随钻地震多道连续采集系统、数据存储及数据处理方法

1.本发明属于随钻地震勘探技术领域，尤其涉及一种随钻地震多道连续采集系统、数据存储及数据处理方法。


背景技术：

2.目前，在钻井作业中，钻头破岩钻进会产生振动，随钻地震技术是利用钻头钻进过程中产生的振动信号作为震源进行地震勘探的地震技术，其通过在钻柱顶端布设先导传感器，并在地面测线布设检波器排列采集地下钻头信号。将先导信号预处理后与地面信号互相关提取有效信号得到似逆vsp的地震资料，进而得到钻头前方地层的结构与异常压力，减少钻探风险。但是钻头信号能量弱、井场噪音强严重影响了随钻地震的应用效果，且钻头在钻进过程中属于连续的振动信号，需要长时间的连续采集。随钻地震采集设备主要是采用地震台站(单点采集)采集，虽然能够实现连续采集，但其较大的体积不适用于山地，单点采集不能采用组合的方法提高信噪比，横向采样点较少等。为了在采集阶段提高有效信号的信噪比，需要在地面布设多个检波器排列并进行连续长时间的观测，且各个检波器之间不能有时差存在。目前尚未有能够实现实时传输的多道地震数据连续采集且精确授时的随钻地震采集设备。
3.地震数据存储格式有sega、segb、segc、segd、segy、su等，sega、segb、segc、segd、segy这几种格式都是美国勘探地球物理学会(seg)推荐的几种数字磁带记录格式，其中sega与segb是数字磁带记录格式，分别适用于21轨一英寸磁带和九轨半英寸磁带，segc也是一种九轨半英寸磁带记录格式，它以时序方式对数据多路编排记带，与b格式的区别在于所记录的数据是以32位浮点的ibm格式记录的，segd和segy都是后来推出的新的数据格式，也是目前应用最多的两种，segd在野外采集时用的比较多，载体多为磁带，segy多用在室内数据传递，载体为磁盘，也是物探界最常用的数据格式。su格式是科罗拉多矿院cwp实验室开发的一套开源地球物理数据处理系统中的数据格式，它和segy格式相差的只有3200个字节卷头。其中每个分类下面又有整形和浮点之分，按照数据在内存中字节顺序的不同又可分为big-endian和little-endian，通常工作站中默认的是big-endian格式，微机中默认的是little-endian格式。以segy为例说明地震数据存储格式，segy数据由头文件和数据体组成，头文件总长度3600字节，分为两部分，文件头第一部分长3200字节，包括字符集、参数卡等信息，文件头第二部分长400字节，为二进制头，记录数据体信息；数据体由多个数据道组成，每道数据分为道头和采样数据。每道道头长度为240字节，其中记录了采样点数、采样间隔、cdp号、xline号、line号以及坐标信息等；采样数据长度为采样数乘以采样点字节数(32位、24位、16位等)，由于第3223-3224字节为原始数据每道采样点数，2个字节最大表示有符号位整数为32767，故单个文件采样点数不能大于该值，即单个文件有记录时间限制。另外，地震波形数据sac格式是美国加州大学lawrence livermore国家实验室开发研制的用于研究时间序列的通用软件工具包，针对单道地震数据，其数据组成包括头段区和数据区，头段区包含152个字，1个字为32位，之后是数据区。sac头段中与时间有关的变量很多，例如
nzyear，nzjday，nzhour，nzmin，nzsec，nzmsec六个变量定义了某年某日的某个时刻，一般用等效的kzdate和kztime来表示，这个时间只是一个参考(基准)时间，可以任意设置，通常其为第一个数据点所对应的时间，但是也可以为事件的发生时间、某个午夜或一个人的生日。所有的其他时间(如b、e、o等等)都是相对于这个时间的秒数，根据基准时间以及各个时间变量的相对值即可以确定该数据中任意时刻的绝对时间。现有的地震数据存储格式，无论是单炮多道的segy格式还是单道波形数据sac格式，均是分为头文件和数据体文件两部分，头段中按协议存放关键字信息，数据体中按顺序存放采样点值。也就是说，数据体中有且仅有数据信息。
4.特别的，对于单点采集来说，不同的晶振所对应的时间漂移量不同，不会绝对的根据采样间隔进行采集，各个采集单位在单位时间内会出现或多或少的偏差，以1000hz为例，1s内可能采集的995-1005个样点，在进行多道数据拼接时会产生较大的累计误差。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前尚未有能够实现实时传输的多道地震数据连续采集且精确授时的随钻地震采集设备。
