yīng)通信模塊相連；其中，信號經(jīng)三分量檢波器拾取后，送入多路模擬切換電路，然后經(jīng)同向跟隨器和抗混疊濾波器以及單端轉(zhuǎn)差分電路，調(diào)理為適合A/D轉(zhuǎn)換器工作的差分模擬信號后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
[0015]多路模擬切換電路還連接到由內(nèi)部DAC組成的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，用于對電路系統(tǒng)性能進(jìn)行在線檢測。
[0016]第二控制器STM32F405RG還與姿態(tài)檢測電路相連，用于在線獲取三分量MEMS檢波器的具體姿態(tài)信息，包括用于測量三分量MEMS檢波器某一軸向方向的電子羅盤、測量地球重力加速度在三個軸向分量的三軸加速度傳感器、測量各個軸向角速度的三軸陀螺儀。
[0017]外部中斷觸發(fā)電路與外部震源電器設(shè)備連接，外部震源為人工重錘激發(fā)或放炮激發(fā)，當(dāng)產(chǎn)生震動時，其電器設(shè)備將產(chǎn)生高頻脈沖，由外部中斷觸發(fā)電路接受并產(chǎn)生同步采集信號。
[0018]一種全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)及其測量方法，包括以下步驟:
[0019](I)打開基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序，對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、A/D采樣參數(shù)配置、文件參數(shù)配置，其中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置包括主機(jī)IP地址、子網(wǎng)掩碼地址配置，A/D采樣參數(shù)配置包括設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器采樣波特率和采樣長度，文件參數(shù)配置包括設(shè)置數(shù)據(jù)文件存儲路徑、存儲格式以及文件名；
[0020](2)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序中打開數(shù)據(jù)采集站和數(shù)字探管配置對話框，依次點(diǎn)擊數(shù)字探管動態(tài)自適應(yīng)地址配置按鈕、探管參數(shù)配置按鈕，將步驟(I)中設(shè)置的A/D采樣參數(shù)信息通過數(shù)據(jù)采集站發(fā)送給各個數(shù)字探管進(jìn)行設(shè)置，并點(diǎn)擊GPS刷新按鈕，獲取當(dāng)前井口坐標(biāo)和時間；
[0021](3)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序中點(diǎn)擊打開電機(jī)按鈕，依次打開數(shù)字探管的推靠臂，使數(shù)字探管與井壁緊密耦合，當(dāng)所有支撐臂打開完成后，控制主機(jī)向數(shù)據(jù)采集站和數(shù)字探管發(fā)送預(yù)采樣指令，等待外部震源產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號；
[0022](4)外部震源產(chǎn)生同步觸發(fā)信號，通過數(shù)據(jù)采集站的外部中斷觸發(fā)電路送入第一控制器STM32F407，產(chǎn)生同步采集指令，并通過RS485總線和以太網(wǎng)分別傳送至各數(shù)字探管和控制主機(jī)；
[0023](5)數(shù)字探管收到同步采樣指令后啟動數(shù)據(jù)采樣進(jìn)程，將三分量MEMS檢波器拾取的模擬地震信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時記錄數(shù)字探管精確方位信息并暫存于探管內(nèi)部的第二控制器STM32F405RG中的RAM中；
[0024](6)控制主機(jī)收到同步采樣指令后進(jìn)入同步采樣查詢進(jìn)程，通過輪詢方式依次查詢各數(shù)字探管是否采樣完成，當(dāng)所有數(shù)字探管都采樣完成后，控制主機(jī)進(jìn)入地震數(shù)據(jù)請求傳輸進(jìn)程，依次向各數(shù)字探管發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求，各數(shù)字探管收到請求后，將暫存的地震數(shù)據(jù)和方位信息分組打包按次序傳給控制主機(jī)；
