测量井下微震的专用数字地震仪

摘要

本发明涉及一种用于井下微震检测的新型数字地震仪，为解决现有地震仪记录时间不够长的问题，其是用于检测井中压裂时产生的地震波，其观测系统是以井口为圆心，由多个同心圆组成，形成圈状结构；其硬件部分由中央控制操作系统CCOS、根节点RU、交叉节点XU(Cross Unit)、电源节点PU、采集链AS和光缆FL等六大单元组成；所述根节点RU通过千兆网线与中央控制操作系统CCOS连接，并根据仪器容量的要求提供1-2个千兆光缆接口与交叉节点XU连接；所述交叉节点XU具有2个光缆接口，可以通过光缆FL串接，并与根节点RU相连接；同时交叉节点XU具有2个专用通信接口，连接由采集链AS和电源节点PU任意串接形成的采集线AL。所有采集数据均实时传送和记录。具有超长的数据采集和记录能力，可以连续采集几天、几周甚至几个月，也就是所有采集数据均实时传送和记录。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字地震仪，特别是涉及一种测量井下微震的专用数字地震仪。

技术背景

高精度数字地震仪是用来记录人工或天然地震信号，然后根据这些地震信号的记录来 寻找油、气、煤和其他矿产资源的地质勘探仪器，并可用于探测地球内部结构、进行工程 及地质灾害预测等。

地震勘探法目前仍然是在陆地和海洋勘探石油和天然气的主要手段，同时也是其他矿 产资源的重要勘探方法，并广泛应用于研究地球内部结构、工程勘探和检测、地质灾害预 测等等方面。其基本方法是在勘探靶区的地面上埋放数千乃至上万只地震波传感器(即地 震检波器)，然后用炸药或可控震源激发人工地震。地震波向地下深处传播，遇到不同性质 地层的分界面就会产生反射，地震检波器拾取到反射波并将其转换成模拟电信号，然后由 高精度的数字地震仪把这些模拟电信号转换成数字信号记录下来。野外勘探接收到的大量 数据通过室内用高速计算机进行复杂的信号处理和反演计算，才能得到清晰可靠的地下结 构图像，最终确定矿产资源的位置和深度。

目前在石油和天然气勘探行业使用的仪器极大部分是从由法国和美国等国家生产的有 线遥测地震仪。有线遥测地震仪的特征是完全由有线系统发送指令和传送采集数据。在目 前的野外实际应用中占有主导地位，占据世界地震仪市场的绝大部分份额，常用的有Sercel 公司的408/428系列、ION公司的Scorpion和Aries系统和美国WesternGeco公司的Uni Q 系统等。

地震采集系统可分为地震信号的拾取(地震检波器)、地震信号的传输、地震信号的记 录与存储三部分。国内外主要24位遥测地震仪可分为三类：有线遥测地震仪、无线遥测 地震仪、存储式数据回收遥控地震仪。这三类遥测地震仪中，有线遥测地震仪仍占主导地 位，占据世界市场的绝大部分份额。

法国Sercel公司是CGG控股从事地震仪器研制的专业公司，具有五十多年的地震仪器 制造经验。典型的陆上地震仪器有：SN338、SN368、SN388和目前广泛使用的400系列。 408U是Sercel公司九十年代末期推向勘探市场的网络地震仪，采用采集链结构形式使采集 站和电缆成为一体。408UL系统率先引入了地震区域网络的概念，其核心思想是把计算机 网络节点概念引入到遥测地震仪系统中，从而将遥测仪器系统作为一个计算机网络。主机 记录系统、LAUL、LAUX作为网络节点，配合系统软件完成控制和管理。408UL大线数 传速率为8.192MHz，交叉线数传速率为16.384MHz，2ms采样率下大线实时传输1000道， 交叉线实时传输2000道。与408UL相比，428XL的主机系统和数据传输结构有重大改进， 主机结构采用服务器/客户机模式，其大线数传速率为16.384MHz，单线道能力达到了 2000道/2ms，三维实时道能力为10000道/2ms。

美国ION公司也是国际知名的地震仪器、可控震源、地震检波器、激发源同步系统等 地球物理装备制造商。上世纪八十年代开始涉足地震仪器制造，当时推出的系统-I和系统 -II仪器深受用户欢迎。ION公司非常重视产品的超前研究，近年来率先推出24位A/D 地震仪器，Vectorseis数字检波器(MEMS)，使地震仪器两次发生革命性的进步。ION公 司生产的陆上地震仪器主要包括Scorpion和Aries系统。在2010年，ION公司的陆上仪器 部分与中国石油东方地球物理公司(BGP)合并成立了一家新公司INOVA。

