吳雯，王猛，2，楊迪琨，陳默，任林彬

(1.中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院，北京 100083； 2.中國地質大學(北京) 地質過程與礦產資源國家重點實驗室，北京 100083;3.南方科技大學 地球與空間科學系，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)測物理場的變化，間接推斷壓裂液的走向，為進一步壓裂工作提供技術參考。微地震監(jiān)測是目前使用最廣泛的監(jiān)測方法，該方法可以獲取壓裂走向和儲層改造體積的信息[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時運移情況[7-8]。為了達到擴張、阻垢、穩(wěn)定、減阻和增加流動性等目的，壓裂液中通常大量添加導電性良好的離子，使得壓裂液較圍巖呈現(xiàn)低阻異常特征，在外加人工場源或自身地電場的激勵下，這種電性異?？赡鼙坏孛娣植际降碾妶霾杉O備監(jiān)測到[9-11]，最終可能通過電場數(shù)據來獲取到微震方法無法獲得的壓裂液流向信息。

地震監(jiān)測領域已經較早使用分布式儀器來獲得大量的觀測數(shù)據，提高解釋的準確性[12-13]。在電磁探測領域，分布式儀器也是近些年的研究熱點。國外有德國Metronix公司研制的GMS-06電磁觀測系統(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，分布式陣列布設[14]。國內有中南大學何繼善院士[15]、吉林大學林君院士[16]、中國科學院地質與地球物理研究所的底青云院士[17]、中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所林品榮教授[18]、中國地質大學(北京)金勝教授[19]等近10個團隊分別研發(fā)了分布式電磁探測系統(tǒng)。這些分布式儀器功能豐富，支持各種電法以及電磁法測量，性能優(yōu)越，但是大量陣列布設成本較高，也不夠便攜。

本文設計了一種低成本、小體積、自供電且采用無線傳輸?shù)姆植际轿⑷蹼妶龉?jié)點監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱微電儀)，專門采集水平井段隨著壓裂液注入、流動而引發(fā)的微弱電場變化。大動態(tài)輸入范圍、分布式陣列采集以及多節(jié)點數(shù)據處理上傳是該監(jiān)測系統(tǒng)要解決的技術難點。

1 壓裂微弱電場監(jiān)測技術總體方案設計

為了全方位監(jiān)測壓裂液的運移情況，類似于可控源音頻大地電磁探測方式[20]，在遠區(qū)開展人工源電磁激勵，同時在井口布設密集的電場監(jiān)測陣列，來提高數(shù)據的準確性，所有的監(jiān)測儀器通過無線數(shù)傳模塊將經過初步處理的采樣數(shù)據實時傳輸?shù)缴衔粰C，上位機實時顯示波形和設備動態(tài)云圖。圖1給出了壓裂微弱電場監(jiān)測示意圖。

單個監(jiān)測裝置主要包括電場傳感器、采集電路、鋰電池組、機械封裝和上位機監(jiān)控等部分，圖2給出了監(jiān)測系統(tǒng)總體結構框圖。電場傳感器采用傳統(tǒng)的不極化電極；采集電路集成有前端信號調理模塊、采集控制模塊、無線數(shù)傳模塊以及電源轉換模塊等；采集電路和鋰電池組封裝到特制的機械外殼中，無需外部供電。

圖1 壓裂微弱電場監(jiān)測示意Fig.1 Schematic diagram of weak electric field monitoring in fracturing

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)總體結構框Fig.2 Overall structure block diagram of monitoring system

1.1 前端模擬信號調理技術

x方向電場信號調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傳感器，可以有效抑制微弱信號采集時電極自身的影響[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系統(tǒng)造成破壞性傷害。由于壓裂現(xiàn)場工作的用電設備功率均極大，因此在調理電路前端設計二階低通濾波器(LPF)，將截止頻率設為25 Hz，以濾除50 Hz工頻干擾對采集系統(tǒng)的影響。

第一級運算放大電路選用TI公司的OPA2188芯片，該芯片是一款低噪聲、軌對軌、零漂移運算放大器，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信號的情況下，擁有極高的放大上限，作為第一級放大，可以有效降低信號采集系統(tǒng)的噪聲干擾。OPA2188芯片搭成三運放差分放大電路的前半部分，高度對稱的電路結構可以進一步抑制共模信號，增強對差模信號的放大能力。

為了進一步擴大輸入信號的范圍，實現(xiàn)放大倍數(shù)動態(tài)可調。二級放大電路(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，該芯片具有十四級可編程增益，最大增益可達4 096倍。加法器實現(xiàn)調理后的信號和高精度基準電壓的相加，使其輸出信號滿足后續(xù)的采集要求。放大倍數(shù)實現(xiàn)了從1～105可調。總體實測動態(tài)范圍73 dB。

