專利名稱：基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地球物理勘探設(shè)備及其監(jiān)測方法，尤其是基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置及其監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
在油田井地水驅(qū)前沿和壓裂裂縫監(jiān)測中，電位監(jiān)測技術(shù)往往使用基于方波的大地電法。CN2650152公開了 “一種網(wǎng)絡(luò)動態(tài)充電電位監(jiān)測裝置”，該裝置可以多電極間任意組合，測量不同方向電位梯度，進行現(xiàn)場分析，測量電極在供電電極周圍排列組成I至5環(huán)，每環(huán)各有10至50個電極，每個測量電極通過多電路電纜與信號記錄控制器的并聯(lián)陣列多路開關(guān)連接。CN1536373公開了“一種網(wǎng)絡(luò)充電電位方法”，該方法是采用兩個供電電極向地下供電，其中的一個供電電極為充電監(jiān)測井，另一個供電電極為距監(jiān)測井一定距離的套管井或人工接地點，通過監(jiān)測井電極供電，供電電流為周期性方波，電流通過監(jiān)測井的套管流向另一供電電極形成環(huán)路。在監(jiān)測井周圍布置測量網(wǎng)絡(luò)，測網(wǎng)是由3個以上以充電監(jiān)測井為中心、不同半徑的同心環(huán)組成的，每環(huán)布置至少24個接地電極，各接地電極首尾相連，通過對動態(tài)測量值的計算獲得相對不同基點的電位，以及環(huán)上切向電位梯度和徑向電位梯度。上述現(xiàn)有技術(shù)雖然都可以實現(xiàn)多點監(jiān)測地表電位及電位梯度，但都存在以下不足一、環(huán)境依賴性強。上述專利采用鋪設(shè)多電路電纜的方式，受復雜地形地貌的影響，在某些地區(qū)很難鋪設(shè)電纜，甚至無法鋪設(shè)電纜，因此會導致該地區(qū)采集到的信號較差，甚至無法采集，并且存在人身安全隱患。二、抗干擾能力差。目前，油田油井大多在1000米以下，通過正演計算地下1000米的異常體作為激勵源在地表產(chǎn)生的電壓為微幅級，并且發(fā)射電流的紋波和外界的干擾使得很難測得準確數(shù)據(jù)。上述專利均采用方波為發(fā)射信號，方波的抗干擾能力差，單純使用基于方波的電位或電位梯度法很難準確判斷水驅(qū)前沿和壓裂裂縫的走向。三、大工作量和高測試難度。油田中很多油井不是直井，油井低端投影到地表的位置可能不在被測井井口，致使在測試過程中以測試井為中心監(jiān)測時，只有加大鋪設(shè)測量半徑，才能完全監(jiān)測到異常信號，因此，增加了測試的工作量。本專利提出一種基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置的地球物理勘探設(shè)備的研制及其方法；尚未見相近的文獻或?qū)＠麍蟮馈?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置；本發(fā)明的另一目的是提供一種基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測方法本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置，主機箱I是由工控機3通過USB連接控制單元4和zigbee無線通訊單元5, zigbee無線通訊單元5與zigbee無線采集單元1、2、3……N無線通訊，每個zigbee無線采集單元都設(shè)有GPS定位模塊，發(fā)射電極6經(jīng)發(fā)射單元2與控制單元4連接構(gòu)成?？刂茊卧?是由zigbee無線通訊單元5經(jīng)測試通道7、單片機12與工控機3連接,zigbee無線通訊單元5通過無線通訊經(jīng)串并轉(zhuǎn)換8、FIF0芯片9和單片機12與工控機3連接，單片機12經(jīng)FPGA芯片13和FPGA芯片控制邏輯14與發(fā)射單元3連接，過壓過流保護模塊10和GPS同步模塊11分別與單片機12連接構(gòu)成。