6.解决以上问题及缺陷的难度为：地震台站具有较大的体积，不适用于地形较复杂的山地，且无法实现远距离实时传输；多道地震采集为触发式单炮采集，无法实现连续记录；常规的地震数据存储格式可分为单炮存储的segy类型格式(有存储大小限制，不能连续采集)和单道连续采集的sac格式(不能实现多道的连续记录)；上述的文件记录格式均是由头文件和数据体文件两部分组成，头文件中按协议存放关键字信息，数据体中按顺序存放采样点值，也就是说，数据体中有且仅有数据信息。
7.解决以上问题及缺陷的意义为：创造性的提出了一种数据存储方法，在数据体中添加道号信息及gps时间信息，并实现了对数据的解编工作。依托该方法，研发了远距离实时传输的多道数据连续采集且含有精确时间的随钻地震采集设备，为采集钻头随钻地震地面排列信号提供了有效措施。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种随钻地震多道连续采集系统、数据存储及数据处理方法。
9.本发明为一种数据体中含有时间及道号信息的地震数据存储方法，实现了对数据的解编工作；同时能够实现带有时间信息的多道地震数据的连续观测，为采集钻头随钻地震地面排列信号提供了有效手段。
10.本发明是这样实现的，一种随钻地震多道连续采集系统，所述随钻地震多道连续采集系统设置有：采集站；
11.所述采集站包括检波器、多芯屏蔽线、随钻地震数字包、gps模块；检波器通过多芯屏蔽线连接到随钻地震数字包上；gps模块为数字包提供精确时间信息；随钻地震数字包通过网线连接到室内的电脑主机上，随钻地震数字包和电脑主机可以串联光纤收发器实现远距离传输。
12.进一步，所述随钻地震数字包依托网络基站的接口实现数据传输，避免布设远距离光纤；多个采集站可以串联，实现采集站的扩展。
13.进一步，所述电脑主机通过usb接口与单点振动采集主机连接，单点振动采集主机
与安装在井架的三分量检波器连接，用于采集先导信号。
14.进一步，所述采集站设置有嵌入式主板、前放与模数转换单元、时钟电路单元、数字与电源单元。
15.进一步，所述嵌入式主板包括arm控制器、cpu或数据存储器；
16.所述前放与模数转换单元包括：与通道数相同的可编程增益前放和a/d模数转换器，a/d模数转换器将来自检波器的模拟信号转换为数字信号。
17.进一步，所述时钟电路单元设置有：gps授时时钟发生器、fifo缓存器和逻辑电路；
18.fifo缓存器对a/d转换后的数据提供先进先出缓存，而后记录到数据存储器中；逻辑电路为整机提供控制逻辑；gps授时时钟发生器为整机控制和a/d模数转换器提供标准时钟和pps信息；
19.进一步，所述数字与电源单元包括：网络交换机和电源。
20.本发明的另一目的在于提供一种所述随钻地震多道连续采集系统的数据储存方法，所述随钻地震多道连续采集系统的数据储存方法，包括：
21.利用符号位扩展原理将采集道信息存储到数据体高位字节中，并实现道号与pps时间信号的有机结合，为后续多个采集站的时间对齐提供精确标志位。
22.进一步，所述随钻地震多道连续采集系统的数据储存方法具体为：
23.每个采样点为32位浮点数，最高位为符号位，由符号位扩展原理可知，24位扩展符号位至32位只进行补码操作不会改变数值大小；
24.将最高位字节用道号0x00-0x70替代，当导航pps时间信息出现时，最高位字节0x00-0x70依次变为0x04-0x74，进而完成了数据体中对道号及时间信息的结合；
25.所述存储和传输的数据以32896个字节为一个基本数据结构体，包括128字节头段和32768字节数据体；
26.128字节头段中包括当前数据包的包号、数据区域长度、gps信息，32768字节数据体采用4字节为一个数连续存储，高位字节代表道号及pps时间信息，具体数据解编时，从高位字节中提取道号及pps信息，实际数据根据前24位通过符号位扩展变成32位数据。
27.本发明的另一目的在于提供一种地震信息数据处理终端的数据处理方法，所述地震信息数据处理终端的处理方法使用所述的随钻地震多道连续采集方法，对存储格式的数据进行解编。
