專利名稱：一種差分定位隨鉆地震儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型針對地震勘探領(lǐng)域中的隨鉆地震新技術(shù)開發(fā)，同時也 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)， 可實現(xiàn)虛擬測線的新一代高性能實時地震數(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)采集時需中斷鉆井過程，在井中
安放井下檢波器，通過地面震源激發(fā)進行測量。由于在裸眼井中作業(yè)
存在著風(fēng)險，所以VSP測量通常在固井后進行。VSP測量是在鉆井到
達某一階段時進行的，這種測量的滯后性使得人們在鉆井過程中無法 及時掌握鉆頭與目的層的相對位置，如果此時鉆頭已偏離目的層，就 失去了調(diào)整鉆頭軌跡的最佳時機。而更多的情況則可能會因為費用太 高或者地表條件不允許安置地面震源時，無法得到所需的井旁地震資 料。
隨鉆地震方法以鉆井作業(yè)中鉆頭破巖時產(chǎn)生的震動作為地下震 源，通過安裝在井架和鉆桿頂端的傳感器采集由鉆桿傳送上來的鉆頭 震動信號，并通過地面測線上的地震儀采集經(jīng)地層傳播上來的鉆頭信 號的直達波和反射波。由鉆桿上采集到的信號通常稱為參考信號，將 參考信號經(jīng)過預(yù)處理后與地面檢波器的信號進行互相關(guān)和時移以及 各種去噪處理，實時地確定鉆頭在地面地震時間剖面上的位置，并能 實時地預(yù)測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，促進了隨鉆地震技術(shù)的發(fā)展。
普通地震儀系統(tǒng)針對大規(guī)模的地震勘探設(shè)計，設(shè)有龐大的中央控 制器、繪圖儀、磁帶機、電臺、發(fā)電機、空調(diào)、機箱、儀器車以及沉 重的測線，測量設(shè)計通常為幾千道甚至上萬道，不適用于隨鉆地震測 量現(xiàn)場應(yīng)用。
現(xiàn)有技術(shù)的地震記錄系統(tǒng)大部分測量單元的模擬和數(shù)字組建分 開設(shè)計，需要外部布線將一個或幾個單元的地震檢波器模擬組件與數(shù) 字記錄單元和遙測組件相連接，給現(xiàn)場施工帶來許多不便。數(shù)字記錄 單元和遙測組件及地震傳感器的操作是通過預(yù)先編程的情況下進行 的，無法實時控制并監(jiān)視數(shù)字記錄單元和遙測組件及地震傳感器。
普通地震儀通過勘探前的實驗來設(shè)計檢波器組的擺放位置，并計 算相應(yīng)的道間距和偏移距，但實際施工中由于實際環(huán)境的約束，檢波 器組的實際位置產(chǎn)生的道間距和偏移距無法保證與計算值的吻合，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 儀無法實現(xiàn)對此信息的實時監(jiān)測。
發(fā)明內(nèi)容
本實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，通過高精度的差分定位位置信息，監(jiān)控中心計算機實現(xiàn)精確虛 擬測線，計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)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是提供一種滿足隨鉆 地震測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測試模塊、差分GPS定位模塊、高精 度GPS時標(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、RTCM差分微處理器組成；高精度時標(biāo)模塊裝有GPS和RTC 時鐘。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 ARM處理器內(nèi)部接口通訊，差分定位信息通過WIFI模塊傳輸。外 殼采用全密封防水設(shè)計，外部接口為兩個防水航空插頭， 一個為四芯 航空插頭，集成GPS天線及WIFI天線，另一個為兩芯航空插頭，連 接鋰電池。該裝置在鉆井過程中，利用大動態(tài)范圍的地震檢波器測量 鉆頭撞擊地層產(chǎn)生的地震波，通過信號處理電路將測量到的地震波轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號，與差分定位模塊產(chǎn)生的位置信息、高精度GPS時標(biāo) 模塊產(chǎn)生的時間信息和傾角傳感器產(chǎn)生的地震檢波器垂直信息組合， 形成鉆進過程中的地震數(shù)據(jù)，基于WIFI數(shù)據(jù)傳輸模塊形成的鉆井井 場無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)上述地震數(shù)據(jù)的高速實時傳輸。
所述的地震信號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測試模塊組成，實現(xiàn)X、 Y、 Z三向地震信號 采集。
所述的特征參數(shù)單元由差分GPS定位模塊、高精度GPS時標(biāo)系 統(tǒng)以及傾角傳感器構(gòu)成。
所述的高精度時標(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輸出精確的時間和秒脈沖信號，通過ARM 微處理器把秒脈沖平均分割成更小的單位，獲得微秒級的時標(biāo)。當(dāng) GPS定位無效時，GPS輸出的秒脈沖信號不準，可以使用RTC時鐘的 秒信號來代替GPS輸出的秒脈沖信號，達到獲得精確時標(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，可以提供定位信息，但GPS定位的精度為優(yōu)于25m，精度無法滿 足鉆井隨鉆地震測量對位置信息的要求，所以采用基準站-移動站差 分定位技術(shù)來實現(xiàn)高精度位置信息采集?；鶞收?移動站差分定位技 術(shù)采用兩種GPS接收機。 一種是基準站GPS，另一種是地震儀端GPS， 并且已知基準站的坐標(biāo)，在基準站建立GPS接收機基準站，通過GPS 的定位數(shù)據(jù)和已知坐標(biāo)點的數(shù)據(jù)解算出差分數(shù)據(jù)(RTCM)，再通過測量 現(xiàn)場的WIFI無線局域網(wǎng)將誤差修正參數(shù)實時播發(fā)出去，地震儀端通 過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 接收機可將定位精度提高到厘米級。
