吳雯，王猛，2，楊迪琨，陳默，任林彬

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;3.南方科技大學(xué) 地球與空間科學(xué)系，廣東 深圳 518055)

0 引言

頁巖氣作為典型的非常規(guī)油氣藏，孔隙十分微小，需要通過水力壓裂的方法將其從致密的頁巖層中擠壓出來[1-4]。隨著壓裂液的注入，通過在地面監(jiān)測(cè)物理場(chǎng)的變化，間接推斷壓裂液的走向，為進(jìn)一步壓裂工作提供技術(shù)參考。微地震監(jiān)測(cè)是目前使用最廣泛的監(jiān)測(cè)方法，該方法可以獲取壓裂走向和儲(chǔ)層改造體積的信息[5-6]，但該方法僅包含巖石破裂的瞬態(tài)信息，且裂縫的走向和壓裂液的流向并不能完全等同，不能完全反映壓裂液的實(shí)時(shí)運(yùn)移情況[7-8]。為了達(dá)到擴(kuò)張、阻垢、穩(wěn)定、減阻和增加流動(dòng)性等目的，壓裂液中通常大量添加導(dǎo)電性良好的離子，使得壓裂液較圍巖呈現(xiàn)低阻異常特征，在外加人工場(chǎng)源或自身地電場(chǎng)的激勵(lì)下，這種電性異?？赡鼙坏孛娣植际降碾妶?chǎng)采集設(shè)備監(jiān)測(cè)到[9-11]，最終可能通過電場(chǎng)數(shù)據(jù)來獲取到微震方法無法獲得的壓裂液流向信息。

地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)較早使用分布式儀器來獲得大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，提高解釋的準(zhǔn)確性[12-13]。在電磁探測(cè)領(lǐng)域，分布式儀器也是近些年的研究熱點(diǎn)。國(guó)外有德國(guó)Metronix公司研制的GMS-06電磁觀測(cè)系統(tǒng)、加拿大鳳凰公司的V8系統(tǒng)、澳大利亞Mimex公司的MIMDAS系統(tǒng)和加拿大Quantec Geoscience公司的Titan-24系統(tǒng)等均支持無線組網(wǎng)，分布式陣列布設(shè)[14]。國(guó)內(nèi)有中南大學(xué)何繼善院士[15]、吉林大學(xué)林君院士[16]、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的底青云院士[17]、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所林品榮教授[18]、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)金勝教授[19]等近10個(gè)團(tuán)隊(duì)分別研發(fā)了分布式電磁探測(cè)系統(tǒng)。這些分布式儀器功能豐富，支持各種電法以及電磁法測(cè)量，性能優(yōu)越，但是大量陣列布設(shè)成本較高，也不夠便攜。

本文設(shè)計(jì)了一種低成本、小體積、自供電且采用無線傳輸?shù)姆植际轿⑷蹼妶?chǎng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱微電儀)，專門采集水平井段隨著壓裂液注入、流動(dòng)而引發(fā)的微弱電場(chǎng)變化。大動(dòng)態(tài)輸入范圍、分布式陣列采集以及多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理上傳是該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

1 壓裂微弱電場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)總體方案設(shè)計(jì)

為了全方位監(jiān)測(cè)壓裂液的運(yùn)移情況，類似于可控源音頻大地電磁探測(cè)方式[20]，在遠(yuǎn)區(qū)開展人工源電磁激勵(lì)，同時(shí)在井口布設(shè)密集的電場(chǎng)監(jiān)測(cè)陣列，來提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有的監(jiān)測(cè)儀器通過無線數(shù)傳模塊將經(jīng)過初步處理的采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示波形和設(shè)備動(dòng)態(tài)云圖。圖1給出了壓裂微弱電場(chǎng)監(jiān)測(cè)示意圖。

單個(gè)監(jiān)測(cè)裝置主要包括電場(chǎng)傳感器、采集電路、鋰電池組、機(jī)械封裝和上位機(jī)監(jiān)控等部分，圖2給出了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。電場(chǎng)傳感器采用傳統(tǒng)的不極化電極；采集電路集成有前端信號(hào)調(diào)理模塊、采集控制模塊、無線數(shù)傳模塊以及電源轉(zhuǎn)換模塊等；采集電路和鋰電池組封裝到特制的機(jī)械外殼中，無需外部供電。

圖1 壓裂微弱電場(chǎng)監(jiān)測(cè)示意Fig.1 Schematic diagram of weak electric field monitoring in fracturing

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框Fig.2 Overall structure block diagram of monitoring system

