三分量微地震裂缝监测仪的设计及应用　

　　2.3 GPS授时电路

　　考虑到微地震数据采集对于时间精度要求较高，CPU芯片外部晶振在长时间运行后会产生无法避免的误差，所以在电路上设计了GPS时钟模块作为授时基准，在GPS卫星信号稳定的前提下，GPS的重捕获时间是1 s，绝对时间精度可达到4~10 s，以秒信号作为AD数据长度的划分标志，GPS秒中断后，数据被存储到SD卡，同时在文件中打上时间戳，从而保证了采集数据时间的一致性。

　　2.4 SD卡存储电路

　　采集电路按照1 kHz的采样速度，24位AD芯片工作1 s会产生4 KB数据，一个三分量采集系统是三个通道，总数据量是12 KB，1小时连续采集需要存储43.2 MB的数据。本专利中选用32 GB规格的SD卡，理论上采集系统可以连续工作30天左右。为了防止丢失数据和便于后续数据处理，设计为1小时生成1个存储，文件格式为FAT32，可以直接在Windows系统环境下读取。

3 嵌入式系统软件设计

　　微地震智能识别装置上电后，硬件开始初始化，顺序依次为：CPU时钟——CPU中断——片外SDRAM——LED指示灯——SPI总线——RS232串口——看门狗——默认参数读取——GPS——SD卡——片外AD模数转换器CS5361——片内AD——程控增益放大器PGA280。初始化结束后，经过1 min左右的延时，GPS已经可以接收到授时信息，CS5361在GPS时间驱动下开始采集数据，启用DMA通道，每分钟存储1帧数据，如此一直延续下去，在丢失GPS信号的情况下暂停存储数据。工作流程如图6所示。

4 野外应用试验

　　三分量微地震裂缝监测仪野外应用试验点选择在涪陵国家级页岩气示范区的焦石镇水源村地下水监测井处。自2012年以来，中石化集团已在涪陵区域开发了数十个页岩气钻井作业平台，选择此处作为试验场地较为理想。三分量监测仪布设方式采用“十字形”阵列，传感器间隔30 m，纵向和横向监测线长度均为570 m，总计布设39个监测点，布设方式和监测点设备如图7和图8所示。微地震事件采用人工点火花方式产生，震源激发器选用XW5512A型电火花震源，电压70 kV。试验过程中将电火花电极放置于监测井内，自5 m深处每5 m下放一个深度，每个深度间隔1 min激发一次震动，最终下放深度为50 m总计进行33次微地震事件监测，并做好相应记录。

　　选择激发点东偏南45度方向上的12#微地震监测点进行数据分析，图9为该监测点11月11日下午16时采集的时长为21分钟数据，共63个记录道，其中1、2和3道分别为Z、X和Y分量，记录1 min的数据，其余类推。21分钟的记录共有40多个有用信号，其余为噪声和干扰信号。经滤波频率为25~100 Hz带通滤波器有效滤波，滤除噪声和干扰信号，得到有效事件记录曲线，并分析第1个有效微地震事件得到如图10所示初至曲线图，横线位置为纵波的初至位置，其中第3道(Y分量)较第1、2通道提前感知到纵波，设备于16时0分120 ms采集到波形数据，这与实际激发震源时间相吻合。对有效事件进行极化分析，结果表明，震源位于接收点西偏北45度方向处，垂直深度为21.34 m，计算定位点与实际激发点之间的误差为垂直1.34 m，这与采样波形数据的初至位置时刻有关。

5 结论

　　三分量微地震监测仪主要用于页岩气开采过程中对微地震事件的捕捉，能够较真实地反应压裂过程中震源的位置、目标储层上覆岩层稳定性与受损程度，能够监测开采区井田区域范围的构造裂隙发育情况和变化趋势，可作为了解页岩气水压裂对深部地质结构造成影响的技术手段，下一步应完善震源定位算法减小设备测量误差。

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第5期第35页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。