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1、前前 言言第一章第一章 人工裂缝监测原理人工裂缝监测原理第二章第二章 地震波传播理论地震波传播理论第第三章三章 裂缝尺度讨论与置信度分析裂缝尺度讨论与置信度分析第第四章四章 实际应用领域实际应用领域第第五章五章 应用实例应用实例第第六章六章 可靠性检验可靠性检验第七章第七章 吐哈油田注水、压裂监测吐哈油田注水、压裂监测吐哈油田注水、压裂监测吐哈油田注水、压裂监测第第八章八章 结语结语附附 录录目目目目 录录录录1.1.1 人工裂缝监测方法人工裂缝监测方法 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理 1.3 微地震源定位微地震源定位 第一章第一章第一章第一章 人工裂缝监测原理人工裂缝监
2、测原理人工裂缝监测原理人工裂缝监测原理2.2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制2.2 微地震信号强度预测微地震信号强度预测2.3 微地震信号识别微地震信号识别2.4 软件功能软件功能第第第第二章二章二章二章 地震波传播理论地震波传播理论地震波传播理论地震波传播理论3.3.1 测试裂缝与进水裂缝比较测试裂缝与进水裂缝比较 3.2 置信度分析置信度分析第第第第三章三章三章三章 裂缝尺度讨论与置信度分析裂缝尺度讨论与置信度分析裂缝尺度讨论与置信度分析裂缝尺度讨论与置信度分析4.4.1 人工裂缝监测人工裂缝监测4.2 人工裂缝转向监测人工裂缝转向监测4.3 注水前缘监测注水前缘监测4.4 采油波及区监测采
3、油波及区监测4.5 对井井底连通监测对井井底连通监测4.6 核废料处理过程中的微地震监测核废料处理过程中的微地震监测第第第第四章四章四章四章 实际应用领域实际应用领域实际应用领域实际应用领域自本系统开发成功以后，我们在不同领域成功地应用了这项技术。自本系统开发成功以后，我们在不同领域成功地应用了这项技术。自本系统开发成功以后，我们在不同领域成功地应用了这项技术。自本系统开发成功以后，我们在不同领域成功地应用了这项技术。5.5.1 辽河曙辽河曙2-3-33井人工裂缝监测结果及分析井人工裂缝监测结果及分析 5.2 中原油田卫中原油田卫357井压裂转向监测井压裂转向监测 5.3 华北油田注水监测华北
4、油田注水监测 5.4 对井井底连通实例对井井底连通实例 5.5 核废料处理监测核废料处理监测 5.6 堵水、调剖前后的微地震监测堵水、调剖前后的微地震监测 5.7 爆破压裂监测爆破压裂监测5.8 二氧化碳压裂监测二氧化碳压裂监测第第第第五章五章五章五章 实例应用实例应用实例应用实例应用6.6.1 复测井监测结果复测井监测结果6.2 本本技术可靠的最直接证明技术可靠的最直接证明 6.3 对比监测实例对比监测实例第第第第六章六章六章六章 可靠性检验可靠性检验可靠性检验可靠性检验7.附录附录1 电路原理图电路原理图 附录附录2 电路图电路图 附录附录3 程序使用说明程序使用说明 附录附录4 设备外观
5、图设备外观图 附录附录5 相关的理论文章相关的理论文章 附附附附 录录录录8.前前 言言 在现有研发水平上，参照国际先进水平，研发人在现有研发水平上，参照国际先进水平，研发人工裂缝实时监测系统。该系统的研究目标是：参照国际工裂缝实时监测系统。该系统的研究目标是：参照国际上的最新研究成果，以监测微地震方法，现场即时给出上的最新研究成果，以监测微地震方法，现场即时给出人工裂缝形态人工裂缝形态(方位，长度，参考性高度，产状方位，长度，参考性高度，产状)及延伸及延伸过程。为油田压裂设计，压裂质量判断，注水前缘分析过程。为油田压裂设计，压裂质量判断，注水前缘分析提供及时依据。提供及时依据。该项工作于该项
