专利名称：一种差分定位随钻地震仪的制作方法
技术领域：
本实用新型针对地震勘探领域中的随钻地震新技术开发，同时也 适用于地质勘査、煤炭等勘探领域，以高精度差分定位模块为基础， 可实现虚拟测线的新一代高性能实时地震数据采集系统。
背景技术：
垂直地震剖面技术(VSP)是一种有效的井旁地震勘探方法。为 了获取井旁垂直地震剖面，VSP数据采集时需中断钻井过程，在井中
安放井下检波器，通过地面震源激发进行测量。由于在裸眼井中作业
存在着风险，所以VSP测量通常在固井后进行。VSP测量是在钻井到
达某一阶段时进行的，这种测量的滞后性使得人们在钻井过程中无法 及时掌握钻头与目的层的相对位置，如果此时钻头已偏离目的层，就 失去了调整钻头轨迹的最佳时机。而更多的情况则可能会因为费用太 高或者地表条件不允许安置地面震源时，无法得到所需的井旁地震资 料。
随钻地震方法以钻井作业中钻头破岩时产生的震动作为地下震 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 震动信号，并通过地面测线上的地震仪采集经地层传播上来的钻头信 号的直达波和反射波。由钻杆上采集到的信号通常称为参考信号，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和时移以及 各种去噪处理，实时地确定钻头在地面地震时间剖面上的位置，并能 实时地预测钻头前方的地层压力情况，从而协助钻井安全决策和优化套管设计，促进了随钻地震技术的发展。
普通地震仪系统针对大规模的地震勘探设计，设有庞大的中央控 制器、绘图仪、磁带机、电台、发电机、空调、机箱、仪器车以及沉 重的测线，测量设计通常为几千道甚至上万道，不适用于随钻地震测 量现场应用。
现有技术的地震记录系统大部分测量单元的模拟和数字组建分 开设计，需要外部布线将一个或几个单元的地震检波器模拟组件与数 字记录单元和遥测组件相连接，给现场施工带来许多不便。数字记录 单元和遥测组件及地震传感器的操作是通过预先编程的情况下进行 的，无法实时控制并监视数字记录单元和遥测组件及地震传感器。
普通地震仪通过勘探前的实验来设计检波器组的摆放位置，并计 算相应的道间距和偏移距，但实际施工中由于实际环境的约束，检波 器组的实际位置产生的道间距和偏移距无法保证与计算值的吻合，道 间距的误差大小，直接影响到随钻地震数据处理和解释工作。另外， 检波器组的倾角变化也是影响地震勘探精度的重要因素，目前的地震 仪无法实现对此信息的实时监测。
发明内容
本实用新型的目的是为随钻地震新技术提供地面地震数据采集 支持，通过高精度的差分定位位置信息，监控中心计算机实现精确虚 拟测线，计算出精确道间距及偏移距，降低随钻地震处理解释误差， 以获得高质量的随钻地震地面数据。为实现上述目的，本实用新型的技术方案是提供一种满足随钻 地震测量要求的差分定位随钻地震仪，由地震检波器、前置放大器、 A/D芯片、数字滤波器、D/A测试模块、差分GPS定位模块、高精 度GPS时标模块、WIFI模块、ARM微处理器、高精度MEMS芯片、 倾角传感微处理器、SD卡、锂电池组成；差分GPS定位模块由GPS 接收机、RTCM差分微处理器组成；高精度时标模块装有GPS和RTC 时钟。其特征在于将上述硬件模块安装在同一电路板上，各模块通过 ARM处理器内部接口通讯，差分定位信息通过WIFI模块传输。外 壳采用全密封防水设计，外部接口为两个防水航空插头， 一个为四芯 航空插头，集成GPS天线及WIFI天线，另一个为两芯航空插头，连 接锂电池。该装置在钻井过程中，利用大动态范围的地震检波器测量 钻头撞击地层产生的地震波，通过信号处理电路将测量到的地震波转 换为数字信号，与差分定位模块产生的位置信息、高精度GPS时标 模块产生的时间信息和倾角传感器产生的地震检波器垂直信息组合， 形成钻进过程中的地震数据，基于WIFI数据传输模块形成的钻井井 场无线局域网，实现上述地震数据的高速实时传输。
