三分量微地震裂縫監測儀的設計及應用　

作者 董翰川1,2 吳悅1,2 楊凱1,2 龐麗麗1,2 宋繼武1,2

　　1.中國地質(zhì)調查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調查中心(河北 保定 071051)

　　2.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室(河北 保定 071051)

*基金項目：川渝頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)區1:5萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)調查(編號：DD20160253)

董翰川(1985-)，男，碩士，工程師，研究方向：地質(zhì)災害監測預警技術(shù)。

摘要：以STM32F4和CS536芯片為核心部件，設計了一種三分量微地震裂縫監測儀，主要用于頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中微地震事件的捕捉。選用能夠同時(shí)記錄縱波、橫波和轉換波的三分量檢波器用于感知質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)加速度。闡述了監測儀的工作原理和軟硬件設計思路，并在涪陵國家級頁(yè)巖氣示范區的焦石鎮開(kāi)展了野外應用試驗。通過(guò)分析，三分量微地震監測儀能夠較真實(shí)地反映震源位置及裂縫的發(fā)育程度，可作為了解頁(yè)巖氣水壓裂對深部地質(zhì)結構影響的技術(shù)手段。

0 引言

　　近年來(lái)，非常規資源開(kāi)發(fā)在全世界掀起熱潮，微地震監測技術(shù)成為低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域內一項重要技術(shù)^[1-2]，該技術(shù)在油氣藏開(kāi)采過(guò)程中可以?xún)?yōu)化注采程序、適時(shí)調整水力壓裂參數、及時(shí)修正壓裂作業(yè)程序、優(yōu)化增產(chǎn)措施，從而降低開(kāi)采成本、提高油氣藏產(chǎn)量，能夠大大縮短和降低油氣儲層監測的周期與費用^[3-5]。因此，微地震監測技術(shù)已廣泛應用于水力壓裂裂縫監測、油氣藏動(dòng)態(tài)監測、注水監測等領(lǐng)域，并獲得了油氣界的高度認可^[6-8]。

　　我國的微地震監測技術(shù)研究起步較晚，受技術(shù)引入時(shí)間較短、對技術(shù)掌握程度不夠等因素影響，國內油氣藏開(kāi)采領(lǐng)域進(jìn)行的微地震監測方面均采用國外技術(shù)與服務(wù)(如斯倫貝謝等公司)，國內微地震監測裝備方面尚處于空白，沒(méi)有自主知識產(chǎn)權的微地震監測設備^[9-10]。

1 微地震監測儀概況及原理

　　1.1 概況

　　油氣藏開(kāi)采過(guò)程中水力壓裂等工程活動(dòng)容易造成地層巖石開(kāi)裂形成裂縫，微地震監測儀主要用于對該裂縫的幾何形狀及發(fā)育程度進(jìn)行捕捉。地層巖石破裂主要張性破裂和剪切破裂兩種形式^[11]，微地震監測儀采用三分量監測技術(shù)監測剪切破裂。剪切破裂過(guò)程中產(chǎn)生縱波和橫波，每個(gè)微地震事件都是縱波在前，橫波在后，且在傳播方向上有三個(gè)分量：兩個(gè)水平分量X、Y和一個(gè)垂直分量Z。微地震監測儀通過(guò)三個(gè)分量加速度數據的采集分析，實(shí)現微地震事件的定位。受中國地質(zhì)調查局地質(zhì)調查項目“川渝頁(yè)巖氣勘查開(kāi)發(fā)區1:5萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)調查”資金支持，該裝備已在重慶市涪陵區焦石鎮頁(yè)巖氣開(kāi)采區進(jìn)行野外試驗。

　　1.2 微地震監測技術(shù)原理

　　微地震監測技術(shù)是近年來(lái)應用較廣泛的新型地球物理技術(shù)，其基礎是聲發(fā)射和地震學(xué)，主要用于油氣田開(kāi)采過(guò)程中對微小地震事件的捕捉。其原理是通過(guò)觀(guān)測和分析油氣開(kāi)采活動(dòng)中(如水力壓裂)在地下深部產(chǎn)生的巖石開(kāi)裂等微小地震事件，對觀(guān)測到的微地震數據進(jìn)行處理和解譯，并生成圖像，從而更好地認識巖石裂縫的幾何形狀、方位、傾角、連通性、密度等。根據監測方式不同，通常將微地震監測分為觀(guān)測井監測和地表(或近地表)監測兩種方式^[4]，本文采用后一種方式。

2 監測儀硬件設計

　　微地震監測儀采用三分量檢波器感知X、Y和Z三個(gè)分量加速度值的變化，設備將采集到的三個(gè)加速度模擬量轉換為CPU芯片可識別的數字信息，數據經(jīng)內存處理和分析后存儲于本地SD卡處。監測儀硬件主要包括嵌入式處理器模塊(CPU)、電源模塊、濾波電路模塊、程控增益放大器模塊、模數轉換器模塊(AD)、GPS校時(shí)定位模塊、SD卡存儲模塊，結構如圖1所示。系統的時(shí)間校準工作由GPS電路完成，電路中所有的邏輯時(shí)序控制全部由嵌入式控制器CPU來(lái)完成，各個(gè)模塊電路相互協(xié)同工作完成微地震事件的捕捉。

　　2.1 嵌入式處理器CPU

　　微地震信號的采集是一個(gè)連續采集的過(guò)程，數據量較大且需要實(shí)時(shí)存儲，因此系統在選型上要盡可能地做到低功耗，監測儀選用STM32F4系列的嵌入式處理器作為中央CPU芯片，主頻為168 MHz，實(shí)際性能指標為1.25 DMIPS/MHz，具有較高的能耗比，內部集成256 KB SRAM，可以滿(mǎn)足數據緩存的需要，該處理器I/O接口種類(lèi)較多，具有IIS數據口，配合CPU的DMA中斷模式，用于A(yíng)D數據的快速存取，片外配置16 M SDRAM，用于連續數據的緩存，其結構如圖2所示。

　　2.2 信號電路部分

　　2.2.1 差分輸入電路

　　信號輸入端采用差分輸入方式以抑制共模干擾信號，并使用了低通濾波器抑制高頻噪聲，輸入端接入穩壓二極管，防止外界環(huán)境中靜電的進(jìn)入和傳感器的信號幅度過(guò)大導致芯片損壞，電路如圖3所示。

　　2.2.2 程控增益放大電路

　　程控增益放大電路選擇PGA280AIPW數字運放芯片，CPU通過(guò)SPI接口與芯片進(jìn)行通訊，增益可調，以下發(fā)的數字0～10設定放大倍率，對應放大倍率為1/8～128，輸出信號進(jìn)一步進(jìn)行高頻濾波和差分濾波，減少信號噪聲，電路如圖4所示。

　　2.2.3 模數轉換電路

　　模數轉換電路是微地震信號采集的核心部分，電路選用CS5361音頻AD轉換器，具有192 kHz采樣率，24位分辨率，雙通道輸入，IIS數據接口。AD上電初始化完畢后開(kāi)始運行，以1 kHz的采樣速度雙通道并行采集，數據存入處理器環(huán)形緩沖區，接收到GPS校時(shí)觸發(fā)信號，通過(guò)處理器的DMA管理器搬移緩沖區的數據到外部存儲器，提高了數據處理的速度，電路如圖5所示。