6、工作于2001年年1月份启动，月份启动，2001年年6月份进入月份进入现场，现场，2001年年10月份取得第一次成功观测，提出项目月份取得第一次成功观测，提出项目的改进目标。的改进目标。2001年年10月至月至2001年年12月份根据观测中月份根据观测中发现的问题改进硬件，发现的问题改进硬件，2002年年2月份改进后的软件观测月份改进后的软件观测成功。之后，完善软件功能，成功。之后，完善软件功能，2002年年6月分项目完成月分项目完成,2002年年8月分项目通过评审验收月分项目通过评审验收,整个项目研制历时二整个项目研制历时二十个月十个月(项目验收评委及意见见附录项目验收评委及意见见附录1、2
7、)。9.前前 言言 整个项目包括整个项目包括:深井、深埋式、嵌入式的硬件深井、深埋式、嵌入式的硬件系统系统;电路及无线传输系统，计算机分析记录系统；电路及无线传输系统，计算机分析记录系统；及配套软件及配套软件(附录附录3、4、5、6)。该系统可以在井下几百米进行深井监测，也可该系统可以在井下几百米进行深井监测，也可以在地面监测。以在地面监测。在现场实时监测，显示裂缝监测结果的同时，在现场实时监测，显示裂缝监测结果的同时，记录下全部原始波形数据。原始波形数据可以由自记录下全部原始波形数据。原始波形数据可以由自动识别程序再分析，分析结果可以与实时监测结果动识别程序再分析，分析结果可以与实时监测结果
8、对比，检测分析结果的重复性。也可以以不同速度对比，检测分析结果的重复性。也可以以不同速度复现监测结果，再分析微地震出现过程。复现监测结果，再分析微地震出现过程。10.前前 言言 经历时二十个月，紧跟国际先进水平的攻关研经历时二十个月，紧跟国际先进水平的攻关研究，双方认为，该项研究达到了预期目标，完成了究，双方认为，该项研究达到了预期目标，完成了自动识别，实时监测和后自动处理压裂和高压注水自动识别，实时监测和后自动处理压裂和高压注水所形成的人工裂缝的完整硬所形成的人工裂缝的完整硬软件系统。软件系统。该系统于该系统于2001年年12月进入现场，经月进入现场，经6个月的磨个月的磨合与改进，通过实时监
9、测与后自动处理对比；同一合与改进，通过实时监测与后自动处理对比；同一口高压注水井连续二次监测结果的对比口高压注水井连续二次监测结果的对比(相隔仅一小相隔仅一小时时)；监测结果与现场其它资料的对比；监测结果与；监测结果与现场其它资料的对比；监测结果与开发效果的对比。我们认为：该系统监测结果可靠，开发效果的对比。我们认为：该系统监测结果可靠，重复性好。研究达到了国外同类研究的水平。重复性好。研究达到了国外同类研究的水平。11.人工裂缝监测有多种方法：示踪剂方法、电位法、人工裂缝监测有多种方法：示踪剂方法、电位法、地倾斜方法等等。地倾斜方法等等。示踪剂方法滞后，可靠性受监测井的周围分布井示踪剂方法滞
10、后，可靠性受监测井的周围分布井所在位置限制；电位法受气候、深度限制，且需较多所在位置限制；电位法受气候、深度限制，且需较多的测点，测区范围局限；地倾斜方法也受深度限制，的测点，测区范围局限；地倾斜方法也受深度限制，且与覆盖层厚度、品质有关，需较多的测点，测区范且与覆盖层厚度、品质有关，需较多的测点，测区范围局限；只有微地震方法即时，控制范围大，适应面围局限；只有微地震方法即时，控制范围大，适应面广，近年来在国际上得到广泛的应用。使用微地震方广，近年来在国际上得到广泛的应用。使用微地震方法，近年来取得了一些令人瞩目的成就。我们参照国法，近年来取得了一些令人瞩目的成就。我们参照国际上的先进经验，发
11、展了自己独立的观测系统，在不际上的先进经验，发展了自己独立的观测系统，在不同领域的应用中，也取得了可观的成绩。同领域的应用中，也取得了可观的成绩。第第第第一章一章一章一章 1.1 1.1 人工裂缝监测方法人工裂缝监测方法人工裂缝监测方法人工裂缝监测方法12.压压裂裂或或高高压压注注水水时时，由由于于地地层层压压力力的的升升高高，根根据据摩摩尔尔-库库伦伦准准则则，沿沿着着裂裂缝缝边边缘缘会会发发生生微微地地震震。实实际际微微地地震震的的频频段段从从几几十十到到几几百百周周，相相当当于于-2至至-5级级地地震震。一一般般来来说说，震震级级越越小小，频频率率越越高高。我我们们仪仪器器的的工工作作频