所述的傾角傳感器采用高精度MEMS芯片，儀器級精度，具有 BIMOS信號限制電路，采用表貼工藝技術(shù)固定在電路板上，并具有自 檢測(Self-Test)功能，可實現(xiàn)BIT (Built-In-Test)檢測，隨溫 度和時間的變化仍有極好的可靠性和穩(wěn)定性，測量精度可達0. 15度， 輸出數(shù)字信號可以使監(jiān)控中心實時監(jiān)測地震儀的傾角變化，保證地震 數(shù)據(jù)采集的精確性。
所述的數(shù)據(jù)存儲及傳輸單元采用SD卡存儲及WIFI無線局域網(wǎng) 數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合的方式，在WIFI無線局域網(wǎng)被鉆井現(xiàn)場電磁環(huán)境干擾導(dǎo)致通訊不暢的情況下，地震數(shù)據(jù)存儲到SD卡內(nèi)，SD卡容量最 大支持16GB。
本實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，實現(xiàn)不規(guī)則三維勘探；能夠適應(yīng)鉆井隨鉆地震測量的各種困 難地形；實現(xiàn)高精度的差分定位，可用監(jiān)控中心計算機實現(xiàn)精確虛擬 測線，計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，實時監(jiān)測地震檢波器的傾角變化，保證測量精度。

圖1為差分定位隨鉆地震儀電路示意圖。
具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合圖1詳細敘述本實用新型的具體實施方案。 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 頭前方反射的振動信號，輸出X、 Y、 Z三通道模擬分量，通過前置處 理放大器6，進入雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片8，輸出數(shù)字信號至數(shù)字濾波 器CS5376A11，經(jīng)過設(shè)定的多級濾波后，通過SPI總線連接至ARM微 處理器21進行處理。為了確保地震信號處理的穩(wěn)定性，由數(shù)字濾波 器CS5376A11輸出控制，令D/A測試模塊12輸出已知頻率幅度的模 擬信號代替地震檢波器輸出，以檢測整個采集電路的各項指標(biāo)和特 性。
ARM微處理器21采集由差分定位模塊23輸出的厘米級精度的定 位信息10、高精度GPS時標(biāo)模塊22輸出的毫秒級的時標(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WIFI模塊14組成的現(xiàn)場無線局域 網(wǎng)，發(fā)送至監(jiān)控中心。
在WIFI無線局域網(wǎng)被鉆井現(xiàn)場電磁環(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9及RTCM差分微處理器13組成， 基準站GPS接收機20獲取GPS的標(biāo)準定位數(shù)據(jù)與已知精確坐標(biāo)解算 出RTCM差分數(shù)據(jù)，通過測量現(xiàn)場的WIFI無線局域網(wǎng)將誤差修正參數(shù) 實時播發(fā)出去，地震儀端通過WIFI模塊14接收修正RTCM差分數(shù)據(jù)， 通過RTCM差分微處理器13進行修正解算，GPS接收機9可獲得厘米 級GPS差分定位信息10輸出至ARM微處理器進行儲存處理。
高精度GPS時標(biāo)模塊22由GPS時鐘7及RTC時鐘5組成。GPS 接收機定位有效時，輸出包括精確的時間和秒脈沖信號的GPS時間信 息至ARM微處理器，把秒脈沖平均分割成更小的單位，獲得微秒級的 時標(biāo)，當(dāng)GPS接收機定位無效時，GPS輸出的秒脈沖信號不準，可 以使用RTC時鐘輸出的秒信號來代替GPS時間信息輸出的秒脈沖信 號，達到獲得精確時標(biāo)的目的。
傾角傳感器采用高精度MEMS芯片1，輸出傾角模擬信號至傾角 傳感微處理器3，測量精度可達0.15度，輸出數(shù)字信號至ARM微處 理器21進行存儲處理，通過WIFI無線局域網(wǎng)使監(jiān)控中心實時監(jiān)測地 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測試模塊(12)、差分GPS定位模塊(23)、高精度GPS時標(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ARM微處理器內(nèi)部接口通訊，外殼采用全密封防水設(shè)計，外部接口為兩個防水航空插頭，一個為四芯航空插頭(15)，集成GPS天線及WIFI天線，另一個為兩芯航空插頭(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(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 精度時標(biāo)模塊(22)裝有GPS和RTC時鐘。
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)。
專利摘要一種滿足隨鉆地震測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ARM處理器內(nèi)部接口通訊，外殼采用全密封防水設(shè)計；外部接口為兩個防水航空插頭。在鉆井過程中，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，與差分定位模塊產(chǎn)生的位置信息、高精度GPS時標(biāo)模塊產(chǎn)生的時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)，通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高速實時傳輸。該地震儀優(yōu)點在于實時采集鉆進過程中定點定時的地震波，對采集點實現(xiàn)高精度的差分定位，精確計算道間距和偏移距，降低地震解釋誤差，同時能夠?qū)崟r監(jiān)測地震檢波器的傾角變化。
文檔編號G01C9/00GK201387488SQ20092014766
公開日2010年1月20日 申請日期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, 王愛鳳, 許海庭, 韓來聚, 魏茂安 申請人:中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院