0 引言
海洋可控源电磁勘探方法作为一种有效的海底油气勘探方法,广泛应用于地球科学的地质构造[1]、海底油气[2]和天然气水合物[3,4,5,6,7,8]的勘探[9,10]。随着海洋可控源电磁勘探方法的广泛应用和不断发展,人们对于海洋可控源电磁勘探设备的要求也越来越高。对于海洋可控源电磁发射系统来说,增大发射电流是提高勘探深度的途径之一,这样势必会加大发射功率和电磁干扰[11]。针对海洋应用的大功率设备,尤其是有缆深拖大功率设备,不正常的工作状态会使人身和设备存在安全隐患,如果不能及时发现和更正错误,轻则仪器设备损坏,重则造成船舶和人身安全事故,因此需要采集相关参数,帮助操作人员了解发射系统的工作状态,当运行状态出现异常时,及时关停设备。本文结合CAN总线和光纤抗干扰以及以太网通用性强的优点设计了一套适用于海洋可控源电磁勘探的状态信息采集技术方案。
1 状态信息采集技术方案组成
海洋可控源电磁发射系统状态信息采集技术方案由3部分组成,其技术方案如框图1所示,分别是MCSEM(marine controlled source electromagnetic)上位机监视软件、甲板监控单元和水下监控单元。图中发射系统水上部分和发射系统水下部分是状态信息采集的对象。
图1
图1
海洋可控源电磁发射系统状态信息采集技术方案总体框架
Fig.1
Overall frame of state information acquisition technical scheme for marine controlled source electromagnetic transmitter system
发射系统水上部分主要是甲板电源,完成船电380 V转0~3 000 V高压的任务,甲板电源环境的温湿度和高压端对地的绝缘电阻反映甲板电源是否正常工作,同时各相电流是否超出额定值也是仪器设备是否正常工作的表征。当电源环境温度低于60 ℃、湿度低于80%、高压端绝缘电阻不低于2.5 MΩ时,甲板电源处于正常工作状态。发射系统水下部分主要完成高压电降压、整流、滤波和逆变发射的功能,是发射系统的核心所在,存在强电磁干扰的现象,是状态信息采集重点规避的问题。
MCSEM上位机监视软件主要完成数据的接收、解析和相关状态量的显示,并将相关的状态信息按照时间先后的顺序存储下来,方便后期的分析。甲板监控单元主要完成发射系统水上部分相关状态的采集,包括甲板电源高压端对地的绝缘电阻、环境温湿度和三相输出电流。水下监控单元主要完成发射系统水下部分各状态的采集,主要包括电池电压、功率器件温度、直流母线电压、发射电流、近海底设备离底高度和水下拖体姿态等参数。
2 MCSEM上位机监视软件
MCSEM上位机监视软件由C#编写,软件通讯采用TCP/IP协议。由4个线程实现与各个分模块的通讯,分别是主控线程、电流线程、甲板电源线程和甲板电源状态线程。其中主控线程完成上位机与水下监控单元主控电路的通讯,采集两路锂电池电压、直流母线电压和四路温度信息;电流线程完成上位机与水下监控单元电流采集电路的通讯,采集发射电流信息;甲板电源线程完成上位机与甲板电源的通讯,采集甲板电源单相输出电压和电流信息;甲板电源状态线程完成与甲板电源状态采集模块的通讯,采集甲板电源三相高压输出电流、高压端对地绝缘电阻、环境温度和湿度信息。
MCSEM上位机监视软件将上述线程采集回的各状态信息通过TextBox写入界面供值守人员观看,当状态信息无异常时,相应参数的文本框背景为绿色,当状态信息异常时,相应参数的文本框背景变红,同时每隔1 s将所有状态信息加上时间戳按照特定格式以文本的形式存入文件。图2展示了MCSEM上位机监视软件界面,图中①为信息栏,显示各种状态信息;②为交互栏,输入水下部分和水上部分IP,点击确认后就能开始连接测量;③为状态栏,显示各个TCP/IP连接的端口号和路由信息,同时也显示了两路锂电池的电压信息。
图2
3 甲板监控单元
甲板监控单元分为仪器房部分和集装箱部分,如图3虚线框所示。其中仪器房部分主要包括一些放在船舱内实验室里面的模块,有时间同步模块、串口光纤收发器、串口网络服务器、网络光纤收发器、无线路由器和工作站。集装箱部分主要涵括了甲板上集装箱里面的设备,包括甲板电源、甲板电源状态采集模块、串口网络服务器和网络光纤收发器。集装箱内甲板电源状态采集模块主要完成电源升压后的高压端三相输出电流采集、温湿度采集和绝缘电阻在线监测任务。图4展示了甲板电源状态采集模块框图。其中高压端三相输出电流通过电压型电流变送器采集,甲板电源温湿度通过IIC温湿度传感器采集,绝缘电阻通过绝缘在线检测仪IRDH275采集。电流变送器的输出电压经运放调理后,通过单片机内部的A/D采样,采样后取平均值与温湿度组合成字符串,通过串口发送。绝缘在线检测仪的数据直接输出为串口类型。
图3
图4
图4
甲板电源状态采集模块框图
Fig.4
Block diagram of the deck power status acquisition module
甲板电源本身预留出了RS485的通讯接口,MCSEM上位机监视软件可直接通过串口发送命令给甲板电源,完成单相电压电流的采集(甲板电源外部接了一个1:10变比的大功率变压器,也即甲板升压电源的输出为0~300 V,经变压器升压后达到0~3 000 V,此处测量的是升压之前的电压和电流,与前面提及的高压端三相输出电流不同)。
甲板电源各状态量测量完毕后,串口链路通过串口网络服务器转化成网络链路,再通过网络光纤收发器转换成光纤链路,通过光纤将集装箱里的各种状态数据传输到舱内仪器房,这样的链路转换使得系统的抗干扰性和传输距离得到了极大的增强,同时也避免了舱内仪器房设备与集装箱设备的电气连接,增加了系统的安全性。图5展示了绝缘在线检测的连接示意图和状态采集板。