12、频段段为为50-200周周，仅仅取取较较大大的的微微地地震震(-2级级)。记记录录这这些些微微地地震震，并并根根据据微微地地震震走走时时进进行行震震源源定定位位，由由微微地地震震震震源源的的空空间间分分布布可可以以描描述述人人工工裂裂缝缝轮轮廓廓。微微地地震震震震源源空空间间分分布布在在柱柱坐坐标标系系三三个个坐坐标标面面上上的的投投影影，可可以以给给出出裂裂缝缝的的三三视视图图(俯俯视视图图、侧侧视视图图、前前视视图图)，分分别别描描述述人人工工裂裂缝缝的的长长度度、方方位位、产产状状及及参参考考性性高高度度。与与其其它它方方法法相相比比，该该方方法法即即时时，方方便便，适适应性强，为国际上
13、的同行广泛使用。应性强，为国际上的同行广泛使用。第第第第一章一章一章一章 1.2 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理13.摩尔摩尔-库伦准则可以写为：库伦准则可以写为：0+(S1+S2-2 P0)/2+(S1S2)cos(2)/2 (1)=(S1S2)sin(2)/2 (2)(1)式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，是作用在裂缝面是作用在裂缝面上的剪切应力；上的剪切应力；0 是岩石的固有无法向应力抗剪断强度，数是岩石的固有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；值
14、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；分别是最大，最小主应力；P0是地层压力；是地层压力；是最大主是最大主应力与裂缝面法向的夹角。由式应力与裂缝面法向的夹角。由式(1)可以看出，微震易于沿已可以看出，微震易于沿已有裂缝面发生。有裂缝面发生。这时这时0为零，左侧易于不小于右侧。为零，左侧易于不小于右侧。P0增大，增大，右侧减小，也会使右侧小于左侧。这为我们观测注水，压裂右侧减小，也会使右侧小于左侧。这为我们观测注水，压裂裂缝提供了依据。裂缝提供了依据。第第第第一章一章一章一章 1.2 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝
15、监测原理微地震人工裂缝监测原理14.该监测系统采用该监测系统采用6分站，无线传输，主站分析实时定位分站，无线传输，主站分析实时定位系统。监测压裂或高压注水时出现的微震点分布，用微震点系统。监测压裂或高压注水时出现的微震点分布，用微震点分布描述裂缝形态。分布描述裂缝形态。微地震震源以走时方法定位，假定自震源发出的微地震微地震震源以走时方法定位，假定自震源发出的微地震信号以直线传入地震检波器，把弧线传播途径拉直为一条直信号以直线传入地震检波器，把弧线传播途径拉直为一条直线，以方便油田使用。这一假设是测试误差的主要来源。线，以方便油田使用。这一假设是测试误差的主要来源。由于随深度的减小，波速降低，近
16、地表的地震波传播途由于随深度的减小，波速降低，近地表的地震波传播途径与地面趋于垂直。由于径与地面趋于垂直。由于P波的振动方向沿传播途径，波的振动方向沿传播途径，S波的波的振动方向与传播途径垂直。因此，振动方向与传播途径垂直。因此，P波的振动方向垂直于地面，波的振动方向垂直于地面，S波的振动方向平行于地面。波的振动方向平行于地面。有的油田地层松软，有的油田地层松软，S波不稳定。本系统检波器垂直放波不稳定。本系统检波器垂直放置，对沿传播途径振动的置，对沿传播途径振动的P波敏感；垂直于传播途径振动的波敏感；垂直于传播途径振动的S波衰减大，只记录分析波衰减大，只记录分析P波。波。第第第第一章一章一章一
17、章 1.2 1.2 微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理微地震人工裂缝监测原理15.震源定位过程如下：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。去计算微地震震源的空间坐标。第第第第一章一章一章一章 1.3 1.3 微地震源定位微地震源定位微地震源定位微地震源定位16.经变换，经变换，(3)式可以改写为：式可以改写为：第第第第一章一章一章一章 1.3 1.3 微地震源定位微地震源定位微地震源定位微地震源定位17.式中，式中，T1-T6是各分站的是各分站的P波到时，波到
