CN212460071U

CN212460071U - 一种微地震地面监测装置

Info

Publication number: CN212460071U
Application number: CN202021429334.8U
Authority: CN
Inventors: 吴悦; 杨凯; 郭伟; 李鹏; 王晨辉; 董翰川
Original assignee: Hydrogeological And Environmental Geological Survey Center Of China Geological Survey
Current assignee: Hydrogeological And Environmental Geological Survey Center Of China Geological Survey; Center for Hydrogeology and Environmental Geology CGS
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2030-07-20

Abstract

一种微地震地面监测装置，包括数据采集处理模块、信号传输模块、供电模块。所述数据采集处理模块包括地震检波器，地震检波器用于接收微地震模拟信号，地震检波器连接信号调理模块，信号调理模块连接A/D转换模块，A/D转换模块连接处理器模块。所述处理器模块分别连接数据存储模块、全球导航卫星模块。所述处理器模块连接信号传输模块。所述供电模块与数据采集处理模块连接，供电模块用于为数据采集处理模块提供电源。本实用新型采用不需要提取信号事件初至的叠加能量扫描成像技术，进行地面震源定位，在对信号源质量要求不高的前提下能有效确定震源位置；并通过服务器能够支持微地震实时定位监测；同时采用移动4G信号，具备信号传输成本低的优点。

Description

一种微地震地面监测装置

技术领域

本实用新型涉及微地震监测技术领域，具体涉及一种微地震地面监测装置。

背景技术

微地震监测技术起源于受载岩石发射声波的物理现象，随后在大量的实验室和野外实验中都获得了验证。目前在页岩油气藏、干热岩、煤层气等非常规能源开发中配合水力压裂而得到了广泛应用。微地震监测技术是利用从布设的微震检波器拾取压裂产生的振动信号，通过叠加能量扫描分析等定位处理技术，提供裂缝的空间形态，监测水力压裂所形成的人工储层的规模、形状和裂隙网络结构，指导压裂工作的有效开展，提高产能。

微地震监测经过长期发展到目前阶段主要包括：1)深井监测、2)地面大排列测线监测、3)地面台站监测。深井监测采集的数据质量高、检波器数量少、深度精度高、可以实时定位，不过对场地要求高，需要有毗邻的监测井(最好有2口以上，单井容易出现水平方向模糊)、通常无法长期监测；地面大排列测线监测主要是以压裂井为中心布设数条放射状测线，道距20～30m，监测道数不少于1000道，通常使用Sercel428地震数据采集系统和单分量地震检波器，优点是覆盖面积大、水平方向定位精度高，缺点是费用较高、一般只能做临时性监测。

中国专利“一种近地表组合式微地震数据监测系统与方法”，(申请号：201810411588.8)记载的技术方案中采用“浅孔+浅坑”组合式微地震监测系统，既能保证浅孔台站接收到信噪比较高的压裂微地震信号，又通过浅坑台站增大监测面积和定位精度，同时降低了监测成本。但是该技术方案存在以下弊端：(1)：该技术方案用的是拾取事件初至的方法，这种一般是井中微地震用的，不适用于现场地面监测。(2)：该技术方案基于WLAN的无线数据传输系统，在野外有很大的局限性，由于气候、环境、天线架设等容易断网。

地面台站监测一般是由一系列单独的台站围绕压裂井按照一定的网格形式组成，是微地震监测的一个未来发展方向。通常深井监测中使用的同型波或纵横波初至提取时差计算震源位置，要求有信噪比很高的的优质信号，而对于地面监测来说，微地震信号从地下三四千米的深度传导到地面附近，能量通常衰减剧烈，因此时差法一般不适用于地面台站监测，

发明内容

本实用新型提供一种微地震地面监测装置，采用不需要提取信号事件初至的叠加能量扫描成像技术，进行地面震源定位，在对信号源质量要求不高的前提下能有效确定震源位置；并通过服务器能够支持微地震实时定位监测；同时采用移动4G信号，具备信号传输成本低的优点。

本实用新型采取的技术方案为：

一种微地震地面监测装置，包括数据采集处理模块、信号传输模块、供电模块。所述数据采集处理模块包括地震检波器，地震检波器用于接收微地震模拟信号，地震检波器连接信号调理模块，信号调理模块连接A/D转换模块，A/D转换模块连接处理器模块。

所述处理器模块分别连接数据存储模块、全球导航卫星模块。

所述处理器模块连接信号传输模块，信号传输模块用于通过无线网络与服务器平台实时连接；

所述供电模块与数据采集处理模块连接，供电模块用于为数据采集处理模块提供电源。所述地震检波器浇灌到钻孔中，用于长期监测；或者地震检波器埋设到浅孔中，用于临时监测。

所述地震检波器采用三分量地震检波器，检波器主频在5Hz左右。

所述供电模块包括电池、太阳能电池板、电源控制器，太阳能电池板通过电源控制器连接电池，为装置提供12V直流电源。

所述信号传输模块采用移动4G网络模块、或者本地无线局域网络。

所述微地震地面监测装置为多个，每一个监测装置构成一个地面台站，微地震最低频信号从最深震源到最近地面台站和最远采集地面台站行程的差，至少达到1/2个波长。任意两个地面台站间距满足：最高频信号从最浅震源到两个相邻的地面台站行程的差，不大于半个波长。

