一种页岩气开发微地震压裂智能识别装置的制作方法

本实用新型涉及页岩气勘查开发领域，特别是涉及一种页岩气开发微地震压裂智能识别装置。

背景技术：

在页岩气开发中，一般采用水力压裂产生人工裂缝，来提高低渗透、致密储层中的油气的开采效率。对水力压裂效果的评估一般是通过捕捉水力压裂所产生的微地震事件来实现的，因为产生的这种地震是很微弱的，故称之为“微地震”。目前，针对水力压裂监测的常规方法主要包括间接方法、直接的近井地带技术和直接的远场地带技术，该类方法在监测压裂裂缝的长度、高度、宽度、方位和倾角方面都具有自身的局限性。净压分析方法存在油藏模拟和实际不符的局限性，在监测裂缝的方位和倾角方面具有不可信性；试井分析方法要求准确的渗透率和压力，在监测裂缝的高度、方位和倾角方面具有不准确性；放射性示踪法仅能探测井筒附近，在监测裂缝的长度方面具有不准确性；井温测井法易受到岩层导热性的影响，在监测裂缝的长度、宽度、方位和倾角方面具有不准确性；井下电视法只能录取射孔孔眼情况，在监测裂缝的长度、宽度、方位和倾角方面具有不准确性；周围井井下倾斜法井距越远，分辨率越低；地面测斜随深度增加，分辨率下降；施工井倾斜仪在计算裂缝的长度时，必须由裂缝高度和宽度算出。以上常规方法均不能全面监测裂缝的长度、高度、宽度、方位角，监测效果差。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种微地震压裂智能识别装置，实时精确获知页岩气井开发过程中深部地质结构情况。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种页岩气开发微地震压裂智能识别装置，所述装置包括：供电电源、信号处理装置、三分量检波器；所述三分量检波器安装于微地震监测井下；所述信号处理装置、所述供电电源安装在微地震监测井对应位置的地面；

所述供电电源与所述信号处理装置相连接，用于对所述信号处理装置进行供电；

所述信号处理装置与所述三分量检波器相连接，所述三分量检波器用于捕捉压裂活动产生的微小地震事件波形，所述信号处理装置用于接收所述三分量检波器捕捉的微小地震事件波形的模拟信号并对所述微小地震事件波形的模拟信号进行处理，生成数字信号；

所述信号处理装置与监控中心相连接，所述监控中心用于接收所述信号处理装置发送的数字信号。

可选的，所述信号处理装置具体包括：嵌入式控制器模块、第一滤波电路模块、程控增益放大模块、第二滤波电路模块，模数转换器模块、SD存储模块、无线传输模块、GPS校时模块；

所述第一滤波电路模块与所述三分量检波器相连接，所述第一滤波电路模块用于滤除外界干扰引起的高频杂波和所述供电电源含有的高频杂波；

所述程控增益放大模块与所述第一滤波电路模块连接，所述程控增益放大模块用于放大所述微小地震事件波形模拟信号的频率和幅度；

所述第二滤波电路模块与所述程控增益放大模块连接；所述第二滤波电路模块用于滤除所述程控增益放大模块输出的高频杂波和所述供电电源含有的高频杂波；

所述模数转换器模块与所述第二滤波电路模块连接，所述模数转换器模块将采集进来的所述微小地震事件波形模拟信号进行数字转换，将所述微小地震事件波形模拟信号转换为所述嵌入式控制器能够识别的数字信号；

所述SD存储模块与所述模数转换器模块连接，所述SD存储模块用于存储采集到的原始所述微小地震事件波形模拟信号数据；

所述无线传输模块与所述SD存储模块连接，所述无线传输模块用于将所述采集到的原始所述微小地震事件波形模拟信号数据传输至所述监控中心；

所述GPS校时模块与所述嵌入式控制器模块相连接，所述GPS校时模块用于校准系统的时间；

所述嵌入式控制器模块与所述供电电源、所述模数转换器模块、所述SD 存储模块、所述无线传输模块、所述GPS校时模块均双向连接；所述嵌入式控制器模块与所述程控增益放大模块单向连接；所述嵌入式控制器模块用于对上述模块进行逻辑时序控制；

所述供电电源与所述三分量检波器、所述第一滤波电路模块、所述程控增益放大模块、所述第二滤波电路模块、所述模数转换器模块均单向相连，所述供电电源与所述嵌入式控制器模块双向相连，所述供电电源对所述三分量检波器、所述第一滤波电路模块、所述程控增益放大模块、所述第二滤波电路模块、所述模数转换器模块、所述嵌入式控制器模块进行供电。

可选的，所述供电电源为±5V/±3.3V电源模块。

可选的，所述信号处理装置还包括：差分输入电路，所述差分输入电路输入端与所述三分量检波器的3个信号输入端相连接，所述差分输入电路输出端与所述程控增益放大模块相连接，所述信号处理装置的信号输入端采用差分输入方式以抑制共模干扰信号。

