井地电位数据采集及无线通讯协议研究

I 摘 要 井地电位数据采集及无线通讯协议研究 我国对石油能源的消耗量巨大，而国内的石油产量在逐年减少，石油能源的安全形势不容忽视。针对这种情况，我国在最近的国家科技发展纲要中明确提出要开采复杂地质条件的石油资源，提高老油田的采收率，缓解国家石油能源供应紧张的现状。老油田注水开采是实现油井增产、稳产的重要手段，油井注水会导致地下底层电阻率的变化或者异常。井地电阻率成像方法是利用人工发射激发电场，用测量仪器测量反映到地表的电位变化，通过反演技术就可以知道地下底层的电阻率异常，进而可以描述出油井注水的注水走向以及波及范围，给油井的注水开采提供技术支持。对激发电场形成的电位数据准确采集是整个系统的关键部分，本文针对这方面进行深入的研究。 本文的主要研究内容主要分为两大部分：一是井地电位数据采集的研究，二是线通信协议的研究。针对第一部分研究内容，本文调研了多种相关仪器的设计以及同类产品的国内外发展现状和趋势，提出了一种分布式的无线数据传输井地电位采集节点设计方案。分析了井地电位的信号特征，对方案进行了论证并进行了仪器的设计和相关技术的研究，对采集节点的性能进行了多方面的测试并对测试结果进行了分析，实验结果表明节点的设计达到了设计要求，能充分满足井地电位数据采集的要求。第二部分对 通信协议进行了研究，从 议的特点入手，分析了 议与同类协议相比较的优势。在深入研究 议之后指出了协议在本文应用条件下存在的不足之处，重点是协议的信道接入机制存在的缺陷。针对这一问题，本文提出了一种选择循环信道共享机制，对该机制进行了分析和描述。最后对该机制就行了仿真测试表明，在本文的应用条件下，该机制对丢包率、网络反应时间和吞吐量等网络性能都有改善。 采集节点采用“ 控制器 +控制器”作为系统控制部分，采用模块化设计各个功能部分，包括：系统校正模块、模数转换（、时序控制单元、大容量存储模块、无线收发模块、电源及掉电保护模块等。校正功能包括直流偏置的补偿和接地电阻的测试功能。放大部分利用斩波技术去除放大器的失调电压和 1/ f 噪声。 采用“调制器+数字滤波器”的设计方式，利用-调制技术和过采样采集技术，提高了系统采集的分辨率。通过实验验证了采集精度和稳定性。利用 制模数采集的时序，达到了采集要求。利用 计缓存 决 主控制器之间的速率匹配问题。利用 制大容量 形式设计了大容量、高速存储模块，解决数据的本地存储问题。利用 列 块设计无线传输模块。对无线模块进行了丢包率等方面的性能测试，实验结果证实无线收发模块能达到设计要求。独立设计各个模块的电源，并采取特别屏蔽及保护措施设计了模数转换模块的基准电压，保证基准电压的准确性。为易失性存储器 计了掉电的保护措施，保证数据可靠。 对 线通讯协议进行了研究。对改进的选择循环信道接入机制进行分析，详细分析了该机制避免信道冲突的方法，对机制的实现方式进行了描述。在仿真条件下对星型网络的网络性能进行了实验。在丢包率、网络启动时间和吞吐量对两种机制进行了比较。实验结果表明，新机制对这三个方面的网络性能均有提升。 对井地电位数据采集节点进行了性能测试，包括校正功能测试、短路噪声测试、方波采集测试和油田野外现场试验。校正功能测试结果表明了系统有较好直流偏置补偿效果。输入短接方式测量结果表明系统采集误差在 V 级别。电极短路测试表明噪声在这种环境下需要一定时间的稳定过程，并逐渐平稳。方波采集测试表明系统可以分辨 果达到预期。 关键词： 井地电位，数据采集，无线传输， 议，网络性能 is a is a 0%, is In to to of of to of is an of of of we of of be is a of is of of is is of is on a of a of of on of A we it of as of It IV C “ a be of of we of by of It of DC a of of of of of to of to to In It in of of of in of at of of V a C in V in in V 录 摘 要 . 