發(fā)射單元2是由控制單元4經(jīng)穩(wěn)流單元16和IGBT發(fā)射橋路17與發(fā)射電極6連接，IGBT發(fā)射橋路17分別連接保護吸收單元18和電流采樣單元19，控制單元4經(jīng)大功率恒流電源15與IGBT發(fā)射橋路17連接構(gòu)成。zigbee無線采集單元是由校準模塊20、信號通道21和接地電阻22分別經(jīng)功能選擇模塊23、信號調(diào)理模塊24、A/D采集模塊25、FIF0芯片26和微控制器27與zigbee無線通訊模塊30通訊，微控制器27分別連接GPS29和功能選擇模塊23，微控制器27經(jīng)CPLD芯片17和A/D采集模塊13與RAM存儲芯片18連接，CPLD芯片31與FIFO芯片26連接構(gòu)成。
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該裝置運用逆m序列偽隨機信號作為激勵源，進行水驅(qū)前沿和壓裂裂縫方向的監(jiān)測，通過相關(guān)辨識進行數(shù)據(jù)處理，提高了測量精度。一種基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，包括以下步驟a、首先根據(jù)被測井資料計算并確定被測井的靶心位置；b、以靶心位置為圓心，在地面鋪設(shè)發(fā)射電極A和無窮遠電極B，電極A接在被測井上，盡量將電極B接在1500米之外的另一井口上，鋪設(shè)完畢后測量A與B之間接地電阻，并計算最大的發(fā)射電流；C、鋪設(shè)采集單元，通常至少鋪設(shè)三圈不極化電極，以靶心為中心，在以50米為半徑的圓周上鋪設(shè)第一圈不極化電極，在半徑上每增加50米鋪設(shè)一圈不極化電極，以此類推，直到最外一圈不極化電極的半徑等于井深的1/5-1/10為止；根據(jù)井斜和地貌特征，通常按圓心角5-200間隔確定每圈不極化電極的鋪設(shè)個數(shù)，以正北方向為第一通道，逆時針等弧度鋪設(shè)第一圈，按第一圈的鋪設(shè)方式鋪設(shè)剩余圈各圈的不極化電極；不極化電極通過導線與zigbee無線采集單元連接，每兩圈不極化電極之間鋪設(shè)一圈zigbee無線采集單元，即zigbee無線采集單元的圈數(shù)等于不極化電極的圈數(shù)減I ;第一圈不極化電極和第二圈不極化電極分別與鋪設(shè)的第一圈zigbee無線采集單元連接，第二圈不極化電極和第三圈不極化電極分別與鋪設(shè)的第二圈zigbee無線采集單元連接，以此類推，直至到最外一圈不極化電極和最外第二圈不極化電極分別與鋪設(shè)的最外一圈zigbee無線采集單元連接；d、自檢，測試不極化電極的接地電阻，確保所有不極化電極都能與大地良好接觸，自檢完畢，開始注水或壓裂前背景場的監(jiān)測；e、通過主機箱I設(shè)置發(fā)射參數(shù)，設(shè)置發(fā)射波形、發(fā)射電流和發(fā)射頻率，設(shè)置完成后啟動發(fā)射機，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時產(chǎn)生GPS同步信號；f、通過主機箱I設(shè)置接收參數(shù)，包括采樣率、采集時間、存儲路徑和采集次數(shù)；g、啟動采集，當接收機接收到GPS同步脈沖信號時，接收機開始自動采集存儲注水或壓裂前的數(shù)據(jù)，所有zigbee無線采集單元的采集均同步進行；第一圈不極化電極將接收到的電壓信號和第二圈不極化電極接收到的電壓信號均送入第一圈鋪設(shè)的zigbee無線采集單元進行采集作差，將差分信號本地存儲，第二圈不極化電極將接收到的電壓信號和第三圈不極化電極接收到的電壓信號均送入第二圈鋪設(shè)的zigbee無線采集單元進行采集作差，將差分信號本地存儲，以此類推，直至到最外一圈不極化電極將接收到的電壓信號和最外第二圈不極化電極接收到的電壓信號均送入最外一圈鋪設(shè)的zigbee無線采集單元進行采集作差，并將差分信號本地存儲后，通過zigbee無線模塊送到主機箱I的工控機4存儲；h、注水或壓裂開始，重復步驟e至步驟g，直至完成注水或壓裂全過程的數(shù)據(jù)采集;i、數(shù)據(jù)解釋，將注水或壓裂前的數(shù)據(jù)和注水或壓裂后的數(shù)據(jù)分別進行數(shù)字濾波、 疊加、相關(guān)辨識之后作差成像，得到注水或壓裂前后數(shù)據(jù)的差異，從而判斷水驅(qū)前沿方向或壓裂裂縫走向。