[0025](7)控制主機(jī)收到地震數(shù)據(jù)后，通過軟件圖形繪圖模塊在屏幕進(jìn)行實(shí)時顯示，并根據(jù)需求對觀測波形進(jìn)行剔道、濾波、頻譜分析、存儲等操作。
[0026]采樣進(jìn)程還包括對三分量MEMS檢波器姿態(tài)信息的采集，所述控制主機(jī)根據(jù)姿態(tài)信息對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二維或三維地震數(shù)據(jù)方位校正。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0028](I)本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計合理，構(gòu)思巧妙，設(shè)計流程簡潔，施工方便。
[0029](2)本發(fā)明改進(jìn)傳統(tǒng)VSP系統(tǒng)采用汽缸的機(jī)械推靠臂的方式為直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，各數(shù)字探管可任意拆卸組裝，具有極強(qiáng)的靈活性，且維護(hù)方便，可極大降低施工難度和施工成本。
[0030](3)本發(fā)明采用單根四芯鎧裝電纜改進(jìn)傳統(tǒng)VSP的三根模擬傳輸電纜、密封氣管、承重鋼纜，進(jìn)一步降低儀器體積和重量。
[0031](4)本發(fā)明采用方位獲取裝置實(shí)時獲取井下三分量MEMS檢波器的方位信息，用于對原始地震數(shù)據(jù)進(jìn)行三分量方位矯正，可極大提高數(shù)字采集質(zhì)量，提高信噪比，使地震記錄圖波形同向軸清晰，提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理和解釋精度與準(zhǔn)確度。
[0032](5)數(shù)據(jù)采集站和控制主機(jī)采用以太網(wǎng)或USB通信方式，通信效率高，且控制主機(jī)可充分利用以太網(wǎng)的方式對數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，提高施工效率。
[0033](6)系統(tǒng)集成度高，包括參數(shù)配置、指令控制、數(shù)字探管控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)預(yù)處理、濾波、頻譜分析、存儲、方位矯正等所有操作均可在控制主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序中進(jìn)行操作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明實(shí)施例示意圖。
[0035]圖2為數(shù)字探管內(nèi)部采集板原理圖。
[0036]圖3為單道信號采集板原理框圖。
[0037]圖4為檢波器姿態(tài)檢測原理框圖。
[0038]圖5為RS485通信與自適應(yīng)動態(tài)地址配置原理框圖。
[0039]圖6為移動控制終端自適應(yīng)動態(tài)地址配置流程圖。
[0040]圖7為數(shù)字探管外殼機(jī)械設(shè)計圖。
[0041]圖8為數(shù)字探管電機(jī)驅(qū)動及推靠臂檢測原理框圖。
[0042]圖9為系統(tǒng)供電電源分配方案框圖。
[0043]圖10為數(shù)字探管供電電路原理框圖。
[0044]圖11為數(shù)據(jù)采集站以太網(wǎng)通信原理框圖。
[0045]圖12為數(shù)據(jù)采集站供電電源分配方案框圖。
[0046]圖13為數(shù)據(jù)采集站供電電路原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
[0048]參閱圖1，一種全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，由控制主機(jī)、數(shù)據(jù)采集站、相互級聯(lián)的數(shù)字探管以及輔助設(shè)備組成，輔助設(shè)備包括電源、絞車4、鎧裝電纜、外部震源。當(dāng)數(shù)據(jù)采集站在捕獲到人工震源信號后同時向控制主機(jī)和數(shù)字探管發(fā)送同步采集指令，信號依次傳遞于四芯鎧裝電纜(RS485總線)、數(shù)字探管、雙絞線、控制主機(jī)，數(shù)字探管收到同步采集指令后，啟動A/D轉(zhuǎn)換器，將各三分量MEMS檢波器拾取的模擬地震信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，暫存于數(shù)字探管內(nèi)部緩存，等帶控制主機(jī)的數(shù)據(jù)訪問。當(dāng)所有數(shù)字探管都采集完成后，控制主機(jī)依次輪詢訪問各數(shù)字探管，完成數(shù)據(jù)的上傳。