18、时，T0是发震时刻；是发震时刻；(X1，Y1，0)(X6，Y6，0)是各分站坐标；是各分站坐标；VP是是P波速度；波速度；(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标。是微震震源的空间坐标。T0，X0，Y0，Z0是待求是待求的未知数。未知数的个数少于方程个数，方程组是可解的。的未知数。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。分站，若有四个分站有记录信号，便可以进行震源定位。(4)式可以写成标准系数矩阵形式式可以写成标准系数矩阵形式,有很多求解矩
19、阵的方有很多求解矩阵的方法可以解出法可以解出T0，X0，Y0；再把；再把T0，X0，Y0代入代入(3)式中就可式中就可以得出以得出Z0，Z0就是相对压裂深度的裂缝高度，由于计算过程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。的累积作用，高度误差较大。A=KB (5)第第第第一章一章一章一章 1.3 1.3 微地震源定位微地震源定位微地震源定位微地震源定位18.矩阵矩阵A写为：写为：第第第第一章一章一章一章 1.3 1.3 微地震源定位微地震源定位微地震源定位微地震源定位19.矩阵矩阵B写为：写为：第第第第一章一章一章一章 1.3 1.3 微地震源定位微地震源定位微地震源定
20、位微地震源定位20.矩阵矩阵K写为：写为：第第第第一章一章一章一章 1.3 1.3 微地震源定位微地震源定位微地震源定位微地震源定位5)式可改写为：式可改写为：K=AB-1 (9)B-1是是B的逆矩阵。矩阵求逆和的逆矩阵。矩阵求逆和(9)式计算有很多通用的解式计算有很多通用的解法，我们可以取得法，我们可以取得T0，X0，Y0值。值。21.实际采用确定深度的方法是综合考虑各站走时的方法，即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为走时的函数进行线性回归，回归常数即为对以下一组数据作为走时的函数进行线性回归，回归常数即为相对观测相对观测 段的高度：段的高度：第第第第一章一
21、章一章一章 1.3 1.3 微地震源定位微地震源定位微地震源定位微地震源定位依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。22.水力压裂裂缝扩展的力学条件可以写为水力压裂裂缝扩展的力学条件可以写为:第第第第二章二章二章二章 2.1 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制 (10)式式中中R是是钻钻孔孔半半径径；a是是裂裂缝缝半半长长度度；Pf是是裂裂缝缝中中的的水水压压；n是是裂裂缝缝面面的的法法向向应应力力；kIC是是岩岩石石断断裂裂韧韧性性，是是岩岩石石的的固固有有强强度度。由由(10)式式可可以以看看出出，破破裂裂的的临临界界强强度度由
22、由岩岩石石本本身身的的性性质质决决定定，与与激激励励条条件件无无关关，只只在在作作用用达达到到破破裂裂条条件件瞬瞬间间才才会会有有微微地地震震发发生生，因因此此微微地地震震信信号号的的强强度度也也与与激激励励条条件件无无关关。而而破破裂裂发发生生的的频频度度是是与与激激励励条条件件有有关关的的，激激励励强强度度越越大大，单位时间发生的微地震也越多。单位时间发生的微地震也越多。23.地震矩张量地震矩张量MPP可以写为：可以写为：第第第第二章二章二章二章 2.1 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制 P=1，2，3 WN=MPP G NP P （12）24.由由(12)式可以得
