微地震法的原理

1、1.1監(jiān)測(cè)原理微地震法注水井水驅(qū)前緣監(jiān)測(cè)是指將井下地震技術(shù)用于探測(cè)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(dòng)。該技術(shù)通過對(duì)注水誘發(fā)的微地震數(shù)據(jù)連續(xù)采集記錄,標(biāo)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(shí),由于地層壓力的升高，根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，在壓力升高區(qū)會(huì)發(fā)生微地震。摩爾-庫倫準(zhǔn)則可以寫為： (1-1)式左側(cè)不小于右側(cè)時(shí)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(qiáng)度，數(shù)值由幾兆帕到幾十兆帕，沿已有裂縫面錯(cuò)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(shí)0為零，左側(cè)易于不小于右側(cè)。p0增大，右側(cè)減小，也會(huì)使在一些特定的點(diǎn)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(cè)示意圖監(jiān)測(cè)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(shí)方程為依據(jù)去計(jì)算微地震震源的空間坐標(biāo)。（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(shí)，是發(fā)震時(shí)刻；（x1、y1、0）至(x6、y6、0)是各分站坐標(biāo)；是p波速度;是微震震源的空間坐標(biāo)。是待求的未知數(shù)。

3、未知數(shù)的個(gè)數(shù)少于方程個(gè)數(shù)，方程組是可解的。解出四個(gè)未知數(shù)的最少方程個(gè)數(shù)是四個(gè)，這要求至少有四個(gè)分站，若有四個(gè)分站有記錄信號(hào)，便可以進(jìn)行震源定位。但只有五個(gè)以上的站記錄到信號(hào),才會(huì)保證足夠的定位精度。（1.4）式可以寫成標(biāo)準(zhǔn)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(duì)壓裂深度的裂縫高度，由于計(jì)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(jì)算有很多通用的解法，我們可以取得值。實(shí)際采用確定深度的方法是綜合考慮各站走時(shí)的方法，即對(duì)以下一組數(shù)據(jù)作

4、為走時(shí)的函數(shù)進(jìn)行線性回歸，回歸常數(shù)即為相對(duì)觀測(cè)段的高度：（1.10）依據(jù)上述過程可以確定微地震點(diǎn)的空間位置。1.3地震波傳播理論1.3.1裂縫擴(kuò)展機(jī)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(zhǎng)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(qiáng)度。由式(2.1)可以看出，破裂的臨界強(qiáng)度由巖石本身的性質(zhì)決定，與激勵(lì)條件無關(guān)，只在作用達(dá)到破裂條件瞬間才會(huì)有微地震發(fā)生，因此微地震信號(hào)的強(qiáng)度也與激勵(lì)條件無關(guān)。而破裂發(fā)生的頻度是與激勵(lì)條件有關(guān)的，激勵(lì)強(qiáng)度越大，單位時(shí)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(gè)位

5、移分量:一個(gè)近場(chǎng)變形位移,二個(gè)近場(chǎng)波動(dòng)位移，二個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)波動(dòng)位移。遠(yuǎn)近場(chǎng)是以地震波長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)的，在我們的使用頻段范圍內(nèi)，波長(zhǎng)約為幾十米。因此，遠(yuǎn)場(chǎng)震相是我們觀測(cè)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(huì)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(huì)發(fā)生變化，使u3不為零，形成微地震。這為用微地震監(jiān)測(cè)注水前緣提供了理論基礎(chǔ)。監(jiān)測(cè)注水前緣本質(zhì)上是監(jiān)測(cè)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(cè)點(diǎn)相對(duì)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(shí)間延遲的震源介質(zhì)振動(dòng)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(cè)時(shí)，可以假定=0，在觀測(cè)點(diǎn)的p波位移可以寫為：（1.16）在井下觀測(cè)時(shí)，可以假定=/2，在觀測(cè)點(diǎn)的p波位移可以寫為： （1.17）地震波傳播理論為地震信號(hào)分析提供了依據(jù)。儀器要求及配置引用標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)法、環(huán)保法。測(cè)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(jìn)行微地震法水驅(qū)前緣測(cè)試作業(yè)。測(cè)試儀器：微地震監(jiān)測(cè)（無源微地震地下三維裂縫監(jiān)測(cè)）工程儀器應(yīng)具有以下性能標(biāo)準(zhǔn)：1、 監(jiān)測(cè)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(shí)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(hào)。4、 到時(shí)分辨率不大于0.2ms。5、 速度型拾震器應(yīng)采用國家定點(diǎn)單位生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(yàn)采用dz28.6-84標(biāo)準(zhǔn)。9、 儀器在80相對(duì)濕度條件下工作正常。10、儀器振動(dòng)試驗(yàn)采用dz28.3-84標(biāo)準(zhǔn)。11、儀器的