1.1 前端模擬信號(hào)調(diào)理技術(shù)

x方向電場(chǎng)信號(hào)調(diào)理電路的示意圖如圖1和3所示，y方向和x方向完全一致。系統(tǒng)選用極差小，性能穩(wěn)定的固體PbCl2不極化電極作為電場(chǎng)傳感器，可以有效抑制微弱信號(hào)采集時(shí)電極自身的影響[21-22]。玻璃放電管(SPG)和雙向TVS管組成前端防雷電路，避免野外極端天氣帶來的瞬間高能量浪涌脈沖對(duì)系統(tǒng)造成破壞性傷害。由于壓裂現(xiàn)場(chǎng)工作的用電設(shè)備功率均極大，因此在調(diào)理電路前端設(shè)計(jì)二階低通濾波器(LPF)，將截止頻率設(shè)為25 Hz，以濾除50 Hz工頻干擾對(duì)采集系統(tǒng)的影響。

第一級(jí)運(yùn)算放大電路選用TI公司的OPA2188芯片，該芯片是一款低噪聲、軌對(duì)軌、零漂移運(yùn)算放大器，它具有很高的輸入阻抗和共模抑制比，具有2 MHz增益帶寬積，出色的直流精度，在采集低頻近直流電場(chǎng)信號(hào)的情況下，擁有極高的放大上限，作為第一級(jí)放大，可以有效降低信號(hào)采集系統(tǒng)的噪聲干擾。OPA2188芯片搭成三運(yùn)放差分放大電路的前半部分，高度對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步抑制共模信號(hào)，增強(qiáng)對(duì)差模信號(hào)的放大能力。

為了進(jìn)一步擴(kuò)大輸入信號(hào)的范圍，實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)動(dòng)態(tài)可調(diào)。二級(jí)放大電路(PGA)選用具有數(shù)字可編程增益的零漂移，精密儀表放大器LTC6915，該芯片具有十四級(jí)可編程增益，最大增益可達(dá)4 096倍。加法器實(shí)現(xiàn)調(diào)理后的信號(hào)和高精度基準(zhǔn)電壓的相加，使其輸出信號(hào)滿足后續(xù)的采集要求。放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)了從1～105可調(diào)。總體實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)范圍73 dB。

圖3 x方向電場(chǎng)信號(hào)調(diào)理電路示意Fig.3 Schematic diagram of x-direction electric field signal conditioning circuit

1.2 分布式微弱電場(chǎng)節(jié)點(diǎn)采集技術(shù)

控制每個(gè)采集單元的成本和大小，以及保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)與主機(jī)之間的穩(wěn)定通信，對(duì)于分布式采集儀器來說具有至關(guān)重要的意義。論文設(shè)計(jì)的微電儀在前端加入模擬多路復(fù)用器電路，使用單片機(jī)控制通道切換，兩對(duì)差分電場(chǎng)信號(hào)共用一套處理電路，縮小了電路體積和成本。采用ST(意式半導(dǎo)體)公司的基于32位Cortex-M4內(nèi)核的STM32F373單片機(jī)芯片作為系統(tǒng)的中控芯片。該系列單片機(jī)片上資源豐富，集成有多達(dá)3個(gè)16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(SDADC)，數(shù)據(jù)可以自動(dòng)存儲(chǔ)在RAM緩沖區(qū)，極大地減少了軟件開銷，非常適合作為高精度采集系統(tǒng)的處理核心。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將控制、采集、緩存和上傳集中到同一塊單片機(jī)芯片上，極大地消減了軟硬件開銷，節(jié)省了硬件面積。

整個(gè)分布式采集系統(tǒng)采用射頻通信方案，配合外部天線在開闊地區(qū)最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1 km。所有的分布式儀器通過射頻模塊和接收端模塊配合使用和PC端進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，上傳數(shù)據(jù)和設(shè)備信息，給每個(gè)儀器的射頻芯片分配不同的信道和地址，防止數(shù)據(jù)串?dāng)_。無線組網(wǎng)模式和傳統(tǒng)的線纜傳輸相比大大節(jié)省了布線和收線的時(shí)間和人力。最終的核心采集電路板如圖4所示。

圖4 核心采集電路實(shí)物Fig.4 Physical diagram of core acquisition circuit

機(jī)械外殼選用專門定制的鋁合金外殼，外部留有電極傳感器接口、電源開關(guān)、內(nèi)部鋰電池組充電接口和射頻天線接口，無需拆卸可以控制內(nèi)部電路通斷，給鋰電池組充電。機(jī)械封裝體積小至512 cm3，整體重量輕至500 g，可實(shí)現(xiàn)IP65級(jí)防水，密封性好，可在壓裂場(chǎng)地長(zhǎng)時(shí)間工作，機(jī)械外殼實(shí)物圖如圖5所示。

