一种水力压裂震电信号采集系统的制作方法

本实用新型属于涉及水力压裂的地球物理勘探研究技术领域，尤其涉及一种水力压裂震电信号采集系统。

背景技术：

随着社会的发展，我国对石油的需求量逐年上升，然而国内石油开采量却没有明显的提高，为了满足巨大的石油需求量只能依赖于进口石油。目前世界上通过水力压裂的方法可以使油田有效地增产，通过在地下注入压裂液形成人工裂缝，从而改善油层的渗透条件，疏通堵塞，提高油井产量。压裂裂缝参数的准确描述将直接关系到压裂效果的评价和下一步压裂施工的选择。微地震法是水力压裂过程中常用的监测方法，微地震方法主要是通过监测压裂过程中岩层破裂所发生的微地震事件，来获得裂缝的方向、长度、位置、变化和发育程度等信息。

在水力压裂过程中，会向地层注入大量含支撑剂的、呈低阻性的、具有一定粘度的压裂液，这就会使储层和围岩的电阻率发生明显的变化。而地震波传播遇到具有电化学性质或者弹性差异的分界面时会诱发第二类震电效应，此时，电荷平衡受到扰动，导致电荷分布的不对称性，形成界面电磁场。产生的震电信号（一种电磁信号）能够反应含流体储层的孔隙度、渗透率等关键参数，也能直接反应储层流体性质，因此震电效应对地下油气藏勘探具有重大意义。

单一的探测方法具有对裂缝解释不准确和地层参数评估不完善的问题，而同时监测震动与电磁两种地球物理信号，能够对压裂裂缝进行更加准确的解释分析，有效地促进油气勘探开发。

CN205562840U公开了一种联合地震数据、电法数据的水力压裂震电联合探测系统。该系统虽然在水力压裂过程中联合了微地震法和电法对压裂裂缝进行多角度、更全面的解释，但由于在含流体介质中震动信号和电磁信号能够互相转化导致所采集到的信号的成因复杂，影响数据处理结果的准确性。

CN205620357U公开了一种震电信号的实验测量系统,提供了能进行实验室震电信号测量的测试平台,便于进行震电信号实验研究。但该系统需要超声波换能器作为主动激发源，不适用于水力压裂过程没有主动源的情况，此外，野外震电信号需要专业的采集系统进行采集、处理、存储。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种水力压裂震电信号采集系统，解决含流体介质震动信号、电磁信号易相互转化、信号采集不便、数据难于处理、需要超声波换能器作为主动激发源的缺点。

本实用新型是这样实现的，一种水力压裂震电信号采集系统，该系统包括：

多个采集站单元通过交换机与PC机通讯连接，所述采集站单元包括FPGA中央控制单元，所述FPGA中央控制单元的两个输入端分别连接微地震信号处理通道和震电信号处理通道，所述微地震信号处理通道输入端设单分量检波器，后设微地震信号调理电路，末端设微地震信号处理通道模数转换电路，震电信号处理通道输入端设一对Pb/PbCl2接收电极，后设震电信号调理电路，末端设震电信号处理通道的模数转换电路，所述震电信号处理通道的震电信号调理电路按照信号流动方向依次包括：预处理电路、前置放大器、带通滤波电路以及隔离电路，所述微地震信号调理电路依次首端的滤波网络电路，中间设置的微地震信号处理通道模拟开关，末端设置的微地震信号处理通道的前置放大器。

进一步地，所述系统的电源通过ADC基准电压电路为模数转换电路供电，通过FPGA供电模块为FPGA中央控制单元供电。

进一步地，所述FPGA中央控制单元连接有实时时钟、CF卡、和数据接口，通过实时时钟设置实时时间，确保采集站的同步性；CF卡用以存储中央控制单元中缓存的数据；通过数据接口与交换机22连接，再连接PC机回收所采集的数据。

进一步地，所述地震信号处理通道的模拟开关、末端的前置放大器以及模数转换电路集成为一体，采用型号为ADS1282型号的芯片实现。

进一步地，所述震电信号处理通道的预处理电路；前置放大器的型号为AD8429芯片；带通滤波电路采用型号为ADA4004-2芯片；隔离电路采用电压跟随器。

进一步地，所述微地震信号调理电路的滤波网络电路采用共模滤波器。

进一步地，所述微地震信号调理电路的模拟开关采用多路选择器MUX，前置放大器采用可编程增益放大器PGA。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本新型结构采集的两种信号不会相互干扰，采用的模块结构简单，通过市面上容易购买，使得压裂裂缝的参数信息更为准确；本实用新型更加集成化，不需要附带信号激发源，一定程度上节省了人力、物力，增强了在野外勘探的实用性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的总结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的模块结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的微地震信号调理电路的电路原理图；

图4是本实用新型实施例提供的滤波网络电路的电路原理图；

图5是本实用新型实施例提供的ADS1282与外围电路的电路原理图；

图6是本实用新型实施例提供的CT卡电路原理图；

图7是本实用新型实施例提供的实时时钟的电路原理图；

图8本实用新型实施例提供的预处理电路的电路原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

参见图1结合图2所示，一种水力压裂震电信号采集系统包括多个采集站单21元，多个采集站单元21通过交换机与PC机通讯连接，所述采集站单元21包括FPGA中央控制单元13，所述FPGA中央控制单元13的两个输入端分别连接微地震信号处理通道17和震电信号处理通道20，所述微地震信号处理通道17输入端设单分量检波器1，后设微地震信号调理电路18，末端设微地震信号处理通道的第一模数转换电路5，震电信号处理通道20输入端通过电极接口6设一对Pb/PbCl2接收电极，后设震电信号调理电路19，末端设震电信号处理通道的第二模数转换电路11，所述震电信号处理通道20的震电信号调理电路19按照信号流动方向依次包括：预处理电路7、第二前置放大器8、带通滤波电路9以及隔离电路10，所述微地震信号调理电路前端设滤波网络电路2，中间设微地震信号处理通道模拟开关3，末端设微地震信号处理通道第一前置放大器4。