[0049]參閱圖2，作為信號采集的關(guān)鍵部分，井下數(shù)字探管在收到同步采集指令后，啟動系統(tǒng)的信號采集功能，整個過程如下:當(dāng)三分量MEMS加速度傳感器拾取到信號后，送入多路模擬切換電路，然后經(jīng)過同向跟隨器，增大信號調(diào)理模塊的輸入阻抗，并提高信號獲取與傳輸能力，再經(jīng)過抗混疊濾波器濾掉高頻成分，保證采集的信號不會出現(xiàn)假頻，同時由于濾波器部分采用放大器來實(shí)現(xiàn)，因此在此部分對采集電路中的模擬電路和數(shù)字電路起到相互隔離的作用，保證后級的數(shù)字信號不會對前級的模擬電路產(chǎn)生影響；由于信號在經(jīng)過濾波后仍是單端信號，而A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入部分為差分輸入，因此必須將單端信號轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器需求的差分信號，并由24位A/D轉(zhuǎn)換器將信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而存入第二控制器STM32F405RG的存儲器內(nèi)，整個采集過程完成后通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集站經(jīng)以太網(wǎng)傳送給控制主機(jī)。
[0050]參閱圖3，地震信號的拾取采用低噪聲、高精度、高動態(tài)范圍的MEMS加速度檢波器，由于MEMS加速度檢波器具有比模擬檢波器更高的動態(tài)范圍(MEMS動態(tài)范圍可達(dá)120dB，而模擬的動圈式檢波器動詞僅為70dB)，尤其是具有更好的低頻響應(yīng)(通常MEMS加速度計響應(yīng)帶寬最低可以到OHz)，使得其記錄的地震波范圍也更廣，同時由于MEMS加速度內(nèi)部不像動圈式檢波器存在電磁感應(yīng)的功能部件，因此也具有更好的抗電磁干擾能力；系統(tǒng)自檢測試電路利用第二控制器STM32F405RG的標(biāo)準(zhǔn)DAC輸出外設(shè)，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)30Hz正弦信號、占空比為12.5%的脈沖信號以及直流信號，通過內(nèi)部多路模擬切換開關(guān)ISL43240，將檢波器信號輸入端口切換到標(biāo)準(zhǔn)信號源，對標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過多種測試計算方法及頻譜分析，計算相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的工作參數(shù)、性能參數(shù)等進(jìn)行在線測試，實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，提高VSP數(shù)據(jù)采集的可靠性與穩(wěn)定性；利用極低偏置電流運(yùn)放0PA27227構(gòu)建同向跟隨器，增大輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)前級傳感器與后級信號處理調(diào)理電路的完美耦合；并利用0PA27227的另外一組運(yùn)放，構(gòu)建了一個巴特沃斯二階有源低通濾波器，可有效濾除電路中的聞頻噪聲，提聞/[目噪比。
