三分量微地震裂縫監測儀的設計及應用　

　　2.3 GPS授時(shí)電路

　　考慮到微地震數據采集對于時(shí)間精度要求較高，CPU芯片外部晶振在長(cháng)時(shí)間運行后會(huì )產(chǎn)生無(wú)法避免的誤差，所以在電路上設計了GPS時(shí)鐘模塊作為授時(shí)基準，在GPS衛星信號穩定的前提下，GPS的重捕獲時(shí)間是1 s，絕對時(shí)間精度可達到4~10 s，以秒信號作為AD數據長(cháng)度的劃分標志，GPS秒中斷后，數據被存儲到SD卡，同時(shí)在文件中打上時(shí)間戳，從而保證了采集數據時(shí)間的一致性。

　　2.4 SD卡存儲電路

　　采集電路按照1 kHz的采樣速度，24位AD芯片工作1 s會(huì )產(chǎn)生4 KB數據，一個(gè)三分量采集系統是三個(gè)通道，總數據量是12 KB，1小時(shí)連續采集需要存儲43.2 MB的數據。本專(zhuān)利中選用32 GB規格的SD卡，理論上采集系統可以連續工作30天左右。為了防止丟失數據和便于后續數據處理，設計為1小時(shí)生成1個(gè)存儲，文件格式為FAT32，可以直接在Windows系統環(huán)境下讀取。

3 嵌入式系統軟件設計

　　微地震智能識別裝置上電后，硬件開(kāi)始初始化，順序依次為：CPU時(shí)鐘——CPU中斷——片外SDRAM——LED指示燈——SPI總線(xiàn)——RS232串口——看門(mén)狗——默認參數讀取——GPS——SD卡——片外AD模數轉換器CS5361——片內AD——程控增益放大器PGA280。初始化結束后，經(jīng)過(guò)1 min左右的延時(shí)，GPS已經(jīng)可以接收到授時(shí)信息，CS5361在GPS時(shí)間驅動(dòng)下開(kāi)始采集數據，啟用DMA通道，每分鐘存儲1幀數據，如此一直延續下去，在丟失GPS信號的情況下暫停存儲數據。工作流程如圖6所示。

4 野外應用試驗

　　三分量微地震裂縫監測儀野外應用試驗點(diǎn)選擇在涪陵國家級頁(yè)巖氣示范區的焦石鎮水源村地下水監測井處。自2012年以來(lái)，中石化集團已在涪陵區域開(kāi)發(fā)了數十個(gè)頁(yè)巖氣鉆井作業(yè)平臺，選擇此處作為試驗場(chǎng)地較為理想。三分量監測儀布設方式采用“十字形”陣列，傳感器間隔30 m，縱向和橫向監測線(xiàn)長(cháng)度均為570 m，總計布設39個(gè)監測點(diǎn)，布設方式和監測點(diǎn)設備如圖7和圖8所示。微地震事件采用人工點(diǎn)火花方式產(chǎn)生，震源激發(fā)器選用XW5512A型電火花震源，電壓70 kV。試驗過(guò)程中將電火花電極放置于監測井內，自5 m深處每5 m下放一個(gè)深度，每個(gè)深度間隔1 min激發(fā)一次震動(dòng)，最終下放深度為50 m總計進(jìn)行33次微地震事件監測，并做好相應記錄。

　　選擇激發(fā)點(diǎn)東偏南45度方向上的12#微地震監測點(diǎn)進(jìn)行數據分析，圖9為該監測點(diǎn)11月11日下午16時(shí)采集的時(shí)長(cháng)為21分鐘數據，共63個(gè)記錄道，其中1、2和3道分別為Z、X和Y分量，記錄1 min的數據，其余類(lèi)推。21分鐘的記錄共有40多個(gè)有用信號，其余為噪聲和干擾信號。經(jīng)濾波頻率為25~100 Hz帶通濾波器有效濾波，濾除噪聲和干擾信號，得到有效事件記錄曲線(xiàn)，并分析第1個(gè)有效微地震事件得到如圖10所示初至曲線(xiàn)圖，橫線(xiàn)位置為縱波的初至位置，其中第3道(Y分量)較第1、2通道提前感知到縱波，設備于16時(shí)0分120 ms采集到波形數據，這與實(shí)際激發(fā)震源時(shí)間相吻合。對有效事件進(jìn)行極化分析，結果表明，震源位于接收點(diǎn)西偏北45度方向處，垂直深度為21.34 m，計算定位點(diǎn)與實(shí)際激發(fā)點(diǎn)之間的誤差為垂直1.34 m，這與采樣波形數據的初至位置時(shí)刻有關(guān)。

5 結論

　　三分量微地震監測儀主要用于頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中對微地震事件的捕捉，能夠較真實(shí)地反應壓裂過(guò)程中震源的位置、目標儲層上覆巖層穩定性與受損程度，能夠監測開(kāi)采區井田區域范圍的構造裂隙發(fā)育情況和變化趨勢，可作為了解頁(yè)巖氣水壓裂對深部地質(zhì)結構造成影響的技術(shù)手段，下一步應完善震源定位算法減小設備測量誤差。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第35頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。