專利名稱：基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)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(cè)方法，尤其是基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置及其監(jiān)測(cè)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(cè)中，電位監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)充電電位監(jiān)測(cè)裝置”，該裝置可以多電極間任意組合，測(cè)量不同方向電位梯度，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，測(cè)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(gè)電極，每個(gè)測(cè)量電極通過(guò)多電路電纜與信號(hào)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(gè)供電電極向地下供電，其中的一個(gè)供電電極為充電監(jiān)測(cè)井，另一個(gè)供電電極為距監(jiān)測(cè)井一定距離的套管井或人工接地點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)井電極供電，供電電流為周期性方波，電流通過(guò)監(jiān)測(cè)井的套管流向另一供電電極形成環(huán)路。在監(jiān)測(cè)井周圍布置測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，測(cè)網(wǎng)是由3個(gè)以上以充電監(jiān)測(cè)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(gè)接地電極，各接地電極首尾相連，通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量值的計(jì)算獲得相對(duì)不同基點(diǎn)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(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)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(qiáng)。上述專利采用鋪設(shè)多電路電纜的方式，受復(fù)雜地形地貌的影響，在某些地區(qū)很難鋪設(shè)電纜，甚至無(wú)法鋪設(shè)電纜，因此會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)采集到的信號(hào)較差，甚至無(wú)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(guò)正演計(jì)算地下1000米的異常體作為激勵(lì)源在地表產(chǎn)生的電壓為微幅級(jí)，并且發(fā)射電流的紋波和外界的干擾使得很難測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。上述專利均采用方波為發(fā)射信號(hào)，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(zhǔn)確判斷水驅(qū)前沿和壓裂裂縫的走向。三、大工作量和高測(cè)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(cè)井井口，致使在測(cè)試過(guò)程中以測(cè)試井為中心監(jiān)測(cè)時(shí)，只有加大鋪設(shè)測(cè)量半徑，才能完全監(jiān)測(cè)到異常信號(hào)，因此，增加了測(cè)試的工作量。本專利提出一種基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置的地球物理勘探設(shè)備的研制及其方法；尚未見(jiàn)相近的文獻(xiàn)或?qū)＠麍?bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置；本發(fā)明的另一目的是提供一種基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)方法本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置，主機(jī)箱I是由工控機(jī)3通過(guò)USB連接控制單元4和zigbee無(wú)線通訊單元5, zigbee無(wú)線通訊單元5與zigbee無(wú)線采集單元1、2、3……N無(wú)線通訊，每個(gè)zigbee無(wú)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(wú)線通訊單元5經(jīng)測(cè)試通道7、單片機(jī)12與工控機(jī)3連接,zigbee無(wú)線通訊單元5通過(guò)無(wú)線通訊經(jīng)串并轉(zhuǎn)換8、FIF0芯片9和單片機(jī)12與工控機(jī)3連接，單片機(jī)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(guò)壓過(guò)流保護(hù)模塊10和GPS同步模塊11分別與單片機(jī)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(hù)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(wú)線采集單元是由校準(zhǔn)模塊20、信號(hào)通道21和接地電阻22分別經(jīng)功能選擇模塊23、信號(hào)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(wú)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(chǔ)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(yùn)用逆m序列偽隨機(jī)信號(hào)作為激勵(lì)源，進(jìn)行水驅(qū)前沿和壓裂裂縫方向的監(jiān)測(cè)，通過(guò)相關(guān)辨識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高了測(cè)量精度。一種基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟a、首先根據(jù)被測(cè)井資料計(jì)算并確定被測(cè)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(wú)窮遠(yuǎn)電極B，電極A接在被測(cè)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(cè)量A與B之間接地電阻，并計(jì)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(gè)數(shù)，以正北方向?yàn)榈谝煌ǖ?