任林彬，苑益軍，吳 芳，吳 雯，李 源

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.海軍航空大學(xué)，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(shù)和水平鉆井技術(shù)的應(yīng)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(dǎo)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)備進行設(shè)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(nèi)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(jié)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(nèi)部進行了封裝，只需要在軟件中選擇相應(yīng)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(shè)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?dāng)?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(dāng)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(yīng)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(dāng)鼠標停留在坐標點時會顯示出該坐標點的儀器名稱。當(dāng)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(guān)系，而折線圖顯示區(qū)則可以查看單個儀器一段時間內(nèi)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(yù)先設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(cè)為操作區(qū)和儀器在線區(qū)，中間是熱力圖顯示區(qū)，右側(cè)為折線圖顯示區(qū)。設(shè)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(yīng)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(yīng)的指令。

3 野外測試

2021 年6月，課題組在四川省內(nèi)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(jié)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(zhuǎn)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(nèi)的電場變化情況，適時發(fā)送指令調(diào)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(nèi)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(shù)借鑒。