三分量微地震裂縫監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)用　

　　2.3 GPS授時(shí)電路

　　考慮到微地震數(shù)據(jù)采集對于時(shí)間精度要求較高，CPU芯片外部晶振在長時(shí)間運(yùn)行后會(huì)產(chǎn)生無法避免的誤差，所以在電路上設(shè)計(jì)了GPS時(shí)鐘模塊作為授時(shí)基準(zhǔn)，在GPS衛(wèi)星信號(hào)穩(wěn)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(dá)到4~10 s，以秒信號(hào)作為AD數(shù)據(jù)長度的劃分標(biāo)志，GPS秒中斷后，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)到SD卡，同時(shí)在文件中打上時(shí)間戳，從而保證了采集數(shù)據(jù)時(shí)間的一致性。

　　2.4 SD卡存儲(chǔ)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(shù)據(jù)，一個(gè)三分量采集系統(tǒng)是三個(gè)通道，總數(shù)據(jù)量是12 KB，1小時(shí)連續(xù)采集需要存儲(chǔ)43.2 MB的數(shù)據(jù)。本專利中選用32 GB規(guī)格的SD卡，理論上采集系統(tǒng)可以連續(xù)工作30天左右。為了防止丟失數(shù)據(jù)和便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)為1小時(shí)生成1個(gè)存儲(chǔ)，文件格式為FAT32，可以直接在Windows系統(tǒng)環(huán)境下讀取。

3 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　微地震智能識(shí)別裝置上電后，硬件開始初始化，順序依次為：CPU時(shí)鐘——CPU中斷——片外SDRAM——LED指示燈——SPI總線——RS232串口——看門狗——默認(rèn)參數(shù)讀取——GPS——SD卡——片外AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5361——片內(nèi)AD——程控增益放大器PGA280。初始化結(jié)束后，經(jīng)過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(qū)動(dòng)下開始采集數(shù)據(jù)，啟用DMA通道，每分鐘存儲(chǔ)1幀數(shù)據(jù)，如此一直延續(xù)下去，在丟失GPS信號(hào)的情況下暫停存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。工作流程如圖6所示。

4 野外應(yīng)用試驗(yàn)

　　三分量微地震裂縫監(jiān)測儀野外應(yīng)用試驗(yàn)點(diǎn)選擇在涪陵國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)的焦石鎮(zhèn)水源村地下水監(jiān)測井處。自2012年以來，中石化集團(tuán)已在涪陵區(qū)域開發(fā)了數(shù)十個(gè)頁巖氣鉆井作業(yè)平臺(tái)，選擇此處作為試驗(yàn)場地較為理想。三分量監(jiān)測儀布設(shè)方式采用“十字形”陣列，傳感器間隔30 m，縱向和橫向監(jiān)測線長度均為570 m，總計(jì)布設(shè)39個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，布設(shè)方式和監(jiān)測點(diǎn)設(shè)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(yàn)過程中將電火花電極放置于監(jiān)測井內(nèi)，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(jì)進(jìn)行33次微地震事件監(jiān)測，并做好相應(yīng)記錄。

　　選擇激發(fā)點(diǎn)東偏南45度方向上的12#微地震監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，圖9為該監(jiān)測點(diǎn)11月11日下午16時(shí)采集的時(shí)長為21分鐘數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，其余類推。21分鐘的記錄共有40多個(gè)有用信號(hào)，其余為噪聲和干擾信號(hào)。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(hào)，得到有效事件記錄曲線，并分析第1個(gè)有效微地震事件得到如圖10所示初至曲線圖，橫線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(shè)備于16時(shí)0分120 ms采集到波形數(shù)據(jù)，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(jié)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(jì)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(shù)據(jù)的初至位置時(shí)刻有關(guān)。

5 結(jié)論

　　三分量微地震監(jiān)測儀主要用于頁巖氣開采過程中對微地震事件的捕捉，能夠較真實(shí)地反應(yīng)壓裂過程中震源的位置、目標(biāo)儲(chǔ)層上覆巖層穩(wěn)定性與受損程度，能夠監(jiān)測開采區(qū)井田區(qū)域范圍的構(gòu)造裂隙發(fā)育情況和變化趨勢，可作為了解頁巖氣水壓裂對深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成影響的技術(shù)手段，下一步應(yīng)完善震源定位算法減小設(shè)備測量誤差。

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