23、出式可以得出5个位移分量个位移分量:一个近场变形位移一个近场变形位移,二个近场波二个近场波动位移，二个远场波动位移。远近场是以地震波长为标准的，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。是我们观测到的主要震相。P波位移震幅可以写为：波位移震幅可以写为：A=AD(,)/(4r3)u3(t-r/)S (13)A2D(,)=cos4+2sin4cos4+(+2)2sin4sin4+22cos2sin2cos2+2(+2)sin2cos2sin2+2(+2)2
24、 sin4cos2sin2 (14)第第第第二章二章二章二章 2.1 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制25.这里：这里：,分别是观测点相对于震源的仰角和方位角，分别是观测点相对于震源的仰角和方位角，是是P波波波波速，速，、是拉梅常数，是拉梅常数，u3(t-r/)是考虑时间延迟的震源介质振动是考虑时间延迟的震源介质振动的速度幅度，的速度幅度，r是传播途径，是传播途径，是传播介质密度。是传播介质密度。地面观测时，可以假定地面观测时，可以假定=0，在观测点的，在观测点的P波位移可以写为：波位移可以写为：A=/(4r3)u(t-r/)S (15)井下观测时，可以假定井下观测时，
25、可以假定=/2，在观测点的，在观测点的P波位移可以写为：波位移可以写为：A=(2cos4+(+2)2 sin4+2(+2)2cos2sin2)u(t-r/)S/(4r3)(16)地震波传播理论为地震信号分析提供了依据。地震波传播理论为地震信号分析提供了依据。第第第第二章二章二章二章 2.1 2.1 裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制裂缝扩展机制26.检波器可以记到微地震信号是方法是否可行的关键，只有信号检波器可以记到微地震信号是方法是否可行的关键，只有信号大于仪器前端分辨率，微地震检波器才可以把信号检测出来。大于仪器前端分辨率，微地震检波器才可以把信号检测出来。由于人工裂缝形成以张裂为主，加
26、之地层条件，辐射出的由于人工裂缝形成以张裂为主，加之地层条件，辐射出的P波波较为稳定。仪器设置及分析识别理论以记录分析较为稳定。仪器设置及分析识别理论以记录分析P波为依据。波为依据。不记录也不分析不记录也不分析S波震相。故仅使用波震相。故仅使用(15)，(16)式估算到达仪器式估算到达仪器前端的电压强度。在实际计算中需把前端的电压强度。在实际计算中需把(15)，(16)式改写为：式改写为：A1=00/(41 r11 3)u(t-r/)S0 K1 F1 H1 (17)A2=(02 cos4+(0+20)2sin4+20(0+20)2cos2sin2)0/(42 r22 3)u(t-r/)S0 K
27、2 F2 H2 (18)第第第第二章二章二章二章 2.2 2.2 微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测27.式式(17)，(18)中，下标为中，下标为“0”的参数是与震源有关的参数，与传的参数是与震源有关的参数，与传播路径无关；下标为播路径无关；下标为“1”的参数是地面接收的路径参数，与震源的参数是地面接收的路径参数，与震源无关；下标为无关；下标为“2”的参数是井下接收的路径参数，与震源无关。的参数是井下接收的路径参数，与震源无关。A1是地面接收的信号幅值，是地面接收的信号幅值，A2是井下接收的信号幅值，是井下接收的信号幅值，H是入射是入射衰减，衰减，F是路
28、径衰减，是路径衰减，0是震源的角频率。是震源的角频率。为了判断信号的强度量级，我们根据理论及野外实际条件，对一为了判断信号的强度量级，我们根据理论及野外实际条件，对一些参数进行粗略的定量：些参数进行粗略的定量：u(t-r/)是裂缝张开的平均速度，可以是裂缝张开的平均速度，可以用用u3/T求取，求取，u3是裂缝张开宽度，取为是裂缝张开宽度，取为2mm；T为地震周期，取为地震周期，取为为0.02s;0是震源的角频率是震源的角频率,取为取为0=2f=300，地震频率，地震频率f取为取为50Hz，由于所使用的地震仪是速度型检波器，故分子上要乘以，由于所使用的地震仪是速度型检波器，故分子上要乘以0。,是
