三分量微地震裂缝监测仪的设计及应用　

作者 董翰川1,2 吴悦1,2 杨凯1,2 庞丽丽1,2 宋继武1,2

　　1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心(河北 保定 071051)

　　2.国土资源部地质环境监测技术重点实验室(河北 保定 071051)

*基金项目：川渝页岩气勘查开发区1:5万环境地质调查(编号：DD20160253)

董翰川(1985-)，男，硕士，工程师，研究方向：地质灾害监测预警技术。

摘要：以STM32F4和CS536芯片为核心部件，设计了一种三分量微地震裂缝监测仪，主要用于页岩气开采过程中微地震事件的捕捉。选用能够同时记录纵波、横波和转换波的三分量检波器用于感知质点振动加速度。阐述了监测仪的工作原理和软硬件设计思路，并在涪陵国家级页岩气示范区的焦石镇开展了野外应用试验。通过分析，三分量微地震监测仪能够较真实地反映震源位置及裂缝的发育程度，可作为了解页岩气水压裂对深部地质结构影响的技术手段。

0 引言

　　近年来，非常规资源开发在全世界掀起热潮，微地震监测技术成为低渗透油气藏压裂改造领域内一项重要技术^[1-2]，该技术在油气藏开采过程中可以优化注采程序、适时调整水力压裂参数、及时修正压裂作业程序、优化增产措施，从而降低开采成本、提高油气藏产量，能够大大缩短和降低油气储层监测的周期与费用^[3-5]。因此，微地震监测技术已广泛应用于水力压裂裂缝监测、油气藏动态监测、注水监测等领域，并获得了油气界的高度认可^[6-8]。

　　我国的微地震监测技术研究起步较晚，受技术引入时间较短、对技术掌握程度不够等因素影响，国内油气藏开采领域进行的微地震监测方面均采用国外技术与服务(如斯伦贝谢等公司)，国内微地震监测装备方面尚处于空白，没有自主知识产权的微地震监测设备^[9-10]。

1 微地震监测仪概况及原理

　　1.1 概况

　　油气藏开采过程中水力压裂等工程活动容易造成地层岩石开裂形成裂缝，微地震监测仪主要用于对该裂缝的几何形状及发育程度进行捕捉。地层岩石破裂主要张性破裂和剪切破裂两种形式^[11]，微地震监测仪采用三分量监测技术监测剪切破裂。剪切破裂过程中产生纵波和横波，每个微地震事件都是纵波在前，横波在后，且在传播方向上有三个分量：两个水平分量X、Y和一个垂直分量Z。微地震监测仪通过三个分量加速度数据的采集分析，实现微地震事件的定位。受中国地质调查局地质调查项目“川渝页岩气勘查开发区1:5万环境地质调查”资金支持，该装备已在重庆市涪陵区焦石镇页岩气开采区进行野外试验。

　　1.2 微地震监测技术原理

　　微地震监测技术是近年来应用较广泛的新型地球物理技术，其基础是声发射和地震学，主要用于油气田开采过程中对微小地震事件的捕捉。其原理是通过观测和分析油气开采活动中(如水力压裂)在地下深部产生的岩石开裂等微小地震事件，对观测到的微地震数据进行处理和解译，并生成图像，从而更好地认识岩石裂缝的几何形状、方位、倾角、连通性、密度等。根据监测方式不同，通常将微地震监测分为观测井监测和地表(或近地表)监测两种方式^[4]，本文采用后一种方式。

2 监测仪硬件设计

　　微地震监测仪采用三分量检波器感知X、Y和Z三个分量加速度值的变化，设备将采集到的三个加速度模拟量转换为CPU芯片可识别的数字信息，数据经内存处理和分析后存储于本地SD卡处。监测仪硬件主要包括嵌入式处理器模块(CPU)、电源模块、滤波电路模块、程控增益放大器模块、模数转换器模块(AD)、GPS校时定位模块、SD卡存储模块，结构如图1所示。系统的时间校准工作由GPS电路完成，电路中所有的逻辑时序控制全部由嵌入式控制器CPU来完成，各个模块电路相互协同工作完成微地震事件的捕捉。

　　2.1 嵌入式处理器CPU

　　微地震信号的采集是一个连续采集的过程，数据量较大且需要实时存储，因此系统在选型上要尽可能地做到低功耗，监测仪选用STM32F4系列的嵌入式处理器作为中央CPU芯片，主频为168 MHz，实际性能指标为1.25 DMIPS/MHz，具有较高的能耗比，内部集成256 KB SRAM，可以满足数据缓存的需要，该处理器I/O接口种类较多，具有IIS数据口，配合CPU的DMA中断模式，用于AD数据的快速存取，片外配置16 M SDRAM，用于连续数据的缓存，其结构如图2所示。

　　2.2 信号电路部分

　　2.2.1 差分输入电路

　　信号输入端采用差分输入方式以抑制共模干扰信号，并使用了低通滤波器抑制高频噪声，输入端接入稳压二极管，防止外界环境中静电的进入和传感器的信号幅度过大导致芯片损坏，电路如图3所示。

　　2.2.2 程控增益放大电路

　　程控增益放大电路选择PGA280AIPW数字运放芯片，CPU通过SPI接口与芯片进行通讯，增益可调，以下发的数字0～10设定放大倍率，对应放大倍率为1/8～128，输出信号进一步进行高频滤波和差分滤波，减少信号噪声，电路如图4所示。

　　2.2.3 模数转换电路

　　模数转换电路是微地震信号采集的核心部分，电路选用CS5361音频AD转换器，具有192 kHz采样率，24位分辨率，双通道输入，IIS数据接口。AD上电初始化完毕后开始运行，以1 kHz的采样速度双通道并行采集，数据存入处理器环形缓冲区，接收到GPS校时触发信号，通过处理器的DMA管理器搬移缓冲区的数据到外部存储器，提高了数据处理的速度，电路如图5所示。