随钻地震地面地震数据采集装置研制

1、随钻地震地面地震数据采集装置研制钻井信息中心 许海庭 曹忠诚 魏茂安 一、项目背景随钻RVSP技术是以钻井作业中钻头破岩时产生的振动作为地下震源，通过安装在井架和钻杆顶端的传感器采集由钻杆传送上来的钻头振动信号（通常称为参考信号），并通过地面测线上的检波器排列采集经地层传播上来的钻头信号的直达波和反射波，将参考信号经过预处理后与地面检波器的信号进行互相关、时移以及各种去噪处理后，进行地层特征评价。随钻RVSP原理示意图见图1。图1随钻RVSP原理示意图目前国外随钻地震系统地面测线采集采用的大多是石油物探的仪器和设备，并且按照石油物探的方法来进行布置和测量，仪器设备数量多，连续记录时间短，数据资

2、料的处理与解释都需要专业操作人员和处理解释软件，这些专业软件对于钻井工程师来说一般不易掌握，需要物探专业人员参与，这种技术路线大大限制该项技术的发展与推广。在分析总结国内外随钻地震系统结构的基础上，开发了新型随钻地震地面数据采集装置。该装置对钻头振动产生的直达波和反射波实现了高精度、高信噪比、大动态范围的采集，同时依靠高可靠性的WIFI无线局域网，实现采集装置与地震数据监控中心的高速双向通讯，最终实现高速、实时的随钻地震信号采集。并且该装置可以实时响应中心的指令，进行模拟放大倍数远程在线设计、数字滤波的远程在线设计以及ADC通道自诊断等多种在线操作。图2 地面地震数据采集装置实物图二、主要内容

3、及创新点1、主要内容（1）模拟输入桥式平衡网络设计地面地震数据采集装置为三通道设计，其中两道传感器的信号通过50米的长线引入采集装置，长线中会串入一些噪声干扰。为了压制长导线中串入的噪声信号，提高抗干扰能力，在传感器信号输入端设计了桥式平衡网络。图3为噪声输入、输出平衡网络信号对比图。图3 噪声输入、输出平衡网络信号对比图（2）24位地震数据采集技术开发为实现高精度、高速度、大动态范围数据采集，模数转换功能由基于技术的24位模数转换、数字滤波芯片CS5371、CS5376的设计来实现。随钻地震信号进行初级放大、滤波后，由CS5371、CS5372组成的三通道4阶调制器进行调制，数字滤波器CS5

4、376接收调制器数据（MDATA）和溢出标志输出（MFLAG）时，生成调制时钟（MCLK）和同步时钟（MSYNC）。系统工作于2.048MHz时钟频率时，调制器产生512kbits的超采样串行位流。模拟调制器与数字滤波器接口时序见图4。数字滤波器在嵌入式微处理器SPI总线的控制下，进行高达4阶调制有效滤波。微处理器对数字滤波器的读写时序如图5、图6所示。图4 模拟滤波器与数字滤波器接口时序图5 微处理器读CS376时序 图6 微处理器写CS376时序（3）滤波参数远程在线设计由于受井下地质构造、钻压、转速、钻具类型井深及环境噪声、测线布设等因素影响，随钻地震信号变化较大，在随钻地震信号采集的实

5、际应用中允许通过在线改变数字滤波器的组合和滤波器参数来改变滤波器的输出响应，获得较理想的滤波效果。一个高效率的滤波器的设计要做到乘法运算最少、量化噪声最小、系数敏感度最小等，还要有好的衰减特性、稳定性，用一个滤波器很难达到以所有的要求。采用模块化，多种滤波器级联，多采样率的结构有助于实现高效率的滤波器。图6为随钻地震数据采集装置设计的数字滤波器结构图。第一节为3 级SINC滤波器组成的SINC滤波器链，第二节为2级FIR滤波器，第三节为2 级IIR 滤波器。在实际应用中，支持远程在线设计，选取不同的滤波级别进行输出，以满足复杂随钻地震信号处理、分析的需求。图6 数字滤波器结构图（4）GPS时标

6、设计在随钻地震数据采集中，时间基准的测量精度要求非常严格，它直接影响到地震信号记录的质量。只有参考信号与地面采集信号具有精确、统一的时间基准，才能给数据分析和地震波反演工作提供所需的极有价值的数据。由GPS模块组成的随钻地震时标系统解决了随钻地震数据采集中的实时时标问题。图7为经过时标校时后27个通道的波形图，图8是进行局部放大后的时标误差图，可以测得同一时刻采集到的数据的最大时间偏差为40微秒。图7 实测27道数据波形图图8 时标误差测试图（5）高速无线数据传输技术开发常规地震数据传输系统大多采用有线数据传输，粗重的多芯电缆铺设在排列上,地震信息以模拟形式传输,既要受到各种干扰,还会产生一定

7、的道间串扰。近几年国外地震仪厂家也开发了无线遥测分布式地震仪，采用的是大功率的无线电台，在抗干扰能力和灵活性上有了一定的提高，但是通讯频率、速率和功率等问题也限制了设备的进一步应用，更不适合随钻地震长时间不间断的高速率数据传输。随着无线网络技术及应用的快速发展，使得地面地震数据采集系统采用无线局域网具备了技术条件。与常规地震通讯手段对比，无线局域网通讯技术有以下优点。l 全数字式传输,抗干扰能力强；l 采用2.4Ghz的高频通讯，系统通讯速率高于2Mbps；l 灵活性强，可根据地形和实际环境，灵活布置；l 双向高速无线通讯对数据进行预处理,提高了质量控制能力；l 自动化程度高,操作灵活,便于维

8、护；l 成本较低，属于一次性投资，避免类似有线电缆使用损耗问题。要实现随钻测量现场的无线局域网通讯，需要两个因素，一是远距离的无线路由器应用，满足距离井场一公里左右的通讯，二是地震仪系统内嵌入式的WIFI模块开发，实现子站间无缝局域网的建立，图9为现场通讯示意图。图9 系统通讯示意图开发完成的WIFI无线局域网可实现地面测线完整信号覆盖，结合WDS（无线分布式系统）技术，实现多级无线无缝漫游，整体带宽不小于2Mbps。 图10 采集装置实物图及带宽变化图2、创新点（1）随钻地震地面地震数据采集装置采用WIFI技术作为采集现场双向通讯手段，提高抗干扰能力并实现高速数据传输。（2）采用基于技术的2

9、4位模数转换技术，实现高精度、高速度、大动态范围地震数据采集。（3）差分GPS的PPS信号和时间信息构成的随钻地震采集系统时标，达到了50微秒的时间精度。（4）在随钻地震信号采集的实际应用中，可以通过在线改变数字滤波器的组合和滤波器参数来改变滤波器的输出响应，获得较理想的滤波效果。三、应用效果新研制的随钻地震地面地震数据采集装置现已应用于现场，进行了6口井的随钻现场采集试验，成功采集了不同钻井工况下的随钻地震数据。经数据处理，获得了随钻地震记录剖面，其信噪比远高于常规地震剖面，能够与常规VSP成果相媲美。 图11 现场测试图图12 多道地震数据采集图四、成果推广前景近年来国外石油公司投入大量资金开展随钻地震技术研究，取得很大的成功，进行了50多口井的现场应用，已产生了显著的经济效益和社会效益，但目前随钻地震系统的地震数据采集装置大多采用石油物探的仪器和设备，设备昂贵并且与随钻地震数据采集要求有一定差距。依靠国家863项目“随钻地震技术研究”的