在地震勘探时，为了得到能够系统地追踪目的层有效波的地震记录，在野外资料采集时 必须适当地安排和选择激发点与接收点的相互位置，这种描述激发点和接收点之间以及排 列和排列之间位置关系称为观测系统。

井下微震检测的地震波采集观测系统是一种比较特殊的观测系统，它的激发源为储层 压裂时破裂产生的微震，分布于井的周围，具有随机性。而且能量较弱，信噪比非常低。 目前采用的观察系统均为放射状，以井口为中心，由若干条测线呈放射状向外延伸。它的 优势是布设简单，容易实现，缺点是离中心点越远，圆弧方向间距越大，不能形成三维图 像。

到目前为止，国际上还没有专用的井下微震检测的地震仪，均采用常规地震仪进行井 下微震检测，但存在记录时长不够，时间精度不够等问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种测量井下微震的专用数字地震 仪。

为实现上述目的，本发明用于井下微震检测的新型数字地震仪用于检测井中压裂时产 生的地震波，其观测系统是以井口为圆心，由多个同心圆组成，形成圈状结构，每个圆周 上设置的接收点数可以不同，一般随着圆周长的增加而增加，以保持接收点分布均匀；

其硬件部分由中央控制操作系统CCOS(Central Control Operation System)、根节点RU (Root Unit)、交叉节点XU(Cross Unit)、电源节点PU(Power Unit)、采集链AS(Acquisition  String)和光缆FL(Fiber Line)等六大单元组成；所述中央控制操作系统CCOS是整个仪器 的控制中心和数据回收中心，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收、质量控制 等功能；所述根节点RU通过千兆网线与中央控制操作系统CCOS连接，并根据仪器容量 的要求提供1-2个千兆光缆接口与交叉节点XU连接；所述交叉节点XU具有2个光缆接口， 可以通过光缆FL串接，并与根节点RU相连接；同时交叉节点XU具有2个专用通信接口， 连接由采集链AS和电源节点PU任意串接形成的采集线AL(Acquisition Line)。

本发明数字地震仪的特点是充分考虑了圈状结构观测系统的特点，为一种检测井下微震 的专用数字地震仪，并且具有超长的数据采集和记录能力，也就是所有采集数据均实时传 送和记录。

作为优化，所有采集数据均实时传送和记录，所以具有超长的数据采集和记录能力， 可以连续采集几天、几周甚至几个月。

作为优化，所述观测系统：①由多个同心圆组成，形成圈状结构，第i个同心圆的半 径为Ri(i＝1，2，…，max)，最小圆的半径为R1，最大圆的半径为Rmax；②相邻接收点的 半径方向间距(简称径距)DRi＝R(i+1)-Ri；③相邻接收点圆周方向的弧长间距(简称弧距) 为DLi，并有DLmin≤DLi≤DLmax，其中最短弧长为DLmin，最长弧长为DLmax。④第 i个圆周上布设Mi个接收点并均匀分布，并且Mi＝N×2^m(N＝3，4，5，6，7，8，…；m＝0，1，2，3，…)， 即每个圆周上布设的接收点为最内圈的2倍数(最内圈除外)。

作为优化，所述中央控制操作系统CCOS置于仪器车上，是整个数字地震仪的主要控 制单元，硬件部分由计算机服务器Server、网络交换机Switch、客户计算机终端PC、存储 设备Storage device、绘图设备Plotting equipment和GPS等组成；软件由操作系统软件和控 制操作软件等组成；GPS除提供位置坐标信息外，还给仪器授时，确保长时间记录的时间 准确性。所述网络交换机Switch与存储设备Storage device、绘图设备Plotting equipment 和多个并列的客户计算机终端PC相连，网络交换机Switch再连接计算机服务器Server， 计算机服务器Server向外连接根节点RU。

作为优化，所述根节点RU由高速交换模块SM(Switch module)、控制模块CM(Control  module)和电源模块PM(Power Module)等组成；高速交换模块SM(Switch module)提 供数据交换功能；控制模块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块 SM的控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。