，逆時(shí)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(guò)導(dǎo)線與zigbee無(wú)線采集單元連接，每?jī)扇Σ粯O化電極之間鋪設(shè)一圈zigbee無(wú)線采集單元，即zigbee無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線采集單元連接；d、自檢，測(cè)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(chǎng)的監(jiān)測(cè)；e、通過(guò)主機(jī)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(dòng)發(fā)射機(jī)，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時(shí)產(chǎn)生GPS同步信號(hào)；f、通過(guò)主機(jī)箱I設(shè)置接收參數(shù)，包括采樣率、采集時(shí)間、存儲(chǔ)路徑和采集次數(shù)；g、啟動(dòng)采集，當(dāng)接收機(jī)接收到GPS同步脈沖信號(hào)時(shí)，接收機(jī)開始自動(dòng)采集存儲(chǔ)注水或壓裂前的數(shù)據(jù)，所有zigbee無(wú)線采集單元的采集均同步進(jìn)行；第一圈不極化電極將接收到的電壓信號(hào)和第二圈不極化電極接收到的電壓信號(hào)均送入第一圈鋪設(shè)的zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行采集作差，將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)，第二圈不極化電極將接收到的電壓信號(hào)和第三圈不極化電極接收到的電壓信號(hào)均送入第二圈鋪設(shè)的zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行采集作差，將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)，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(hào)和最外第二圈不極化電極接收到的電壓信號(hào)均送入最外一圈鋪設(shè)的zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行采集作差，并將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)后，通過(guò)zigbee無(wú)線模塊送到主機(jī)箱I的工控機(jī)4存儲(chǔ)；h、注水或壓裂開始，重復(fù)步驟e至步驟g，直至完成注水或壓裂全過(guò)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(jìn)行數(shù)字濾波、 疊加、相關(guān)辨識(shí)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(chǎng)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(wú)線采集單元時(shí)，所有無(wú)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(wú)線采集單元，通過(guò)正演計(jì)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(gè)不極化電極。工控機(jī)3與控制單元4連接,控制單元4與zigbee無(wú)線通訊單元5連接，zigbee無(wú)線通訊單元5與zigbee無(wú)線采集單元無(wú)線通訊,控制單元4和zigbee無(wú)線通訊單元5協(xié)調(diào)控制各個(gè)zigbee無(wú)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(jī)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(hào)的同時(shí)產(chǎn)生GPS同步信號(hào)；工控機(jī)3協(xié)同控制單元4控制zigbee無(wú)線通訊單元5向各個(gè)zigbee無(wú)線采集單元發(fā)送命令，控制各個(gè)無(wú)線采集單元工作，每個(gè)zigbee無(wú)線采集單元設(shè)有GPS定位模塊，從而，可以得到每一 zigbee無(wú)線采集單元的準(zhǔn)確坐標(biāo)。在同步信號(hào)的觸發(fā)下接收機(jī)開始工作；不極化電極將接收到的信號(hào)傳到zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行采集和存儲(chǔ)同時(shí)通過(guò)zigbee無(wú)線模塊傳到zigbee無(wú)線通訊單元5進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最后控制單元將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一、測(cè)試方法首先，根據(jù)被測(cè)井的井深、井斜、方位通過(guò)計(jì)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(wú)線采集單元，所有采集過(guò)程均由工控機(jī)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(jī)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(guò)監(jiān)測(cè)地表電位梯度實(shí)時(shí)成像，然后通過(guò)反演計(jì)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(jī)為M序列或逆M序列偽隨機(jī)，采用相關(guān)辨識(shí)法進(jìn)行檢測(cè)，M序列或逆M序列偽隨機(jī)具有抗噪聲干擾的能力強(qiáng)和不影響系統(tǒng)正常工作，可以在線辨識(shí)特點(diǎn)。