根據(jù)油田現(xiàn)場環(huán)境，以注水或壓裂井為發(fā)射電極A，1500米外的地面或油井為發(fā)射電極B ;鋪設(shè)無線采集單元時，所有無線采集單元都環(huán)繞在注水或壓裂井靶心(注水或壓裂井的低端投影到地表的位置)周圍，至少鋪設(shè)三圈zigbee無線采集單元，通過正演計算，在滿足儀器分辨率的情況下，每一圈最多可以鋪設(shè)72個不極化電極。工控機3與控制單元4連接,控制單元4與zigbee無線通訊單元5連接，zigbee無線通訊單元5與zigbee無線采集單元無線通訊,控制單元4和zigbee無線通訊單元5協(xié)調(diào)控制各個zigbee無線采集單元的工作；控制單元4與發(fā)射單元2連接,發(fā)射單元2在控制單元4的控制下可以發(fā)射多種波形，包括占空比可調(diào)的單極性方波、雙極性方波、雙頻波、偽隨機波，穩(wěn)流精度為0. 001 %，最大發(fā)射電流為80A，并且，發(fā)射信號的同時產(chǎn)生GPS同步信號；工控機3協(xié)同控制單元4控制zigbee無線通訊單元5向各個zigbee無線采集單元發(fā)送命令，控制各個無線采集單元工作，每個zigbee無線采集單元設(shè)有GPS定位模塊，從而，可以得到每一 zigbee無線采集單元的準確坐標。在同步信號的觸發(fā)下接收機開始工作；不極化電極將接收到的信號傳到zigbee無線采集單元進行采集和存儲同時通過zigbee無線模塊傳到zigbee無線通訊單元5進行數(shù)據(jù)收集，最后控制單元將收集到的數(shù)據(jù)通過USB送到工控機進行數(shù)據(jù)處理。一、測試方法首先，根據(jù)被測井的井深、井斜、方位通過計算出射孔位置在地面上的投影，即靶心位置，然后，以靶心為中心，呈放射狀鋪設(shè)zigbee無線采集單元，所有采集過程均由工控機3協(xié)調(diào)控制單元4共同完成。二、數(shù)據(jù)解釋方法包括基于方波和基于偽隨機的解釋方法，其中，基于方波的解釋方法為發(fā)射50%占空比幅值恒定的方波，通過監(jiān)測地表電位梯度實時成像，然后通過反演計算求出地下視電阻率從而確定水驅(qū)前沿或壓裂裂縫走向；本發(fā)明采用的偽隨機為M序列或逆M序列偽隨機，采用相關(guān)辨識法進行檢測，M序列或逆M序列偽隨機具有抗噪聲干擾的能力強和不影響系統(tǒng)正常工作，可以在線辨識特點。有益效果多通道同步采集可以實時監(jiān)測多方向的水驅(qū)前沿或壓裂裂縫走向；用偽隨機作為發(fā)射波形，提高了測試的精度，偽隨機序列具有無直流分量，它的相關(guān)函數(shù)接近白噪聲的相關(guān)函數(shù)即有窄的高峰，使它易于從其它信號或干擾中分離出來，偽隨機序列的偽隨機性表現(xiàn)在它實際上有一定的規(guī)律可預測性和可重復性，使它易于實現(xiàn)相關(guān)接收和匹配接收，故有良好的抗干擾性能。采用無線采集方式，避免了復雜地形地貌對數(shù)據(jù)采集工作的影響，即解決了部分方向采集不到數(shù)據(jù)的問題；采用GPS定位可以得到每一 zigbee無線采集單元的準確坐標位置；實時成像技術(shù)，為油田注水調(diào)刨提供了理論依據(jù)，減少了調(diào)刨的盲目性。


圖I是基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖2是圖I中控制單元4的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是圖I中發(fā)射單元2結(jié)構(gòu)框圖。
圖4是圖I中zigbee無線采集單元結(jié)構(gòu)框圖。圖5是監(jiān)測現(xiàn)場不極化電極和相關(guān)裝置分布6是斜井測試方法示意圖。圖7是大慶七廠永203-61井壓裂裂縫測試結(jié)果圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例作進一步的詳細說明本發(fā)明中的接收機由工控機、控制單元、zigbee無線通訊單元、zigbee無線采集單元和不極化電極組成，其中工控機、控制單元和zigbee無線通訊單元均在主機箱；發(fā)射機包括控制單元、發(fā)射單元和發(fā)射電極，其中發(fā)射單元包括大功率恒流電源、IGBT發(fā)射橋路、穩(wěn)流單元、保護吸收單元、電流取樣單元?