所述系统的电源电路12通过ADC基准电压电路21为模数转换电路供电，通过FPGA供电模块22为FPGA中央控制单元13供电。

FPGA中央控制单元连接有实时时钟、CF卡、和数据接口，通过实时时钟设置实时时间，确保采集站的同步性；CF卡用以存储中央控制单元中缓存的数据；通过数据接口与交换机22连接，再连接PC机回收所采集的数据。

单分量微地震检波器1用于采集垂直方向的微地震信号；Pb/PbCl2接收电极用于采集电位差形式的震电信号。

微地震信号调理电路18中，滤波网络电路2对微地震信号进行滤波处理，模拟开关3控制该通道的工作状态，第一前置放大器4将较微弱的信号进行放大；微地震信号调理电路18与第二模数转换电路5连接，第二模数转换电路5将有效的微地震信号转换为可存储的数字信号。

震电信号调理电路19中，预处理电路7可以消除电极接收的直流电平信号、空间辐射的高频信号等干扰，第二前置放大器8将极微弱的震电信号进行放大，带通滤波电路9的通频带范围为5kHz~25kHz，允许中心频率为15kHz的震电信号通过，隔离电路10可以消除震电信号调理电路19与第二模数转换电路11之间的相互干扰，减少震电信号调理电路19受到的干扰；震电信号调理电路19与第二模数转换电路11连接，第二模数转换电路11将处理过的震电信号转换为可存储的数字信号。

FPGA中央控制单元13输入端分别连接微地震信号处理通道的第一模数转换电路5和震电信号处理通道的第二模数转换电路11的输出端，是本系统主要的控制和处理单元，能够控制两种信号的模数转换处理、存储数据。实时时钟14可以精确地设置实时时间，确保采集站的同步性；CF卡15用以存储FPGA中央控制单元13中缓存的数据；数据接口16可以与交换机22连接，再连接PC回收所采集的数据。

FPGA芯片内集成了可配置逻辑模块、IOB模块、乘法器、Block RAM模块等部分，可以通过编程和编译即可转换为FPGA内部的电路连线网表，进而实现硬件电路的功能。FPGA能够将外部的时钟倍频处理，非常适用于高速场合；器件上用于信号输入与输出的端口很多，容易实现大规模的设计。

所述震电信号处理通道的前置放大器的型号为AD8429芯片；带通滤波电路采用型号为ADA4004-2芯片；隔离电路采用电压跟随器。

参见图3所示为微地震信号处理通道的电路原理图，本实施例中采用了一个ADS1282型号的数模转化器实现上述的滤波网络电路对微地震信号进行滤波处理，模拟开关控制该通道的工作状态，第一前置放大器将较微弱的信号进行放大；微地震信号调理电路与第二模数转换电路连接，第二模数转换电路将有效的微地震信号转换为可存储的数字信号的功能，ADS1282型号中包括多路选择器（MUX）、可编程增益放大器（PGA）、△-∑调制器、可编程数字滤波器、增益及失调校准引擎、超量程检测电路、控制器及SPI串行接口等组成。其中，多路选择器（MUX）为模拟开关3，可编程增益放大器（PGA）为第一前置放大器4。

参见图5结合图3所示，为ADS1282芯片与外围电路的电路图，进行数据转换，实现精度高、体积小、功耗低的数字化信号处理通道。ADS1282是一款针对工业应用、具有极高性能的32位△-∑型模数转换器，该转换器具有4阶、固有稳定△-∑调制器，因此具有优良的噪声和线性特性； ADS1282的额定工作温度范围为-40~+85℃，最高工作温度可达+125℃适用于能源探测、地震检测、高精度仪器仪表等要求苛刻的工业应用领域。

参见图4所示，滤波网络电路：地震检波器输入信号由组件电容C4和电阻R1差分地过滤，并由组件电容C3，电容C6和电阻R3，电阻R8独立过滤。 差分滤波器从输入信号中去除高频正常模式分量。 独立滤波器消除了两个输入信号引线共用的高频分量采用的是共模滤波器。

参见图6所示，本新型实施例中采用的CF卡的电路图；

参见图7所示，为本新型实施例中采用的实时时钟14的电路图可以精确地设置实时时间，确保采集站的同步性。

参见图8所示，本新型实施例中预处理电路7采用两个一个电容C1与并联的电容C2和电容R9串联后消除电极接收的直流电平信号、空间辐射的高频信号等干扰。

下面以具体野外试验详细说明本实用新型实施例的水力压裂震电信号采集系统的使用过程：

1）在压裂井周围按按照探测计划布置采集系统，记录下每个采集站的位置和相应的站号；将每个站连接上埋好的单分量检波器和电极对，其中埋有电极对的坑位中提前灌注适量的浓盐水，以增强电极与大地的导电性和耦合性。

2）在进行油田压裂之前，各采集站开机开始数据采集，记录背景噪声场。

3）油田开始水力压裂，实时时钟14记录压裂开始的时间，采集系统开始采集压裂过程所产生的微地震和震电信号。

4）压裂结束，关闭采集站单元21，回收仪器。

5）将采集站单元21、交换机22以及PC正确连接，回收数据。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。