1.3 多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理上傳技術(shù)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理部分主要包括采集電路的硬件編程和PC端的上位機(jī)編程。其中硬件編程兼容直流和交流發(fā)射方案，對(duì)電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，分段排序取平均，并將處理后的數(shù)據(jù)按固定格式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)上位機(jī)實(shí)時(shí)控制采集增益，圖6給出了程序框圖。

圖5 機(jī)械封裝正面(左)和背面(右)Fig.5 Front (left) and back (right) of the mechanical package

圖6 程序框Fig.6 Block diagram

圖7 上位機(jī)運(yùn)行界面Fig.7 Upper computer running interface

上位機(jī)軟件由交互系統(tǒng)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、圖形顯示區(qū)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等4個(gè)部分組成。上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多臺(tái)儀器進(jìn)行監(jiān)控，控制儀器采集增益，記錄儀器的地理坐標(biāo)，顯示儀器采集數(shù)據(jù)熱力圖，實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)接收波形，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)回放存儲(chǔ)，圖7給出了上位機(jī)的運(yùn)行界面。

2 野外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2021年5月底至6月初，在四川盆地某頁巖氣采集場(chǎng)地水平壓裂井的上方投放了A、B、C、D四臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集裝置。圖8是實(shí)地測(cè)試示意圖，其中紅色標(biāo)志處為監(jiān)測(cè)裝置投放位置，黃色標(biāo)志位置為南方科技大學(xué)電場(chǎng)接收儀器投放位置。

本次野外測(cè)試不極化電極間距40 m，測(cè)試了儀器的工作穩(wěn)定性以及能否適應(yīng)野外復(fù)雜的環(huán)境，無線通信是否符合要求等。5月29日中午11：31頁巖氣井開始?jí)毫眩瑘D9給出了29日中午A儀器東西方向的采集數(shù)據(jù)，由于當(dāng)前時(shí)間段發(fā)射機(jī)關(guān)閉，儀器監(jiān)測(cè)的是在自身地電場(chǎng)的激勵(lì)下，壓裂場(chǎng)地附近的電場(chǎng)信號(hào)，儀器采樣率為100 Hz，并且對(duì)10 s內(nèi)的數(shù)據(jù)按照從大到小的順序排序，按照25%，50%，25%的百分比分段去除最大、最小值后取平均，分別對(duì)應(yīng)圖中的Ex高采樣值，Ex中采樣值和Ex低采樣值。圖中可以看出11：40～12:00左右數(shù)據(jù)呈現(xiàn)明顯的包絡(luò)，和壓裂前進(jìn)行比較，電場(chǎng)值明顯增大。后續(xù)將對(duì)這個(gè)包絡(luò)異常進(jìn)行進(jìn)一步分析，并將分析結(jié)果與地震儀器的反演結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步比對(duì)驗(yàn)證。從圖9中也可以看到壓裂現(xiàn)場(chǎng)極強(qiáng)的干擾噪聲。

圖8 實(shí)地測(cè)試示意Fig.8 Schematic diagram of field test

圖9 5月29日A儀器東西方向測(cè)試數(shù)據(jù)Fig.9 East West test data of instrument A on May 29

3 結(jié)論

經(jīng)過一系列的測(cè)試，該壓裂電場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)定采集功能，實(shí)現(xiàn)了放大倍數(shù)從到1～105可調(diào)；73 dB的動(dòng)態(tài)范圍；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理和無線上傳；上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示波形和設(shè)備動(dòng)態(tài)云圖；機(jī)械封裝體積小、質(zhì)量輕、密封性好且適用于野外復(fù)雜的環(huán)境。單個(gè)采集站成本在500元以內(nèi)。但還是存在一些不足，上位機(jī)需要工作在筆記本端，但是野外無法及時(shí)給筆記本充電，無法獲得長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在后期的工作中將增加集中的本地接收和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。另外，后續(xù)將加強(qiáng)微電儀本身邊緣計(jì)算的內(nèi)容，減少數(shù)據(jù)傳輸量。

針對(duì)野外采集的數(shù)據(jù)，目前能夠說明儀器本身工作正常，操作便捷，但數(shù)據(jù)的后續(xù)分析尚需要多次野外測(cè)試驗(yàn)證，本論文僅可作為頁巖氣水力壓裂分布式微弱電場(chǎng)監(jiān)測(cè)的技術(shù)初探成果。