8、平均故障率為3，即野外測(cè)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(cè)試解釋軟件標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)微地震信號(hào)時(shí)，軟件應(yīng)滿足如下7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1、速度信號(hào)的前升起特征微地震信號(hào)至少有3個(gè)以上周期信號(hào)幅度遞升；2、速度信號(hào)的后衰減特征微地震信號(hào)達(dá)到最大幅度后，有3個(gè)以上周期信號(hào)幅度遞減；3、速度信號(hào)的頻譜特征微地震信號(hào)頻率明顯高于噪聲背景；4、速度信號(hào)的幅度特征微地震信號(hào)幅度有別于噪聲背景；5、速度信號(hào)的包絡(luò)特征微地震信號(hào)形成一個(gè)單立的波包；6、速度信號(hào)的拐點(diǎn)特征微地震信號(hào)的頻譜由高頻、低頻二部分組成，由拐點(diǎn)計(jì)算出地震應(yīng)力降

9、符合理論值；7、互相關(guān)特征在站臺(tái)分布所允許的時(shí)差范圍內(nèi)，大于5道信號(hào)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)：1、加速度信號(hào)的前升起特征微地震信號(hào)至少有3個(gè)以上周期信號(hào)幅度遞升；2、加速度信號(hào)的后衰減特征微地震信號(hào)達(dá)到最大幅度后，至少有3個(gè)以上周期信號(hào)幅度遞減；3、加速度信號(hào)的頻譜特征微地震信號(hào)頻率明顯高于噪聲背景；4、加速度信號(hào)的幅度特征微地震信號(hào)幅度有別于噪聲背景；5、加速度信號(hào)的包絡(luò)特征微地震信號(hào)形成一個(gè)單立的波包；6、加速度信號(hào)的拐點(diǎn)特征微地震信號(hào)的頻譜由高頻、低頻二部分組成；現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集筆記本計(jì)算機(jī)配置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)1、手持gps衛(wèi)星定位儀須在市場(chǎng)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(jī)并行12通道，可接收差分信號(hào)。5、更新率1次/s，連續(xù)。 6、水平精度 3m rsm(收星良好時(shí))7、速度精度0.05m/s（穩(wěn)定狀態(tài)）手持通訊電臺(tái)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1、手持通訊電臺(tái)的通訊距離應(yīng)不小于1000m.2、選擇手持通訊電臺(tái)時(shí)應(yīng)考慮電臺(tái)發(fā)射頻率不干擾裂縫監(jiān)測(cè)儀器的正常工作。3、備用電源標(biāo)準(zhǔn) ( 監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集專用筆記本計(jì)算機(jī))4、備用電源須自行研制，為dc.18.5v的直流電源,供電時(shí)間應(yīng)大于8hac/dc轉(zhuǎn)換器標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)可作為備用電源供計(jì)算機(jī)使用?？赏赓?50w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(chǎng)使用無源微地震地下（淺埋式）三維裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。具體施工步驟如下：1、第一天，通知生產(chǎn)單位將所要測(cè)試的水井停注24小時(shí)，使注水壓力下降。并到現(xiàn)場(chǎng)勘察被監(jiān)測(cè)井的位置、地形、地貌。并且布置儀器分站站點(diǎn)。2、第二天，到現(xiàn)場(chǎng)查看注水井油壓數(shù)據(jù)并記錄，開始靜態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的時(shí)間為90分鐘。順利監(jiān)測(cè)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(jìn)行第一次正常注水測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為

12、：90分鐘。然后，再從正常注水時(shí)間算起得第八個(gè)小時(shí)，進(jìn)行第二次正常注水測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為：90分鐘。并由生產(chǎn)單位現(xiàn)場(chǎng)人員簽字確認(rèn)單。3、第三天，到現(xiàn)場(chǎng)查注水井油壓數(shù)據(jù)，開始第三次正常注水監(jiān)測(cè)（正常注水24小時(shí)后），監(jiān)測(cè)的時(shí)間為90分鐘。順利監(jiān)測(cè)后，并由生產(chǎn)單位現(xiàn)場(chǎng)人員簽字確認(rèn)單。4、監(jiān)測(cè)操作規(guī)程說明：測(cè)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將自動(dòng)采集、并處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示微震點(diǎn)。監(jiān)測(cè)時(shí)間到達(dá)后，并當(dāng)微震事件圖形完全穩(wěn)定并符合質(zhì)量要求時(shí),完成本次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，保存數(shù)據(jù)。（2）、到各分站點(diǎn)，起拔淺埋式檢波器、裝箱、打包完成本次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)通知注水站監(jiān)測(cè)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(cè)井中靶坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)地面投影的投影點(diǎn)。并以此投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，布置6個(gè)監(jiān)測(cè)分站。（2）、用高精度gps測(cè)量井口及各分站坐標(biāo)，從而獲得各分站相對(duì)坐標(biāo)。（3）、分站盡可能布置在以原點(diǎn)為中心、各分站與坐標(biāo)原點(diǎn)的