；趜igbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置，主機箱I是由工控機3通過USB連接控制單元4和zigbee無線通訊單元5, zigbee無線通訊單元5與zigbee無線采集單元1、2、3……N無線通訊，每個zigbee無線采集單元都設(shè)有GPS定位模塊，發(fā)射電極6經(jīng)發(fā)射單元2與控制單元4連接構(gòu)成。控制單元4是由zigbee無線通訊單元5經(jīng)測試通道7、單片機12與工控機3連接,zigbee無線通訊單元5通過無線通訊經(jīng)串并轉(zhuǎn)換8、FIF0芯片9和單片機12與工控機3連接，單片機12經(jīng)FPGA芯片13和FPGA芯片控制邏輯14與發(fā)射單元3連接，過壓過流保護模塊10和GPS同步模塊11分別與單片機12連接構(gòu)成。發(fā)射單元2是由控制單元4經(jīng)穩(wěn)流單元16和IGBT發(fā)射橋路17與發(fā)射電極6連接，IGBT發(fā)射橋路17分別連接保護吸收單元18和電流采樣單元19，控制單元4經(jīng)大功率恒流電源15與IGBT發(fā)射橋路17連接構(gòu)成。zigbee無線采集單元是由校準模塊20、信號通道21和接地電阻22分別經(jīng)功能選擇模塊23、信號調(diào)理模塊24、A/D采集模塊25、FIF0芯片26和微控制器27與zigbee無線通訊模塊30通訊，微控制器27分別連接GPS29和功能選擇模塊23，微控制器27經(jīng)CPLD芯片17和A/D采集模塊13與RAM存儲芯片18連接，CPLD芯片31與FIFO芯片26連接構(gòu)成。根據(jù)油田現(xiàn)場環(huán)境，以注水或壓裂井為發(fā)射電極A，1500米外的地面或油井為發(fā)射電極B ;鋪設(shè)無線采集單元時，所有無線采集單元都環(huán)繞在注水或壓裂井靶心(注水或壓裂井的低端投影到地表的位置)周圍，至少鋪設(shè)三圈zigbee無線采集單元，其中每一圈最多可以鋪設(shè)72個zigbee無線采集單元。工控機3與控制單元4連接,控制單元與zigbee無線通訊單元連接，zigbee無線通訊單元與zigbee無線采集單元連接,控制單元和zigbee無線通訊單元協(xié)調(diào)控制各個zigbee無線采集單元的工作；控制單元與發(fā)射單元連接，發(fā)射單元在控制單元的控制下可以發(fā)射多種波形，包括占空比可調(diào)的單極性方波、雙極性方波、雙頻波、偽隨機波，穩(wěn)流精度為0. 001%，最大發(fā)射電流為80A，并且，發(fā)射信號的同時產(chǎn)生GPS同步信號；工控機協(xié)同控制單元控制zigbee無線通訊單元向各個zigbee無線采集單元發(fā)送命令,控制各個無線采集單元工作，每個zigbee無線采集單元設(shè)有GPS定位模塊,從而,可以得到每一 zigbee無線采集單元的準確坐標。在GPS同步信號的觸發(fā)下接收機開始工作；不極化電極將接收到的信號送到zigbee無線采集單元進行采集和存儲同時通過zigbee無線模塊傳到zigbee無線通訊單元進行數(shù)據(jù)收集，最后控制單元將收集到的數(shù)據(jù)通過USB送到工控機進行數(shù)據(jù)處理。 本發(fā)明的測試方法和數(shù)據(jù)解釋方法如下一、測試方法首先，根據(jù)被測井的井深、井斜、方位計算出射孔位置在地面上的投影，即靶心位置，然后，以靶心為中心，呈放射狀鋪設(shè)zigbee無線采集單元，所有采集過程均由工控機協(xié)調(diào)控制單元共同完成。二、數(shù)據(jù)解釋方法包括基于方波和基于偽隨機的解釋方法，其中，基于方波的解釋方法為發(fā)射50%占空比幅值恒定的方波，通過監(jiān)測地表電位梯度實時成像，然后通過反演計算求出地下視電阻率從而確定水驅(qū)前沿或壓裂裂縫走向；本專利采用的偽隨機為M序列或逆M序列偽隨機，采用相關(guān)辨識法進行檢測，M序列或逆M序列偽隨機具有抗噪聲干擾的能力強和不影響系統(tǒng)正常工作，可以在線辨識特點。發(fā)射單元由大功率恒流電源、IGBT發(fā)射橋路、穩(wěn)流單元、吸收保護單元、電流取樣單元和發(fā)射電極構(gòu)成?？