摘要: 井中三分量微地震监测仪主要用于页岩气开采过程中对微地震事件的捕捉，能够较真实地反应压裂过程中震源的位置、目标储层上覆岩层稳定性与受损程度，能够监测开采区井田区域范围的构造裂隙发育情况和变化趋势，可作为了解页岩气水压裂对深部地质结构造成影响的技术手段。井中微地震采集系统有工作时间长、连续监测和实时性要求高的特点，由于工作环境复杂，要求采集系统非常稳定、可靠，且适应性强。而实际工作中会经常出现外接电源不稳或者供电系统中接入其他大功率负载导致电涌冲击的情况，使得通讯信噪比和最大传输速率下降，导致采集数据丢失系统报错。本方法通过对传统微地震监测采集系统的改进，解决微地震采集作业过程中外接电源不稳或者有干扰导致数据丢失的问题，同时保障仪器能长时间稳定处于高采样率工作状态，实时记录更多频率段的微地震数据。
Abstract:
The three-component microseismic monitoring instrument in the well is mainly used to capture microseismic events during the shale gas exploitation process. It can more truly reflect the location of the seismic source during the fracturing process, the stability and damage degree of the overlying rock strata of the target reservoir, and can monitor the development and changing trend of tectonic fractures within the mining area of the minefield. It can serve as a technical means to understand the impact of shale gas hydraulic fracturing on deep geological structures. The well-based microseismic acquisition system is characterized by long working hours, continuous monitoring, and high real-time requirements. Due to the complexity of the working environment, the acquisition system must be extremely stable, reliable, and adaptable. However, in practical work, issues such as unstable external power supplies or power surges caused by connecting other high-power loads to the power supply system frequently occur. These issues can lead to decreased signal-to-noise ratio and maximum transmission rates, resulting in data loss and system errors. This improved method addresses the issues of unstable external power supplies or interference that can lead to data loss during microseismic acquisition operations by enhancing the traditional microseismic monitoring and acquisition system. Additionally, it ensures that the instrumentation can operate stably at high sampling rates for extended periods, enabling real-time recording of microseismic data across a wider range of frequencies.
1. 引言
井中微地震裂缝监测技术与其他微地震裂缝监测技术相比，可以更近距离、更加准确、更加清晰地反映压裂过程中地层裂缝的缝长、缝高、裂缝实时延伸等情况，以便技术人员更精确分析研究地层改造情况，实时评估压裂效果，及时有效地指导压裂参数及方案的调整，缩短和降低储层改造监测的周期与费用，是压裂过程中最精确、最及时、信息最丰富的监测手段之一[1]-[3]。在国内应用较为普遍，但是地面系统和井下仪器之间的远距离且高速传输是一个技术难点。
2. 研究背景
井中微地震采集系统工作的特点是时间长、不能间断，实时性要求高，工作环境复杂多变[4]。这就要求系统本身要非常稳定、可靠，能适应外界不同的环境。实际工作中，经常会出现外接电源不稳或者供电系统中接入其他大功率负载导致电涌冲击的情况，往往导致通讯信噪比和最大传输速率下降，导致采集数据丢失系统报错。近些年来，集成数字电路和数字信号处理器件的迅猛发展，以及对无线通信高速率要求的日趋迫切，OFDM技术再次受到了重视。OFDM是一种特殊的多载波传输方案，OFDM应用DFT和其逆变换IDFT方法解决了产生多个互相正交的子载波和从子载波中恢复原信号的问题。解决了多载波传输系统发送和传送的难题，应用快速傅里叶变换更使多载波传输系统的复杂度大大降低，从此OFDM技术开始走向实用，但OFDM系统仍然需要大量繁杂的数字信号处理过程，而当时还缺乏数字处理功能强大的元器件，因此OFDM技术迟迟没有得到迅速发展[5]。
本方法通过对传统微地震监测系统的改进和升级，解决微地震采集作业过程中外接电源不稳或者有干扰导致数据丢失的问题，同时保障仪器能长时间稳定的处于高采样率的工作状态下，从而采集更多频率段的微地震数据。升级后的OFDM的数传模式，实现地面系统和井下数传之间高速传输(最大速度能达到3.65 Mbit/s)，保证了井下检波器的大量数据实时上传。
