任林彬，苑益軍，吳 芳，吳 雯，李 源

（1.中國地質大學（北京），北京 100083；2.海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

近年來頁巖氣[1-2]的開采呈井噴式的發(fā)展趨勢，其主要原因可歸功于分段壓裂技術和水平鉆井技術的應用。在頁巖水力壓裂的過程中，需要將大量的水壓入到地下，水中混有的導電離子壓裂液也會一起壓入到地層中。在人工源電磁信號的激勵下，井口地面周圍會呈現(xiàn)較大的地電分布異常特征。

為了監(jiān)測上述異常電場，在壓裂上方附近區(qū)域大量布設一種分布式節(jié)點電場采集裝置（簡稱微電儀）[3-5]。微電儀采集兩個水平正交的電場分量，用于監(jiān)測壓裂液注入、流動和運移等變化而引發(fā)的電場異常。針對上述開發(fā)的微電儀，課題組基于Windows系統(tǒng)開發(fā)了一款可實時監(jiān)測顯示、交互式的微電儀上位機軟件[6-12]。該軟件可配合微電儀實時監(jiān)控電場異常，通過各個微電儀形成的熱力圖能夠直觀地了解各區(qū)域的電場情況。

1 軟件介紹

微電儀上位機軟件是整個壓裂電場監(jiān)測的終端，各個微電儀監(jiān)測到數(shù)據(jù)后都會發(fā)送到上位機軟件中統(tǒng)一處理。該軟件可安裝在基于Windows 系統(tǒng)的電腦、平板或手機上。軟件開啟后通過串口通信連接下位機，野外模擬微電儀軟件工作如圖1 所示。軟件功能可分為軟件通信、數(shù)據(jù)處理、圖像顯示和數(shù)據(jù)存儲四大部分。

圖1 微電儀工作示意圖

1.1 軟件通信

1.1.1 串口通信

上位機軟件可同時開啟多個COM 口與下位機進行串口通信[13-15]，采用LoRa 無線模塊利用PC 端USB 轉串口模塊接收，可實現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)傳輸。野外實測在地勢平坦上下位機之間無明顯障礙物時，使用大天線的通信距離可達到300 m。軟件的接收端是USB 轉串口接口卡，這類接口卡具有熱拔插特性，這一特點使得上位機程序可完全按照串口設備進行設計。

1.1.2 通信協(xié)議

上位機軟件接收數(shù)據(jù)是以ASCII 碼的形式接收，內容類似于十六進制樣式，方便解譯。儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)以$為開始標識符，以#為結束標識符，各個數(shù)據(jù)之間以逗號分割，便于接下來的數(shù)據(jù)處理，如表1所示。軟件向下位機發(fā)送的指令已經(jīng)在內部進行了封裝，只需要在軟件中選擇相應的下位機發(fā)送即可。

表1 軟件數(shù)據(jù)通信協(xié)議

1.2 數(shù)據(jù)處理方式

軟件設有數(shù)據(jù)緩存機制（如圖2），在接收數(shù)據(jù)時首先將數(shù)據(jù)存入到緩存區(qū)，緩存機制會檢測數(shù)據(jù)的完整性，防止上位機軟件少收或錯收數(shù)據(jù)[16-17]。通過循環(huán)判斷接收到的數(shù)據(jù)中是否存在首尾標識符來確定是否為完整的一串數(shù)據(jù)，如果判斷為完整才會傳入到后續(xù)處理中，提高了數(shù)據(jù)接收的容錯率。

圖2 數(shù)據(jù)接收緩存機制

上位機軟件在接收到完整的帶有協(xié)議的數(shù)據(jù)后，會立即存儲到指定的默認文件中以防數(shù)據(jù)丟失，隨后將每條數(shù)據(jù)去掉首尾標識符以備接下來數(shù)據(jù)的使用。

1.3 圖像顯示

1.3.1 熱力圖顯示

在接收數(shù)據(jù)之前，需要將下位機儀器所在的GPS 坐標及編號輸入到軟件中，軟件會在每個儀器的東西南北4 個方向顯示4 個灰度點，來模擬下位機儀器的兩分量。當下位機儀器傳來數(shù)據(jù)時，軟件會通過所接收數(shù)據(jù)的最大值和最小值與色帶的255 個顏色比值進行等分，將所接收的數(shù)據(jù)在熱力圖顯示區(qū)展示相應的顏色，并根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的改變實時變化。