刂茊卧饕瓿赡孀儤蚵夫?qū)動信號的產(chǎn)生、充電控制和發(fā)射機狀態(tài)監(jiān)控等?？刂茊卧ㄟ^對大功率恒流電源的電壓進行監(jiān)測，控制大功率恒流電源，為IGBT發(fā)射橋路提供大功率恒定電流?？刂茊卧€給驅(qū)動電路提供兩路邏輯相反并具有一定死區(qū)時間的控制信號；驅(qū)動電路將該控制信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換來驅(qū)動逆變橋路；逆變橋路由兩個橋臂構(gòu)成，每個橋臂分別有兩個大功率IGBT開關(guān)管，用來將大功率恒流電源提供的直流電源逆變成交變電流，逆變橋路的兩個橋臂輸出端接到發(fā)射電極的A、B兩端；由于IGBT導通狀態(tài)下電路中通過很大電流，當IGBT關(guān)斷瞬間，由于負載呈感性，同時電路中存在雜散電感與分布電容，使得器件在關(guān)斷瞬間承受很大壓力。為減少電壓沖擊的影響，本裝置使用了 RCD吸收緩沖電路。當控制單元給出發(fā)射命令時,發(fā)射電極中將產(chǎn)生大功率交變電流，同時產(chǎn)生GPS同步信號；為了減少電流的不穩(wěn)定性對測試結(jié)果的影響增加了電流取樣單元，在采集過程中實時監(jiān)測發(fā)射電流的變化情況，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的校正。當接收機接收到GPS同步信號時，啟動各個zigbee無線采集單元進行數(shù)據(jù)采集?？刂茊卧苫赨SB 2.0外設(shè)的內(nèi)嵌增強型51的EZ-USB FX2系列單片機CY7C68013-100AC、MAX7000S 系列的 CPLD 和 FIFO 組成；CY7C68013_100AC 單片機進行 USB接口控制、系統(tǒng)時序控制和系統(tǒng)功能設(shè)置，CPLD負責產(chǎn)生數(shù)據(jù)的存儲與讀取的時序，F(xiàn)IFO進行速度匹配以滿足USB高速傳輸?shù)男枰?，zigbee無線通訊單元由zigbee無線模塊和一些外圍設(shè)備組成，與各個zigbee無線采集單元進行命令和數(shù)據(jù)的傳輸,每個zigbee無線采集單元包括功能選擇模塊、信號調(diào)理模塊、A/D采集模塊、控制模塊、zigbee無線模塊、GPS模塊和RAM數(shù)據(jù)讀取模塊，功能選擇模塊主要包括接地電阻測量、校正模塊和信號通道，其中測量接地電阻主要是保證各個不極化電極能夠與大地良好接觸，而校正模塊可以防止信號的直流偏置太大，保證信號不失真的被采集；信號調(diào)理模塊對信號進行放大和濾波，便于采集?？刂颇K主要由單片機和CPLD組成，來控制整個采集過程，zigbee無線模塊主要完成與主機箱的通訊和數(shù)據(jù)傳輸，GPS模塊主要是為了得到每個才幾點的位置坐標；為了區(qū)分各個采集單元的信號，每個zigbee無線采集單元都有自己對應(yīng)的編號；整個采集過程就是發(fā)射機通過發(fā)射電極向大地發(fā)射信號，工控機協(xié)同控制單元通過zigbee無線通訊模塊向所有zigbee無線采集單元發(fā)送指令開始同步采集，待采集結(jié)束后按指定的編號順序向主機箱的無線通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)，同時控制單元通過USB將數(shù)據(jù)打包傳送到工控機，進行數(shù)據(jù)存儲和分析處理。基于zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)化井地偽隨機監(jiān)測裝置野外具體工作方法步驟I、測試前準備工作。檢查井場條件，計算被測井的靶心位置。
