專(zhuān)利名稱(chēng)：一種差分定位隨鉆地震儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型針對(duì)地震勘探領(lǐng)域中的隨鉆地震新技術(shù)開(kāi)發(fā)，同時(shí)也 適用于地質(zhì)勘査、煤炭等勘探領(lǐng)域，以高精度差分定位模塊為基礎(chǔ)， 可實(shí)現(xiàn)虛擬測(cè)線(xiàn)的新一代高性能實(shí)時(shí)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
垂直地震剖面技術(shù)(VSP)是一種有效的井旁地震勘探方法。為 了獲取井旁垂直地震剖面，VSP數(shù)據(jù)采集時(shí)需中斷鉆井過(guò)程，在井中
安放井下檢波器，通過(guò)地面震源激發(fā)進(jìn)行測(cè)量。由于在裸眼井中作業(yè)
存在著風(fēng)險(xiǎn)，所以VSP測(cè)量通常在固井后進(jìn)行。VSP測(cè)量是在鉆井到
達(dá)某一階段時(shí)進(jìn)行的，這種測(cè)量的滯后性使得人們?cè)阢@井過(guò)程中無(wú)法 及時(shí)掌握鉆頭與目的層的相對(duì)位置，如果此時(shí)鉆頭已偏離目的層，就 失去了調(diào)整鉆頭軌跡的最佳時(shí)機(jī)。而更多的情況則可能會(huì)因?yàn)橘M(fèi)用太 高或者地表?xiàng)l件不允許安置地面震源時(shí)，無(wú)法得到所需的井旁地震資 料。
隨鉆地震方法以鉆井作業(yè)中鉆頭破巖時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)作為地下震 源，通過(guò)安裝在井架和鉆桿頂端的傳感器采集由鉆桿傳送上來(lái)的鉆頭 震動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)地面測(cè)線(xiàn)上的地震儀采集經(jīng)地層傳播上來(lái)的鉆頭信 號(hào)的直達(dá)波和反射波。由鉆桿上采集到的信號(hào)通常稱(chēng)為參考信號(hào)，將 參考信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后與地面檢波器的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)和時(shí)移以及 各種去噪處理，實(shí)時(shí)地確定鉆頭在地面地震時(shí)間剖面上的位置，并能 實(shí)時(shí)地預(yù)測(cè)鉆頭前方的地層壓力情況，從而協(xié)助鉆井安全決策和優(yōu)化套管設(shè)計(jì)，促進(jìn)了隨鉆地震技術(shù)的發(fā)展。
普通地震儀系統(tǒng)針對(duì)大規(guī)模的地震勘探設(shè)計(jì)，設(shè)有龐大的中央控 制器、繪圖儀、磁帶機(jī)、電臺(tái)、發(fā)電機(jī)、空調(diào)、機(jī)箱、儀器車(chē)以及沉 重的測(cè)線(xiàn)，測(cè)量設(shè)計(jì)通常為幾千道甚至上萬(wàn)道，不適用于隨鉆地震測(cè) 量現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
現(xiàn)有技術(shù)的地震記錄系統(tǒng)大部分測(cè)量單元的模擬和數(shù)字組建分 開(kāi)設(shè)計(jì)，需要外部布線(xiàn)將一個(gè)或幾個(gè)單元的地震檢波器模擬組件與數(shù) 字記錄單元和遙測(cè)組件相連接，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)許多不便。數(shù)字記錄 單元和遙測(cè)組件及地震傳感器的操作是通過(guò)預(yù)先編程的情況下進(jìn)行 的，無(wú)法實(shí)時(shí)控制并監(jiān)視數(shù)字記錄單元和遙測(cè)組件及地震傳感器。
普通地震儀通過(guò)勘探前的實(shí)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)檢波器組的擺放位置，并計(jì) 算相應(yīng)的道間距和偏移距，但實(shí)際施工中由于實(shí)際環(huán)境的約束，檢波 器組的實(shí)際位置產(chǎn)生的道間距和偏移距無(wú)法保證與計(jì)算值的吻合，道 間距的誤差大小，直接影響到隨鉆地震數(shù)據(jù)處理和解釋工作。