有益效果多通道同步采集可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多方向的水驅(qū)前沿或壓裂裂縫走向；用偽隨機(jī)作為發(fā)射波形，提高了測(cè)試的精度，偽隨機(jī)序列具有無(wú)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(hào)或干擾中分離出來(lái)，偽隨機(jī)序列的偽隨機(jī)性表現(xiàn)在它實(shí)際上有一定的規(guī)律可預(yù)測(cè)性和可重復(fù)性，使它易于實(shí)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(wú)線采集方式，避免了復(fù)雜地形地貌對(duì)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(wèn)題；采用GPS定位可以得到每一 zigbee無(wú)線采集單元的準(zhǔn)確坐標(biāo)位置；實(shí)時(shí)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(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)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(wú)線采集單元結(jié)構(gòu)框圖。圖5是監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不極化電極和相關(guān)裝置分布6是斜井測(cè)試方法示意圖。圖7是大慶七廠永203-61井壓裂裂縫測(cè)試結(jié)果圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明中的接收機(jī)由工控機(jī)、控制單元、zigbee無(wú)線通訊單元、zigbee無(wú)線采集單元和不極化電極組成，其中工控機(jī)、控制單元和zigbee無(wú)線通訊單元均在主機(jī)箱；發(fā)射機(jī)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(hù)吸收單元、電流取樣單元?；趜igbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置，主機(jī)箱I是由工控機(jī)3通過(guò)USB連接控制單元4和zigbee無(wú)線通訊單元5, zigbee無(wú)線通訊單元5與zigbee無(wú)線采集單元1、2、3……N無(wú)線通訊，每個(gè)zigbee無(wú)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(wú)線通訊單元5經(jīng)測(cè)試通道7、單片機(jī)12與工控機(jī)3連接,zigbee無(wú)線通訊單元5通過(guò)無(wú)線通訊經(jīng)串并轉(zhuǎn)換8、FIF0芯片9和單片機(jī)12與工控機(jī)3連接，單片機(jī)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(guò)壓過(guò)流保護(hù)模塊10和GPS同步模塊11分別與單片機(jī)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(hù)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(wú)線采集單元是由校準(zhǔn)模塊20、信號(hào)通道21和接地電阻22分別經(jīng)功能選擇模塊23、信號(hào)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(wú)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(chǔ)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(chǎng)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(wú)線采集單元時(shí)，所有無(wú)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(wú)線采集單元，其中每一圈最多可以鋪設(shè)72個(gè)zigbee無(wú)線采集單元。工控機(jī)3與控制單元4連接,控制單元與zigbee無(wú)線通訊單元連接，zigbee無(wú)線通訊單元與zigbee無(wú)線采集單元連接,控制單元和zigbee無(wú)線通訊單元協(xié)調(diào)控制各個(gè)zigbee無(wú)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(jī)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(hào)的同時(shí)產(chǎn)生GPS同步信號(hào)；工控機(jī)協(xié)同控制單元控制zigbee無(wú)線通訊單元向各個(gè)zigbee無(wú)線采集單元發(fā)送命令,控制各個(gè)無(wú)線采集單元工作，每個(gè)zigbee無(wú)線采集單元設(shè)有GPS定位模塊,從而,可以得到每一 zigbee無(wú)線采集單元的準(zhǔn)確坐標(biāo)。在GPS同步信號(hào)的觸發(fā)下接收機(jī)開始工作；不極化電極將接收到的信號(hào)送到zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行采集和存儲(chǔ)同時(shí)通過(guò)zigbee無(wú)線模塊傳到zigbee無(wú)線通訊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，最后控制單元將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)USB送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 本發(fā)明的測(cè)試方法和數(shù)據(jù)解釋方法如下一、測(cè)試方法首先，根據(jù)被測(cè)井的井深、井斜、方位計(jì)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(wú)線采集單元，所有采集過(guò)程均由工控機(jī)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(jī)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(guò)監(jiān)測(cè)地表電位梯度實(shí)時(shí)成像，然后通過(guò)反演計(jì)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(jī)為M序列或逆M序列偽隨機(jī)，采用相關(guān)辨識(shí)法進(jìn)行檢測(cè)，M序列或逆M序列偽隨機(jī)具有抗噪聲干擾的能力強(qiáng)和不影響系統(tǒng)正常工作，可以在線辨識(shí)特點(diǎn)。