步驟2、鋪設(shè)發(fā)射電極。在一個復雜地形地貌，地下條件未知的油場，首先，鋪設(shè)發(fā)射電極A和無窮遠電極B，電極A接在被測井上，為了減小接地電阻，盡量將電極B接在1500米之外的另一井口上，鋪設(shè)完畢后測量A、B間接地電阻，并計算可發(fā)射的最大電流。步驟3、鋪設(shè)采集單元。確定被測井的靶心位置，鋪設(shè)時以該井靶心為中心，在其周圍半徑為50米的圓周上鋪設(shè)第一圈不極化電極，通過正演計算，確定所要鋪設(shè)不極化電極圈數(shù)，即鋪設(shè)半徑為被測井深的1/5到1/10。在滿足儀器分辨率的情況下確定每一圈所要鋪設(shè)的不極化電極的個數(shù)，以正北方向為第一通道，逆時針等弧度鋪設(shè)第一圈。根據(jù)井深通過正演計算確定第一圈與第二圈不極化電極之間的距離，確定后按第一圈的鋪設(shè)方式進行第二圈不極化電極的鋪設(shè),在第一圈和第二圈之間每兩個電極安放一套zigbee無線采集單元，以此類推完成剩余圈的鋪設(shè)。步驟4、自檢。為采集到好的信號，測試不極化電極的接地電阻，確保所有不極化電極都能與大地良好接觸，自檢完畢，開始注水或壓裂前背景場的監(jiān)測。步驟5、發(fā)射參數(shù)設(shè)置。首先，設(shè)置發(fā)射波形、發(fā)射電流和發(fā)射頻率等參數(shù)，設(shè)置完成啟動發(fā)射機，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時產(chǎn)生GPS同步信號。步驟6、接收參數(shù)設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)場鋪設(shè)zigbee無線采集單元情況設(shè)置接收機的參數(shù)，包括采樣率、采集時間、存儲路徑和采集次數(shù)等。步驟7、啟動采集。當接收到GPS同步信號時，開始自動采集存儲，并現(xiàn)場成像。其中，zigbee無線采集單元將第i圈的第j通道信號與第i+1圈的第j通道同時送到zigbee無線采集單元進行作差，將差分信號本地存儲，并通過zigbee無線模塊送到主機箱的zigbee無線通訊單元，控制單元通過USB將采集到的信號送到工控機進行數(shù)據(jù)處理，并實時成像。設(shè)備將根據(jù)預設(shè)次數(shù)自動完成剩余的采集工作，所有zigbee無線采集單元的采集都同步進行。步驟8、待注水或壓裂完成后，重復步驟5至步驟7，完成注水或壓裂后的采集工作。步驟9、數(shù)據(jù)解釋。將采集到注水前后的數(shù)據(jù)傳輸入數(shù)據(jù)處理軟件，進行數(shù)字濾波、疊加、相關(guān)辨識等方法處理，之后作差成像，得到注水前后數(shù)據(jù)的差異，從而判斷水驅(qū)前沿方向或壓裂裂縫走向。實施例I基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置在探測壓裂井壓裂裂縫時，進行兩次測試，壓裂前和壓裂后測試，2012年5月16日，對大慶七廠油田井號‘永203_61’油井進行了壓裂裂縫監(jiān)測試驗。壓裂層段位于1415. 4m-1419. 4m。步驟I、利用壓裂井的套管作為發(fā)射電流源A極，電極B接在1500米之外的另一井口上，鋪設(shè)完畢后測量A、B間接地電阻為3歐姆步驟2、鋪設(shè)發(fā)射電極，采用放射狀觀測方式，以供電電流井在地面的投影點為圓心，測線間距20度，在井周圍布置4圈不極化電極，徑向方向相鄰兩測點距50米，根據(jù)儀器 分辨率的技術(shù)指標(相鄰兩電極間的電位差應(yīng)小于儀器的分辨率)確定每圈鋪設(shè)18個電極；步驟3、鋪設(shè)采集單元，由于該井為直井，鋪設(shè)時以該井為中心，在其半徑為50米的圓周上鋪設(shè)第一圈不極化電極，通過正演計算，最遠一圈不極化電極的鋪設(shè)半徑為被測井深的1/5到1/1 0，通過計算可知四圈電極足夠可以監(jiān)測出目標層的異常體，以正北方向為第一通道，每圈按18個不極化電極鋪設(shè)，逆時針等弧度鋪設(shè)第一圈不極化電極、第二圈不極化電極、第三圈不極化電極和第四圈不極化電極。不極化電極鋪設(shè)完成后鋪設(shè)zigbee無線采集單元，在第一圈和第二圈不極化電極之間每兩個電極安放一套zigbee無線采集單元；在在第二圈和第三圈不極化電極之間每兩個電極安放一套zigbee無線采集單元；在第三圈和第四圈不極化電極之間每兩個電極安放一套zigbee無線采集單元。步驟4、自檢，為采集到好的信號，測試不極化電極的接地電阻，確保所有不極化電極都能與大地良好接觸，自檢完畢，開始壓裂前背景場的監(jiān)測。步驟5、設(shè)置發(fā)射參數(shù)，首先設(shè)置發(fā)射波形為三頻偽隨機波形，發(fā)射電流為30A，設(shè)置為恒流發(fā)射，設(shè)置完成啟動發(fā)射機，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時產(chǎn)生GPS同步信號。