閆妤婧, 王軍民, 呂志杰

(長江大學地球物理與石油資源學院，武漢 430100)

地震勘探是中國石油勘探中不可或缺的關鍵技術[1]。目前，常用的震源可以分為炸藥震源和非炸藥震源，在中國陸地石油地震勘探中，所用的震源多為炸藥震源[2]。電火花震源作為非炸藥震源最初應用于海洋勘探[3]，隨著科學技術的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了陸地電火花震源，該技術在地面、井下、江河湖海、灘涂等條件下都有廣泛的應用[4]，改變了傳統(tǒng)炸藥爆破等高危險不易操作的勘探方法。

中國領土幅員遼闊，東西方相距5 000多千米，山川、平原、懸崖、峭壁等復雜地形一應俱全；中國的石油分布廣泛，油田施工場環(huán)境往往處于交通不便利的地區(qū)，使得許多大型車輛無法行駛到施工現(xiàn)場，施工線纜自身體積大，無法被及時送到施工現(xiàn)場，導致的施工延期時有發(fā)生。而且在使用過程中電纜故障頻發(fā)，測量儀器的故障多由線纜故障造成，同時因地形復雜也給排線、布線帶來了困難，造成的嚴重經濟損失不可估量。

基于上述問題，開展對電火花作為震源的地震勘探系統(tǒng)的研究，提出新的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計，將采集到的數(shù)據(jù)信號通過無線模塊傳輸?shù)降孛?，以減少線纜的使用，同時提高地質勘探的數(shù)據(jù)傳輸效率，進而使配合電火花震源能更好地適應復雜地質環(huán)境。

1 系統(tǒng)整體方案

采用STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的總控制器，相比于STC89C51等單片機，STM32F103ZET6具有以下優(yōu)點：在保證采樣精度的前提下，還兼并內存大，速率高等特點[5]；串口通信技術成熟，可以將收集到的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)絇C端，在數(shù)據(jù)傳輸方面采用XL-01數(shù)字音頻模塊作為核心，該產品體積小、抗干擾性強，模擬信號接入，模擬信號接出，最大的傳輸距離可以達到150 m[6]。該無線傳輸系統(tǒng)的設計框圖如圖1所示。

圖1 無線傳輸系統(tǒng)設計

圖2 電火花震源與無線音頻模塊接線設計

電火花激發(fā)地震波時所使用的裝置包括主控箱、功率箱、開關箱、電容器和用來監(jiān)視的高壓電表，其工作原理為首先利用外接發(fā)電機為其供電，再經過充電回路對電容器充電，充到指定電壓后，啟動開關程序，電容器內聚集的電荷通過放電電流短時間快速釋放，釋放的電荷形成高溫電弧，在放電探頭附近產生高壓高溫的環(huán)境，將放電頭附近的水氣化，產生沖擊波[7]。

在被測井附近的測量區(qū)域埋置檢波器，無線音頻發(fā)送模塊和檢波器相連，接收模塊與ADC連接，接通電源，按下音頻模塊上的對碼按鍵，通信正常后就可以開始進行工作[8]。電火花震源與無線音頻模塊的配合如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件的設計

2.1 控制系統(tǒng)電路設計

控制系統(tǒng)電路設計中，以32位微處理器STM32作為整個系統(tǒng)的核心，加上ADC模數(shù)轉換器配合[9-10]。電路如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)電路

2.2 2.4G無線通訊模塊設計

在2.4G無線通訊模塊設計中，將使用兩個2.4G無線傳輸模塊，最遠傳輸零距離為150 m，可實現(xiàn)一發(fā)多收，多組并行工作，應用廣泛，無線傳輸模塊如圖4所示。

圖4 無線傳輸模塊

2.2.1 發(fā)射、接收端電路設計

使用前，先將發(fā)射端和接收端的+5 V引腳與電源模塊連接，將電線接地端(GND)與電源模塊地線連接，使音頻模塊通電；再將輸入端口(R-IN)引腳和對應的GND與地震檢波器連接，再將輸出端口(R-OUT)與STM32PA0引腳連接，對應的GND與是STM32的地線鏈接。XL-01的引腳示意圖如圖5所示。

