本發(fā)明屬于地球物理勘探中的微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)是近年來在低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域中一項(xiàng)重要的新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)通過在井口附近方圓幾公里范圍內(nèi)地面上布置檢波器來檢測壓裂井在壓裂過程中誘發(fā)的微地震波，并以其描述壓裂過程中裂縫生長的幾何形狀和空間展布。它能實(shí)時(shí)提供壓裂施工產(chǎn)生裂隙的高度、長度和方位角，利用這些信息可以優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、優(yōu)化井網(wǎng)或其他油田開發(fā)措施，從而提高采收率。

近幾年，隨著無線通信技術(shù)和微電子技術(shù)的日益發(fā)展，32位的stm32系列微控制器結(jié)合arm公司提供的cortex-m內(nèi)核，可用于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競爭性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。armcortex-m系列處理器適用于微控制器、工業(yè)控制系統(tǒng)以及無線網(wǎng)絡(luò)和傳感器等諸多應(yīng)用場合。其在很多環(huán)境惡劣、地況復(fù)雜的野外工程中得到了廣泛的應(yīng)用，如：防洪體系及水土質(zhì)量監(jiān)測、地震監(jiān)測網(wǎng)、水源和空氣污染監(jiān)測。

中國專利cn204405855u公開了《一種微地震壓裂監(jiān)測系統(tǒng)》，其包括地震傳感器、地震記錄儀和數(shù)據(jù)反演處理器。其采用地震傳感器向地震記錄儀傳送微地震信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳到數(shù)據(jù)反演處理器，從而實(shí)時(shí)描述壓裂微地震活動(dòng)及壓裂裂縫的高度、長度和方位角。

中國cn105809924a公開了《一種微地震壓裂監(jiān)測實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)》，基于wlan的負(fù)載均衡算法能夠充分利用ap的帶寬，均衡每個(gè)ap的負(fù)載量，提高了ap的整體帶載能力，采用基于最大吞吐量的輪詢機(jī)制，能夠?qū)毫驯O(jiān)測現(xiàn)場的采集站在最大吞吐量的前提下采用輪詢的方法來減少信道的擁塞狀態(tài)，避免了現(xiàn)場所有的采集站同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而產(chǎn)生信道擁塞導(dǎo)致不能在有效時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2014年黃建宇在《高精度低功耗分布式地震采集站的研制》中采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、fpga嵌入式技術(shù)及微功耗電源技術(shù)，研制了適用于大規(guī)模有線數(shù)字遙測地震儀的高精度低功耗分布式地震采集站。2015年王肅靜等在《一種低成本無纜地震儀采集站的研制》中設(shè)計(jì)了基于多項(xiàng)分解的軟件濾波器提高24位σ-δadc的動(dòng)態(tài)范圍,其低成本、小體積、低功耗的特點(diǎn)使其非常適用于復(fù)雜區(qū)域下的資源勘探。

現(xiàn)有技術(shù)中，雖在微地震實(shí)時(shí)壓裂監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域中已取得一定的成果，但由于系統(tǒng)中采集站的處理器性能差、采集精度低、功耗和成本高，且因單個(gè)采集站的無線通信距離短等原因造成壓裂監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能較差，無法滿足壓裂現(xiàn)場的高精度性和時(shí)效性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，該系統(tǒng)采用主、從ap的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來擴(kuò)大壓裂現(xiàn)場的wifi覆蓋范圍，主控站與采集站之間采用udp和ftp協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，采集站采用新一代32位的stm32f207處理器做主控單元，32位的ads1282做數(shù)據(jù)采集單元。該發(fā)明在降低成本的同時(shí)，有效地解決了無線傳輸距離短、數(shù)據(jù)下載速度慢的問題，還提高了采集精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且在系統(tǒng)不通信的狀態(tài)下，采集站的總功耗降低至1.2w。同時(shí)，采用現(xiàn)場手持巡檢終端與采集站進(jìn)行短距離通信，來及時(shí)對(duì)現(xiàn)場工作中的采集站進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢及簡易故障診斷。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，主要由主控站、無線微震數(shù)據(jù)采集站、手持終端和無線ap構(gòu)成，其中主控站與主ap有線連接，主ap與各從ap無線連接，各側(cè)線上的無線微震數(shù)據(jù)采集站優(yōu)先選擇離自己較近的從ap進(jìn)行無線連接，手持終端和采集站采用藍(lán)牙互連進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；