[0051]參考圖3，單端轉(zhuǎn)差分芯片采用低失真的差分放大器AD8138來實(shí)現(xiàn)，主要將AD8138的四個反饋端的反饋電阻設(shè)置為相同的參數(shù)值，將放大器配置為射極跟隨器的形式，保證原始信號在沒有被放大或衰減的情況下通過該部分；A/D轉(zhuǎn)換器部分由于要求采樣率是可調(diào)的，且必須滿足高分辨率的要求，因此電路中采用24位高分辨率、最大采樣率為30ksps、高達(dá)23Bits的無噪音精度的ADS1255進(jìn)行設(shè)計，ADS1255可配置為2個單極輸入或I個差分輸入，內(nèi)含低噪聲增益可編程放大器(PGA)，并帶有多路選擇器、可編程數(shù)字濾波器、傳感器檢測功能?？紤]到地震信號的動態(tài)范圍，A/D轉(zhuǎn)換器的參考源由REF191提供，參考電壓為2.048V，可轉(zhuǎn)換范圍為-4.096V?+4.096V ；A/D轉(zhuǎn)換器和第二控制器STM32F405RG之間采用SPI通信，最高可靠通信速率小于2.5Mbps，第二控制器STM32F405RG通過第22和第23端口與ADS1255之間相互通信，用于讀取ADS1255轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。
[0052]參考圖4，在實(shí)際地震勘探中，由于數(shù)字探管在井下的具體方位不可控制，不同數(shù)字探管采集到的三分量地震數(shù)據(jù)參考方向通常不一致，影響后續(xù)地震數(shù)據(jù)的處理，因此添加姿態(tài)檢測電路，用以獲取檢波器在井下具體的姿態(tài)信息，以便對實(shí)際采集到的三分量地震數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正。姿態(tài)檢測電路利用三軸電子羅盤，三軸加速度傳感器，三軸陀螺儀獲取相關(guān)方位參數(shù)，電路中選用了內(nèi)置12位ADC和低干擾的AMR傳感器HMC5883L三軸電子羅盤，其能在±8高斯的磁場中實(shí)現(xiàn)5毫高斯的分辨率，內(nèi)置自檢功能，功耗低，可測磁場范圍廣，數(shù)字I2C輸出，電子羅盤可以感知地磁的大小，從而測出數(shù)字探管中三分量MEMS檢波器某一個軸的方位指向；電路中采用了內(nèi)置可編程數(shù)字濾波器、10位ADC和數(shù)字I2C輸出的三軸加速度傳感器BMA020，加速度傳感器可以測量加速度的大小，當(dāng)沒有外界加速度時，測量的是地球的重力加速度在其各個軸向的分量，通過各個分量的大小即可測出傳感器組的相對于水平面的傾斜角度，而通過計算出的傾斜角度，又可以對電子羅盤做相應(yīng)的傾斜補(bǔ)償；三軸陀螺儀采用的是內(nèi)置可編程數(shù)字濾波器、16位ADC數(shù)字及I2C輸出的MPU3050，陀螺儀可以測量檢波器沿其各個軸向的角速度，主要用于做動態(tài)補(bǔ)償，考慮到地震檢波器一般情況下處于靜止?fàn)顟B(tài)，這里陀螺儀主要起輔助作用。
[0053]通過數(shù)據(jù)融合算法，實(shí)時解算檢波器當(dāng)前的方位，并通過控制主機(jī)實(shí)時顯示當(dāng)前方位。檢波器方位顯示主要基于openGL三維圖形庫以及QtOpenGL類，利用獲取的檢波器方位數(shù)據(jù)，通過三維可視化交互軟件平臺進(jìn)行實(shí)時在線顯示。
[0054]參考圖5，數(shù)據(jù)采集完成后，緩存于第二控制器STM32F405RG內(nèi)部SRAM中，等待控制主機(jī)或數(shù)據(jù)采集站的訪問。數(shù)據(jù)采集站和井下檢波器串通過RS485進(jìn)行通信，由于采樣系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較大，因此必須同時考慮數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性，所以需要較高的通信速率，本系統(tǒng)所選取的總線驅(qū)動芯片ADM2582E內(nèi)部集成了隔離DC-DC電源模塊，最高通信速率為16Mbps，支持全雙工的通信方式，單個芯片在120 Ω匹配電阻的情況下功耗為750mW，在小于500ksps通信速率的情況下約為360mW，最大支持節(jié)點(diǎn)數(shù)256個，其他通信距離等參數(shù)滿足系統(tǒng)需求。
[0055]參考圖5及圖6，雙通道多路模擬開關(guān)SGM3002接RS485總線驅(qū)動芯片輸出端通信差分總線上，實(shí)現(xiàn)總線通斷功能控制，主要是為滿足節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)自適應(yīng)地址配置需要，此處的多路模擬開關(guān)具備很小的導(dǎo)通電阻和較高的帶寬，有效保證了信號的無損通過，且其從切斷到導(dǎo)通的切換時間僅需要8ns，相對于無延時的切換，從整體了保證了 RS485差分信號線的可靠性。當(dāng)井下檢波器上電復(fù)位后，統(tǒng)一將其網(wǎng)絡(luò)通信地址設(shè)置為公有地址，并控制多路模擬開關(guān)SGM3002將RS485向下連接線切斷。