可选的，所述程控增益放大模块具体为：PGA280AIPW数字运放芯片，所述嵌入式控制器模块通过SPI接口与所述PGA280AIPW数字运放芯片进行通讯，增益可调，以下发的数字0～10设定放大倍率，对应放大倍率为1/8～ 128。

可选的，所述嵌入式控制器模块具体为：STM32F4系列的嵌入式处理器作为所述嵌入式控制器模块，主频为168MHz，内部集成256KB静态随机存取存储器，片外配置16M同步动态随机存储器。

可选的，所述模数转换器模块具体为：CS5361音频AD转换器，192KHz 采样率，24位分辨率，双通道输入，IIS数据接口。

可选的，所述嵌入式控制器模块还包括：

SDI0控制器接口，用于连接32GSD卡存储数据；

RS232接口，用于连接GPS模块；

IO口线组1，用于控制X道程控增益放大器PGA280AIPW；

IO口线组2，用于控制Y道程控增益放大器PGA280AIPW；

IO口线组3，用于控制Z道程控增益放大器PGA280AIPW；

IIS1接口，用于连接第一片CS5361，采集X、Y道的数据；

IIS2接口，用于连接第二片CS5361，采集Z道的数据；

FMC接口，用于连接片外SDRAM。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本装置中通过采用布设多个三分量检波器来监测压裂井在压裂过程中诱发的微地震波，此微地震波可以详细描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布，通过信号处理装置能实时监控压裂施工过程中产生裂隙的高度、长度和方位角信息，能够实时精确的获知页岩气井在开发过程中深部地质结构变化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例页岩气开发微地震压裂智能识别装置图；

图2为本实用新型实施例信号处理装置结构图；

图3为本实用新型实施例STM32F4系列的嵌入式控制器模块装置图；

图4为本实用新型实施例差分输入电路图；

图5为本实用新型实施例程控增益放大模块的电路图；

图6为本实用新型实施例模数转换器模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种微地震压裂智能识别装置，实时精确获知页岩气井开发过程中深部地质结构情况。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型实施例页岩气开发微地震压裂智能识别装置图。参见图 1，所述装置包括：供电电源101、信号处理装置102、三分量检波器103；所述三分量检波器103安装于微地震监测井下；所述信号处理装置102、所述供电电源101安装在微地震监测井对应位置的地面；

所述供电电源101与所述信号处理装置102相连接，用于对所述信号处理装置进行供电；所述供电电源为±5V/±3.3V电源模块。

所述信号处理装置102与所述三分量检波器103相连接，所述三分量检波器103用于捕捉压裂活动产生的微小地震事件波形，所述信号处理装置102 用于接收所述三分量检波器103捕捉的微小地震事件波形模拟信号并对所述微小地震事件波形模拟信号进行处理；

所述信号处理装置102与监控中心相连接，所述监控中心用于接收所述信号处理装置发送的数字信号。

本实用新型通过在压裂井附近微地震监测井中布设多个三分量检波器来监测压裂井在压裂过程中诱发的微地震波，从而描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间分布，能实时提供压裂施工过程中产生裂隙的高度、长度和方位角信息，利用这些信息可以优化井位设计、优化井网等开发措施，从而提高采收率。

图2为本实用新型实施例信号处理装置结构图。

参见图2，所述信号处理装置具体包括：嵌入式控制器模块201、第一滤波电路模块202、程控增益放大模块203、第二滤波电路模块204，模数转换器模块205、SD存储模块206、无线传输模块207、GPS校时模块208；

所述第一滤波电路模块202与所述三分量检波器103相连接，所述第一滤波电路模块202用于滤除外界干扰引起的高频杂波和所述供电电源101含有的高频杂波；

所述程控增益放大模块203与所述第一滤波电路模块202连接，所述程控增益放大模块203用于放大所述微小地震事件波形模拟信号的频率和幅度；

所述第二滤波电路模块204与所述程控增益放大模块203连接；所述第二滤波电路模块204用于滤除所述程控增益放大模块203输出的高频杂波和所述供电电源101含有的高频杂波；

所述模数转换器模块205与所述第二滤波电路模块204连接，所述模数转换器模块205将采集进来的所述微小地震事件波形模拟信号进行数字转换，将所述微小地震事件波形模拟信号转换为所述嵌入式控制器201能够识别的数字信号；

所述SD存储模块206与所述模数转换器模块205连接，所述SD存储模块206用于存储采集到的原始所述微小地震事件波形模拟信号数据；

所述无线传输模块207与所述SD存储模块206连接，所述无线传输模块 207用于将所述采集到的原始所述微小地震事件波形模拟信号数据传输至所述监控中心209；

所述GPS校时模块208与所述嵌入式控制器模块201相连接，所述GPS 校时模块208用于校准系统的时间；

所述嵌入式控制器模块201与所述供电电源101、所述模数转换器模块 205、所述SD存储模块206、所述无线传输模块207、所述GPS校时模块208 均双向连接；所述嵌入式控制器模块201与所述程控增益放大模块203单向连接；所述嵌入式控制器模块201用于对上述模块进行逻辑时序控制；

