三分量微地震裂縫監測儀的設計及應用　

　　2.3 GPS授時電路

　　考慮到微地震數據采集對于時間精度要求較高，CPU芯片外部晶振在長時間運行后會產生無法避免的誤差，所以在電路上設計了GPS時鐘模塊作為授時基準，在GPS衛星信號穩定的前提下，GPS的重捕獲時間是1 s，絕對時間精度可達到4~10 s，以秒信號作為AD數據長度的劃分標志，GPS秒中斷后，數據被存儲到SD卡，同時在文件中打上時間戳，從而保證了采集數據時間的一致性。

　　2.4 SD卡存儲電路

　　采集電路按照1 kHz的采樣速度，24位AD芯片工作1 s會產生4 KB數據，一個三分量采集系統是三個通道，總數據量是12 KB，1小時連續采集需要存儲43.2 MB的數據。本專利中選用32 GB規格的SD卡，理論上采集系統可以連續工作30天左右。為了防止丟失數據和便于后續數據處理，設計為1小時生成1個存儲，文件格式為FAT32，可以直接在Windows系統環境下讀取。

3 嵌入式系統軟件設計

　　微地震智能識別裝置上電后，硬件開始初始化，順序依次為：CPU時鐘——CPU中斷——片外SDRAM——LED指示燈——SPI總線——RS232串口——看門狗——默認參數讀取——GPS——SD卡——片外AD模數轉換器CS5361——片內AD——程控增益放大器PGA280。初始化結束后，經過1 min左右的延時，GPS已經可以接收到授時信息，CS5361在GPS時間驅動下開始采集數據，啟用DMA通道，每分鐘存儲1幀數據，如此一直延續下去，在丟失GPS信號的情況下暫停存儲數據。工作流程如圖6所示。

4 野外應用試驗

　　三分量微地震裂縫監測儀野外應用試驗點選擇在涪陵國家級頁巖氣示范區的焦石鎮水源村地下水監測井處。自2012年以來，中石化集團已在涪陵區域開發了數十個頁巖氣鉆井作業平臺，選擇此處作為試驗場地較為理想。三分量監測儀布設方式采用“十字形”陣列，傳感器間隔30 m，縱向和橫向監測線長度均為570 m，總計布設39個監測點，布設方式和監測點設備如圖7和圖8所示。微地震事件采用人工點火花方式產生，震源激發器選用XW5512A型電火花震源，電壓70 kV。試驗過程中將電火花電極放置于監測井內，自5 m深處每5 m下放一個深度，每個深度間隔1 min激發一次震動，最終下放深度為50 m總計進行33次微地震事件監測，并做好相應記錄。

　　選擇激發點東偏南45度方向上的12#微地震監測點進行數據分析，圖9為該監測點11月11日下午16時采集的時長為21分鐘數據，共63個記錄道，其中1、2和3道分別為Z、X和Y分量，記錄1 min的數據，其余類推。21分鐘的記錄共有40多個有用信號，其余為噪聲和干擾信號。經濾波頻率為25~100 Hz帶通濾波器有效濾波，濾除噪聲和干擾信號，得到有效事件記錄曲線，并分析第1個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，設備于16時0分120 ms采集到波形數據，這與實際激發震源時間相吻合。對有效事件進行極化分析，結果表明，震源位于接收點西偏北45度方向處，垂直深度為21.34 m，計算定位點與實際激發點之間的誤差為垂直1.34 m，這與采樣波形數據的初至位置時刻有關。

5 結論

　　三分量微地震監測儀主要用于頁巖氣開采過程中對微地震事件的捕捉，能夠較真實地反應壓裂過程中震源的位置、目標儲層上覆巖層穩定性與受損程度，能夠監測開采區井田區域范圍的構造裂隙發育情況和變化趨勢，可作為了解頁巖氣水壓裂對深部地質結構造成影響的技術手段，下一步應完善震源定位算法減小設備測量誤差。

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