根據(jù)數(shù)字探管的連接方式可知，當(dāng)數(shù)字探管上電復(fù)位后，雖然有多組以公有地址為內(nèi)部通信地址的檢波器均開始運(yùn)行，但只有第一支數(shù)字探管內(nèi)部的三分量MEMS檢波器(離井口最近的那支)連接在當(dāng)前RS485網(wǎng)絡(luò)上。此時，控制主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)查詢是否有未分配地址的三分量MEMS檢波器在線，第一支三分量MEMS檢波器收到該查詢指令后，返回有未配置地址檢波器在線回復(fù)。當(dāng)控制主機(jī)動態(tài)地址配置模塊檢測到有未配置地址三分量MEMS檢波器在線后，根據(jù)記錄的動態(tài)地址配置表，產(chǎn)生動態(tài)地址配置指令，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，同時將該配置記錄保存在配置表中。第一支三分量MEMS檢波器(未配置檢波器)收到配置指令后，將其公用地址配置為私有分配地址，并打開下級RS485開關(guān)，連接下一級未配置地址檢波器。此時，當(dāng)再次查詢未配置地址在線三分量MEMS檢波器(也就是數(shù)字探管)時，由于上一級三分量MEMS檢波器已經(jīng)配置并分配了私有地址，上一級三分量MEMS檢波器將不產(chǎn)生回復(fù)數(shù)據(jù)，由下一級三分量MEMS檢波器產(chǎn)生回復(fù)數(shù)據(jù)，并等待控制主機(jī)的地址分配，如此循環(huán)，直到再也檢測不到未配置地址檢波器在線為止，結(jié)束動態(tài)配置過程。此時，檢波器串從井口開始，按離井口距離的遠(yuǎn)近，依次配置地址為1、2、3、4等。
[0056]參考圖7，數(shù)字探管外殼機(jī)械設(shè)計，采用鋁合金進(jìn)行加工，以保證其防水、耐高溫高壓能力，另集成基于直流電機(jī)驅(qū)動的推靠器傳動裝置。設(shè)計完成后的標(biāo)準(zhǔn)推靠臂2適應(yīng)于井徑為70mm到300mm的井孔，在內(nèi)徑為200mm的套管上，可在35秒內(nèi)完成推罪。且在推罪過程中，推靠力可恒定在20 %以內(nèi)。推靠系統(tǒng)具有機(jī)械安全措施，當(dāng)發(fā)生井下事故時，可利用其具有極限破壞特性的支撐臂系統(tǒng)破壞推靠器連接，最大限度回收井下檢波器等相關(guān)設(shè)備，并提供便利的機(jī)械維護(hù)裝置。
[0057]參考圖8，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字探管對地震信號有效的采集，需要依靠數(shù)字探管外殼機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)數(shù)字探管與井壁的緊密接觸并在數(shù)據(jù)采集期間確保數(shù)字探管與井壁相對靜止。電機(jī)驅(qū)動及推靠臂檢測電路包括電機(jī)24V電源驅(qū)動器電路及由LM393構(gòu)成的電流檢測電路，電源驅(qū)動器提供電源開關(guān)、極性切換等功能，由高精度取樣電阻對電機(jī)電流進(jìn)行取樣，并通過比較器與設(shè)置的門限電壓進(jìn)行比較，當(dāng)超過門限值后，將產(chǎn)生中斷信號，通知主控CPU并切斷電機(jī)電源。為降低電源驅(qū)動器電路對前級控制電路的干擾，兩者之間采用光耦隔離。
[0058]參考圖9及圖10，穩(wěn)定、高效、低紋波的供電電源對井下數(shù)字探管的采集效果及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，尤其是會影響系統(tǒng)的輸入動態(tài)范圍和采集的分辨率。