另外， 檢波器組的傾角變化也是影響地震勘探精度的重要因素，目前的地震 儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)此信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為隨鉆地震新技術(shù)提供地面地震數(shù)據(jù)采集 支持，通過(guò)高精度的差分定位位置信息，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)精確虛 擬測(cè)線(xiàn)，計(jì)算出精確道間距及偏移距，降低隨鉆地震處理解釋誤差， 以獲得高質(zhì)量的隨鉆地震地面數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種滿(mǎn)足隨鉆 地震測(cè)量要求的差分定位隨鉆地震儀，由地震檢波器、前置放大器、 A/D芯片、數(shù)字濾波器、D/A測(cè)試模塊、差分GPS定位模塊、高精 度GPS時(shí)標(biāo)模塊、WIFI模塊、ARM微處理器、高精度MEMS芯片、 傾角傳感微處理器、SD卡、鋰電池組成；差分GPS定位模塊由GPS 接收機(jī)、RTCM差分微處理器組成；高精度時(shí)標(biāo)模塊裝有GPS和RTC 時(shí)鐘。其特征在于將上述硬件模塊安裝在同一電路板上，各模塊通過(guò) ARM處理器內(nèi)部接口通訊，差分定位信息通過(guò)WIFI模塊傳輸。外 殼采用全密封防水設(shè)計(jì)，外部接口為兩個(gè)防水航空插頭， 一個(gè)為四芯 航空插頭，集成GPS天線(xiàn)及WIFI天線(xiàn)，另一個(gè)為兩芯航空插頭，連 接鋰電池。該裝置在鉆井過(guò)程中，利用大動(dòng)態(tài)范圍的地震檢波器測(cè)量 鉆頭撞擊地層產(chǎn)生的地震波，通過(guò)信號(hào)處理電路將測(cè)量到的地震波轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)，與差分定位模塊產(chǎn)生的位置信息、高精度GPS時(shí)標(biāo) 模塊產(chǎn)生的時(shí)間信息和傾角傳感器產(chǎn)生的地震檢波器垂直信息組合， 形成鉆進(jìn)過(guò)程中的地震數(shù)據(jù)，基于WIFI數(shù)據(jù)傳輸模塊形成的鉆井井 場(chǎng)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上述地震數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸。
所述的地震信號(hào)采集模塊由地震檢波器、前置放大器、A/D芯 片、數(shù)字濾波器、D/A測(cè)試模塊組成，實(shí)現(xiàn)X、 Y、 Z三向地震信號(hào) 采集。
所述的特征參數(shù)單元由差分GPS定位模塊、高精度GPS時(shí)標(biāo)系 統(tǒng)以及傾角傳感器構(gòu)成。
所述的高精度時(shí)標(biāo)模塊是指在GPS模塊在接收一顆衛(wèi)星以上的情況下，GPS定位有效，GPS輸出精確的時(shí)間和秒脈沖信號(hào)，通過(guò)ARM 微處理器把秒脈沖平均分割成更小的單位，獲得微秒級(jí)的時(shí)標(biāo)。當(dāng) GPS定位無(wú)效時(shí)，GPS輸出的秒脈沖信號(hào)不準(zhǔn)，可以使用RTC時(shí)鐘的 秒信號(hào)來(lái)代替GPS輸出的秒脈沖信號(hào)，達(dá)到獲得精確時(shí)標(biāo)的目的。
所述的差分GPS定位模塊是指當(dāng)GPS模塊接收三顆GPS衛(wèi)星以上 時(shí)，可以提供定位信息，但GPS定位的精度為優(yōu)于25m，精度無(wú)法滿(mǎn) 足鉆井隨鉆地震測(cè)量對(duì)位置信息的要求，所以采用基準(zhǔn)站-移動(dòng)站差 分定位技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度位置信息采集。基準(zhǔn)站-移動(dòng)站差分定位技 術(shù)采用兩種GPS接收機(jī)。 一種是基準(zhǔn)站GPS，另一種是地震儀端GPS， 并且已知基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，在基準(zhǔn)站建立GPS接收機(jī)基準(zhǔn)站，通過(guò)GPS 的定位數(shù)據(jù)和已知坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)解算出差分?jǐn)?shù)據(jù)(RTCM)，再通過(guò)測(cè)量 現(xiàn)場(chǎng)的WIFI無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)將誤差修正參數(shù)實(shí)時(shí)播發(fā)出去，地震儀端通 過(guò)WIFI模塊接收修正參數(shù)并傳給差分信息微處理器，修正參數(shù)后GPS 接收機(jī)可將定位精度提高到厘米級(jí)。
所述的傾角傳感器采用高精度MEMS芯片，儀器級(jí)精度，具有 BIMOS信號(hào)限制電路，采用表貼工藝技術(shù)固定在電路板上，并具有自 檢測(cè)(Self-Test)功能，可實(shí)現(xiàn)BIT (Built-In-Test)檢測(cè)，隨溫 度和時(shí)間的變化仍有極好的可靠性和穩(wěn)定性，測(cè)量精度可達(dá)0. 15度， 輸出數(shù)字信號(hào)可以使監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震儀的傾角變化，保證地震 數(shù)據(jù)采集的精確性。