作为优化，所述交叉节点XU由高速交换模块SM、控制模块CM、电源模块PM和 GPS模块等组成；数据交换模块SM为千兆交换机模块，千兆接口分别连接上一级交叉节 点XU和下一级交叉节点XU；控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接两边的采集链 AS。高速交换模块SM(Switch module)提供数据交换功能；控制模块CM根据中央控制 操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM的控制；电源模块PM为各模块提供电源 支持。GPS模块除提供位置坐标信息等。

作为优化，所述电源节点PU由控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成；控 制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集链AS。控制模块CM根据 中央控制操作系统CCOS的指令实现控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。GPS模 块提供位置坐标信息等。

作为优化，所述采集线AL可以由电源节点PU和采集链AS、采集链AS和采集链 AS任意串接形成；采集线AL上的电源节点PU给两边的采集站AU提供电源供给，电源 节点PU的供电能力确定了二个电源节点PU之间的最多采集站个数。在本系统中，电源节 点PU把供电电瓶的12V电压提升到72V对采集站进行供电。由于线路损耗，采集站的供 电电压范围在24～72V。

作为优化，所述的采集链AS由若干个(一般为4、6或8个)采集站AU(Acquisition  Unit)通过电缆连接而成，采集站AU采集数字检波器的信号，并通过专用通信接口进行 通信和数据传送。

作为优化，所述采集站AU由控制模块CM、电源模块PM和GPS模块等组成；控制模 块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AU，具有一个专用接口连接 常规检波器或MEMS等传感器；电源由电源节点PU通过通信接口采用“鬼对”方式远供， 电源模块PM把所供的72V(由于线路损耗供电电压会随着供电的距离而降低，采集站的 最低供电电压设定为24V)转换成采集站AU所需的各种电压。控制模块CM根据中央控 制操作系统CCOS的指令实现控制；电源模块PM为各模块提供电源支持。GPS模块提供 位置坐标信息等。

采用上述技术方案后，本发明充分考虑了圈状结构观测系统的特点，具有超长的数据 采集和记录能力，可以连续采集几天、几周甚至几个月，也就是所有采集数据均实时传送 和记录。

附图说明

图1是本发明井下微震检测专用地震仪原理框图；

图2是井下微震检测的地震波采集观测系统示意图；

图3是本发明井下微震检测专用地震仪的中央控制操作系统CCOS原理框图；

图4是本发明井下微震检测专用地震仪的根节点RU原理框图；

图5是本发明井下微震检测专用地震仪的交叉节点XU原理框图；

图6是本发明井下微震检测专用地震仪的电源节点PU原理框图；

图7是本发明井下微震检测专用地震仪的采集站AU原理框图；

图8是本发明井下微震检测专用地震仪的一种布设方案示意图。

具体实施方式

本发明用于井下微震检测的新型数字地震仪，用于检测井中压裂时产生的地震波，其观 测系统是以井口为圆心，由多个同心圆组成，形成圈状结构，每个圆周上设置的接收点数 可以不同，一般随着圆周长的增加而增加，以保持接收点分布均匀。

本发明装置专用数字地震仪硬件部分(见图1)由中央控制操作系统CCOS(Central  Control Operation System)、根节点RU(Root Unit)、交叉节点XU(Cross Unit)、电源节点 PU(Power Unit)、采集链AS(Acquisition String)和光缆FL(Fiber Line)等六大单元组成。本 发明数字地震仪的特点是充分考虑了圈状结构观测系统的特点，为一种专用数字地震仪， 所有采集数据均实时传送和记录，具有超长的数据采集和记录能力，可以连续采集几天、 几周甚至几个月。

本发明装置专用数字地震仪的中央控制操作系统CCOS(见图3)是整个仪器的控制中 心和数据回收中心，实现人机交互、排列控制、采集同步、数据回收、质量控制等功能。 中央控制操作系统CCOS一般置于仪器车上，是整个数字地震仪的主要控制单元，硬件部 分由计算机服务器Server、网络交换机Switch、客户计算机终端PC、存储设备Storage device、 绘图设备Plotting equipment和GPS等组成。GPS除提供位置坐标信息外，在本发明装置中 还有一个重要作用是给仪器授时，确保长时间记录的时间准确性。软件由操作系统软件和 控制操作软件等组成。中央控制操作系统CCOS通过千兆网线与根节点RU连接。