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(hù)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(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生、充電控制和發(fā)射機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等?？刂茊卧ㄟ^(guò)對(duì)大功率恒流電源的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(dòng)電路提供兩路邏輯相反并具有一定死區(qū)時(shí)間的控制信號(hào)；驅(qū)動(dòng)電路將該控制信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)驅(qū)動(dòng)逆變橋路；逆變橋路由兩個(gè)橋臂構(gòu)成，每個(gè)橋臂分別有兩個(gè)大功率IGBT開關(guān)管，用來(lái)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(gè)橋臂輸出端接到發(fā)射電極的A、B兩端；由于IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下電路中通過(guò)很大電流，當(dāng)IGBT關(guān)斷瞬間，由于負(fù)載呈感性，同時(shí)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(dāng)控制單元給出發(fā)射命令時(shí),發(fā)射電極中將產(chǎn)生大功率交變電流，同時(shí)產(chǎn)生GPS同步信號(hào)；為了減少電流的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響增加了電流取樣單元，在采集過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射電流的變化情況，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的校正。當(dāng)接收機(jī)接收到GPS同步信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)各個(gè)zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？刂茊卧苫赨SB 2.0外設(shè)的內(nèi)嵌增強(qiáng)型51的EZ-USB FX2系列單片機(jī)CY7C68013-100AC、MAX7000S 系列的 CPLD 和 FIFO 組成；CY7C68013_100AC 單片機(jī)進(jìn)行 USB接口控制、系統(tǒng)時(shí)序控制和系統(tǒng)功能設(shè)置，CPLD負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取的時(shí)序，F(xiàn)IFO進(jìn)行速度匹配以滿足USB高速傳輸?shù)男枰?，zigbee無(wú)線通訊單元由zigbee無(wú)線模塊和一些外圍設(shè)備組成，與各個(gè)zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的傳輸,每個(gè)zigbee無(wú)線采集單元包括功能選擇模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、A/D采集模塊、控制模塊、zigbee無(wú)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(cè)量、校正模塊和信號(hào)通道，其中測(cè)量接地電阻主要是保證各個(gè)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(hào)的直流偏置太大，保證信號(hào)不失真的被采集；信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，便于采集。控制模塊主要由單片機(jī)和CPLD組成，來(lái)控制整個(gè)采集過(guò)程，zigbee無(wú)線模塊主要完成與主機(jī)箱的通訊和數(shù)據(jù)傳輸，GPS模塊主要是為了得到每個(gè)才幾點(diǎn)的位置坐標(biāo)；為了區(qū)分各個(gè)采集單元的信號(hào)，每個(gè)zigbee無(wú)線采集單元都有自己對(duì)應(yīng)的編號(hào)；整個(gè)采集過(guò)程就是發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射電極向大地發(fā)射信號(hào)，工控機(jī)協(xié)同控制單元通過(guò)zigbee無(wú)線通訊模塊向所有zigbee無(wú)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(hào)順序向主機(jī)箱的無(wú)線通訊模塊傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)控制單元通過(guò)USB將數(shù)據(jù)打包傳送到工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析處理?；趜igbee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置野外具體工作方法步驟I、測(cè)試前準(zhǔn)備工作。檢查井場(chǎng)條件，計(jì)算被測(cè)井的靶心位置。
步驟2、鋪設(shè)發(fā)射電極。在一個(gè)復(fù)雜地形地貌，地下條件未知的油場(chǎng)，首先，鋪設(shè)發(fā)射電極A和無(wú)窮遠(yuǎn)電極B，電極A接在被測(cè)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(cè)量A、B間接地電阻，并計(jì)算可發(fā)射的最大電流。步驟3、鋪設(shè)采集單元。確定被測(cè)井的靶心位置，鋪設(shè)時(shí)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(guò)正演計(jì)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(cè)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(gè)數(shù)，以正北方向?yàn)榈谝煌ǖ溃鏁r(shí)針等弧度鋪設(shè)第一圈。根據(jù)井深通過(guò)正演計(jì)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(jìn)行第二圈不極化電極的鋪設(shè),在第一圈和第二圈之間每?jī)蓚€(gè)電極安放一套zigbee無(wú)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(hào)，測(cè)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(chǎng)的監(jiān)測(cè)。