1 章 绪论 . 1 研究的背景 . 1 国内外发展现状 . 2 本课题的研究意义 . 4 研究内容及论文结构 . 4 第 2 章 井地电位检测原理与工作方式 . 6 井地电阻率层析技术 . 6 工作方式 . 7 第 3 章 数据采集节点设计 . 9 数据采集需求分析 . 9 采集节点硬件总体设计 . 10 检波器电路及测试功能模块设计 . 检波器电路 . 校准模块设计 . 12 接地电阻测量模块 . 13 信号转换模块设计 . 14 信号放大电路设计 . 14 A/D 转换电路设计 . 17 -调制器设计 . 17 数字滤波器设计 . 19 时序控制单元 . 22 存储模块设计 . 24 无线收发模块设计 . 28 主控制器设计 . 30 小结 . 32 第 4 章 采集节点关键技术研究 . 34 自然电位和直流偏置补偿技术 . 34 斩波去除放大器噪声技术 . 35 过采样采集技术 . 36 电路抗干扰技术 . 37 数字与模拟信号隔离技术 . 37 其他可靠性措施 . 38 第 5 章 线通信协议研究 . 40 术简介 . 40 A 信道接入机制研究 . 41 改进 A 信道接入机制 . 43 改变初始退避指数 . 43 改变退避指数范围及节点状态过渡方案 . 44 仿真结果 . 46 小结 . 49 第 6 章 采集节点性能测试及实验 . 50 校准功能测试 . 50 偏置补偿测试 . 50 接地电阻功能测试 . 51 短路噪声测试 . 52 方波采集测试 . 52 无线通信实验 . 53 第 7 章 论文总结及展望 . 55 研究的成果及其总结 . 55 进一步研究的展望 . 56 参考文献 . 58 作者简介及科研成果 . 61 致 谢 . 62 第1章 绪论 1第 1 章 绪论 研究的背景 电法勘测仪器测量天然电场或者由人工激发的电场，受到地表以及地层介质电阻率特性的影响，电场分布状态能反映出地下地层构造以及异常信息。电法勘测仪器通常包括接收机和发射机两个核心设备，发射机对地下施加一个大电流，在地表以及地层形成一个人工的激发电场，接收机则测量地表的电场分布情况。电阻率层析法则根据电流形成的电场和地层电阻率的关系来确定不同深度的地层介质的特性，这种勘测方法测量范围能够从地表以下直至地下 1000m 甚至更深。 随着电法勘测理论模型的越来越进步和正演、反演算法的进一步发展和完善，电法勘测已经应用到很多领域，比如测量油井压裂裂缝长度以及走向，注水调剖以及封堵效果测量以及煤矿矿井漏水点监测等等，对探测、测量的精度要求是越来越高，要求仪器施工要简便，智能化程度要提高，传统的电法勘测仪器已经落后，很难满足工程上的应用和科研上的需要。电阻率层析成像仪器是一种测量地表电场电位模拟信号，并且记录和保存数据进行反演成像的仪器，能测量出地下地层电阻率分布情况，满足现场施工、野外施工的各项要求。接收机作为测量系统的主要组成部分，其核心技术是数据采集、存储，包括低频微弱电位信号的检测和提取，实现高精度的数据采集；去除放大器热噪声，地理信息定位，同步采集技术 ，大量数据高速采集、传输并且存储。 随着科学技术的快速发展，电子技术的更新换代更是迅猛异常。高分辨率、高精度换（数模转换）技术得到快速发展和广泛应用； 编程逻辑技术、全球定位系统（ 定位技术和同步技术、超低功耗高性能 字信号处理技术、大功率可调稳压电源技术等在电法仪器以及其他电子产品中得到广泛应用。无线 备实践条件。