所述無線微震數(shù)據(jù)采集站由主控板、模擬板、無線模塊以及外部鋰電池構(gòu)成，其中主控板由stm32f207處理器模塊、cpld模塊、gps授時(shí)模塊、以太網(wǎng)模塊、藍(lán)牙模塊以及tf數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成；模擬板由充電模塊、供電模塊以及32位ads1282組成的3通道數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成；無線模塊由wifi控制模塊和wifi通信模塊構(gòu)成；所述無線微震數(shù)據(jù)采集站的無線模塊與主控板的以太網(wǎng)口相連，模擬板的3通道的數(shù)據(jù)采集模塊與主控板的cpld模塊相連，外部鋰電池與充電模塊和供電模塊相連。

所述主ap和從ap均為無線wifi模塊，模塊通信頻段為5.8g，最遠(yuǎn)通信距離為1000m，最大發(fā)射功率為26dbm，通信協(xié)議為802.11a/n。

上述基于無線網(wǎng)絡(luò)的微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

a、將主ap接上天線，并將天線升至1～3m,，主控站與主ap有線連接后將主ap上電，啟動(dòng)主控站；

b、選擇合適的測線布設(shè)從ap，且主ap通過無線與各從ap相連；

c、各側(cè)線上的無線微震數(shù)據(jù)采集站優(yōu)先選擇離自己較近的從ap進(jìn)行無線連接；

d、將檢波器與無線微震數(shù)據(jù)采集站相連，并將檢波器埋入地下，采集站上電后依次進(jìn)行板級(jí)初始化、文件系統(tǒng)初始化、讀取配置系統(tǒng)參數(shù)、tcp/ip協(xié)議棧初始化、啟動(dòng)gps授時(shí)子任務(wù)、啟動(dòng)時(shí)標(biāo)管理子任務(wù)、啟動(dòng)ftp服務(wù)器、啟動(dòng)主機(jī)交互子任務(wù)和啟動(dòng)藍(lán)牙交互子任務(wù)；

e、無線微震數(shù)據(jù)采集站gsp定位成功后，gps模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來降低功耗，當(dāng)再次需要該功能時(shí)，gps會(huì)自動(dòng)喚醒，采集站依次進(jìn)行啟動(dòng)采集、初始化a/d、啟動(dòng)a/d、等待同步時(shí)標(biāo)、解析同步時(shí)標(biāo)并創(chuàng)建文件夾及文件和讀取a/d數(shù)據(jù)，檢測是否有同步時(shí)標(biāo)，若有，則開始寫文件，寫完后關(guān)閉，若無，則存入文件緩存區(qū)；檢測緩存區(qū)是否已滿，若否，則再次讀取a/d數(shù)據(jù)，若是，則寫文件；檢測是否文件為1分鐘，若否，則繼續(xù)讀取a/d數(shù)據(jù)，若是，則創(chuàng)建文件偽時(shí)標(biāo)后關(guān)閉文件；

f、主控站通過udp協(xié)議發(fā)送叫站、狀態(tài)信息查詢、參數(shù)設(shè)置和采集站自檢命令，待主控站接收到所有采集站后，即可進(jìn)行各站的狀態(tài)信息查詢和參數(shù)設(shè)置；

g、主控站與各采集站的ftp連接，并以文件傳輸?shù)男问较螺d采集站中的數(shù)據(jù)；

h、主控站查看壓裂過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理操作；

i、壓裂現(xiàn)場，可用手持終端查看壓裂現(xiàn)場采集站的狀態(tài)信息、設(shè)置參數(shù)以及數(shù)據(jù)交互。

步驟i具體為：首先通過藍(lán)牙互聯(lián)，然后終端發(fā)送命令，采集站解析并驗(yàn)證無誤后返回應(yīng)答幀。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)、所述無線微震數(shù)據(jù)采集站采用了新一代32位stm32f207處理器做主控單元，32位ads1282做數(shù)據(jù)采集單元，在降低成本的同時(shí)，還有效提高了采集精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且在系統(tǒng)不通信的狀態(tài)下，采集站的總功耗降低至1.2w。

(2)、所述采用主、從ap來拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來擴(kuò)大壓裂現(xiàn)場的wifi覆蓋范圍，有效的解決了無線傳輸距離短、速度慢的問題。

(3)、所述現(xiàn)場手持終端可通過低功耗藍(lán)牙與采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了采集站與手持終端在低功耗的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸。

(4)、所述微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，既能嚴(yán)格的同步采集、又能可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測壓裂狀態(tài)，同時(shí)還具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)框圖；

