微地震法的原理

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1、1.1监测原理微地震法注水井水驱前缘监测是指将井下地震技术用于探测注水引起的压力变化从而诱发的微地震事件,即将高灵敏度的地震传感器布放于注水井四周相应位置上,连续记录因注水诱发的微地震活动。该技术通过对注水诱发的微地震数据连续采集记录,标定出微地震事件，借助于微地震裂缝诊断,在注水过程中得到前缘位置。注水时,由于地层压力的升高，根据摩尔-库伦准则，在压力升高区会发生微地震。摩尔-库伦准则可以写为： (1-1)式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，是作用在裂缝面上的剪切应力；0 是岩石固有的无法向应力抗剪断强度，数值由几兆帕到几十兆帕，沿已有裂缝面错断，数值为零；S1，S2 分别是最大，最小主应力

2、；P0是地层压力；是最大主应力与裂缝面法向的夹角。由式可以看出，微震易于沿已有裂缝面发生。 这时0为零，左侧易于不小于右侧。P0增大，右侧减小，也会使在一些特定的点出现右侧小于左侧,这使地层压力变化成为微地震发生的必然条件。图1： 微地震法水驱前缘监测示意图监测分站，分别是A、B、C、D、E、F1.2微地震源定位震源定位过程如下：微地震定位采用矩阵分析理论，以下述走时方程为依据去计算微地震震源的空间坐标。（1.3）经变换，（1.3）式可以改写为：（1.4）式中，是各分站的P波到时，是发震时刻；（x1、y1、0）至(x6、y6、0)是各分站坐标；是P波速度;是微震震源的空间坐标。是待求的未知数。

3、未知数的个数少于方程个数，方程组是可解的。解出四个未知数的最少方程个数是四个，这要求至少有四个分站，若有四个分站有记录信号，便可以进行震源定位。但只有五个以上的站记录到信号,才会保证足够的定位精度。（1.4）式可以写成标准系数矩阵形式,有很多求解矩阵的方法可以解出;再把代入（1.3）式中就可以得出，就是相对压裂深度的裂缝高度，由于计算过程的累积作用，高度误差较大。（1.5）矩阵A写为：（1.6）矩阵B写为：（1.7）矩阵K写为：（1.8）（1.5）式可改写为：（1.9）是B的逆矩阵。矩阵求逆计算有很多通用的解法，我们可以取得值。实际采用确定深度的方法是综合考虑各站走时的方法，即对以下一组数据作

4、为走时的函数进行线性回归，回归常数即为相对观测段的高度：（1.10）依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。1.3地震波传播理论1.3.1裂缝扩展机制微地震源形成的力学条件可以写为:（1.11）式中是微裂缝的半长度；是裂缝中的水压；是裂缝面的法向应力；是岩石断裂韧性，是岩石的固有强度。由式(2.1)可以看出，破裂的临界强度由岩石本身的性质决定，与激励条件无关，只在作用达到破裂条件瞬间才会有微地震发生，因此微地震信号的强度也与激励条件无关。而破裂发生的频度是与激励条件有关的，激励强度越大，单位时间发生的微地震也越多。地震矩张量MPP可以写为：（1.12）（1.13）由（1.13）式可以得出5个位

5、移分量:一个近场变形位移,二个近场波动位移，二个远场波动位移。远近场是以地震波长为标准的，在我们的使用频段范围内，波长约为几十米。因此，远场震相是我们观测到的主要震相。式中, u3是裂缝面位移,无论裂缝张开、或闭合，只要u3不等于零，就会形成微地震。由式(1.12)可以看出,注水若使地层压力稍有变化，裂缝宽度就会发生变化，使u3不为零，形成微地震。这为用微地震监测注水前缘提供了理论基础。监测注水前缘本质上是监测地层压力变化前缘。由位移形成的P波位移震幅可以写为：（1.14）（1.15）这里：，分别是观测点相对于震源的仰角和方位角，是P波波速，、是拉梅常数，是考虑时间延迟的震源介质振动的速度幅度

6、， r是传播途径，是传播介质密度，。在地面观测时，可以假定=0，在观测点的P波位移可以写为：（1.16）在井下观测时，可以假定=/2，在观测点的P波位移可以写为： （1.17）地震波传播理论为地震信号分析提供了依据。仪器要求及配置引用标准和规范：GB 31003102 量和单位、ZB D 82005-88、地质仪器产品基本安全要求、劳动法、环保法。测试施工需要满足条件 作业单位必须具备以下设备和人员及其他条件,方可允许进行微地震法水驱前缘测试作业。测试仪器：微地震监测（无源微地震地下三维裂缝监测）工程仪器应具有以下性能标准：1、 监测仪主站和分站之间可为无线传输，也可为有线传输。传输距离应不小