所述的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及傳輸單元采用SD卡存儲(chǔ)及WIFI無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) 數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方式，在WIFI無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)被鉆井現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境干擾導(dǎo)致通訊不暢的情況下，地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡內(nèi)，SD卡容量最 大支持16GB。
本實(shí)用新型的積極效果在于，為隨鉆勘探新技術(shù)提供地面地震數(shù) 據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)不規(guī)則三維勘探；能夠適應(yīng)鉆井隨鉆地震測(cè)量的各種困 難地形；實(shí)現(xiàn)高精度的差分定位，可用監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)精確虛擬 測(cè)線(xiàn)，計(jì)算出精確道間距及偏移距，降低地震解釋誤差；利用傾角傳 感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震檢波器的傾角變化，保證測(cè)量精度。

圖1為差分定位隨鉆地震儀電路示意圖。
具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合圖1詳細(xì)敘述本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案。 圖1表示差分定位隨鉆地震儀電路示意圖。地震檢波器4采集鉆 頭前方反射的振動(dòng)信號(hào)，輸出X、 Y、 Z三通道模擬分量，通過(guò)前置處 理放大器6，進(jìn)入雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片8，輸出數(shù)字信號(hào)至數(shù)字濾波 器CS5376A11，經(jīng)過(guò)設(shè)定的多級(jí)濾波后，通過(guò)SPI總線(xiàn)連接至ARM微 處理器21進(jìn)行處理。為了確保地震信號(hào)處理的穩(wěn)定性，由數(shù)字濾波 器CS5376A11輸出控制，令D/A測(cè)試模塊12輸出已知頻率幅度的模 擬信號(hào)代替地震檢波器輸出，以檢測(cè)整個(gè)采集電路的各項(xiàng)指標(biāo)和特 性。
ARM微處理器21采集由差分定位模塊23輸出的厘米級(jí)精度的定 位信息10、高精度GPS時(shí)標(biāo)模塊22輸出的毫秒級(jí)的時(shí)標(biāo)信息、傾角 傳感器輸出的傾角變化信息，并與數(shù)字濾波器CS5376A11輸出的地震數(shù)據(jù)組合，完成數(shù)據(jù)的處理，通過(guò)WIFI模塊14組成的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)局域 網(wǎng)，發(fā)送至監(jiān)控中心。
在WIFI無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)被鉆井現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境干擾導(dǎo)致通訊不暢的情 況下，地震數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡2內(nèi)，SD卡容量最大支持16GB。
差分定位模塊23由GPS接收機(jī)9及RTCM差分微處理器13組成， 基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)20獲取GPS的標(biāo)準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)與已知精確坐標(biāo)解算 出RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的WIFI無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)將誤差修正參數(shù) 實(shí)時(shí)播發(fā)出去，地震儀端通過(guò)WIFI模塊14接收修正RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)， 通過(guò)RTCM差分微處理器13進(jìn)行修正解算，GPS接收機(jī)9可獲得厘米 級(jí)GPS差分定位信息10輸出至ARM微處理器進(jìn)行儲(chǔ)存處理。