圖5 引腳示意圖

2.2.2 模塊與上位機配置方法

電源模塊接電，按下對碼按鍵，看到發(fā)射端的指示燈閃爍一下，接收端的指示燈閃爍兩下，對碼成功，說明其通訊功能正常，可以繼續(xù)使用。

將STM32串口與電腦鏈接。打開電腦設備管理，會看到STM32的串口已被識別，串口為CH340。打開兩個串口調試工具，將兩個模塊的波特率設置成9 600(該模塊只能在9 600波特率下進入AT模式)后，點擊打開串口按鈕。

首先，使用示波器發(fā)射模擬信號配合完成實驗步驟：使用示波器給音頻模塊發(fā)射一組模擬信號，發(fā)射端接收到模擬信號后自動轉換為數(shù)字信號后發(fā)射給接收端模塊，接收端模塊接收到數(shù)字信號后在轉換為模擬信號發(fā)送給STM32的ADC模塊，ADC模塊完成轉換后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給電腦[11-12]，將電腦接收到的波形與示波器的波形比較發(fā)現(xiàn)存在不可避免的延時，延時時間為0.4 ms，而且再多次試驗后發(fā)現(xiàn)該延時會隨距離的增加而變長。

其次，使用檢波器完成模擬聲波檢測實驗：將地震檢波器放置于桌面，將檢波器與發(fā)射端模塊連接，設置完成后，將兩個2.4G模塊分別置于檢波器旁和STM32旁邊間距1 m，用小錘敲擊地面，得到聲波信號，然后通過兩個模塊傳到上位機，對比波形，發(fā)現(xiàn)依然會存在不可避免的延時。

2.3 上位機程序設計

上位機部分由STM32F103ZET6處理器為核心，STM32F103ZET6是一款高新能的32位ARM微控制器，其內核位Cortex-M3，芯片集成ADC、SPI等多種功能，芯片集成的ADC采樣率為12位，存儲器容量為16～32 KB，轉換時間為1 μs。作為采集使用，集成的ADC可以在實驗中使用[13]。具體程序設計如下。

初始化ADC用到的GPIO：

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP; //設置為推挽輸出模式

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; //設置傳輸速度為50MHZ

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; //設置為模擬輸入模式

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_All);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;

GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);

配置ADC的工作參數(shù)并初始化：

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE; //連續(xù)轉換模式

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //右對齊

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //禁止觸發(fā)檢測，使用軟件觸發(fā)

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //獨立工作模式

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;//只轉換規(guī)則序列1

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=ENABLE; //使用連續(xù)掃描模式

ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);

ADC_Cmd(ADC1,ENABLE); //使能ADC1

ADC_ResetCalibration(ADC1);//ADC校準

while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));

ADC_StartCalibration(ADC1);

while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);

設置ADC轉換通道順序及采樣時間：

u16 Get_ADC_Value(u8 ch,u8 times)

{

u32 temp_val;

u8 t; //設置指定ADC的規(guī)則組通道，一個序列，采樣時間

ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ch,1,ADC_SampleTime_1Cycles5);//ADC1,ADC通道1,1.5個周期

for(t=0;t

{

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));//等待轉換結束

temp_val=ADC_GetConversionValue(ADC1);

}

return temp_val;

}

系統(tǒng)主函數(shù)如下：

float date[5]={0};

int main()

{

u8 i=0;

SysTick_Init(72);

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

LED_Init();

USART1_Init(9600);

ADCx_Init();

while(1)

{

i++;

if(i%20==0)

{

led1=!led1;

}

value=Get_ADC_Value(ADC_Channel_1,1);

*(date+4)=*(date+3);

*(date+3)=*(date+2);

*(date+2)=*(date+1);

*(date+1)=*(date+0);

*(date+0)=value;

OutData[0] =(*(date+0)+*(date+1))/2;

OutPut_Data();

