任林彬，苑益军，吴 芳，吴 雯，李 源

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.海军航空大学，山东 烟台 264001）

近年来页岩气[1-2]的开采呈井喷式的发展趋势，其主要原因可归功于分段压裂技术和水平钻井技术的应用。在页岩水力压裂的过程中，需要将大量的水压入到地下，水中混有的导电离子压裂液也会一起压入到地层中。在人工源电磁信号的激励下，井口地面周围会呈现较大的地电分布异常特征。

为了监测上述异常电场，在压裂上方附近区域大量布设一种分布式节点电场采集装置（简称微电仪）[3-5]。微电仪采集两个水平正交的电场分量，用于监测压裂液注入、流动和运移等变化而引发的电场异常。针对上述开发的微电仪，课题组基于Windows系统开发了一款可实时监测显示、交互式的微电仪上位机软件[6-12]。该软件可配合微电仪实时监控电场异常，通过各个微电仪形成的热力图能够直观地了解各区域的电场情况。

1 软件介绍

微电仪上位机软件是整个压裂电场监测的终端，各个微电仪监测到数据后都会发送到上位机软件中统一处理。该软件可安装在基于Windows 系统的电脑、平板或手机上。软件开启后通过串口通信连接下位机，野外模拟微电仪软件工作如图1 所示。软件功能可分为软件通信、数据处理、图像显示和数据存储四大部分。

图1 微电仪工作示意图

1.1 软件通信

1.1.1 串口通信

上位机软件可同时开启多个COM 口与下位机进行串口通信[13-15]，采用LoRa 无线模块利用PC 端USB 转串口模块接收，可实现短距离数据传输。野外实测在地势平坦上下位机之间无明显障碍物时，使用大天线的通信距离可达到300 m。软件的接收端是USB 转串口接口卡，这类接口卡具有热拔插特性，这一特点使得上位机程序可完全按照串口设备进行设计。

1.1.2 通信协议

上位机软件接收数据是以ASCII 码的形式接收，内容类似于十六进制样式，方便解译。仪器发送的数据以$为开始标识符，以#为结束标识符，各个数据之间以逗号分割，便于接下来的数据处理，如表1所示。软件向下位机发送的指令已经在内部进行了封装，只需要在软件中选择相应的下位机发送即可。

表1 软件数据通信协议

1.2 数据处理方式

软件设有数据缓存机制（如图2），在接收数据时首先将数据存入到缓存区，缓存机制会检测数据的完整性，防止上位机软件少收或错收数据[16-17]。通过循环判断接收到的数据中是否存在首尾标识符来确定是否为完整的一串数据，如果判断为完整才会传入到后续处理中，提高了数据接收的容错率。

图2 数据接收缓存机制

上位机软件在接收到完整的带有协议的数据后，会立即存储到指定的默认文件中以防数据丢失，随后将每条数据去掉首尾标识符以备接下来数据的使用。

1.3 图像显示

1.3.1 热力图显示

在接收数据之前，需要将下位机仪器所在的GPS 坐标及编号输入到软件中，软件会在每个仪器的东西南北4 个方向显示4 个灰度点，来模拟下位机仪器的两分量。当下位机仪器传来数据时，软件会通过所接收数据的最大值和最小值与色带的255 个颜色比值进行等分，将所接收的数据在热力图显示区展示相应的颜色，并根据接收到数据的改变实时变化。

在热力图显示区，可通过鼠标拖动与鼠标滚轮对坐标点进行移动与缩放，当鼠标停留在坐标点时会显示出该坐标点的仪器名称。当微电仪数量规模达到上百台之后，在热力图显示区会更加直观地看到地下发生电场异常的区域的热力图点的颜色变化。

1.3.2 折线图显示

热力图显示区可以直观地观察到各个仪器的每个通道的数据变化，以及各个下位机位置的关系，而折线图显示区则可以查看单个仪器一段时间内的数据变化，图3 为热力图与折线图的显示。

图3 热力图与折线图显示区

在线区选中想要查看的下位机仪器编号，折线图显示区会分别显示出选中仪器最近收到的20 个数据点的折线图，包括该点的南北方向与东西方向的高中低3 个频段的准确数据，并且随着接收到数据的变化实时更新。

1.4 数据存储与回放

上位机软件在工作之前会预先设置一个默认txt文件，在软件工作时，接收到的下位机数据会实时自动存储到默认文件中，包括接收到的数据、输入仪器的坐标、上位机软件向下位机发送的指令都会加上相应的时间存储到txt文件，便于后续的数据处理。

软件工作时支持录屏，在后期进行数据分析时可倍速回放，分析出哪一时段出现异常。另外也可以将数据导入Matlab 软件作出电压随时间变化的折线图（如图4 所示），配合压裂信息统计日志判断该异常是否出现在压裂期间，分析地下压裂对于地面电场分布的影响。

图4 含有压裂异常的实测数据曲线

2 软件流程

软件启动后左侧为操作区和仪器在线区，中间是热力图显示区，右侧为折线图显示区。设置默认存储路径后，将各个微电仪GPS 坐标输入到软件即可在热力图显示区显示出各个点位的坐标，图5 为软件运行流程图。

图5 软件运行流程图

软件连接位点以后，开始接收数据，相应在热力图显示区灰度点就会改变其颜色来表示接收数据的大小，越偏红色表示数据越大，反之越偏蓝色表示数据越小。点击在线区的仪器编号，折线图显示区会展示出最新接收到的20 个数据的折线图。软件下方可以给下位机软件发送相应的指令。

3 野外测试

2021 年6月，课题组在四川省内江市威远县对微电仪的硬件与上位机软件进行了野外测试。测试期间上位机软件在确保通信良好的情况下，接收数据稳定，热力图显示良好，发送指令微电仪可及时作出反馈。接收到的数据为后续的压裂影响分析提供了有力的帮助，野外测试工作图如图6 所示。

图6 软件野外测试工作图

4 结论

该文基于Windows 平台.NET Framework 框架，使用C#语言开发了一款配合监测压裂微弱电场的交互软件。共编写了软件通信、坐标转换、数据处理、图像显示、发送指令和数据存储六大模块。其中图像显示是该软件的核心模块，用户可以通过该软件实时动态监测压裂电场的变化情况，借助热力图宏观观测压裂对于各个区域的电场变化，以及折线图显示指定仪器一段时间内的电场变化情况，适时发送指令调整仪器的监测状态，提高野外的工作效率，提高了数据的时效性。该软件有占用内存小、操作便捷、人机交互体验好、通用性强等优点，可为类似软件的开发提供技术借鉴。