本课题采用以上列举的这些新技术，研究了井地电位数据采集以及无线传输技术，这些研究的应用可以解决井地测量的很多问题。 这些技术的研究在一定意义上促进了井地电阻率层析成像仪器向高精度、 无线组网、施工简便化、智能化转变。 传统的电阻率层析成像（ 器精度比较低，普遍采用集中式方式采集，微弱信号衰减严重，施工复杂，节点方位不已控制、多次施工的重复性差，第1章 绪论 2研究高性能的数据采集系统和数据传输系统的要求是迫切的，本课题就这两个部分的内容进行研究。 国内外发展现状 电阻率层析成像是借鉴医学上 20 世纪 70 年代已经发展成熟的电阻抗 h）的思想发展起来的一支地学成像技术【1这种技术在二十世纪八十年代以后才以较快的速度发展起来，国内外众多学者、专家以及工程师们投入了巨大的精力进行研究工作，涉及该技术的各个方面，从理论模型的建立、实验以及野外现场施工验证到投入具体的应用解释都做了广泛而细致的工作。在早期主要是美国和日本的科研工作者进行了理论研究（ et 1978;981;et 1984;985;986;et 1987;987）【3】。 在实际可以勘测的电阻率层析成像仪器方面， 日本应用地质株式会社（ 1984 年研制出第一台多道直流检测仪器 在随后生产了升级型号 】；加拿大的 e 司从研制 谱仪开始，生产了一系列采集系统，从 通用接收机再到 成多功能采集接收系统，其中 在的应用依然很广泛【5】。司在同一时期研制出了电阻率检测仪器 国同样研制了一系列优秀的仪器系统， 司的 列采集系统和 司的 I 在各项指标上表现的都很出色。同样在电阻率层析采集方面占据一席之地的还有 及 这两款产品分别是由德国公司 瑞典公司 制的【6以上这些国外采集系统普遍采用 制完成电磁场、电场等多种场源的数据采集并且实现数据存储，后来发展的一些产品自身具备校正功能，检测功能比较完善和成熟，广泛应用在地球物理学以及实际的勘探中。 国内在电子技术发展方面虽然落后于国外发达国家，但是我国在电法仪器方面的研究起步较早，电法仪器及采集系统也得到了极大的进步。我国在 1985 年研制出第一台压裂裂缝方位测量仪器 1991 年由长春地质学院研制出 高密度电阻率勘测仪器，采用 法处理数据【10】。此外，国内的一些高校、研究所及企业研制出了一系列的产品，中国地质大学研制的 庆数控技术所的第1章 绪论 3春科技大学的 京地质仪器厂的 林大学的 等。 综合各种情况来看，电法测量仪器需要向着更深勘探深度，更直观的反演解释，更轻便的仪器系统的方向发展。其中，数据采集接收系统应该向着小型化，智能化，多参量观测，高分辨率， 高数字处理能力的方向发展【11】；在解释方面，还应深入发展三维可视化反演解释方向发展；探测技术方面，应向着接收装置的集约化方面发展。 国内外同类仪器实物图 仪器名称 仪器实物图 密度 电阻率仪 高密度 电阻率仪 I 第1章 绪论 4本课题的研究意义 注水油田地表及地层结构反映为电阻率的异常，应用电阻率层析成像技术（ 在注水油井施工前、施工中、施工后无损的探测地层结构及注水分布、注水趋势，通过实时检测软件可以清楚的反应监测结果，描述出地下注水通道走向，给油田注水井施工带来理论上和技术上的帮助。 传统的仪器普遍采用集中式，信号通过线缆长距离传输；采集通道、节点固定；布线方位不易控制。传统的无线传输方式多采用以太网组网方式，这种方法成本高昂，施工困难，而且功耗较高。本文提出一种高精度、低成本的分布式采集方案，实现本地采集、本地存储，并且采用 线组网方式进行数据传输，具有以下优势： 1 本地采集、存储，避免微小电位信号长距离传输导致的衰减【12】； 量高速数据采集； 于在复杂地况情况下测量。易于控制采集点方位，便于重复测量； 位容易扩展，适合不同条件下的测量； 现低成本、低功耗以及大量数据较快，较远距离传输。 