充分考慮到野外設(shè)備的便攜性和設(shè)備的使用周期問題，需要同時兼顧電源質(zhì)量和效率，采用了外部電源搭配寬壓輸出的DC-DC開關(guān)電源模塊組合實(shí)現(xiàn)，外部電源可以采用12V/60Ah的鉛酸蓄電池，具體的內(nèi)部電源分配如下:數(shù)據(jù)采集站首先將12V電源通過YD1284升壓至48V，進(jìn)而級聯(lián)串接至四路數(shù)字探管；利用DC-DC開關(guān)電源模塊URD24S24-20W將48V電壓轉(zhuǎn)換為24V，作為電機(jī)驅(qū)動電源；利用DC-DC開關(guān)電源模塊WRFD12D 12-5W將24V電壓轉(zhuǎn)換為+12V，為信號采集及調(diào)理電路提供電源；利用DC-DC開關(guān)電源模塊WRFD12D05-10W將24V電壓轉(zhuǎn)換為+5V，為信號調(diào)理電路、RS485通信電路以及姿態(tài)檢測電路提供電源；進(jìn)一步采用線性穩(wěn)壓芯片LT1117CST0-3.3V將+5V電壓轉(zhuǎn)換至3.3V,作為第二控制器STM32F405RG的工作電源；另外，由于數(shù)字探管的A/D轉(zhuǎn)換器ADS1255工作時需要2.048V的參考電壓，因此此處采用了高精度的REF191將+5V經(jīng)線性穩(wěn)壓至2.048V作為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓；電路中由于采用了 DC-DC開關(guān)電源，所以會存在較大的紋波，而系統(tǒng)對+5V和+12V的電源質(zhì)量要求較高，因此需要+5V和+12V的電源輸出端加入相應(yīng)的π型濾波器，以降低電源紋波。
[0059]參閱圖11，數(shù)據(jù)采集站和控制主機(jī)之間采用以太網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)采集站控制器內(nèi)置ETH(Ethernet)模塊，可以通過外接PHY (Physical Layer)接口進(jìn)行以太網(wǎng)通信，支持10/100Mbps 數(shù)據(jù)傳輸，同時支持 Mil (Medium Independent Interface)和 RMII (ReducedMedium Independent Interface)兩種接口模式。外置PHY接口選取美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗10/100Mbps單路物理層器件DP83848VV，低功耗小于270mW、3.3V的MAC接口，集成度高、低功耗等性能，為10BASE-T和100BASE-TX以太網(wǎng)協(xié)議的應(yīng)用提供低成本解決方案的特性，符合IEEE802.3u技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這保證了數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，其亦支持MII和RMII兩種接口模式，本系統(tǒng)采用RMII模式；HR911105A是一個內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接頭，具有信號耦合、電器隔離、阻抗匹配、抑制干擾等優(yōu)點(diǎn)。諸多特點(diǎn)滿足了傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)的速度要求，當(dāng)然為了與控制主機(jī)進(jìn)行正常的通信，還需要結(jié)合以太網(wǎng)通信時的TCP/IP協(xié)議形式自組網(wǎng)內(nèi)部通信專用的通信協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目勺x性。
[0060]參閱圖12及圖13，與井下數(shù)字探管類似，考慮到野外設(shè)備的便攜性和設(shè)備的使用周期問題，需要同時兼顧電源質(zhì)量和效率，采用了外部電源搭配寬壓輸出的DC-DC開關(guān)電源模塊組合實(shí)現(xiàn)，外部電源采用12V/60Ah的鉛酸蓄電池，通過DC-DC開關(guān)電源模塊WRFD12D12-5W將12V電壓轉(zhuǎn)換為+12V，為外部中斷觸發(fā)電路提供電源；利用DC-DC開關(guān)電源模塊WRFD12D05-10W將12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V，為RS485通信電路提供電源；進(jìn)一步采用線性穩(wěn)壓芯片LT1117CST0-3.3V將+5V電壓轉(zhuǎn)換至3.3V,作為第一控制器STM32F407VGT7和以太網(wǎng)通信電路的工作電源；電路中由于采用了 DC-DC開關(guān)電源，所以會存在較大的紋波，而系統(tǒng)對+5V和+12V的電源質(zhì)量要求較高，因此需要+5V和+12V的電源輸出端加入相應(yīng)的η型濾波器，以降低電源紋波。
【權(quán)利要求】