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(dòng)發(fā)射機(jī)，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時(shí)產(chǎn)生GPS同步信號(hào)。步驟6、接收參數(shù)設(shè)置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)zigbee無(wú)線采集單元情況設(shè)置接收機(jī)的參數(shù)，包括采樣率、采集時(shí)間、存儲(chǔ)路徑和采集次數(shù)等。步驟7、啟動(dòng)采集。當(dāng)接收到GPS同步信號(hào)時(shí)，開始自動(dòng)采集存儲(chǔ)，并現(xiàn)場(chǎng)成像。其中，zigbee無(wú)線采集單元將第i圈的第j通道信號(hào)與第i+1圈的第j通道同時(shí)送到zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行作差，將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)，并通過(guò)zigbee無(wú)線模塊送到主機(jī)箱的zigbee無(wú)線通訊單元，控制單元通過(guò)USB將采集到的信號(hào)送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時(shí)成像。設(shè)備將根據(jù)預(yù)設(shè)次數(shù)自動(dòng)完成剩余的采集工作，所有zigbee無(wú)線采集單元的采集都同步進(jìn)行。步驟8、待注水或壓裂完成后，重復(fù)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(jìn)行數(shù)字濾波、疊加、相關(guān)辨識(shí)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(shí)施例I基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置在探測(cè)壓裂井壓裂裂縫時(shí)，進(jìn)行兩次測(cè)試，壓裂前和壓裂后測(cè)試，2012年5月16日，對(duì)大慶七廠油田井號(hào)‘永203_61’油井進(jìn)行了壓裂裂縫監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。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(cè)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(cè)方式，以供電電流井在地面的投影點(diǎn)為圓心，測(cè)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(cè)點(diǎn)距50米，根據(jù)儀器 分辨率的技術(shù)指標(biāo)(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(gè)電極；步驟3、鋪設(shè)采集單元，由于該井為直井，鋪設(shè)時(shí)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(guò)正演計(jì)算，最遠(yuǎn)一圈不極化電極的鋪設(shè)半徑為被測(cè)井深的1/5到1/1 0，通過(guò)計(jì)算可知四圈電極足夠可以監(jiān)測(cè)出目標(biāo)層的異常體，以正北方向?yàn)榈谝煌ǖ溃咳Π?8個(gè)不極化電極鋪設(shè)，逆時(shí)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(wú)線采集單元，在第一圈和第二圈不極化電極之間每?jī)蓚€(gè)電極安放一套zigbee無(wú)線采集單元；在在第二圈和第三圈不極化電極之間每?jī)蓚€(gè)電極安放一套zigbee無(wú)線采集單元；在第三圈和第四圈不極化電極之間每?jī)蓚€(gè)電極安放一套zigbee無(wú)線采集單元。步驟4、自檢，為采集到好的信號(hào)，測(cè)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?jí)毫亚氨尘皥?chǎng)的監(jiān)測(cè)。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(jī)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(dòng)發(fā)射機(jī)，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時(shí)產(chǎn)生GPS同步信號(hào)。步驟6、設(shè)置接收參數(shù)，采樣率為1K、采集時(shí)間為60s、采集次數(shù)為3次，存儲(chǔ)路徑為D盤“永203-61”文件夾。步驟7、啟動(dòng)采集。當(dāng)接收到GPS同步信號(hào)時(shí)，開始自動(dòng)采集存儲(chǔ),第一圈zigbee無(wú)線采集單元將第一圈的18個(gè)不極化電極和第二圈18個(gè)不極化電極接收的電信號(hào)通過(guò)zigbee無(wú)線采集單元的AD作差，將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)，并通過(guò)zigbee無(wú)線采集單元中的zigbee無(wú)線模塊送到主機(jī)箱的zigbee無(wú)線通訊單元，控制單元4通過(guò)USB將差分信號(hào)送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并實(shí)時(shí)成像。步驟8、壓裂完成后，重復(fù)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(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)字疊加、相關(guān)辨識(shí)處理，最終得到壓裂裂縫走向?yàn)楸逼珫|60°，南偏西28°方向有微弱裂縫(見(jiàn)圖7)。
權(quán)利要求