圖2無線微震數(shù)據(jù)采集站內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3現(xiàn)場手持巡檢終端界面圖；

圖4無線微震數(shù)據(jù)采集站工作流程圖；

圖5數(shù)據(jù)采集工作流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)包括主控站(服務(wù)器)、無線微震數(shù)據(jù)采集站、現(xiàn)場手持巡檢終端以及無線ap四部分。主控站首先通過有線與主ap相連，其次主ap通過無線與各從ap相連，然后讓各側(cè)線上的無線微震數(shù)據(jù)采集站優(yōu)先選擇離自己較近的從ap進(jìn)行無線連接，最后構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集和回收系統(tǒng)。其中，主控站是基于visualstudio2017軟件環(huán)境搭建的微地震壓裂監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)回收和處理平臺(tái)，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控各采集站的狀態(tài)、實(shí)時(shí)回收微地震數(shù)據(jù)、且實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形及處理結(jié)果。采集站、主ap以及從ap的具體數(shù)量根據(jù)壓裂現(xiàn)場的實(shí)際情況決定。

如圖2所示，無線微震數(shù)據(jù)采集站包括主控板、模擬板、無線模塊及外部鋰電池。其中主控板由stm32f207處理器模塊、可編程cpld模塊、gps同步模塊、以太網(wǎng)模塊、藍(lán)牙模塊以及tf數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成；模擬板由供電模塊、充電模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊以及32位ads1282組成的3通道數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。無線模塊由wifi控制模塊和wifi通信模塊構(gòu)成。

無線微震數(shù)據(jù)采集站不僅可以通過無線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器相連，而且也可以通過藍(lán)牙與手持巡檢終端相連。其主要負(fù)責(zé)微地震數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)，采集同步管理(gps結(jié)合tcxo)，且以無線的方式與服務(wù)器和現(xiàn)場手持巡檢終端進(jìn)行狀態(tài)及采集數(shù)據(jù)交互。

如圖3所示，現(xiàn)場手持終端的主要功能包括：狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置、波形查看、阻抗值?，F(xiàn)場手持巡檢終端可通過藍(lán)牙與無線微震數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，是微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中不可缺少的一部分，可用于施工現(xiàn)場對(duì)無線微震數(shù)據(jù)采集站的狀態(tài)查詢及簡易故障診斷。

本發(fā)明中所述狀態(tài)查詢主要是用于壓裂現(xiàn)場查看儀器的工作情況，主要是查詢采集站的相關(guān)屬性參數(shù)，其包括采集站編號(hào)、gps同步狀態(tài)、采集狀態(tài)、剩余存儲(chǔ)空間、儀器可用電量、前放增益、檢波器阻抗值、經(jīng)度、緯度、文件記錄長度、內(nèi)核程序版本號(hào)等。

本發(fā)明中所述參數(shù)設(shè)置可改變采集站的工作狀態(tài)，該命令會(huì)導(dǎo)致采集站進(jìn)程重啟，其主要包括采樣間隔、前放增益、文件記錄長度的相關(guān)設(shè)置。

本發(fā)明中所述主ap和從ap都是無線wifi模塊，該模塊為通信頻段5.8ghz，最遠(yuǎn)通信距離為1000m左右，最大發(fā)射功率26dbm(可調(diào))，通信協(xié)議為802.11a/n。

所述主控站與采集站之間是通過wifi互聯(lián)，采用udp和ftp協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了采集站與主控站之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，udp通信協(xié)議如表一、表二所示。首先，服務(wù)器通過udp協(xié)議向采集站發(fā)送命令幀，然后采集站接受到命令并校驗(yàn)無誤后返回應(yīng)答幀。命令可實(shí)現(xiàn)叫站，狀態(tài)信息查詢等功能。

表一命令幀格式

表二應(yīng)答幀格式

所述微地震數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回收是在udp叫站成功的前提下，然后再進(jìn)行ftp協(xié)議連接，且以文件的方式進(jìn)行下載數(shù)據(jù)。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)波形顯示和處理。

所述手持終端與采集站數(shù)據(jù)交互是基于藍(lán)牙，通過藍(lán)牙串口發(fā)送命令，采集站接收到命令并校驗(yàn)命令無誤后返回應(yīng)答幀，自定義交互協(xié)議如表三、表四所示。

表三命令幀格式

表四應(yīng)答幀格式

微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測旨在實(shí)現(xiàn)方圓幾公里范圍內(nèi)的微地震數(shù)據(jù)采集和回收處理，可現(xiàn)場實(shí)時(shí)查看微地震數(shù)據(jù)波形及處理結(jié)果。