高精度GPS時(shí)標(biāo)模塊22由GPS時(shí)鐘7及RTC時(shí)鐘5組成。GPS 接收機(jī)定位有效時(shí)，輸出包括精確的時(shí)間和秒脈沖信號(hào)的GPS時(shí)間信 息至ARM微處理器，把秒脈沖平均分割成更小的單位，獲得微秒級(jí)的 時(shí)標(biāo)，當(dāng)GPS接收機(jī)定位無(wú)效時(shí)，GPS輸出的秒脈沖信號(hào)不準(zhǔn)，可 以使用RTC時(shí)鐘輸出的秒信號(hào)來(lái)代替GPS時(shí)間信息輸出的秒脈沖信 號(hào)，達(dá)到獲得精確時(shí)標(biāo)的目的。
傾角傳感器采用高精度MEMS芯片1，輸出傾角模擬信號(hào)至傾角 傳感微處理器3，測(cè)量精度可達(dá)0.15度，輸出數(shù)字信號(hào)至ARM微處 理器21進(jìn)行存儲(chǔ)處理，通過(guò)WIFI無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)使監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地 震儀的傾角變化，保證地震數(shù)據(jù)采集的精確性。
權(quán)利要求1.一種差分定位隨鉆地震儀由地震檢波器(4)、前置放大器(6)、A/D芯片(8)、數(shù)字濾波器(11)、D/A測(cè)試模塊(12)、差分GPS定位模塊(23)、高精度GPS時(shí)標(biāo)模塊(22)、WIFI模塊(14)、ARM微處理器(21)、高精度MEMS芯片(1)、傾角傳感微處理器(3)、SD卡(2)、鋰電池(17)組成，其特征是將上述硬件模塊安裝在同一電路板上，各模塊通過(guò)ARM微處理器內(nèi)部接口通訊，外殼采用全密封防水設(shè)計(jì)，外部接口為兩個(gè)防水航空插頭，一個(gè)為四芯航空插頭(15)，集成GPS天線(xiàn)及WIFI天線(xiàn)，另一個(gè)為兩芯航空插頭(16)，連接鋰電池(17)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分定位隨鉆地震儀，其特征是，差 分GPS定位模塊(23)由GPS接收機(jī)(9)、 RTCM差分微處理器(13) 組成，并連接WIFI網(wǎng)絡(luò)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分定位隨鉆地震儀，其特征是，高 精度時(shí)標(biāo)模塊(22)裝有GPS和RTC時(shí)鐘。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分定位隨鉆地震儀，其特征是， ARM微處理器(21)通過(guò)內(nèi)部接口連接SD卡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分定位隨鉆地震儀，其特征是，差 分定位隨鉆地震儀還裝有高精度MEMS芯片(1)和傾角傳感微處理器(3)。
專(zhuān)利摘要一種滿(mǎn)足隨鉆地震測(cè)量要求的差分定位隨鉆地震儀，該地震儀將所有硬件模塊安裝在同一電路板上，各模塊之間通過(guò)ARM處理器內(nèi)部接口通訊，外殼采用全密封防水設(shè)計(jì)；外部接口為兩個(gè)防水航空插頭。在鉆井過(guò)程中，地震檢波器將鉆頭撞擊地層產(chǎn)生的地震反射波轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與差分定位模塊產(chǎn)生的位置信息、高精度GPS時(shí)標(biāo)模塊產(chǎn)生的時(shí)間信息和傾角傳感器產(chǎn)生的地震檢波器垂直信息組合，形成隨鉆地震采集數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)傳輸。該地震儀優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)采集鉆進(jìn)過(guò)程中定點(diǎn)定時(shí)的地震波，對(duì)采集點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高精度的差分定位，精確計(jì)算道間距和偏移距，降低地震解釋誤差，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)地震檢波器的傾角變化。
文檔編號(hào)G01C9/00GK201387488SQ20092014766
公開(kāi)日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者于笑冬, 孫正義, 曹忠成, 李玉紅, 王愛(ài)鳳, 許海庭, 韓來(lái)聚, 魏茂安 申請(qǐng)人:中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局鉆井工藝研究院