研究内容及论文结构 本课题以电阻率层析成像技术和 线传输协议为基础，广泛深入的学习电法勘测学科以及 讯学科的相关知识，调研相关的产品，结合多次的野外实践经验，着重研究井地人工激发电场源的电位数据采集技术和基于 组网技术，设计采集节点并进行实验。本文主要进行了以下几个方面的研究： 现 0样率的本地数据采集以及存储，提高数据采集的精度，解决数据采集速率问题，同时对数据进行预处理。 第1章 绪论 计基于 线的接收装置，实现接收节点对整个网络的控制。 现无线数据传输，组成星形采集网络。 讯协议进行研究、修改以及仿真，提高数据传输速率，距离；降低丢包率，减少网络反应时间，综合提高网络性能。 论文共分为七章，对研究的内容、关键技术进行了具体的阐述以及对实验结果进行了详细的分析和说明，具体的论文结构和章节安排如下： 第一章绪论部分主要介绍了本课题所做研究工作的背景，国内外在同一领域的研究现状以及发展趋势，在结合研究背景和比较国内外相关研究工作的基础上引出本文的研究意义，在章节最后一部分对本论文的主要研究内容和整体结构以及安排进行了说明。 第二章阐述电阻率层析成像这一电法勘测原理以及设备的具体工作方式，这是整个论文的理论基础，首先分析电阻率层析成像的原理以及关键技术，然后给出具体的工作方式。 第三章采集节点的设计，首先给出节点的整体设计方案，然后对每一个具体的部分详细阐述实现方式和过程，包括信号转换技术、高速数据缓存技术、时序控制单元设计、主控制流程设计、无线传输模块设计。 第四章采集节点关键技术研究，对电位补偿技术、放大器的斩波技术、过采样技术、电路抗干扰技术进行研究。 第五章是无线通讯协议的研究，在深入研究 议尤其是其信道接入机制的基础上，并且结合本论文的研究内容和实际应用条件提出一种改进的信道接入机制，使其能够满足本论文所涉及的具体应用情况，并进行仿真实验，从网络启动时间、丢包率、网络吞吐量等三个网络关键性能指标进行实验。 第六章是采集节点的测试部分，这一部分主要是对设计的采集节点进行性能上的测试，主要包括四个方面：方波采集测试、短路噪声采集测试、不极化电极采集测试以及野外现场试验，测试采集节点在不同应用条件下的性能表现，并对测试结果进行分析和总结。 第七章是对全文的总结部分，包括研究的工作总结和下一步研究的建议。 第2章 井地电位检测原理与工作方式 6第 2 章 井地电位检测原理与工作方式 井地电阻率层析技术 过大功率发射机在注水井和另一口相距约 1500m 远的两井之间通入大电流，30间，这个大电流会通过地表没有水泥胶接的井段以及地下的射孔井段通向地层及流向地表形成非均匀的激发电场，使用井地电位数据采集装置测量地表的电位分布或者电位梯度分布并对采集的数据进行反演就可以反映和推测地下地层的电阻率分布。井地电位检测示意图如图 示， 为注水井或者压裂井， 为相聚一千米以上的生产井或者注水井（这个距离越远越好，这样就能把激发的电场看做均匀电场了） ，在两井之间通入大电流，要达到几十安培 （通常发射电流越大测量的效果越好） ，发射频率通常为 1和 事要测量的点，测量的量是这些点的电位值或者是他们之间的电位差（电位梯度值） 。 电位检测示意图 激发电流在套管中的分布 激发的电流在被测井 的分布如图 示，可以看到大部分电流是通过射孔井段以及非胶结层流向地层及地表的（水泥胶结的井段与这两个井段相比是高阻的，电流不易通过） ，正因为有这些差别，电位数据包含有 地层电阻率的信息，而地层电阻率的变化是与含油气饱和度、注水量及分布有相关关系的，通过检测电位数据并应用电阻率层析成像理论模型进行反演就可以推断地下地层结构以及异常【13 被测井直径尺寸通常在十几厘米左右，而长度则可达到几千米，故其直径与长度相比可以忽略不计，而且测量点也比较远，所以可以把被测井处理成线电流源，理论的电第2章 井地电位检测原理与工作方式 7位为【17】： (式中： : P 点的电位值； I : 发射电流强度； :地层视电阻率； 1l 和2l :被测井的顶底埋入的深度； 穷远电极的顶底埋入深度； 被测点的埋入深度； 油田大部分采用注水、注压裂液、注气进行驱油开采，这一过程持续了很多年，所以地层在电阻率方面变化非常大，非均匀性极强。