步驟6、設(shè)置接收參數(shù)，采樣率為1K、采集時間為60s、采集次數(shù)為3次，存儲路徑為D盤“永203-61”文件夾。步驟7、啟動采集。當接收到GPS同步信號時，開始自動采集存儲,第一圈zigbee無線采集單元將第一圈的18個不極化電極和第二圈18個不極化電極接收的電信號通過zigbee無線采集單元的AD作差，將差分信號本地存儲，并通過zigbee無線采集單元中的zigbee無線模塊送到主機箱的zigbee無線通訊單元，控制單元4通過USB將差分信號送到工控機進行數(shù)據(jù)處理，并實時成像。步驟8、壓裂完成后，重復步驟5至步驟7，完成壓裂后的采集工作。步驟9、數(shù)據(jù)解釋，將采集到的壓裂前和壓裂后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、數(shù)字疊加、相關(guān)辨識處理，最終得到壓裂裂縫走向為北偏東60°，南偏西28°方向有微弱裂縫(見圖7)。
權(quán)利要求
1.一種基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置，其特征在于，主機箱(I)是由エ控機(3)通過USB連接控制單元(4)和zigbee無線通訊單元(5), zigbee無線通訊單元(5)與zigbee無線采集單元1、2、3......N無線通訊,姆個zigbee無線采集單元都設(shè)有GPS定位模塊，發(fā)射電極(6)經(jīng)發(fā)射単元(2)與控制單元(4)連接構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置，其特征在于，控制単元(4)是由zigbee無線通訊單元(5)經(jīng)測試通道(7)、單片機(12)與エ控機(3)連接，zigbee無線通訊單元(5)通過無線通訊經(jīng)串并轉(zhuǎn)換(8)、FIF0芯片(9)和單片機(12)與エ控機(3)連接，單片機(12)經(jīng)FPGA芯片(13)和FPGA芯片控制邏輯(14)與發(fā)射單元(3)連接，過壓過流保護模塊(10)和GPS同步模塊(11)分別與單片機(12)連接構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求I所述的基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置，其特征在于，發(fā)射単元⑵是由控制単元⑷經(jīng)穩(wěn)流単元(16)和IGBT發(fā)射橋路(17)與發(fā)射電極(6)連接，IGBT發(fā)射橋路(17)分別連接保護吸收単元(18)和電流采樣單元(19)，控制單元(4)經(jīng)大功率恒流電源(15)與IGBT發(fā)射橋路(17)連接構(gòu)成。
4.按照權(quán)利要求I所述的基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置，其特征在干，zigbee無線采集單元是由校準模塊(20)、信號通道(21)和接地電阻(22)分別經(jīng)功能選擇模塊(23)、信號調(diào)理模塊(24)、A/D采集模塊(25)、FIFO芯片(26)和微控制器(27)與zigbee無線通訊模塊(30)通訊,微控制器(27)分別連接GPS (29)和功能選擇模塊(23),微控制器(27)經(jīng)CPLD芯片(17)和A/D采集模塊(13)與RAM存儲芯片(18)連接，CPLD芯片(31)與FIFO芯片(26)連接構(gòu)成。