1.一種基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，主機(jī)箱(I)是由エ控機(jī)(3)通過(guò)USB連接控制單元(4)和zigbee無(wú)線通訊單元(5), zigbee無(wú)線通訊單元(5)與zigbee無(wú)線采集單元1、2、3......N無(wú)線通訊,姆個(gè)zigbee無(wú)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(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，控制単元(4)是由zigbee無(wú)線通訊單元(5)經(jīng)測(cè)試通道(7)、單片機(jī)(12)與エ控機(jī)(3)連接，zigbee無(wú)線通訊單元(5)通過(guò)無(wú)線通訊經(jīng)串并轉(zhuǎn)換(8)、FIF0芯片(9)和單片機(jī)(12)與エ控機(jī)(3)連接，單片機(jī)(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(guò)壓過(guò)流保護(hù)模塊(10)和GPS同步模塊(11)分別與單片機(jī)(12)連接構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求I所述的基于zigbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)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(hù)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(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置，其特征在干，zigbee無(wú)線采集單元是由校準(zhǔn)模塊(20)、信號(hào)通道(21)和接地電阻(22)分別經(jīng)功能選擇模塊(23)、信號(hào)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(wú)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(chǔ)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(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟 a、首先根據(jù)被測(cè)井資料計(jì)算并確定被測(cè)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(wú)窮遠(yuǎn)電極B，電極A接在被測(cè)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(cè)量A與B之間接地電阻，并計(jì)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(gè)數(shù)，以正北方向?yàn)榈谝煌ǖ?，逆時(shí)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(guò)導(dǎo)線與zigbee無(wú)線采集單元連接，每?jī)扇Σ粯O化電極之間鋪設(shè)ー圈zigbee無(wú)線采集單元，即zigbee無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線采集單元連接； d、自檢，測(cè)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(chǎng)的監(jiān)測(cè)；e、通過(guò)主機(jī)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(dòng)發(fā)射機(jī)，在發(fā)射電極A、B間產(chǎn)生幅值恒定大電流，同時(shí)產(chǎn)生GPS同步信號(hào)； f、通過(guò)主機(jī)箱I設(shè)置接收參數(shù)，包括采樣率、采集時(shí)間、存儲(chǔ)路徑和采集次數(shù)； g、啟動(dòng)采集，當(dāng)接收機(jī)接收到GPS同步脈沖信號(hào)時(shí)，接收機(jī)開始自動(dòng)采集存儲(chǔ)注水或壓裂前的數(shù)據(jù)，所有zigbee無(wú)線采集単元的采集均同步進(jìn)行；第一圈不極化電極將接收到的電壓信號(hào)和第二圈不極化電極接收到的電壓信號(hào)均送入第一圈鋪設(shè)的zigbee無(wú)線采集単元進(jìn)行采集作差，將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)，第二圈不極化電極將接收到的電壓信號(hào)和第三圈不極化電極接收到的電壓信號(hào)均送入第二圈鋪設(shè)的zigbee無(wú)線采集単元進(jìn)行采集作差，將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)，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(hào)和最外第二圈不極化電極接收到的電壓信號(hào)均送入最外一圈鋪設(shè)的zigbee無(wú)線采集單元進(jìn)行采集作差，并將差分信號(hào)本地存儲(chǔ)后，通過(guò)zigbee無(wú)線模塊送到主機(jī)箱I的エ控機(jī)4存儲(chǔ)； h、注水或壓裂開始，重復(fù)步驟e至步驟g，直至完成注水或壓裂全過(guò)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(jìn)行數(shù)字濾波、疊加、自相關(guān)辨識(shí)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(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法?；趜igbee的無(wú)線井地偽隨機(jī)監(jiān)測(cè)裝置，主機(jī)箱是由工控機(jī)通過(guò)USB連接控制單元和zigbee無(wú)線通訊單元，與zigbee無(wú)線采集單元1、2、3……N無(wú)線通訊，每個(gè)zigbee無(wú)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(jī)作為發(fā)射波形，提高了測(cè)試的精度，偽隨機(jī)序列具有無(wú)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(hào)或干擾中分離，具有良好的抗干擾。采用無(wú)線采集方式，避免了復(fù)雜地形地貌對(duì)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(wèn)題；采用GPS定位可以得到每一zigbee無(wú)線采集單元的準(zhǔn)確坐標(biāo)；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(hào)G01V3/20GK102798895SQ20121028483
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)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(qǐng)人:吉林大學(xué)