28.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采集站包括检波器、多芯屏蔽线、随钻地震数字包、gps模块等。检波器通过多芯屏蔽线连接到随钻地震数字包上；gps模块为数字包提供精确时间信息；随钻地震数字包通过网线连接到室内的电脑主机上，随钻地震数字包和电脑主机之间可以串联光纤收发器实现远距离传播，甚至可以依托现有的网络基站的接口，不用布设远距离光纤；多个采集站可以串联，实现采集站的扩展；电脑主机通过usb接口与单点振动采集主机连接，单点振动采集主机与安装在井架的三分量检波器连接，用来采集先导信号。
29.本发明实现了水平井随钻地震中远距离实时采集地震数据，创造性的提出了一种数据体中带有时间信息的多道地震连续数据存储和解编方法。具体有：克服了常规地震数据存储格式中数据体有且仅有波形数据的缺陷，在数据体中添加了道号标识及pps时间信息；上述的检波器串采用4.5周检波器，采用三串三并组合，在实现宽频带的同时，增强接收
到的地震信号；上述的gps模块为通用模块，可提供经纬度与pps信号，实现单个数字包的位置与时间授时功能；采用tcp协议进行数据传输，加入trc校验，多个数字包可以串联；主机接收端可以对数据进行解码和排序，实现地震波形的实时显示。
30.本发明实现了水平井随钻地震中多通道信号远距离实时采集地震数据；实现了带有精确时间信息的多道地震连续数据存储功能和数据解编功能，在数据体中添加了道号标识及pps时间信息。
附图说明
31.图1是本发明实施例提供的随钻地震多道连续采集系统结构示意图。
32.图2是本发明实施例提供的随钻地震采集装置整体布设示意图。
33.图中：1、网络基站；2、检波器；3、采集站；4、操作间；5、井场；6、随钻地震数字包；7、第一光纤收发器；8、三分量检波器；9、单点振动采集主机；10、电脑主机；11、第二光纤收发器。
34.图3是本发明实施例提供的采集器电路功能控制流程图。
35.图4是本发明实施例提供的实际数据头段显示图。
36.图5是本发明实施例提供的实际数据体pps时间信号显示图。
37.图6是本发明实施例提供的数据转码示意图。
38.图7是本发明实施例提供的gps信号异常及pps位置信息缺失图。
39.图8是本发明实施例提供的效果对比图。
40.图8中：a、连续两站的采集信号组内之间无时差偏移；b、连续两站的采集信号组内之间无时差偏移；c、不通过pps时间矫正的结果；d、多道随钻地震连续记录数据。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
42.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种随钻地震多道连续采集系统、数据存储及数据处理方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
43.本发明提供的随钻地震多道连续采集系统业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的随钻地震多道连续采集系统仅仅是一个具体实施例而已。
44.如图1-图2所示，本发明实施例提供的随钻地震多道连续采集系统由采集站和安装在井场的室内单元组成；
45.采集站包括：检波器2、随钻地震数字包6、gps和第一光纤收发器7等；
46.室内单元包括：电脑主机10和第二光纤收发器11等。
47.网络基站与采集站3连接，采集站3设置有检波器2，检波器2通过多芯屏蔽线连接到随钻地震数字包6上，随钻地震数字包6通过网线与第一光纤收发器7连接，第一光纤收发器7通过光纤与第二光纤收发器11连接，第二光纤收发器11通过网线与电脑主机10相连，电脑主机10通过usb接口与单点振动采集主机9连接，单点振动采集主机9与安装在井架的三分量检波器8连接，用来采集先导信号。光纤收发器是成对的，同时包括接收和发射，接收来
自上一个随钻地震数字包的数据，发射到下一个随钻地震数字包或者电脑主机，多个采集站可以串联，并可以实时将采集信号传输至井场的操作间与先导信号做相关，提取出有效信号。
48.如图3所示，本发明实施例提供的采集器电路设计按功能单元区分，制成四块多层单元板：嵌入式主板、前放与模数转换单元、时钟电路单元、数字与电源单元。
49.嵌入式主板选用arm控制器、低功耗cpu、数据存储器等；前放与模数转换单元包括与通道数相同的可编程增益前放和a/d模数转换器；时钟电路单元主要由gps授时时钟发生器、fifo缓存器和逻辑电路组成；数字与电源单元包括网络交换机和电源等。