1.一種全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，其特征在于:包括設(shè)置在井下的首尾依次相聯(lián)的數(shù)字探管、設(shè)置在井上的數(shù)據(jù)采集站、控制主機(jī)、以及蓄電池； 所述數(shù)字探管由三分量MEMS檢波器、模擬信號處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、主控模塊、RS485地址自適應(yīng)通信模塊以及電機(jī)驅(qū)動單元組成，其中三分量MEMS檢波器用于拾取地震信號，經(jīng)模擬信號處理單元處理、再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，暫存到主控模塊，經(jīng)打包封裝后通過RS485地址自適應(yīng)通信模塊上傳至數(shù)據(jù)采集站，所述電機(jī)驅(qū)動單元連接推靠臂，用于推靠數(shù)字探管緊貼井壁； 所述數(shù)據(jù)采集站由第一控制器、RS485通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、控制存儲單元、擴(kuò)展USB接口、GPS通信接口和外部中斷觸發(fā)電路組成，其中RS485通信模塊和以太網(wǎng)通信模塊分別用于其與數(shù)字探管和控制主機(jī)進(jìn)行通信，電源轉(zhuǎn)換模塊將12V蓄電池電壓進(jìn)行升壓、降壓以及降噪處理，為數(shù)字探管和數(shù)據(jù)采集站提供電源，控制存儲單元負(fù)責(zé)RS485與以太網(wǎng)的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，并暫存數(shù)字探管和控制主機(jī)間的指令和數(shù)據(jù)，擴(kuò)展USB接口用作數(shù)據(jù)采集站和控制主機(jī)間的備用通信接口，GPS通信接口用于連接GPS授時模塊，可獲取井口的GPS坐標(biāo)和時間，外部中斷觸發(fā)電路用于獲取外部震源產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號； 所述控制主機(jī)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、指令控制、數(shù)據(jù)顯示、處理及存儲功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)字探管和數(shù)據(jù)采集站間設(shè)有絞車，二者通過四芯鎧裝電纜進(jìn)行連接，所述四芯鎧裝電纜由絞車進(jìn)行下放和回收，絞車上集成有測量數(shù)字探管下放深度的光碼盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)字探管中，所述模擬信號處理單元包括串聯(lián)的多路模擬切換電路、同向跟隨器、抗混疊濾波電路和單端轉(zhuǎn)差分電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元為A/D轉(zhuǎn)換器，所述主控模塊為自帶存儲器的第二控制器，第二控制器還與RS485地址自適應(yīng)通信模塊相連；其中，信號經(jīng)三分量MEMS檢波器拾取后，送入多路模擬切換電路，經(jīng)同向跟隨器和抗混疊濾波器以及單端轉(zhuǎn)差分電路，調(diào)理為適合A/D轉(zhuǎn)換器工作的差分模擬信號后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，其特征在于:多路模擬切換電路還連接到由內(nèi)部DAC組成的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，用于對電路系統(tǒng)性能進(jìn)行在線檢測。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，其特征在于:第二控制器還與姿態(tài)檢測電路相連，用于在線獲取三分量MEMS檢波器的具體姿態(tài)信息，包括用于測量三分量MEMS檢波器某一軸向方向的電子羅盤、測量地球重力加速度在三個軸向分量的三軸加速度傳感器、測量各個軸向角速度的三軸陀螺儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)，其特征在于:外部中斷觸發(fā)電路與外部震源電器設(shè)備連接，外部震源為人工重錘激發(fā)或放炮激發(fā)，當(dāng)產(chǎn)生震動時，其電器設(shè)備將產(chǎn)生高頻脈沖，由外部中斷觸發(fā)電路接受并產(chǎn)生同步采集信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)的測量方法，其特征在于:包括以下步驟: (I)打開基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序，對系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置，包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置、A/D采樣參數(shù)配置、文件參數(shù)配置，其中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置包括主機(jī)IP地址、子網(wǎng)掩碼地址配置，A/D采樣參數(shù)配置包括設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器采樣波特率和采樣長度，文件參數(shù)配置包括設(shè)置數(shù)據(jù)文件存儲路徑、存儲格式以及文件名； (2)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序中打開數(shù)據(jù)采集站和數(shù)字探管配置對話框，依次點(diǎn)擊數(shù)字探管動態(tài)自適應(yīng)地址配置按鈕、探管參數(shù)配置按鈕，將步驟(I)中設(shè)置的A/D采樣參數(shù)信息通過數(shù)據(jù)采集站發(fā)送給各個數(shù)字探管進(jìn)行設(shè)置，并點(diǎn)擊GPS刷新按鈕，獲取當(dāng)前井口坐標(biāo)和時間； (3)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集控制應(yīng)用程序中點(diǎn)擊打開電機(jī)按鈕，依次打開數(shù)字探管的推靠臂，使數(shù)字探管與井壁緊密耦合，當(dāng)所有支撐臂打開完成后，控制主機(jī)向數(shù)據(jù)采集站和數(shù)字探管發(fā)送預(yù)采樣指令，等待外部震源產(chǎn)生的同步觸發(fā)信號； (4)外部震源產(chǎn)生同步觸發(fā)信號，通過數(shù)據(jù)采集站的外部中斷觸發(fā)電路送入第一控制器，產(chǎn)生同步采集指令，并通過RS485總線和以太網(wǎng)分別傳送至各數(shù)字探管和控制主機(jī)； (5)數(shù)字探管收到同步采樣指令后啟動數(shù)據(jù)采樣進(jìn)程，將三分量MEMS檢波器拾取的模擬地震信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，同時記錄三分量MEMS檢波器精確方位信息并暫存于探管內(nèi)部的第二控制器中的RAM中； (6)控制主機(jī)收到同步采樣指令后進(jìn)入同步采樣查詢進(jìn)程，通過輪詢方式依次查詢各數(shù)字探管是否采樣完成，當(dāng)所有數(shù)字探管都采樣完成后，控制主機(jī)進(jìn)入地震數(shù)據(jù)請求傳輸進(jìn)程，依次向各數(shù)字探管發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求，各數(shù)字探管收到請求后，將暫存的地震數(shù)據(jù)和方位信息分組打包按次序傳給控制主機(jī)； (7)控制主機(jī)收到地震數(shù)據(jù)后，通過軟件圖形繪圖模塊在屏幕進(jìn)行實(shí)時顯示，并根據(jù)需求對觀測波形進(jìn)行剔道、濾波、頻譜分析、存儲等操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全數(shù)字三分量VSP系統(tǒng)的測量方法，其特征在于:所述數(shù)據(jù)采樣進(jìn)程還包括對三分量MEMS檢波器姿態(tài)信息的采集，所述控制主機(jī)根據(jù)姿態(tài)信息對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二維或三維地震數(shù)據(jù)方位校正。
【文檔編號】G01V1/40GK104181579SQ201410395260
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月12日
【發(fā)明者】李懷良, 庹先國, 沈統(tǒng), 劉勇, 蔣鑫, 陽林鋒, 毛小波, 賀春艷 申請人:西南科技大學(xué)