图5
图5
绝缘在线检测的连接示意图和状态采集板
Fig.5
Connection diagram for on-line insulation detection and status acquisition board
舱内仪器房里的时间同步模块旨在解决海水层对高频GPS信号屏蔽的问题,主要是将GPS信号解析成时间信息和秒脉冲信号,并通过光纤数传技术将时间信息和秒脉冲信号传输至水下监控单元,保证水下监控单元采集到的电流信息与海洋可控源电磁接收机采集到的电场信息在时间上是同步的,便于后期的电磁数据处理。同时舱内仪器房里的串口光纤收发器将通过万米光电复合缆建立的光链路转换成串口链路,再通过串口网络服务器将串口链路转换成网络链路,接着通过无线路由器将设备接入局域网,省去了布线的麻烦。舱内仪器房里的网络光纤收发器是与集装箱里面的网络光纤收发器配对使用的。工作站是运行MCSEM上位机监视软件的载体,它通过无线路由器接入局域网。图6展示了甲板监控单元相关的硬件实物。
图6
图6
甲板监控单元相关的硬件设备和电路板
Fig.6
Hardware equipment and circuit board related to the deck monitoring unit
4 水下监控单元
水下监控单元是水下发射机的重要组成部分,主要由串口光纤收发器、主控电路、电流采集电路、高度计、姿态方位采集模块和CAN从板采集电路组成,其中CAN从板采集电路位于存在着较大的电磁干扰的海洋可控源电磁发射舱里面。图7实线框里面是水下监控单元示意。
图7
图8
图8
LM35测温曲线与DS18B20测温曲线
Fig.8
LM35 temperature measurement curve and DS18B20 temperature measurement curve
图9
图9
CAN总线传输的测温系统结构框图和实物
Fig.9
Structure diagram and real object of CAN bus transmitted temperature measurement system
将CAN总线传输的测温系统在室外进行了测试,图10展示了发射电流、母线电压和模块温度室外测试的曲线。从图中可以看出各曲线平滑无毛刺,较LM35和DS18B20测温方案的效果有了明显的提升,特别是在海洋可控源电磁发射系统1525A发射电流的条件下测温系统运行稳定良好。
图10
图10
发射电流、母线电压和模块温度室外测试曲线
Fig.10
Outdoor test curve of emission current, bus voltage and module temperature
高度计测量近海底设备离海底的高度,防止设备在拖曳过程中触底。姿态方位模块测量水下设备的俯仰、横滚等信息。它们都是通过串口输出信息。
图11展示了高度计和姿态方位模块。
图11
电流采集电路是通过两级霍尔传感器来采集大电流信号的,由于电流数据后期要用于反演计算,因此在本地进行了存储。这里我们使用USB接口芯片CH375来实现电流数据的U盘存储,免去了文件系统的移植和开发[14]。在存储电流数据之前将晶振分频出的150 Hz脉冲信号与时钟同步模块通过万米光电复合缆传输至海底设备的秒脉冲信号进行边沿对齐,存储对齐时间并开始计数150 Hz脉冲个数,用150 Hz的脉冲信号来让单片机产生外部中断去采集电流信息,同时存储脉冲个数和采集到的A/D值,A/D值通过串口实时的输出。所有的串口信息通过串口光纤收发器传输至甲板监控单元。图12 展示了电流采集电路的框架,为了尽可能多地采集有用信息,电流采集电路采集多路发射电流的同时还采集了发射电压和控制波形。
图12
5 海洋实验
上述设备在2018月9月搭载“海洋四号”科考船在中国南海某区域完成了相应的测试和生产任务。图13展示了海洋可控源电磁发射系统状态采集技术方案的相关设备,图a下面展示了甲板监控单元,时间同步模块、串口光纤收发器和串口网络服务器都封装在黑色的机箱盒里,只引出GPS天线、网线、光纤和电源接口。图a上半部分为装载了部分水下监控单元电路的控制舱,可以看到相关的电路。图b展示了投放过程中的海洋可控源电磁发射机,相关实物在图中已经标出,高度计位于发射机前面的导流罩内。
图13
图13
海洋可控源电磁发射系统状态采集单元的相关设备
Fig.13
Related equipment of the state acquisition unit of the MCSEM transmitter system
图14展示了部分测线数据,分别是发射电流、母线电压、四路功率模块温度、甲板电源高压端绝缘电阻、甲板电源温度、甲板电源湿度和甲板电源三相输出电流曲线。如图所示该测线从10:44分开始电流达到1 000 A,其中4个功率模块温度都维持在32 ℃左右。发射电流和母线电压曲线中的毛刺是发射系统更换发射波形频率引起的。11:21分为避免甲板电源环境温度过高打开了集装箱门,因此湿度上升较快,当达到平衡后温度维持在34 ℃左右,相对湿度维持在60%左右。甲板电源高压端三相输出电流存在不平衡,其中A相维持在5 A左右,B相维持在14 A左右,C相一直在10~16 A之间跳动,是甲板电源动态调整造成的。高度计和姿态方位模块采集的数据是通过串口直接传输的,未在图中给出。
图14
6 结论