7、于2000m，野外条件（如恶劣天气、地形起伏、物体遮挡）下实际传输距离应不小于1000m。2、 仪器采样率每秒每道不低于1000次，采样位不低于12位，传输的有效位不少于10位。3、 仪器系统频带为50250Hz，硬件应排除频带以外的噪音信号。4、 到时分辨率不大于0.2ms。5、 速度型拾震器应采用国家定点单位生产的标准仪器，40-200周幅度平坦。6、 仪器在2050条件下工作正常。7、 仪器连续工作时间不得少于4h。8、 装有拾震器的分站仪器放在防震箱内，跌落试验采用DZ28.6-84标准。9、 仪器在80相对湿度条件下工作正常。10、仪器振动试验采用DZ28.3-84标准。11、仪器的

8、平均故障率为3，即野外测量300次仅允许出现一次故障。12、无辐射要求微地震法水驱前缘测试解释软件标准监测仪器的软件应具有以下性能，软件满足仪器硬件的相应条件；一、仪器现场监测微地震信号时，软件应满足如下7个标准：1、速度信号的前升起特征微地震信号至少有3个以上周期信号幅度递升；2、速度信号的后衰减特征微地震信号达到最大幅度后，有3个以上周期信号幅度递减；3、速度信号的频谱特征微地震信号频率明显高于噪声背景；4、速度信号的幅度特征微地震信号幅度有别于噪声背景；5、速度信号的包络特征微地震信号形成一个单立的波包；6、速度信号的拐点特征微地震信号的频谱由高频、低频二部分组成，由拐点计算出地震应力降

9、符合理论值；7、互相关特征在站台分布所允许的时差范围内，大于5道信号存在着互相关；二、资料回放后处理软件,应再增加如下6个标准：1、加速度信号的前升起特征微地震信号至少有3个以上周期信号幅度递升；2、加速度信号的后衰减特征微地震信号达到最大幅度后，至少有3个以上周期信号幅度递减；3、加速度信号的频谱特征微地震信号频率明显高于噪声背景；4、加速度信号的幅度特征微地震信号幅度有别于噪声背景；5、加速度信号的包络特征微地震信号形成一个单立的波包；6、加速度信号的拐点特征微地震信号的频谱由高频、低频二部分组成；现场数据采集笔记本计算机配置技术标准1、钟频大于1G，内存大于1G，硬盘大于40G.手持GP

10、S卫星定位仪的技术标准1、手持GPS卫星定位仪须在市场上购买，其应具有的功能如下：2、具有全国大中城市公路网和全国大中城市详图。3、在零下15零上70条件下正常工作。4、接收机并行12通道，可接收差分信号。5、更新率1次/s，连续。 6、水平精度 3m RSM(收星良好时)7、速度精度0.05m/s（稳定状态）手持通讯电台的技术标准1、手持通讯电台的通讯距离应不小于1000m.2、选择手持通讯电台时应考虑电台发射频率不干扰裂缝监测仪器的正常工作。3、备用电源标准 ( 监测现场数据采集专用笔记本计算机)4、备用电源须自行研制，为DC.18.5V的直流电源,供电时间应大于8hAC/DC转换器标准A

11、C/DC转换器，又称之为逆变电源（直流转换为交流220V）当野外长时间监测时可作为备用电源供计算机使用。可外购150W规格的ACDC转换器，若联接其它用电器如照明灯等，可外购大于300W的DCAC转换器。施工步骤现场使用无源微地震地下（浅埋式）三维裂缝监测系统进行监测。具体施工步骤如下：1、第一天，通知生产单位将所要测试的水井停注24小时，使注水压力下降。并到现场勘察被监测井的位置、地形、地貌。并且布置仪器分站站点。2、第二天，到现场查看注水井油压数据并记录，开始静态监测，监测的时间为90分钟。顺利监测后，通知生产单位打开注水井调至正常注水状态，120分钟后，进行第一次正常注水测试，测试时间为

12、：90分钟。然后，再从正常注水时间算起得第八个小时，进行第二次正常注水测试，测试时间为：90分钟。并由生产单位现场人员签字确认单。3、第三天，到现场查注水井油压数据，开始第三次正常注水监测（正常注水24小时后），监测的时间为90分钟。顺利监测后，并由生产单位现场人员签字确认单。4、监测操作规程说明：测状态，监测系统将自动采集、并处理数据，实时显示微震点。监测时间到达后，并当微震事件图形完全稳定并符合质量要求时,完成本次现场监测，保存数据。（2）、到各分站点，起拔浅埋式检波器、装箱、打包完成本次现场监测，同时通知注水站监测结束，恢复正常生产。5、分站布置要求：（1）、利用井斜数据确定监测井中靶坐标点对地面投影的投影点。并以此投影点为坐标原点，布置6个监测分站。（2）、用高精度GPS测量井口及各分站坐标，从而获得各分站相对坐标。（3）、分站尽可能布置在以原点为中心、各分站与坐标原点的距离控制在监测井垂深的10%20%范围内（因地形因素，分站点布置可能会受到限制）。分站点呈不规则形状在监测井四个象限范围内。6、其它技术要求（1）、根据现场经验及采集更多有效的监测数据，监测的二个阶段压力差应当在大于或等于0.5Mpa。（2）、监测前，先打开主站仪器，调试主、分站之间通信联络，进行参数设置，适应背景噪音。（3）、如果有干扰井，建议关停周围500m范围内相同层位的注水井。