在熱力圖顯示區(qū)，可通過鼠標拖動與鼠標滾輪對坐標點進行移動與縮放，當鼠標停留在坐標點時會顯示出該坐標點的儀器名稱。當微電儀數(shù)量規(guī)模達到上百臺之后，在熱力圖顯示區(qū)會更加直觀地看到地下發(fā)生電場異常的區(qū)域的熱力圖點的顏色變化。

1.3.2 折線圖顯示

熱力圖顯示區(qū)可以直觀地觀察到各個儀器的每個通道的數(shù)據(jù)變化，以及各個下位機位置的關系，而折線圖顯示區(qū)則可以查看單個儀器一段時間內的數(shù)據(jù)變化，圖3 為熱力圖與折線圖的顯示。

圖3 熱力圖與折線圖顯示區(qū)

在線區(qū)選中想要查看的下位機儀器編號，折線圖顯示區(qū)會分別顯示出選中儀器最近收到的20 個數(shù)據(jù)點的折線圖，包括該點的南北方向與東西方向的高中低3 個頻段的準確數(shù)據(jù)，并且隨著接收到數(shù)據(jù)的變化實時更新。

1.4 數(shù)據(jù)存儲與回放

上位機軟件在工作之前會預先設置一個默認txt文件，在軟件工作時，接收到的下位機數(shù)據(jù)會實時自動存儲到默認文件中，包括接收到的數(shù)據(jù)、輸入儀器的坐標、上位機軟件向下位機發(fā)送的指令都會加上相應的時間存儲到txt文件，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

軟件工作時支持錄屏，在后期進行數(shù)據(jù)分析時可倍速回放，分析出哪一時段出現(xiàn)異常。另外也可以將數(shù)據(jù)導入Matlab 軟件作出電壓隨時間變化的折線圖（如圖4 所示），配合壓裂信息統(tǒng)計日志判斷該異常是否出現(xiàn)在壓裂期間，分析地下壓裂對于地面電場分布的影響。

圖4 含有壓裂異常的實測數(shù)據(jù)曲線

2 軟件流程

軟件啟動后左側為操作區(qū)和儀器在線區(qū)，中間是熱力圖顯示區(qū)，右側為折線圖顯示區(qū)。設置默認存儲路徑后，將各個微電儀GPS 坐標輸入到軟件即可在熱力圖顯示區(qū)顯示出各個點位的坐標，圖5 為軟件運行流程圖。

圖5 軟件運行流程圖

軟件連接位點以后，開始接收數(shù)據(jù)，相應在熱力圖顯示區(qū)灰度點就會改變其顏色來表示接收數(shù)據(jù)的大小，越偏紅色表示數(shù)據(jù)越大，反之越偏藍色表示數(shù)據(jù)越小。點擊在線區(qū)的儀器編號，折線圖顯示區(qū)會展示出最新接收到的20 個數(shù)據(jù)的折線圖。軟件下方可以給下位機軟件發(fā)送相應的指令。

3 野外測試

2021 年6月，課題組在四川省內江市威遠縣對微電儀的硬件與上位機軟件進行了野外測試。測試期間上位機軟件在確保通信良好的情況下，接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定，熱力圖顯示良好，發(fā)送指令微電儀可及時作出反饋。接收到的數(shù)據(jù)為后續(xù)的壓裂影響分析提供了有力的幫助，野外測試工作圖如圖6 所示。

圖6 軟件野外測試工作圖

4 結論

該文基于Windows 平臺.NET Framework 框架，使用C#語言開發(fā)了一款配合監(jiān)測壓裂微弱電場的交互軟件。共編寫了軟件通信、坐標轉換、數(shù)據(jù)處理、圖像顯示、發(fā)送指令和數(shù)據(jù)存儲六大模塊。其中圖像顯示是該軟件的核心模塊，用戶可以通過該軟件實時動態(tài)監(jiān)測壓裂電場的變化情況，借助熱力圖宏觀觀測壓裂對于各個區(qū)域的電場變化，以及折線圖顯示指定儀器一段時間內的電場變化情況，適時發(fā)送指令調整儀器的監(jiān)測狀態(tài)，提高野外的工作效率，提高了數(shù)據(jù)的時效性。該軟件有占用內存小、操作便捷、人機交互體驗好、通用性強等優(yōu)點，可為類似軟件的開發(fā)提供技術借鑒。