圖3 x方向電場信號調理電路示意Fig.3 Schematic diagram of x-direction electric field signal conditioning circuit

1.2 分布式微弱電場節(jié)點采集技術

控制每個采集單元的成本和大小，以及保證多個節(jié)點與主機之間的穩(wěn)定通信，對于分布式采集儀器來說具有至關重要的意義。論文設計的微電儀在前端加入模擬多路復用器電路，使用單片機控制通道切換，兩對差分電場信號共用一套處理電路，縮小了電路體積和成本。采用ST(意式半導體)公司的基于32位Cortex-M4內核的STM32F373單片機芯片作為系統(tǒng)的中控芯片。該系列單片機片上資源豐富，集成有多達3個16位高精度模數(shù)轉換器(SDADC)，數(shù)據可以自動存儲在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)測系統(tǒng)將控制、采集、緩存和上傳集中到同一塊單片機芯片上，極大地消減了軟硬件開銷，節(jié)省了硬件面積。

整個分布式采集系統(tǒng)采用射頻通信方案，配合外部天線在開闊地區(qū)最遠傳輸距離可達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端進行實時通信，上傳數(shù)據和設備信息，給每個儀器的射頻芯片分配不同的信道和地址，防止數(shù)據串擾。無線組網模式和傳統(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 核心采集電路實物Fig.4 Physical diagram of core acquisition circuit

機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、內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部電路通斷，給鋰電池組充電。機械封裝體積小至512 cm3，整體重量輕至500 g，可實現(xiàn)IP65級防水，密封性好，可在壓裂場地長時間工作，機械外殼實物圖如圖5所示。

1.3 多節(jié)點數(shù)據處理上傳技術

監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據采集處理部分主要包括采集電路的硬件編程和PC端的上位機編程。其中硬件編程兼容直流和交流發(fā)射方案，對電場數(shù)據進行實時采集，分段排序取平均，并將處理后的數(shù)據按固定格式傳輸?shù)缴衔粰C，同時上位機實時控制采集增益，圖6給出了程序框圖。

圖5 機械封裝正面(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 上位機運行界面Fig.7 Upper computer running interface

上位機軟件由交互系統(tǒng)、坐標轉換系統(tǒng)、圖形顯示區(qū)和數(shù)據處理系統(tǒng)等4個部分組成。上位機可以實現(xiàn)同時對多臺儀器進行監(jiān)控，控制儀器采集增益，記錄儀器的地理坐標，顯示儀器采集數(shù)據熱力圖，實時顯示動態(tài)接收波形，并且進行數(shù)據回放存儲，圖7給出了上位機的運行界面。

2 野外實驗驗證

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

本次野外測試不極化電極間距40 m，測試了儀器的工作穩(wěn)定性以及能否適應野外復雜的環(huán)境，無線通信是否符合要求等。5月29日中午11：31頁巖氣井開始壓裂，圖9給出了29日中午A儀器東西方向的采集數(shù)據，由于當前時間段發(fā)射機關閉，儀器監(jiān)測的是在自身地電場的激勵下，壓裂場地附近的電場信號，儀器采樣率為100 Hz，并且對10 s內的數(shù)據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，分別對應圖中的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)據呈現(xiàn)明顯的包絡，和壓裂前進行比較，電場值明顯增大。后續(xù)將對這個包絡異常進行進一步分析，并將分析結果與地震儀器的反演結果進行進一步比對驗證。從圖9中也可以看到壓裂現(xiàn)場極強的干擾噪聲。

圖8 實地測試示意Fig.8 Schematic diagram of field test

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

3 結論

經過一系列的測試，該壓裂電場監(jiān)測系統(tǒng)達到了預定采集功能，實現(xiàn)了放大倍數(shù)從到1～105可調；73 dB的動態(tài)范圍；數(shù)據實時采集、處理和無線上傳；上位機實時顯示波形和設備動態(tài)云圖；機械封裝體積小、質量輕、密封性好且適用于野外復雜的環(huán)境。單個采集站成本在500元以內。但還是存在一些不足，上位機需要工作在筆記本端，但是野外無法及時給筆記本充電，無法獲得長時間的監(jiān)測數(shù)據，在后期的工作中將增加集中的本地接收和數(shù)據存儲模塊。另外，后續(xù)將加強微電儀本身邊緣計算的內容，減少數(shù)據傳輸量。

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