以野外實(shí)際壓裂流程為例，基于無線網(wǎng)絡(luò)的微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟：

a、首先，將主ap接上天線，并將天線升到1～3m的高度，將有線將服務(wù)器與主ap相連，再將主ap上電，啟動(dòng)主控站，打開軟件界面；

b、選擇合適的測線布設(shè)從ap，且主ap通過無線與各從ap相連；

c、各側(cè)線上的無線微震數(shù)據(jù)采集站優(yōu)先選擇離自己較近的從ap進(jìn)行無線連接；

d、將檢波器與無線微震數(shù)據(jù)采集站相連，并將檢波器埋入地下一定的深度，采集站上電后進(jìn)入正常工作狀態(tài)，如圖4所示，依次為板級(jí)初始化、文件系統(tǒng)初始化、讀取配置系統(tǒng)參數(shù)、tcp/ip協(xié)議棧初始化、啟動(dòng)gps授時(shí)子任務(wù)、啟動(dòng)時(shí)標(biāo)管理子任務(wù)、啟動(dòng)ftp服務(wù)器、啟動(dòng)主機(jī)交互子任務(wù)、啟動(dòng)藍(lán)牙交互子任務(wù)；

e、無線微震數(shù)據(jù)采集站gsp定位成功后，gps模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)來降低功耗，當(dāng)再次需要該功能時(shí)，gps會(huì)自動(dòng)喚醒。如圖5所示，定位成功后采集站依次會(huì)啟動(dòng)采集、初始化a/d、啟動(dòng)a/d、等待同步時(shí)標(biāo)、解析同步時(shí)標(biāo)并創(chuàng)建文件夾及文件、讀取a/d數(shù)據(jù)，檢測是否有同步時(shí)標(biāo)，若有，則開始寫文件，寫完后關(guān)閉，若無，則存入文件緩存區(qū)；檢測緩存區(qū)是否已滿，若否，則再次讀取a/d數(shù)據(jù)，若是，則寫文件；檢測是否文件為1分鐘，若否，則繼續(xù)讀取a/d數(shù)據(jù)，若是，則創(chuàng)建文件偽時(shí)標(biāo)，然后關(guān)閉文件；

f、開啟采集站后，服務(wù)器通過udp協(xié)議進(jìn)行發(fā)送命令，包括叫站、狀態(tài)信息查詢、參數(shù)設(shè)置、采集站自檢，其中叫站主要是為檢測各采集站是否在線，測試網(wǎng)絡(luò)的連通性；當(dāng)所有站都被服務(wù)器接收到后，服務(wù)器就可以進(jìn)行各站的狀態(tài)信息查詢，參數(shù)設(shè)置等；

g、以上步驟結(jié)束后，服務(wù)器就可以連接各采集站的ftp，當(dāng)連接成功后，服務(wù)器就可以開始以文件傳輸?shù)男问较螺d采集站中的數(shù)據(jù)；

h、當(dāng)采集站中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下載成功后，服務(wù)器就可以查看壓裂過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作；

i、壓裂現(xiàn)場可用手持終端查看采集站的工作狀態(tài)，首先通過藍(lán)牙互聯(lián)，然后終端發(fā)送命令，集站解析并驗(yàn)證無誤后返回應(yīng)答幀，該過程可以查看采集站的狀態(tài)信息、設(shè)置參數(shù)以及數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互是為實(shí)時(shí)查看采集站中數(shù)據(jù)的波形，該數(shù)據(jù)交互方式是以數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行。

本發(fā)明所述無線微震數(shù)據(jù)采集站采用了新一代32位armcortex-m處理器做主控單元，32位ads1282做數(shù)據(jù)采集單元，不僅提高了采集精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且降低了采集站的功耗和成本。所述現(xiàn)場手持終端可通過低功耗藍(lán)牙與采集站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)了在低功耗下進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸。

本發(fā)明采用主、從ap網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，且與服務(wù)器和各采集站構(gòu)成一個(gè)完整的壓裂監(jiān)測系統(tǒng)，有效地解決了無線傳輸距離短、數(shù)據(jù)下載速度慢的問題。

本發(fā)明提供的一種基于無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，綜合了系統(tǒng)中各部分的優(yōu)點(diǎn)，既能保證嚴(yán)格的數(shù)據(jù)同步采集、又能實(shí)時(shí)可靠的監(jiān)測壓裂狀態(tài)，同時(shí)還具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

以上所述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍。