微地震法的原理

1、1.1監(jiān)測原理微地震法注水井水驅(qū)前緣監(jiān)測是指將井下地震技術(shù)用于探測注水引起的壓力變化從而誘發(fā)的微地震事件,即將高靈敏度的地震傳感器布放于注水井四周相應(yīng)位置上,連續(xù)記錄因注水誘發(fā)的微地震活動。該技術(shù)通過對注水誘發(fā)的微地震數(shù)據(jù)連續(xù)采集記錄,標定出微地震事件，借助于微地震裂縫診斷,在注水過程中得到前緣位置。注水時,由于地層壓力的升高，根據(jù)摩爾-庫倫準則，在壓力升高區(qū)會發(fā)生微地震。摩爾-庫倫準則可以寫為： (1-1)式左側(cè)不小于右側(cè)時發(fā)生微地震。式中，是作用在裂縫面上的剪切應(yīng)力；0 是巖石固有的無法向應(yīng)力抗剪斷強度，數(shù)值由幾兆帕到幾十兆帕，沿已有裂縫面錯斷，數(shù)值為零；s1，s2 分別是最大，最小主應(yīng)力

2、；p0是地層壓力；是最大主應(yīng)力與裂縫面法向的夾角。由式可以看出，微震易于沿已有裂縫面發(fā)生。 這時0為零，左側(cè)易于不小于右側(cè)。p0增大，右側(cè)減小，也會使在一些特定的點出現(xiàn)右側(cè)小于左側(cè),這使地層壓力變化成為微地震發(fā)生的必然條件。圖1： 微地震法水驅(qū)前緣監(jiān)測示意圖監(jiān)測分站，分別是a、b、c、d、e、f1.2微地震源定位震源定位過程如下：微地震定位采用矩陣分析理論，以下述走時方程為依據(jù)去計算微地震震源的空間坐標。（1.3）經(jīng)變換，（1.3）式可以改寫為：（1.4）式中，是各分站的p波到時，是發(fā)震時刻；（x1、y1、0）至(x6、y6、0)是各分站坐標；是p波速度;是微震震源的空間坐標。是待求的未知數(shù)。

3、未知數(shù)的個數(shù)少于方程個數(shù)，方程組是可解的。解出四個未知數(shù)的最少方程個數(shù)是四個，這要求至少有四個分站，若有四個分站有記錄信號，便可以進行震源定位。但只有五個以上的站記錄到信號,才會保證足夠的定位精度。（1.4）式可以寫成標準系數(shù)矩陣形式,有很多求解矩陣的方法可以解出;再把代入（1.3）式中就可以得出，就是相對壓裂深度的裂縫高度，由于計算過程的累積作用，高度誤差較大。（1.5）矩陣a寫為：（1.6）矩陣b寫為：（1.7）矩陣k寫為：（1.8）（1.5）式可改寫為：（1.9）是b的逆矩陣。矩陣求逆計算有很多通用的解法，我們可以取得值。實際采用確定深度的方法是綜合考慮各站走時的方法，即對以下一組數(shù)據(jù)作

4、為走時的函數(shù)進行線性回歸，回歸常數(shù)即為相對觀測段的高度：（1.10）依據(jù)上述過程可以確定微地震點的空間位置。1.3地震波傳播理論1.3.1裂縫擴展機制微地震源形成的力學(xué)條件可以寫為:（1.11）式中是微裂縫的半長度；是裂縫中的水壓；是裂縫面的法向應(yīng)力；是巖石斷裂韌性，是巖石的固有強度。由式(2.1)可以看出，破裂的臨界強度由巖石本身的性質(zhì)決定，與激勵條件無關(guān)，只在作用達到破裂條件瞬間才會有微地震發(fā)生，因此微地震信號的強度也與激勵條件無關(guān)。而破裂發(fā)生的頻度是與激勵條件有關(guān)的，激勵強度越大，單位時間發(fā)生的微地震也越多。地震矩張量mpp可以寫為：（1.12）（1.13）由（1.13）式可以得出5個位

5、移分量:一個近場變形位移,二個近場波動位移，二個遠場波動位移。遠近場是以地震波長為標準的，在我們的使用頻段范圍內(nèi)，波長約為幾十米。因此，遠場震相是我們觀測到的主要震相。式中, u3是裂縫面位移,無論裂縫張開、或閉合，只要u3不等于零，就會形成微地震。由式(1.12)可以看出,注水若使地層壓力稍有變化，裂縫寬度就會發(fā)生變化，使u3不為零，形成微地震。這為用微地震監(jiān)測注水前緣提供了理論基礎(chǔ)。監(jiān)測注水前緣本質(zhì)上是監(jiān)測地層壓力變化前緣。由位移形成的p波位移震幅可以寫為：（1.14）（1.15）這里：，分別是觀測點相對于震源的仰角和方位角，是p波波速，、是拉梅常數(shù)，是考慮時間延遲的震源介質(zhì)振動的速度幅度

6、， r是傳播途徑，是傳播介質(zhì)密度，。在地面觀測時，可以假定=0，在觀測點的p波位移可以寫為：（1.16）在井下觀測時，可以假定=/2，在觀測點的p波位移可以寫為： （1.17）地震波傳播理論為地震信號分析提供了依據(jù)。儀器要求及配置引用標準和規(guī)范：gb 31003102 量和單位、zb d 82005-88、地質(zhì)儀器產(chǎn)品基本安全要求、勞動法、環(huán)保法。測試施工需要滿足條件 作業(yè)單位必須具備以下設(shè)備和人員及其他條件,方可允許進行微地震法水驅(qū)前緣測試作業(yè)。測試儀器：微地震監(jiān)測（無源微地震地下三維裂縫監(jiān)測）工程儀器應(yīng)具有以下性能標準：1、 監(jiān)測儀主站和分站之間可為無線傳輸，也可為有線傳輸。傳輸距離應(yīng)不小

7、于2000m，野外條件（如惡劣天氣、地形起伏、物體遮擋）下實際傳輸距離應(yīng)不小于1000m。2、 儀器采樣率每秒每道不低于1000次，采樣位不低于12位，傳輸?shù)挠行徊簧儆?0位。3、 儀器系統(tǒng)頻帶為50250hz，硬件應(yīng)排除頻帶以外的噪音信號。4、 到時分辨率不大于0.2ms。5、 速度型拾震器應(yīng)采用國家定點單位生產(chǎn)的標準儀器，40-200周幅度平坦。6、 儀器在2050條件下工作正常。7、 儀器連續(xù)工作時間不得少于4h。8、 裝有拾震器的分站儀器放在防震箱內(nèi)，跌落試驗采用dz28.6-84標準。9、 儀器在80相對濕度條件下工作正常。10、儀器振動試驗采用dz28.3-84標準。11、儀器的

8、平均故障率為3，即野外測量300次僅允許出現(xiàn)一次故障。12、無輻射要求微地震法水驅(qū)前緣測試解釋軟件標準監(jiān)測儀器的軟件應(yīng)具有以下性能，軟件滿足儀器硬件的相應(yīng)條件；一、儀器現(xiàn)場監(jiān)測微地震信號時，軟件應(yīng)滿足如下7個標準：1、速度信號的前升起特征微地震信號至少有3個以上周期信號幅度遞升；2、速度信號的后衰減特征微地震信號達到最大幅度后，有3個以上周期信號幅度遞減；3、速度信號的頻譜特征微地震信號頻率明顯高于噪聲背景；4、速度信號的幅度特征微地震信號幅度有別于噪聲背景；5、速度信號的包絡(luò)特征微地震信號形成一個單立的波包；6、速度信號的拐點特征微地震信號的頻譜由高頻、低頻二部分組成，由拐點計算出地震應(yīng)力降

9、符合理論值；7、互相關(guān)特征在站臺分布所允許的時差范圍內(nèi)，大于5道信號存在著互相關(guān)；二、資料回放后處理軟件,應(yīng)再增加如下6個標準：1、加速度信號的前升起特征微地震信號至少有3個以上周期信號幅度遞升；2、加速度信號的后衰減特征微地震信號達到最大幅度后，至少有3個以上周期信號幅度遞減；3、加速度信號的頻譜特征微地震信號頻率明顯高于噪聲背景；4、加速度信號的幅度特征微地震信號幅度有別于噪聲背景；5、加速度信號的包絡(luò)特征微地震信號形成一個單立的波包；6、加速度信號的拐點特征微地震信號的頻譜由高頻、低頻二部分組成；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集筆記本計算機配置技術(shù)標準1、鐘頻大于1g，內(nèi)存大于1g，硬盤大于40g.手持gp

10、s衛(wèi)星定位儀的技術(shù)標準1、手持gps衛(wèi)星定位儀須在市場上購買，其應(yīng)具有的功能如下：2、具有全國大中城市公路網(wǎng)和全國大中城市詳圖。3、在零下15零上70條件下正常工作。4、接收機并行12通道，可接收差分信號。5、更新率1次/s，連續(xù)。 6、水平精度 3m rsm(收星良好時)7、速度精度0.05m/s（穩(wěn)定狀態(tài)）手持通訊電臺的技術(shù)標準1、手持通訊電臺的通訊距離應(yīng)不小于1000m.2、選擇手持通訊電臺時應(yīng)考慮電臺發(fā)射頻率不干擾裂縫監(jiān)測儀器的正常工作。3、備用電源標準 ( 監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集專用筆記本計算機)4、備用電源須自行研制，為dc.18.5v的直流電源,供電時間應(yīng)大于8hac/dc轉(zhuǎn)換器標準a

11、c/dc轉(zhuǎn)換器，又稱之為逆變電源（直流轉(zhuǎn)換為交流220v）當(dāng)野外長時間監(jiān)測時可作為備用電源供計算機使用。可外購150w規(guī)格的acdc轉(zhuǎn)換器，若聯(lián)接其它用電器如照明燈等，可外購大于300w的dcac轉(zhuǎn)換器。施工步驟現(xiàn)場使用無源微地震地下（淺埋式）三維裂縫監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測。具體施工步驟如下：1、第一天，通知生產(chǎn)單位將所要測試的水井停注24小時，使注水壓力下降。并到現(xiàn)場勘察被監(jiān)測井的位置、地形、地貌。并且布置儀器分站站點。2、第二天，到現(xiàn)場查看注水井油壓數(shù)據(jù)并記錄，開始靜態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測的時間為90分鐘。順利監(jiān)測后，通知生產(chǎn)單位打開注水井調(diào)至正常注水狀態(tài)，120分鐘后，進行第一次正常注水測試，測試時間為

12、：90分鐘。然后，再從正常注水時間算起得第八個小時，進行第二次正常注水測試，測試時間為：90分鐘。并由生產(chǎn)單位現(xiàn)場人員簽字確認單。3、第三天，到現(xiàn)場查注水井油壓數(shù)據(jù)，開始第三次正常注水監(jiān)測（正常注水24小時后），監(jiān)測的時間為90分鐘。順利監(jiān)測后，并由生產(chǎn)單位現(xiàn)場人員簽字確認單。4、監(jiān)測操作規(guī)程說明：測狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)將自動采集、并處理數(shù)據(jù)，實時顯示微震點。監(jiān)測時間到達后，并當(dāng)微震事件圖形完全穩(wěn)定并符合質(zhì)量要求時,完成本次現(xiàn)場監(jiān)測，保存數(shù)據(jù)。（2）、到各分站點，起拔淺埋式檢波器、裝箱、打包完成本次現(xiàn)場監(jiān)測，同時通知注水站監(jiān)測結(jié)束，恢復(fù)正常生產(chǎn)。5、分站布置要求：（1）、利用井斜數(shù)據(jù)確定監(jiān)測井中靶坐標點對地面投影的投影點。并以此投影點為坐標原點，布置6個監(jiān)測分站。（2）、用高精度gps測量井口及各分站坐標，從而獲得各分站相對坐標。（3）、分站盡可能布置在以原點為中心、各分站與坐標原點的