50.其中，cpu为低功耗的atmel9g45芯片，主频400m，总线结构，数据存储器选用内置式闪存电子盘sd卡；上述的fifo缓存器的作用是对a/d转换后的数据提供先进先出缓存，而后记录到数据存储器中；上述的逻辑电路为整机提供控制逻辑；上述的gps授时时钟发生器，为整机控制和a/d模数转换器提供标准时钟。
51.a/d模数转换器将来自检波器的模拟信号转换为数字信号，fifo缓存器为a/d转换后的数据提供先进先出缓存后续记录到数据存储器中，gps授时时钟发生器为整机控制和a/d模数转换器提供标准时钟和pps信息，采集的地震数据可通过网络交换机传输至电脑主机，逻辑电路为整机提供控制逻辑。上述的网络交换机和电脑主机之间可以串联成对的光纤收发器，用于实现远距离数据传输，上述的光纤发射、光纤接收之间用光纤连接，也可直接对接信号基站的分光器，实现超远距离接收。
52.本发明实施例提供的数据存储方法，包括：利用符号位扩展原理将采集道信息存储到数据体高位字节中，并实现了道号与pps时间信号的有机结合，为后续多个采集站的时间对齐提供精确标志位。
53.具体的有：每个采样点为32位浮点数，最高位为符号位，由符号位扩展原理可知，24位扩展符号位至32位只进行补码操作不会改变数值大小，因此，将最高位字节用道号0x00-0x70(以8道为例)替代，当导航pps时间信息出现时，最高位字节0x00-0x70依次变为0x04-0x74，进而完成了数据体中对道号及时间信息的结合。
54.本发明的存储和传输的数据以32896个字节为一个基本数据结构体，包括128字节头段和32768字节数据体。其中128字节头段中包括当前数据包的包号、数据区域长度、gps信息等，32768字节数据体采用4字节为一个数连续存储，其中高位字节代表道号及pps时间信息，具体数据解编时，从高位字节中提取道号及pps信息，实际数据根据前24位通过符号位扩展变成32位数据，具体结构体标识会在后续附图中作详细介绍。
55.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
56.如图4所示，本发明的基本数据结构体包括128字节头段和32768字节数据体，图中矩形框内为128字节头段，记录了帧头、设备id、数据包包号、数据体长度、gps信息等信息。
57.其具体结构体标识含义见下表。
58.字节号数据类型结构体说明1-3charcmd_head[3]帧头4u8dev_id设备id5-8s32packet_num当前数据包的包号9-10s16pakcet_len当前数据包的长度，总长度
11-14s32ndata_len数据区域长度15-121structgps_infogps信息122-125charreserve[4]预留字段126-128charcmd_end[3]帧尾
[0059]
其中gps信息struct gps_info定义见下表。
[0060]
字节号数据类型结构体说明15-58structtm_linuxgpstimegpsutc时间59-102structtm_linuxlocaltime本地时间103charcav 104-111doublens纬度表示112charcns确定是n还是s113-120doubleew经度表示121charcew确定是e还是w
[0061]
其中时间信息struct tm_linux定义见下表。
[0062][0063][0064]
如图5所示，以8通道地震数据采集为例，4个字节(32位)代表一个单点数据，低位的3字节为采集数据，高位字节为通道及pps时间标识，不做有效数据处理，通过符号位扩展恢复数据真值，所以在结构中用了8个32位数据体依次存放来自8个通道的数据，每个基本数据结构体包括32768字节的数据体，可以计算出8通道数据采集的话，每个数据结构中存放1024行数据。为避免长时间连续采集产生较大的数据文件，间隔一段时间自动生成新文件，以8通道1000hz采样计算，每3503个数据结构体为一个文件，共3587072行数据(3587.072s，约1h)，文件大小为(128+32768)*3503＝115234688字节(109mb)。如图3所示，高位字节中通道数从0x00-0x70，分别代表8个通道的数据，由二进制计数方式可知，单个采
集站最大可以承载16道数据。
[0065]