本发明装置专用数字地震仪的根节点RU(见图4)通过千兆网线与中央控制操作系统 CCOS连接，并根据仪器容量的要求提供1-2个千兆光缆接口与交叉节点XU连接。根节点 RU由高速交换模块SM(Switch module)、控制模块CM(Control module)和电源模块PM (Power Module)等组成。高速交换模块SM(Switch module)提供数据交换功能；控制模 块CM根据中央控制操作系统CCOS的指令实现对高速交换模块SM的控制；电源模块PM 为各模块提供电源支持。

本发明装置专用数字地震仪的交叉节点XU可以通过光缆FL串接，并与根节点RU相 连接；同时交叉节点XU具有2个专用通信接口，连接由采集链AS和电源节点PU任意串 接形成的采集线AL((Acquisition Line)。

本发明装置专用数字地震仪的交叉节点XU(见图5)由高速交换模块SM、控制模块 CM、电源模块PM和GPS模块等组成。数据交换模块SM为千兆交换机模块，千兆接口分 别连接上一级交叉节点XU和下一级交叉节点XU。控制模块CM具有2个专用通信接口分 别连接两边的采集链AS。

本发明装置专用数字地震仪的电源节点PU(见图6)由控制模块CM、电源模块PM和 GPS模块等组成。控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集链AS。

本发明装置专用数字地震仪的采集线AL可以由电源节点PU和采集链AS、采集链AS 和采集链AS任意串接形成。采集线AL上的电源节点PU给两边的采集站AU提供电源供 给，电源节点PU的供电能力确定了二个电源节点PU之间的最多采集站个数。在本系统中， 电源节点PU把供电电瓶的12V电压提升到72V对采集站进行供电。由于线路损耗，采集 站的供电电压范围在24-72V。

本发明装置专用数字地震仪的采集链AS由若干个(一般为4、6或8个)采集站 AU(Acquisition Unit)通过电缆连接而成，采集站AU采集数字检波器的信号，并通过专用 通信接口进行通信和数据传送。

本发明装置专用数字地震仪的采集站AU(见图7)由控制模块CM、电源模块PM和GPS 模块等组成。控制模块CM具有2个专用通信接口分别连接上一级和下一级采集站AU，具 有一个专用接口连接常规检波器或MEMS等传感器。电源由电源节点PU通过通信接口采 用“鬼对”方式远供，电源模块PM把所供的72V(由于线路损耗供电电压会随着供电的 距离而降低，采集站的最低供电电压设定为24V)转换成采集站AU所需的各种电压。

本发明装置专用数字地震仪采用的地震波采集观测系统(见图2)：①由多个同心圆组 成，形成圈状结构，第i个同心圆的半径为Ri(i＝1，2，…，max)，最小圆的半径为R1，最 大圆的半径为Rmax；②接收点的半径方向间距(简称径距)为DRi；③接收点圆周方向的 弧长间距(简称弧距)为DLi，并有DLmin≤DLi≤DLmax。④第i个圆周上布设Mi个接 收点并均匀分布，并且Mi＝N×2^m(N＝3，4，5，6，7，8，…；m＝0，1，2，3，…)。按照这种观测系统， 我们给出如下观测系统实例，并且给出2种布设方案，分别见图1和图8。图8的布设方 案考虑了近井口圆周周长教短的情况，采用迂回方式，使得布设相对简洁、并使用较少的 交叉节点XU。

观测系统实例：

设：R1＝50m；Rmax＝2000m；DR＝25m；DLmin＝20m；DLmax＝40m。

则有：

①观测系统由79个同心圆组成，最小圆半径R1为50m，最大圆半径Rmax为2000m， 最小圆周长为314m，最大圆周长为12560m，

②接收点的半径方向间距(简称径距)DR为25m；

③接收点圆周方向的间距(简称弧距)为DLi，并有20m≤DLi≤40m

④第1个圆周上均匀布设8个接收点，第2～3个圆周上均匀布设16个接收点；第4～7 个圆周上均匀布设32个接收点；第8～15个圆周上均匀布设64个接收点；第16～31个圆周 上均匀布设128个接收点；第32～64个圆周上均匀布设256个接收点；第65～79个圆周上 均匀布设512个接收点。

⑤整个观测系统布设有18856个接收点。

每个同心圆上的布设情况见表1。

表1：观测系统参数表