面向页岩气勘探的微地震采集记录仪研制

摘要

近些年来，随着经济全球化的不断深入，世界各国对能源的需求日益加大。因此，寻找和开发新能源越来越引起人们的重视。页岩气作为一种新型清洁战略资源，其勘探开发备受世界关注。但是由于页岩气储层具有低孔隙率、低渗透率的物性特征，大部分页岩气井需要经过压裂增产后才能获得理想产量，如何有效监测和评价压裂效果是压裂增产的关键之一。
　　本课题属于青岛市战略性新兴产业培育计划先进制造领域的微地震监测技术课题。核心任务是研制采用地面监测方式的微地震事件高频宽带微弱信号采集记录仪和研究微震监测系统的高精度时钟同步技术和实时信息传输处理技术，为页岩气勘探开发的低成本微地震监测需求提供装备支撑。
　　本课题研制的面向页岩气勘探的微地震采集记录仪是集机械设计，计算机技术，检测技术，通讯技术于一体的智能仪器设备。采集记录仪连同定制的高精度大分辨率地震检波器组成一个可独立工作的微地震监测系统节点。采集记录仪同时搭载了微弱信号放大、A/D转换数据采集、GPS接收机、WIFI通讯、有线以太网络等模块，在主控制器的控制下，实现了微地震信号的放大、处理、采集、存储、上传等一系列工作。
　　本论文介绍了面向页岩气勘探的微地震采集记录仪的设计和研制过程。以微地震监测水力压裂为背景，详细研究了微地震信号的特性，压裂和监测方式差异所带来的影响。针对这些特点展开采集记录仪的研究。本论文提出了一套完整的地面监测系统方案，同时研制完成单一节点采集记录系统。
　　微地震采集记录仪包括数字控制主控单元，微弱信号采集处理单元和地震检波器。其中数字控制主控单元采用“ARM+FPGA”架构，以ARM微控制器为主要控制平台，负责系统的流程操作和管理。采用FPGA技术完成高速大容量数据的采集工作;微弱信号采集处理单元选用了32位高精度△-∑型ADC，实现了高分辨率大动态范围的数据采集。地震检波器选用定制的新型高灵敏度SN4G系列检波器，保证了微地震采集前端信号质量，为提高采集数据的精确性和高可靠性奠定了良好基础。
　　本论文介绍了微地震监测的原理，整体方案的规划设计，系统硬件电路设计，FPGA逻辑设计和系统软件规划设计。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 全球页岩气现状介绍

1．1．2 微地震监测技术优势

1．2 课题的来源、研究内容及意义

1．3 微地震监测原理及国内外研究现状

1．3．1 微地震监测原理

1．3．2 国外研究发展现状

1．3．3 国内研究发展现状

1．4 论文的组织架构

2 系统整体设计

2．1 面向页岩气勘探的微地震监测系统

2．2 采集记录仪主要技术指标

2．3 单节点采集记录仪系统

2．4 关键技术研究

2．4．1 低噪声微弱信号放大采集处理

2．4．2 高精度时钟同步

2．4．3 长时间序列数据可靠存储

2．4．4 多种通讯模式的组网方式

2．4．5 低功耗

2．5 采集记录仪总体架构

2．6 本章小结

3 微地震采集记录仪硬件研制

3．1 地震检波器的选型

3．1．1 地震检波器简介

3．1．2 地震检波器选型

3．2 前置放大电路硬件设计

3．3 AD采样硬件设计

3．3．1 AD转换芯片的选择

3．3．2 AD转换电路的设计

3．4 数字控制硬件系统设计

3．4．1 存储硬件电路

3．4．2 GPS授时控制模块

3．4．3 WIFI无线通信模块

3．4．4 有线以太网模块

3．4．5 USB通讯模块

3．5 电源模块设计

3．5．1 系统供电低功耗设计

3．6 超高精度时钟同步硬件系统设计

3．7 硬件实物图

3．8 本章小结

4 微地震采集记录仪FPGA设计

4．1 FPGA总体设计方案

4．2 数据采集逻辑

4．2．1 AD驱动逻辑

4．2．2 乒乓操作

4．3 RTC模块

4．4 本章小结

5 微地震采集记录仪软件设计

5．1 软件总体设计

5．2 控制模式

5．2．1 GPS授时设计

5．2．2 异常监测设计

5．2．3 组网数据通讯

5．3 采集模式

5．3．1 AD采样控制及数据接收

5．3．2 FSMC与CF卡存储设计

5．4 本章小结

6 测试结果及分析

6．1 前置信号放大电路幅频相频特性

6．2 本底噪声测试

6．2．1 关于ADS1281选型时噪声对比测试

6．2．2 ADS1281采集板不同环境中对比测试

6．2．3 组装前置放大板后的系统本底噪声测试

6．3 数字控制板各功能模块测试

6．3．1 上位机串口通讯测试

6．3．2 USB数据导出速率测试

6．3．3 FPGA采集逻辑功能测试

6．4 功耗测试

7 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历

硕士期间发表(录用)专利和论文情况