3. 电源滤波升级的方法
3.1. 电源滤波器工作原理
虽然OFDM有很多优点，但信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势，包括：(1) 对相位噪声和载波频偏过于敏感，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性。(2) 峰均比过大导致在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。(3) OFDM调制系统所需线性范围宽。
微地震系统有工作时间长、传输不间断、实时性强及工作环境复杂多变等特点，要求系统稳定可靠，能适应外界复杂环境。实际作业会出现外接电源不稳或者供电系统中接入其他大功率负载导致电涌冲击的情况，经常出现通讯信噪比和最大传输速率下降的情况，导致采集数据丢失系统报错。由于正交频分复用技术中在多载波调制时对系噪声要求较高，考虑通过在电源面板中加入电源滤波器对市电中的高频干扰进行隔离，可以保证了检波器供电系统的低噪声水平。
3.2. 电源滤波器的选择
电源滤波器(如图1)是对电源线中特定频率的频点或该频点进行干扰滤除的电器设备。其功能是通过在电源线中接入电源滤波器，得到一个特定频率的电源信号，或者消除一个特定频率后的电源信号。利用电源滤波器的这个特性可将通过电源滤波器后的一个方波或复合噪波变成一个特定频率的正弦波。
Figure 1. Structure diagram of power supply filter
图1. 电源滤波器结构图
电源滤波器针对电源端口电磁干扰的特点而设计。滤波器由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性二端口网络。选取的电源滤波器按照工作原理定义为反射滤波器。可以在滤波器阻带内提供高的串联阻抗和低的并联阻抗，使其噪声源、阻抗和负载阻抗不匹配，最终把无效频率分量反射回噪声源实现降噪。根据电源端口的电磁干扰特性，电源滤波器通常设计为低通(高阻)式。作为双向无源二端口网络，电源滤波器即可以限制电网中的高频进入设备，提高设备的抗干扰性，同时使设备产生的高频进入电网，改善设备的高频电磁发射水平。
实际运用中，电源滤波器并非是一个理想的低通装置。实际频率特性是在低频时插入损耗很小，可以让电源频率信号几乎无衰减的通过。对于理想低通滤波器，在截止频率以后随频率升高插入损耗应无限制增加。实际上，插入损耗升高到一定值后就产生钝化，在相当一段频率范围内维持在该值附近振荡。当频率进一步升高时，插入损耗反而随频率下降。分析原因是构成滤波器的电感器件和电容器件存在分布参数。因此，了解所选滤波器的截止频率至关重要。
3.3. 电源滤波器的安装
在选定了合适的电源滤波器之后，安装同样重要，安装不好不仅起不到滤波效果，反而会增强噪音信号。以下几个方面特别值得注意。
位置：电源滤波器尽量安装在设备的电源线入口处，避免电源输入线过长。如果将滤波器安装在设备机壳的中央，会造成电网上的干扰进入设备后，还没有经过滤波器，就通过空间耦合到线路板上，对电路造成干扰，而设备内部的干扰会直接感应到电源线上，并传出设备，形成二次干扰。
搭接：电源滤波器安装时一定要接地，且必须与金属机壳搭接良好，只有当共模电容接地时才能将线路上的共模干扰从旁路消除。同时为了对高频起到有效的旁路作用，要求电容引线尽量缩短，常见的搭接错误有两种，一种是直接将电源滤波器安装在表面有绝缘漆的机壳上，该搭接方法不能保证接地的有效性，另一种是通过细导线将滤波器的接地端子接到机壳上，由于接地的细导线在高频时阻抗较大，从而难以起到对干扰的有效旁路作用(如图2为搭接不良记录信号)。
Figure 2. Signal characteristics due to inadequate bonding
图2. 不良信号特征
搭接良好与否对电源滤波器的滤波效果影响显著，利用同一滤波器电源抗干扰电压的测量效果进行比较，搭接良好(如图3)情况下信号值域范围更小、记录更稳定。
布线：安装电源滤波器时，不能将输入与输出导线捆绑在一起，要确保两者有足够距离，否则线上的干扰信号容易互相耦合(相当于将滤波器旁路)，大大降低滤波器的抑制效果。如空间条件有限，应考虑使用屏蔽线将输入与输出导线隔离。
Figure 3. Excellent signal characteristics
图3. 良好信号特征
3.4. 升级后的电源面板测试效果分析
前文分析认为电源面板中加入电源滤波器可对市电中的高频干扰进行隔离，提高数传的通讯信噪比，提升最大传输速率[6]。以直径11.8 mm的7000 m七芯电缆和Maximumrate微地震采集单元为例，在相同面板和市电状态下测试加电源滤波器前后通讯信噪比和最大传输速率，测试显示连接7000 m用市电和柴油发电机测试升级前后的电源面板，最大传输速率稳定都能满足大于2.6 Mbit/s采集要求[7]。
测试数据对比发现，加电源滤波器前外电干扰会导致最大传输速率波动激烈，用电高峰期时传输速率明显下降，低谷期速率则明显上升(如图4)。加电源滤波器后最大传输速率波动相对较小，始终保持在3.50~3.65 Mbits之间。
采用升级后的面板在DY3平台采集压裂数据及射孔信号，地面系统连续工作242小时。由于冬季夜间温度低，井场大量使用空调、电暖器和热水壶等设备导致外接电平均电压低至180 V，在电压波动异常(160~220 V)情况下微地震信号采集过程中未出现因为通讯信噪比波动导致的数据丢失现象。证明加电源滤波器后采集传输速率更稳定，信号记录效果更好(如图5)。
Figure 4. Comparison of front and rear panel tests before and after adding power supply filter
图4. 加电源滤波器前后面板测试对比
Figure 5. Microseismic acquisition signal
图5. 微地震采集信号
4. 结论
(1) 通过对传统井中微地震监测采集系统的改进，给地面系统的电源面板中加入合适的电源滤波器能有效过滤外接电源的干扰信号，解决微地震采集作业过程中外接电源不稳或者有干扰导致数据丢失的问题[8] [9]。
(2) 升级后的采集系统能长时间处于高采样率工作状态，记录更多频率段的微地震数据。
(3) 高传输速率保障了系统数据采集到的地层信号及时传输到地面处理系统且采集过程中不出现数据丢失的现象。