所述的地震信号采集模块由地震检波器、前置放大器、A/D芯 片、数字滤波器、D/A测试模块组成，实现X、 Y、 Z三向地震信号 采集。
所述的特征参数单元由差分GPS定位模块、高精度GPS时标系 统以及倾角传感器构成。
所述的高精度时标模块是指在GPS模块在接收一颗卫星以上的情况下，GPS定位有效，GPS输出精确的时间和秒脉冲信号，通过ARM 微处理器把秒脉冲平均分割成更小的单位，获得微秒级的时标。当 GPS定位无效时，GPS输出的秒脉冲信号不准，可以使用RTC时钟的 秒信号来代替GPS输出的秒脉冲信号，达到获得精确时标的目的。
所述的差分GPS定位模块是指当GPS模块接收三颗GPS卫星以上 时，可以提供定位信息，但GPS定位的精度为优于25m，精度无法满 足钻井随钻地震测量对位置信息的要求，所以采用基准站-移动站差 分定位技术来实现高精度位置信息采集。基准站-移动站差分定位技 术采用两种GPS接收机。 一种是基准站GPS，另一种是地震仪端GPS， 并且已知基准站的坐标，在基准站建立GPS接收机基准站，通过GPS 的定位数据和已知坐标点的数据解算出差分数据(RTCM)，再通过测量 现场的WIFI无线局域网将误差修正参数实时播发出去，地震仪端通 过WIFI模块接收修正参数并传给差分信息微处理器，修正参数后GPS 接收机可将定位精度提高到厘米级。
所述的倾角传感器采用高精度MEMS芯片，仪器级精度，具有 BIMOS信号限制电路，采用表贴工艺技术固定在电路板上，并具有自 检测(Self-Test)功能，可实现BIT (Built-In-Test)检测，随温 度和时间的变化仍有极好的可靠性和稳定性，测量精度可达0. 15度， 输出数字信号可以使监控中心实时监测地震仪的倾角变化，保证地震 数据采集的精确性。
所述的数据存储及传输单元采用SD卡存储及WIFI无线局域网 数据传输相结合的方式，在WIFI无线局域网被钻井现场电磁环境干扰导致通讯不畅的情况下，地震数据存储到SD卡内，SD卡容量最 大支持16GB。
本实用新型的积极效果在于，为随钻勘探新技术提供地面地震数 据支持，实现不规则三维勘探；能够适应钻井随钻地震测量的各种困 难地形；实现高精度的差分定位，可用监控中心计算机实现精确虚拟 测线，计算出精确道间距及偏移距，降低地震解释误差；利用倾角传 感器，实时监测地震检波器的倾角变化，保证测量精度。
图1为差分定位随钻地震仪电路示意图。
具体实施方式
现结合图1详细叙述本实用新型的具体实施方案。 图1表示差分定位随钻地震仪电路示意图。地震检波器4采集钻 头前方反射的振动信号，输出X、 Y、 Z三通道模拟分量，通过前置处 理放大器6，进入双通道A/D转换芯片8，输出数字信号至数字滤波 器CS5376A11，经过设定的多级滤波后，通过SPI总线连接至ARM微 处理器21进行处理。为了确保地震信号处理的稳定性，由数字滤波 器CS5376A11输出控制，令D/A测试模块12输出已知频率幅度的模 拟信号代替地震检波器输出，以检测整个采集电路的各项指标和特 性。
ARM微处理器21采集由差分定位模块23输出的厘米级精度的定 位信息10、高精度GPS时标模块22输出的毫秒级的时标信息、倾角 传感器输出的倾角变化信息，并与数字滤波器CS5376A11输出的地震数据组合，完成数据的处理，通过WIFI模块14组成的现场无线局域 网，发送至监控中心。
