三分量微地震裂縫監(jiān)測儀的設(shè)計及應(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)測技術(shù)重點實驗室(河北 保定 071051)

*基金項目：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：DD20160253)

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

摘要：以STM32F4和CS536芯片為核心部件，設(shè)計了一種三分量微地震裂縫監(jiān)測儀，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)點振動加速度。闡述了監(jiān)測儀的工作原理和軟硬件設(shè)計思路，并在涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)的焦石鎮(zhèn)開展了野外應(yīng)用試驗。通過分析，三分量微地震監(jiān)測儀能夠較真實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)測技術(shù)成為低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域內(nèi)一項重要技術(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、適時調(diào)整水力壓裂參數(shù)、及時修正壓裂作業(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層監(jiān)測的周期與費用^[3-5]。因此，微地震監(jiān)測技術(shù)已廣泛應(yīng)用于水力壓裂裂縫監(jiān)測、油氣藏動態(tài)監(jiān)測、注水監(jiān)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(jiān)測技術(shù)研究起步較晚，受技術(shù)引入時間較短、對技術(shù)掌握程度不夠等因素影響，國內(nèi)油氣藏開采領(lǐng)域進行的微地震監(jiān)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(nèi)微地震監(jiān)測裝備方面尚處于空白，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的微地震監(jiān)測設(shè)備^[9-10]。

1 微地震監(jiān)測儀概況及原理

　　1.1 概況

　　油氣藏開采過程中水力壓裂等工程活動容易造成地層巖石開裂形成裂縫，微地震監(jiān)測儀主要用于對該裂縫的幾何形狀及發(fā)育程度進行捕捉。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)測儀采用三分量監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測剪切破裂。剪切破裂過程中產(chǎn)生縱波和橫波，每個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分量：兩個水平分量X、Y和一個垂直分量Z。微地震監(jiān)測儀通過三個分量加速度數(shù)據(jù)的采集分析，實現(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)進行野外試驗。

　　1.2 微地震監(jiān)測技術(shù)原理

　　微地震監(jiān)測技術(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微小地震事件的捕捉。其原理是通過觀測和分析油氣開采活動中(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，對觀測到的微地震數(shù)據(jù)進行處理和解譯，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(jù)監(jiān)測方式不同，通常將微地震監(jiān)測分為觀測井監(jiān)測和地表(或近地表)監(jiān)測兩種方式^[4]，本文采用后一種方式。

2 監(jiān)測儀硬件設(shè)計

　　微地震監(jiān)測儀采用三分量檢波器感知X、Y和Z三個分量加速度值的變化，設(shè)備將采集到的三個加速度模擬量轉(zhuǎn)換為CPU芯片可識別的數(shù)字信息，數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)存處理和分析后存儲于本地SD卡處。監(jiān)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(shù)轉(zhuǎn)換器模塊(AD)、GPS校時定位模塊、SD卡存儲模塊，結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的時間校準(zhǔn)工作由GPS電路完成，電路中所有的邏輯時序控制全部由嵌入式控制器CPU來完成，各個模塊電路相互協(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連續(xù)采集的過程，數(shù)據(jù)量較大且需要實時存儲，因此系統(tǒng)在選型上要盡可能地做到低功耗，監(jiān)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(wěn)壓二極管，防止外界環(huán)境中靜電的進入和傳感器的信號幅度過大導(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)字運放芯片，CPU通過SPI接口與芯片進行通訊，增益可調(diào)，以下發(fā)的數(shù)字0～10設(shè)定放大倍率，對應(yīng)放大倍率為1/8～128，輸出信號進一步進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(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　模數(shù)轉(zhuǎn)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(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校時觸發(fā)信號，通過處理器的DMA管理器搬移緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)到外部存儲器，提高了數(shù)據(jù)處理的速度，電路如圖5所示。