在渗透性比较好的地层（如射孔、裂缝等） ，注入的液体饱和度比 其他部分要明显的大【18这些地层或者通道跟含有较多的地层或者区域在电阻率方面 表现的差异较大：注水或者 注入压裂液的地方电阻率较低，相反含油多的区域电阻率相比较而言较高。 在基于以上阐述的理论基础上，应用测量系统在被测井注水或者注入压裂液之前采集基底信号，在注水或者注入压裂液的施工过程中测量已经产生变化的电位值信号（也可以进行连续的采集来观察施 工带来的地层电阻率变化） ，最后在施工结束以后再次采集，通过这些采集到的数据的对比分析，结合地层岩性资料、矿化度等信息就可以定性的分析注水方向和注水波及范围。 工作方式 电阻率层析成像是通过采集人工激发电场的数据进而反演地层信息、推断地层结构的，所以首先要形成激发电场，这部分由发射系统完成。其主要包括发电机、可调稳压21212221222112( )()12( )()+第2章 井地电位检测原理与工作方式 8大功率电源、控制器，其中大功率发电机输出 220v、50交流电压，负责给发射电源供电。大功率发射电源是发射系统的核心部分，由它通过电缆向被测井和回流电极通入大功率电流，要求电压要稳定并且可调，发射功率要达到十几千瓦甚至更高，这样才能提高测量的精度和数据的可信度【20控制器用来控制发射电流的波形和频率（可以发射正弦波、方波等，但通常发射 1方波，频率的稳定度要控制在 内） 。另一大部分是接收系统， 包括不极化电极、 电位数据采集系统和控制系统。 不极化电极 （化学电极）是数据采集的最前端，它负责电位信息收集；数据采集系统是接收系统的核心部分，这一部分的性能直接决定整个仪器的性能；控制系统主要指上位机，它负责发送命令、存储数据以及对数据进行处理。整个野外工作示意图如图 示。 野外工作示意图 采集节点布置方式 图 示的是采集节点在地表的布置方式，圆心即是被测井的位置，每个圆与半径的交点处就是一个采集节点，呈现条幅状向外辐射，径向之间的夹角为 20 度，每个径向上面布置 3 个节点，节点之间的距离为 50 米，这样一共是 54 的节点。数据采集节点采集不极化电极的数据，通过无线方式传输给在圆心位置处的汇聚节点，它也可将数据进行本地存储并进行简单的数据处理。 第3章 数据采集节点设计 9第 3 章 数据采集节点设计 本章介绍井地电位数据采集节点的设计，包括总体设计、各个功能模块设计、软件控制设计。数据采集系统是整个测量系统的核心部分，在研制这一部分时采用模块化设计思想，把各个功能部分采用相对独立的单独设计，这样既容易设计调试，又符合标准化、容易维护。整个系统从功能上分为两个部分，一部分是数据采集功能，完成不极化电极的电位数据采集，一共是布置 3 圈共 54 个节点，采用分布式采集方式；另一部分是数据传输和处理部分， 传输部分主要采用无线方式， 采集节点组成一个星型无线网络，这个网络具有自组织、低功耗、低成本的特点，数据传输到位于圆心的汇聚节点。 数据采集需求分析 采集节点设计目的是准确的采集信号数据，因此首先要对信号进行分析，明确采集系统应用的环境。电阻率层析成像技术采集的数据是人工在井套管中施加大电流最终在地表形成稳定激发电场的电位值或者电位梯度的值。电位值的幅度与几个方面有关：一是发射系统发射的电流强度；二是被测井所在区域的地层结构、油水饱和度、地层渗透性等等 （这些都是跟电阻率有关的因素） ； 三是被测井的深度、 射孔位置、 干扰信号等【1 发射系统一般发射 1双极性方波，一般在 30 安培到 50 安培之间；被测井的深度一