在WIFI无线局域网被钻井现场电磁环境干扰导致通讯不畅的情 况下，地震数据存储到SD卡2内，SD卡容量最大支持16GB。
差分定位模块23由GPS接收机9及RTCM差分微处理器13组成， 基准站GPS接收机20获取GPS的标准定位数据与已知精确坐标解算 出RTCM差分数据，通过测量现场的WIFI无线局域网将误差修正参数 实时播发出去，地震仪端通过WIFI模块14接收修正RTCM差分数据， 通过RTCM差分微处理器13进行修正解算，GPS接收机9可获得厘米 级GPS差分定位信息10输出至ARM微处理器进行储存处理。
高精度GPS时标模块22由GPS时钟7及RTC时钟5组成。GPS 接收机定位有效时，输出包括精确的时间和秒脉冲信号的GPS时间信 息至ARM微处理器，把秒脉冲平均分割成更小的单位，获得微秒级的 时标，当GPS接收机定位无效时，GPS输出的秒脉冲信号不准，可 以使用RTC时钟输出的秒信号来代替GPS时间信息输出的秒脉冲信 号，达到获得精确时标的目的。
倾角传感器采用高精度MEMS芯片1，输出倾角模拟信号至倾角 传感微处理器3，测量精度可达0.15度，输出数字信号至ARM微处 理器21进行存储处理，通过WIFI无线局域网使监控中心实时监测地 震仪的倾角变化，保证地震数据采集的精确性。
权利要求1.一种差分定位随钻地震仪由地震检波器(4)、前置放大器(6)、A/D芯片(8)、数字滤波器(11)、D/A测试模块(12)、差分GPS定位模块(23)、高精度GPS时标模块(22)、WIFI模块(14)、ARM微处理器(21)、高精度MEMS芯片(1)、倾角传感微处理器(3)、SD卡(2)、锂电池(17)组成，其特征是将上述硬件模块安装在同一电路板上，各模块通过ARM微处理器内部接口通讯，外壳采用全密封防水设计，外部接口为两个防水航空插头，一个为四芯航空插头(15)，集成GPS天线及WIFI天线，另一个为两芯航空插头(16)，连接锂电池(17)。
2. 根据权利要求1所述的差分定位随钻地震仪，其特征是，差 分GPS定位模块(23)由GPS接收机(9)、 RTCM差分微处理器(13) 组成，并连接WIFI网络。
3. 根据权利要求1所述的差分定位随钻地震仪，其特征是，高 精度时标模块(22)装有GPS和RTC时钟。
4. 根据权利要求1所述的差分定位随钻地震仪，其特征是， ARM微处理器(21)通过内部接口连接SD卡。
5. 根据权利要求1所述的差分定位随钻地震仪，其特征是，差 分定位随钻地震仪还装有高精度MEMS芯片(1)和倾角传感微处理器(3)。
专利摘要一种满足随钻地震测量要求的差分定位随钻地震仪，该地震仪将所有硬件模块安装在同一电路板上，各模块之间通过ARM处理器内部接口通讯，外壳采用全密封防水设计；外部接口为两个防水航空插头。在钻井过程中，地震检波器将钻头撞击地层产生的地震反射波转换为数字信号，与差分定位模块产生的位置信息、高精度GPS时标模块产生的时间信息和倾角传感器产生的地震检波器垂直信息组合，形成随钻地震采集数据，通过无线网络实现高速实时传输。该地震仪优点在于实时采集钻进过程中定点定时的地震波，对采集点实现高精度的差分定位，精确计算道间距和偏移距，降低地震解释误差，同时能够实时监测地震检波器的倾角变化。
文档编号G01C9/00GK201387488SQ20092014766
公开日2010年1月20日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者于笑冬, 孙正义, 曹忠成, 李玉红, 王爱凤, 许海庭, 韩来聚, 魏茂安 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院