}

}

3 系統(tǒng)測試與分析

第一個實驗在實驗室內進行，用錘子代替電火花震源，用敲擊代替放點過程，利用小錘子的敲擊產生地震波完成實驗。距離敲擊點1 m的位置，將檢波器尖端朝下放置在地面上，2.4G無線音頻模塊之間的間距為1.5 m，在敲擊點連續(xù)多次敲擊地面，模擬地震信號，完成敲擊后，先拿起放置于地面上的檢波器，測試人員方可走動，因為該實驗為表征現(xiàn)象的實驗，由圖6中峰值表現(xiàn)可以清晰地看出敲擊點，無法確切定量其數(shù)據(jù)，因此沒有橫縱坐標單位。

實驗結束后，通過2.4G無線音頻模塊傳輸?shù)絇C端記錄數(shù)據(jù)。

敲擊實驗在測量時應避免人員走動，測量結束后應及時將檢波器離開地面，以免造成因人員走動而產生的震動信號，導致數(shù)據(jù)不準確。

由圖6、圖7數(shù)據(jù)可知，敲擊時的數(shù)據(jù)峰值較高，但是由于沒有濾波，導致系統(tǒng)采集的噪聲較多，因此采用軟件濾波的方式進行濾波操作，濾波的程序如下。

value=Get_ADC_Value(ADC_Channel_1,1);

*(date+4)=*(date+3);

*(date+3)=*(date+2);

*(date+2)=*(date+1);

*(date+1)=*(date+0);

*(date+0)=value;

OutData[0] =(*(date+0)+*(date+1))/2;

OutPut_Data();

圖6 敲擊地面2次記錄數(shù)據(jù)

圖7 敲擊地面5次數(shù)據(jù)

使用軟件濾波后，再次將檢波器垂放在地面，距離敲擊點1 m，2.4G無線音頻模塊的接受與發(fā)送模塊之間的間距為1.5 m，連續(xù)兩次在敲擊點進行敲擊，得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 濾波后得到的實驗數(shù)據(jù)

使用軟件濾波后，所采集數(shù)據(jù)的噪音信號明顯降低，數(shù)據(jù)的準確性更高，說明使用軟件濾波的效果還是非常明顯的。

為驗證無線音頻模塊可以應用在電火花震源下的石油勘探系統(tǒng)，在實驗室外的模擬場地進行實驗。實驗環(huán)境如圖9、圖10所示。

圖9 實驗被測井現(xiàn)場

圖10 被測井井口現(xiàn)場

該實驗場地模擬了一種惡劣的地震環(huán)境，由圖10可知，井口附近的淤泥較多，土質含水量極高，施工環(huán)境較差，無法將大型作業(yè)車輛駛入施工現(xiàn)場，在此環(huán)境下，難以使用傳統(tǒng)的炸藥震源和電纜采集地震數(shù)據(jù)。操作現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 電火花震源操作平臺與數(shù)據(jù)采集平臺

如圖10所示，電火花震源已經放置于被測井內；電火花的操作平臺如圖11 所示，其中電火花震源的能量固定在50 000 J，震源與操作平臺直線距離3 m，操作平臺環(huán)境相對干凈整潔，在距離井口1 m的地方埋置檢波器，記錄長度為6 s。

根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，分別從延時時間、峰值、數(shù)據(jù)準確性等方面進行數(shù)據(jù)分析。實驗數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 電火花做震源得到的實驗數(shù)據(jù)

4 結論

在傳統(tǒng)電火花地震勘探的基礎上，使用無線音頻模塊作為地震數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ぞ?，以模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜，以期為無纜勘探、無纜采集的實現(xiàn)提供新思路。得到結論如下。

(1)使用XL-01無線數(shù)字音頻模塊作為地震數(shù)據(jù)傳輸模塊，結果表明該實驗的接收端可以通過無線的方式正常接收到地震數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)對比傳統(tǒng)的線纜數(shù)據(jù)傳輸采集到的信號，可以保證數(shù)據(jù)質量，但是會出現(xiàn)不可避免的時間延遲。

(2)該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不僅可以應用于石油工程領域，還可在橋梁、隧道、公路等工程物探領域中推廣應用，針對不同領域，需要配合不同的震源便可以快速搭載一套采集系統(tǒng)，具有較好的應用前景。