gps授时与同步电路由gps oem板和同步电路组成，gps oem板的作用的接收和处理gps信号，输出秒脉冲(pps信号)和导航信息；gps接收器的作用主要是接收和处理gps信号，输出秒脉冲。gps是美国的卫星导航、定位和授时系统。gps接收器在任意时刻能同时接收其视野范围那4－8颗卫星信号，其内部硬件电路和处理软件通过对接收到的信号进行解码和处理，能从中提取并输出两种时间信号：时间间隔为1s的秒脉冲信号pps，其脉冲前沿于国际标准时间(格林威治时间)的同步误差不超过1us；经串口输出的与pps脉冲前沿对应的国际标准时间和日期代码。另外，从导航信息中提取gps时间与定位信息；同步电路可对定时与同步逻辑中的时钟进行同步，当1s一次的pps信号存在时，数据体中高位字节发生变化，从0x00变成0x04，，，，0x70变成0x74。
[0066]
通过上述方法，可以实现对含有精确时间信息的多道地震数据的单站采集工作，后续通过特定的解码程序对数据进行解编，即可得到准确的地震数据，实现了单个采集站对数据的连续采集，又可以通过对齐pps信号将来自不同采集站的数据拉平，克服了由于不同采集站的晶振不同造成的相邻pps信号间不会严格按照预设频率采样的问题。
[0067]
本发明针对上述存储数据又匹配了相应的处理方法，主要通过以下步骤实现：
[0068]
(1)数据转码
[0069]
针对上述存储数据的基本数据结构包括128字节道头和32768字节，根据道头信息中各结构体位置提取数据包包号及gps信息(主要提取日期及时间信息)；根据数据体中4个字节为一个采样点，可知一个基本数据结构中有8192个样点，每个样点的高位字节不做处理，前3位通过符号位扩展恢复数据真值，按高位字节的通道号依次排列形成数据矩阵；根据高位字节中的0x00到0x04，0x10到0x14，
…
，0x70到0x74的变化，提取pps变化的行数。图6是本发明的数据转码示意图，第4、8、
……
、32字节为高位字节，在提取数据矩阵时不做处理，通过低位3字节符号位扩展补充数据符号信息；从头段gps信息中提取数据包的日期及时间；从高位字节中提取道号，并根据高位字节的变化提取pps位置信息。
[0070]
(2)gps信息的完整性恢复
[0071]
在实际地震数据采集时，gps信号受到大气层、多径效应、可见卫星数等影响，会间隔出现gps信号缺失现象。对道头文件中的gps时间信息及提取的pps位置信息进行判定，若出现gps时间信息出现异常值或者pps位置信息缺失，则通过插值处理恢复二者的完整性。如图7所示，某时间段内多次出现gps异常现象及pps位置信息缺失现象，二者呈现对应关系，通过插值将pps缺失信息恢复。
[0072]
(3)数据重采样
[0073]
对于不同采集站来说，其嵌入的谐振器(晶体)不同，对应的时间误差不同，即使同一类型、同一批次的晶体，采集站之间也会产生误差，晶体根据等级分为
[0074]
0.1ppm\0.5ppm\1ppm\2ppm\5ppm\10ppm\20ppm\30ppm\50ppm\100ppm\200ppm，1ppm代表100万秒内误差为1s，以10ppm晶体为例，100s的误差为10(ppm)*100(s)＝1ms，即每100s会偏差1ms，如果采用1000hz采样，每100s就会产生1个样点的偏差。况且不同批次生产的晶振其误差参数也不一样，晶体的震荡周期也会受电压、温度、湿度等因素的影响，因此采集站不会完全按照设定的频率采集数据，在单位时间内会出现或多或少的误差，不同采集站所对应的偏移量不同，进而大大影响多个采集站点间的时间一致性。
[0075]
本发明通过对连续两个pps之间数据按采样间隔进行重采样，数据严格符合采样频率，进而完成对来自不同采集站的数据拼接，形成多排列的地震信号。
[0076]
如图8所示，连续两站的采集信号组内之间无时差偏移(a、b)，不通过pps时间矫正的结果(c)中可以看出二者出现了一定的错位，(d)为矫正后拼接的效果，可以看出多个波组特征连续。通过时间提取、数据体符号位扩展以及pps信号位置提取，然后通过对缺失pps信号进行恢复后重采信号，最后对来自不同数字包的信号进行时间对齐拼接、异常值剔除、归0、均一化等，得到多道随钻地震连续记录数据(图8d)。
[0077]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0078]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。