本实用新型一种微地震地面监测装置，优点在于：

1)每一个监测装置构成一个地面台站，按照一定的网格形式组成，每个地面台站均由数据采集处理模块、信号传输模块、供电模块组成，台站数量不超过60个，优点是成本低、观测系统布设方便，提高了空间精度。

2)在满足微地震监测精度的条件下，可以极大的降低工程成本。

3)信号传输模块采用的是移动4G信号，使得本实用新型装置只要有4G基站就可以用，无需监测人员布设通信网络。

附图说明

图1为本实用新型监测装置的硬件连接示意图。

图2为本实用新型监测装置的地面台站布设示意图。

图3为本实用新型监测装置的工作流程图。

图4为微地震震源平面云图。

图5为信号调理模块电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种微地震地面监测装置，包括数据采集处理模块1、信号传输模块2、供电模块3。

所述数据采集处理模块1包括地震检波器1.1，地震检波器1.1用于接收微地震模拟信号，地震检波器1.1连接信号调理模块1.2，信号调理模块1.2连接A/D转换模块1.3，A/D转换模块1.3连接处理器模块1.4。

所述处理器模块1.4分别连接数据存储模块1.5、全球导航卫星模块1.6。

所述处理器模块1.4连接信号传输模块2，信号传输模块2用于通过无线网络与服务器平台4实时连接，服务器平台4采用云服务器或者本地服务器。

所述供电模块3与数据采集处理模块1连接，供电模块3用于为数据采集处理模块1提供电源。

所述地震检波器1.1采用ZF-5三分量地震检波器，根据微地震信号到达地面的实际情况，检波器主频在5Hz左右。

所述信号调理模块1.2将地震检波器1.1采集的微地震待测信号通过放大、滤波等操作转换成A/D转换模块1.3能够识别的标准模拟信号。包括滤波器、转换器、放大器等，如图5所示，信号调理模块1.2原理图：其中，R₁＝160kΩ，R₂＝160kΩ，R₃＝2.5kΩ，R₄＝160kΩ，R₅＝160kΩ，R₆＝499Ω，C₁＝0.1uF,C₂＝0.1uF,C₃＝0.1uF,C₄＝0.1uF,C₅＝0.1uF,LM336为基准电压芯片，A₁为AD620放大器，A₂和A₃均为AD750放大器。

所述A/D转换模块1.3采用ADS1282型号A/D转换模块。

所述处理器模块1.4采用STM32F429单片机。

所述数据存储模块1.5采用MicroSD卡。

所述全球导航卫星模块1.6采用全球导航卫星系统GNSS。

所述供电模块3包括电池、太阳能电池板、电源控制器，太阳能电池板通过电源控制器连接电池，为装置提供12V直流电源。电池采用2V铅酸储能型蓄电池，太阳能电池板、电源控制器、电池的充电放电工作原理，参照中国专利“一种太阳能蓄电池充放电控制器”(申请号：201320707268.X；授权公告号CN 203589779 U)中记载的太阳能供电技术方案。为了便于安装携带和检修拆卸，优选方案：数据采集处理模块、电池、电源控制器安装在一个机箱模块内，机箱模块与太阳能电池板配套成一个便携式组件，使得本实用新型装置安装方便，适合野外作业。

所述微地震地面监测装置为多个，每一个监测装置构成一个地面台站，具体工作原理如下：

(一)、地面台站的工作模式：

根据现场的条件和监测的要求，地震检波器1.1可以浇灌到10～20米深的钻孔，用于长期监测；或者埋设到1米左右的浅孔中，用于临时监测。设备上电后，全球导航卫星模块1.6校正时间，以保持所有工作的地面台站时间同步，2个水平和1个垂直分量的信号通过地震检波器1.1拾取后，通过信号调理模块1.2放大、滤波处理，然后被A/D转换模块1.3数字化，在存储到本机的MicroSD卡里面的同时，通过移动4G网络模块或本地无线局域网络实时传输到云服务器或者本地服务器，以支持微地震实时定位工作。

(二)、地面台站的部署原则：

地面台站监测部署网格时，一般要考虑成像孔径、接收点密度、采样率等参数，以保证采集数据质量。

①：成像孔径指的是地面台站数据偏移叠加处理时，理论上应该使最低频信号从最深震源到最近地面台站和最远地面台站行程的差至少达到1/2个波长，这样发生振幅抵消，得到相干相加的效果。例如：井深4000米，最远的地面台站距离井不应小于4000米，这样基本就可以覆盖到地下每一个可能发生的微震事件位置。