所述供电电源101与所述三分量检波器103、所述第一滤波电路模块202、所述程控增益放大模块203、所述第二滤波电路模块204、所述模数转换器模块205单向相连，所述供电电源101与所述嵌入式控制器模块201双向相连，所述供电电源101对所述三分量检波器103、所述第一滤波电路模块202、所述程控增益放大模块203、所述第二滤波电路模块204、所述模数转换器模块 205、所述嵌入式控制器模块201进行供电。

微地震信号的采集是一个连续采集的过程，数据量较大且需要实时存储，因此系统在选型上要尽可能地做到低功耗。图3为本实用新型实施例STM32F4 系列的嵌入式控制器模块装置图。如图3所示，本专利选用STM32F4系列的嵌入式处理器作为中央CPU芯片，主频为168MHz，实际性能指标为 1.25DMIPS/MHz，具有较高的能耗比，内部集成256KB SRAM，可以满足数据缓存的需要，该处理器I/O接口种类较多，具有IIS数据口，配合CPU的DMA中断模式，用于AD数据的快速存取，片外配置16M SDRAM，用于连续数据的缓存。

所述嵌入式控制器模块还包括：

SDI0控制器接口301，用于连接32GSD卡存储数据；

RS232接口302，用于连接GPS模块；

IO口线组1303，用于控制X道程控增益放大器PGA280AIPW；

IO口线组2304，用于控制Y道程控增益放大器PGA280AIPW；

IO口线组3305，用于控制Z道程控增益放大器PGA280AIPW；

IIS1接口306，用于连接第一片CS5361，采集X、Y道的数据；

IIS2接口307，用于连接第二片CS5361，采集Z道的数据；

FMC接口308，用于连接片外SDRAM。

图4为本实用新型实施例差分输入电路图。如图4所示，差分输入电路的信号输入端采用差分输入方式以抑制共模干扰信号，并使用了低通滤波器抑制高频噪声，输入端接入稳压二极管，防止外界环境中静电的进入和传感器的信号幅度过大导致芯片损坏。

所述差分输入电路输入端与所述三分量检波器的3个信号输入端相连接，所述差分输入电路输出端与所述程控增益放大模块相连接，所述信号处理装置的信号输入端采用差分输入方式以抑制共模干扰信号。

图5为本实用新型实施例程控增益放大模块的电路图。如图5所示，程控增益放大电路(PGA)选择PGA280AIPW数字运放芯片，述嵌入式控制器模块通过SPI接口与所述PGA280AIPW数字运放芯片进行通讯，增益可调，以下发的数字0～10设定放大倍率，对应放大倍率为1/8～128，输出信号进一步进行高频滤波和差分滤波，减少信号噪声。

图6为本实用新型实施例模数转换器模块的电路图。如图6所示，模数转换电路(ADC)是微地震信号采集的核心部分，电路选用CS5361音频AD转换器，具有192KHz采样率，24位分辨率，双通道输入，IIS数据接口。AD 转换器上电初始化完毕后开始运行，以1KHz的采样速度双通道并行采集，数据存入处理器环形缓冲区，接收到GPS校时触发信号，通过处理器的DMA 管理器搬移缓冲区的数据到外部存储器，提高了数据处理的速度。由于采用统一时钟驱动，时间差固定，采样时间间隔固定，采样频率均匀，采样无任何干涉，保证了三通道采样时间的相对精度。

考虑到微地震数据采集对于时间精度要求较高，CPU芯片外部晶振在长时间运行后会产生无法避免的误差，所以本实用新型在电路上设计了GPS校时模块做为授时基准，在GPS卫星信号稳定的前提下，GPS的重捕获时间是 1s，绝对时间精度可达到10^-4秒，以秒信号作为AD数据长度的划分标志，GPS 秒中断后，数据被存储到SD卡，同时在文件中打上时间戳，从而保证了分布式采集站采集数据时间的一致性。

微地震智能识别装置上电后硬件开始初始化，顺序依次为CPU时钟、CPU 中断、片外SDRAM、LED指示灯、SPI总线、RS232串口、看门狗、默认参数读取、GPS、SD卡、片外AD模数转换器CS5361、片内AD、程控增益放大器PGA280。初始化结束后，经过1分钟左右的延时，GPS已经可以接收到授时信息，CS5361在GPS时间驱动下开始采集数据，启用DMA通道，每一分钟存储一帧数据，如此一直延续下去，在丢失GPS信号的情况下暂停存储数据。

本实用新型通过在压裂井附近微地震监测井中布设多个三分量检波器来监测压裂井在压裂过程中诱发的微地震波，从而描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间分布，能实时提供压裂施工过程中产生裂隙的高度、长度和方位角信息，利用这些信息可以优化井位设计、优化井网等开发措施，从而提高采收率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。