三分量微地震裂縫監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)及應(yīng)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(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心(河北 保定 071051)

　　2.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北 保定 071051)

*基金項(xiàng)目：川渝頁巖氣勘查開發(fā)區(qū)1:5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查(編號(hào)：DD20160253)

董翰川(1985-)，男，碩士，工程師，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)。

摘要：以STM32F4和CS536芯片為核心部件，設(shè)計(jì)了一種三分量微地震裂縫監(jiān)測(cè)儀，主要用于頁巖氣開采過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(zhuǎn)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(jiān)測(cè)儀的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)思路，并在涪陵國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)的焦石鎮(zhèn)開展了野外應(yīng)用試驗(yàn)。通過分析，三分量微地震監(jiān)測(cè)儀能夠較真實(shí)地反映震源位置及裂縫的發(fā)育程度，可作為了解頁巖氣水壓裂對(duì)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響的技術(shù)手段。

0 引言

　　近年來，非常規(guī)資源開發(fā)在全世界掀起熱潮，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)成為低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)重要技術(shù)^[1-2]，該技術(shù)在油氣藏開采過程中可以優(yōu)化注采程序、適時(shí)調(diào)整水力壓裂參數(shù)、及時(shí)修正壓裂作業(yè)程序、優(yōu)化增產(chǎn)措施，從而降低開采成本、提高油氣藏產(chǎn)量，能夠大大縮短和降低油氣儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)的周期與費(fèi)用^[3-5]。因此，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)、油氣藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、注水監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，并獲得了油氣界的高度認(rèn)可^[6-8]。

　　我國的微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究起步較晚，受技術(shù)引入時(shí)間較短、對(duì)技術(shù)掌握程度不夠等因素影響，國內(nèi)油氣藏開采領(lǐng)域進(jìn)行的微地震監(jiān)測(cè)方面均采用國外技術(shù)與服務(wù)(如斯倫貝謝等公司)，國內(nèi)微地震監(jiān)測(cè)裝備方面尚處于空白，沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微地震監(jiān)測(cè)設(shè)備^[9-10]。

1 微地震監(jiān)測(cè)儀概況及原理

　　1.1 概況

　　油氣藏開采過程中水力壓裂等工程活動(dòng)容易造成地層巖石開裂形成裂縫，微地震監(jiān)測(cè)儀主要用于對(duì)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(jiān)測(cè)儀采用三分量監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)剪切破裂。剪切破裂過程中產(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(jiān)測(cè)儀通過三個(gè)分量加速度數(shù)據(jù)的采集分析，實(shí)現(xiàn)微地震事件的定位。受中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“川渝頁巖氣勘查開發(fā)區(qū)1:5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”資金支持，該裝備已在重慶市涪陵區(qū)焦石鎮(zhèn)頁巖氣開采區(qū)進(jìn)行野外試驗(yàn)。

　　1.2 微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

　　微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來應(yīng)用較廣泛的新型地球物理技術(shù)，其基礎(chǔ)是聲發(fā)射和地震學(xué)，主要用于油氣田開采過程中對(duì)微小地震事件的捕捉。其原理是通過觀測(cè)和分析油氣開采活動(dòng)中(如水力壓裂)在地下深部產(chǎn)生的巖石開裂等微小地震事件，對(duì)觀測(cè)到的微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和解譯，并生成圖像，從而更好地認(rèn)識(shí)巖石裂縫的幾何形狀、方位、傾角、連通性、密度等。根據(jù)監(jiān)測(cè)方式不同，通常將微地震監(jiān)測(cè)分為觀測(cè)井監(jiān)測(cè)和地表(或近地表)監(jiān)測(cè)兩種方式^[4]，本文采用后一種方式。

2 監(jiān)測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)

　　微地震監(jiān)測(cè)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(shè)備將采集到的三個(gè)加速度模擬量轉(zhuǎn)換為CPU芯片可識(shí)別的數(shù)字信息，數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)存處理和分析后存儲(chǔ)于本地SD卡處。監(jiān)測(cè)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(shù)轉(zhuǎn)換器模塊(AD)、GPS校時(shí)定位模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的時(shí)間校準(zhǔn)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(hào)的采集是一個(gè)連續(xù)采集的過程，數(shù)據(jù)量較大且需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，因此系統(tǒng)在選型上要盡可能地做到低功耗，監(jiān)測(cè)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(biāo)為1.25 DMIPS/MHz，具有較高的能耗比，內(nèi)部集成256 KB SRAM，可以滿足數(shù)據(jù)緩存的需要，該處理器I/O接口種類較多，具有IIS數(shù)據(jù)口，配合CPU的DMA中斷模式，用于AD數(shù)據(jù)的快速存取，片外配置16 M SDRAM，用于連續(xù)數(shù)據(jù)的緩存，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2 信號(hào)電路部分

　　2.2.1 差分輸入電路

　　信號(hào)輸入端采用差分輸入方式以抑制共模干擾信號(hào)，并使用了低通濾波器抑制高頻噪聲，輸入端接入穩(wěn)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(hào)幅度過大導(dǎo)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(shù)字運(yùn)放芯片，CPU通過SPI接口與芯片進(jìn)行通訊，增益可調(diào)，以下發(fā)的數(shù)字0～10設(shè)定放大倍率，對(duì)應(yīng)放大倍率為1/8～128，輸出信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行高頻濾波和差分濾波，減少信號(hào)噪聲，電路如圖4所示。

　　2.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是微地震信號(hào)采集的核心部分，電路選用CS5361音頻AD轉(zhuǎn)換器，具有192 kHz采樣率，24位分辨率，雙通道輸入，IIS數(shù)據(jù)接口。AD上電初始化完畢后開始運(yùn)行，以1 kHz的采樣速度雙通道并行采集，數(shù)據(jù)存入處理器環(huán)形緩沖區(qū)，接收到GPS校時(shí)觸發(fā)信號(hào)，通過處理器的DMA管理器搬移緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)到外部存儲(chǔ)器，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，電路如圖5所示。