②：接收点密度一般指地面台站之间的间距，理论上应该使最高频信号从最浅震源到两个相邻的地面台站行程的差不大于半个波长，以防止定位时发生假频，一般最大间距小于30米。按照4000米井深的情况，对于地面台站，限于成本，容许更大的台站间距，每平方公里台阵密度可以在0.7～3个之间，如图2所示。

③：对于微地震地面监测，采样率不大于5毫秒即可。

(三)、微地震震源定位：

采用不需要提取信号事件初至的叠加能量扫描成像技术，是地面震源定位的一种有效方法。在扫描计算中使用观测点的记录向量对准瞄准点；建立地下速度模型后，可通过射线追踪得到观测点相应于扫描点的射线入射角、入射方位及两点间地震波传播全路径走时，确定对准观测点的扫描向量；根据走时经过时间上的适当错位后实施叠加，即可得到该波形的记录能量输出。

也就是将所有观测点的同波形的各个向量在4D空间中移到参考台点，并实施叠加，将能量扫描结果绘制成2D或3D的能量分布图，能量集中、或能量最大位置即可能为震源位置叠加公式为：

S(k)是Semblance系数，是使用M个人工勘探中的大量阵排列的垂直分量道在有N个样点的时间窗口内对空间k点的相关性测量；f_ij为第i道的第j个样点记录，i＝1,2,…,M；j＝1,2，…,N；F为适当的归一化因子：

S(k)物理意义为单位台站、单位样点(或单位时间)的破裂释放能量。

其中：

观测点：指的是地面接收数据的台点；

扫描点：指的是假定可能发生微地震事件的震源点；

参考台点：指的是地面能够接收到数据的任意一个台点；

扫描向量：指的是向量的偏移量。

(四)、微地震定位方法：

步骤一：在服务器平台4中，建立地层速度模型文件、地面台站的位置坐标文件；

步骤二：为了减少运算量，可用有效信号分拣等方法选取一个或若干个时间段分别进行能量扫描计算。对目标区一定范围内的地下空间等分为若干个相同的空间节点，利用射线追踪法，分别计算出个空间节点到各地面台站的射线入射角、入射方位、以及两点间地震波传播全路径走时，确定对准观测点的扫描向量；

步骤三：利用震源位置叠加公式，计算出k个节点的S(k)，保存计算结果、绘制震源定位云图，如图4所示。

步骤四：根据对计算成果的分析，可调整空间节点的范围和间隔大小，重新计算，以期获得最佳震源定位效果。

其中，

目标区：指的是预测有可能发生微地震事件的地域

空间节点：指的是将目标区划分为一定的网格，每个网格都可以假定为可能的震源点。

Claims

1.一种微地震地面监测装置，包括数据采集处理模块（1）、信号传输模块（2）、供电模块（3）；其特征在于：所述数据采集处理模块（1）包括地震检波器（1.1），地震检波器（1.1）用于接收微地震模拟信号，地震检波器（1.1）连接信号调理模块（1.2），信号调理模块（1.2）连接A/D转换模块（1.3），A/D转换模块（1.3）连接处理器模块（1.4）；

所述处理器模块（1.4）分别连接数据存储模块（1.5）、全球导航卫星模块（1.6）；

所述处理器模块（1.4）连接信号传输模块（2），信号传输模块（2）用于通过无线网络与服务器平台（4）实时连接；

所述供电模块（3）与数据采集处理模块（1）连接，供电模块（3）用于为数据采集处理模块（1）提供电源。

2.根据权利要求1所述一种微地震地面监测装置，其特征在于：所述地震检波器（1.1）浇灌到钻孔中，用于长期监测；或者地震检波器（1.1）埋设到浅孔中，用于临时监测。

3.根据权利要求1或2所述一种微地震地面监测装置，其特征在于：所述地震检波器（1.1）采用三分量地震检波器。

4.根据权利要求1所述一种微地震地面监测装置，其特征在于：所述供电模块（3）包括电池、太阳能电池板、电源控制器，太阳能电池板通过电源控制器连接电池，为装置提供12V直流电源。

5.根据权利要求1所述一种微地震地面监测装置，其特征在于：所述信号传输模块（2）采用移动4G网络模块、或者本地无线局域网络。

6.根据权利要求1或2或4或5所述一种微地震地面监测装置，其特征在于：所述微地震地面监测装置为多个，每一个监测装置构成一个地面台站，微地震最低频信号从最深震源到最近地面台站和最远地面台站行程的差，至少达到1/2个波长。

7.根据权利要求6所述一种微地震地面监测装置，其特征在于：任意两个地面台站间距满足：最高频信号从最浅震源到两个相邻的地面台站行程的差，不大于半个波长。