海洋可控源电磁发射系统状态信息采集技术方案利用光纤数传技术、CAN总线技术和网络将各个状态信息传输至工作站,并通过上位机软件将信息直观的显示在了值班人员面前。利用无线路由器避免了走线的麻烦,利用光纤数传技术增加了数据链路的传输距离和设备操作的安全性,利用CAN总线技术增加了大功率电磁发射机强电部分状态信息采集单元的抗干扰性。海试结果表明,所设计的海洋可控源电磁发射系统状态信息采集技术方案操作布设简单,稳定可靠,在海洋可控源电磁发射系统苛刻的运行条件下,各项参数采集正常,数据曲线平稳,能够满足我国的可燃冰勘探生产任务。
致谢
感谢野外数据采集人员的辛苦劳动和广州海洋地质调查局“海洋四号”全体船员的鼎力配合。
参考文献
Controlled-source electromagnetic sounding of the oceanic lithosphere
[J].DOI:10.1038/320052a0 URL [本文引用: 1]
Marine CSEM of the Scarborough gas field, Part 1: experimental design and data uncertainty
[J].
An introduction to marine controlled-source electromagnetic methods for hydrocarbon exploration
[J].
Ten years of marine CSEM for hydrocarbon exploration
[J].
南海天然气水合物远景区海洋可控源电磁探测试验
[J].
Experiment of marine controlled-source electromagnetic detection in a gas hydrate prospective region of the South China Sea
[J].
琼东南盆地天然气水合物及其成藏模式的海洋可控源电磁研究
[J].
A study on natural gas hydrates and their forming model using marine controlled-source electromagnetic survey in the Qiongdongnan Basin
[J].
MCSEM发射电流波形的高精度时间标识技术
[J].
Marine controlled source electromagnetic launch system for gas hydrate resource exploration
[J].
新型坐底式海洋可控源电磁发射系统及其海试应用
[J].
New type deployed marine controlled source electromagnetic transmitter system and its experiment application
[J].
Marine controlled source electromagnetics: Principles, methodologies, future commercial applications
[J].
DOI:10.1007/s10712-005-1830-3
URL
[本文引用: 1]
The exploration community, from the earth scientist to the investment manager, has surely recognized the recent surge of interest in the use of controlled source electromagnetics for offshore hydrocarbon detection and assessment. The targets, petroleum, natural gas and gas hydrate, are resistive zones in an otherwise conductive background. I trace the academic and commercial development of marine methods from basic theory through experimental design to the few published relevant exploration case histories.]]>
海底电磁接收机新进展
[J].
DOI:10.11720/wtyht.2016.4.27
URL
[本文引用: 1]
Hz@0.5 Hz，动态范围大于110 dB，时漂小于5 ms/day，与国外同类先进产品技术指标平齐。截止到2016年初，累计完成了约60站位的海底电磁数据采集作业，2012年以来接收机回收率达到100%，获取了多批次高质量的海底MT及CSEM资料，研制的接收机成功应用于水合物勘查及油气勘探领域。]]>
New progress of ocean bottom electromagnetic receiver
[J].
MCSEM电磁场能流密度分布特征研究
[J].
The distribution characteristics of the energy flow density of MCSEM
[J].
基于CAN 总线的锅炉膨胀监测系统设计
[J].
Design of boiler expansion monitoring system based on CAN bus
[J].
Research on theisolation and collection method of multi-channel temperature and power supply voltage under strong marine controlled source EMI
[J].