5.一種基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置的監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟 a、首先根據(jù)被測井資料計算并確定被測井的靶心位置； b、以靶心位置為圓心，在地面鋪設(shè)發(fā)射電極A和無窮遠電極B，電極A接在被測井上，盡量將電極B接在1500米之外的另一井口上，鋪設(shè)完畢后測量A與B之間接地電阻，并計算最大的發(fā)射電流； C、鋪設(shè)采集単元，通常至少鋪設(shè)三圈不極化電極，以靶心為中心，在以50米為半徑的圓周上鋪設(shè)第一圈不極化電極，在半徑上每增加50米鋪設(shè)ー圈不極化電極，以此類推，直到最外一圈不極化電極的半徑等于井深的1/5-1/10為止； 根據(jù)井斜和地貌特征，通常按圓心角5-200間隔確定每圈不極化電極的鋪設(shè)個數(shù)，以正北方向為第一通道，逆時針等弧度鋪設(shè)第一圈，按第一圈的鋪設(shè)方式鋪設(shè)剩余圈各圈的不極化電極； 不極化電極通過導線與zigbee無線采集單元連接，每兩圈不極化電極之間鋪設(shè)ー圈zigbee無線采集單元，即zigbee無線采集單元的圈數(shù)等于不極化電極的圈數(shù)減I ; 第一圈不極化電極和第二圈不極化電極分別與鋪設(shè)的第一圈zigbee無線采集單元連接，第二圈不極化電極和第三圈不極化電極分別與鋪設(shè)的第二圈zigbee無線采集單元連接，以此類推，直至到最外一圈不極化電極和最外第二圈不極化電極分別與鋪設(shè)的最外一圈zigbee無線采集單元連接； d、自檢，測試不極化電極的接地電阻，確保所有不極化電極都能與大地良好接觸，自檢完畢，開始注水或壓裂前背景場的監(jiān)測；e、通過主機箱I設(shè)置發(fā)射參數(shù)，設(shè)置發(fā)射波形、發(fā)射電流和發(fā)射頻率，設(shè)置完成后啟動發(fā)射機，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時產(chǎn)生GPS同步信號； f、通過主機箱I設(shè)置接收參數(shù)，包括采樣率、采集時間、存儲路徑和采集次數(shù)； g、啟動采集，當接收機接收到GPS同步脈沖信號時，接收機開始自動采集存儲注水或壓裂前的數(shù)據(jù)，所有zigbee無線采集単元的采集均同步進行；第一圈不極化電極將接收到的電壓信號和第二圈不極化電極接收到的電壓信號均送入第一圈鋪設(shè)的zigbee無線采集単元進行采集作差，將差分信號本地存儲，第二圈不極化電極將接收到的電壓信號和第三圈不極化電極接收到的電壓信號均送入第二圈鋪設(shè)的zigbee無線采集単元進行采集作差，將差分信號本地存儲，以此類推，直至到最外一圈不極化電極將接收到的電壓信號和最外第二圈不極化電極接收到的電壓信號均送入最外一圈鋪設(shè)的zigbee無線采集單元進行采集作差，并將差分信號本地存儲后，通過zigbee無線模塊送到主機箱I的エ控機4存儲； h、注水或壓裂開始，重復步驟e至步驟g，直至完成注水或壓裂全過程的數(shù)據(jù)采集； i、數(shù)據(jù)解釋，將注水或壓裂前的數(shù)據(jù)和注水或壓裂后的數(shù)據(jù)分別進行數(shù)字濾波、疊加、自相關(guān)辨識之后作差成像，得到注水或壓裂前后數(shù)據(jù)的差異，從而判斷水驅(qū)前沿方向或壓裂裂縫走向。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于zigbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法?；趜igbee的無線井地偽隨機監(jiān)測裝置，主機箱是由工控機通過USB連接控制單元和zigbee無線通訊單元，與zigbee無線采集單元1、2、3……N無線通訊，每個zigbee無線采集單元都設(shè)有GPS定位模塊，發(fā)射電極經(jīng)發(fā)射單元與控制單元連接構(gòu)成。用偽隨機作為發(fā)射波形，提高了測試的精度，偽隨機序列具有無直流分量，它的相關(guān)函數(shù)接近白噪聲的相關(guān)函數(shù)即有窄的高峰，易于從其它信號或干擾中分離，具有良好的抗干擾。采用無線采集方式，避免了復雜地形地貌對數(shù)據(jù)采集的影響，解決了部分方向采集不到數(shù)據(jù)的問題；采用GPS定位可以得到每一zigbee無線采集單元的準確坐標；為油田注水調(diào)刨提供了理論依據(jù)，減少了調(diào)刨的盲目性。
文檔編號G01V3/20GK102798895SQ20121028483
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月12日
發(fā)明者林君, 賈正森, 邱春玲, 朱凱光, 王佳, 李雪濤, 李亭亭, 李振峰, 石龍龍 申請人:吉林大學