29、拉梅常数，本文假定其平均值为是拉梅常数，本文假定其平均值为=1X104 Mpa，井，井下接收时的下接收时的P波速度取为波速度取为2=2000m/s，地面接收时的，地面接收时的P 波速度取波速度取为为1=1200m/s；r1,r2分别是地面，井下的分别是地面，井下的P波传播途径，取为波传播途径，取为3000m，500m；S0是震源面积，假定每次破裂仅有很小的面积，是震源面积，假定每次破裂仅有很小的面积，取为取为1平方米；平方米；K1,K2是地面，井下的检波器的换能系数，我们是地面，井下的检波器的换能系数，我们使用中国地震局哈尔滨工程力学研究所研制的专用检波器，分别使用中国地震局哈尔滨工程力学研究
30、所研制的专用检波器，分别取为取为0.5 vs/cm，0.2 vs/cm。第第第第二章二章二章二章 2.2 2.2 微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测28.H1,H2分别是地面接收，井下接收的入射衰减。前者是分别是地面接收，井下接收的入射衰减。前者是从高速层进入低速层，入射衰减很小，每层入射系数为从高速层进入低速层，入射衰减很小，每层入射系数为0.85，假定有假定有7层，整体入射系数为层，整体入射系数为0.35；后者是从地层进入水泥环；后者是从地层进入水泥环和钢套管，是从低速层进入高速层，速度差别可达和钢套管，是从低速层进入高速层，速度差别可达2倍以上，倍以
31、上，每层入射系数仅为每层入射系数仅为0.3，整体入射系数小于，整体入射系数小于0.1。F1，F2是路径衰减，也称为非弹性衰减。由于地面接收是路径衰减，也称为非弹性衰减。由于地面接收路途远，覆盖层非弹性强烈，通过系数取为路途远，覆盖层非弹性强烈，通过系数取为0.1；井下接收；井下接收,路路途近，非弹性衰减小途近，非弹性衰减小,通过系数取为通过系数取为0.5。把上述结果代入公式。把上述结果代入公式(17)，(18)，并考虑辐射图形因子的影响，计算出在观测点的，并考虑辐射图形因子的影响，计算出在观测点的检波器上可形成的电压值检波器上可形成的电压值(表表2)。可以看出，地面接收所获得。可以看出，地面接
32、收所获得的电压值是的电压值是5.8微伏，这已超过现有技术的检测水平，目前的微伏，这已超过现有技术的检测水平，目前的检测水平是检测水平是1-2微伏，信号是可以被检测出来的。井下接收信微伏，信号是可以被检测出来的。井下接收信号要强得多，可达号要强得多，可达26.8微伏，这主要是震源距比较小，辐射图微伏，这主要是震源距比较小，辐射图形因子较大的结果。从技术上，井下观测效果最好。表形因子较大的结果。从技术上，井下观测效果最好。表2-1中中列出了其它一些对比，特别是油田的欢迎程度一项对方法的采列出了其它一些对比，特别是油田的欢迎程度一项对方法的采用有至关重要的影响。目前，地面微地震监测方法在油田得到用有
33、至关重要的影响。目前，地面微地震监测方法在油田得到广泛的应用。广泛的应用。第第第第二章二章二章二章 2.2 2.2 微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测29.表表2-1.不同人工裂缝监测方法对比不同人工裂缝监测方法对比 第第第第二章二章二章二章 2.2 2.2 微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测微地震信号强度预测方法方法定位定位依据依据地质地质条件条件物理假定物理假定监测监测环境环境噪音噪音背景背景记到信号记到信号条件下的条件下的监测方位监测方位误差误差检测信检测信号强度号强度油田欢油田欢迎程度迎程度近年来近年来实施实施井数井数多台多台地
34、面地面检测检测走时走时分层分层均匀均匀同一层速同一层速度相同度相同,可可沿折线传播沿折线传播良好良好较高较高,但可但可预知预知正负正负1515度度5.8微伏微伏欢迎欢迎多于多于10001000口口多台多台井下井下检测检测走时走时分层分层均匀均匀同一层速度同一层速度相同相同,可沿可沿折线传播折线传播恶劣恶劣较低较低,但可但可预知预知正负正负1515度度26.4微伏微伏非常不非常不欢迎欢迎2口口单台单台井下井下检测检测P波偏振波偏振+走时走时监测段监测段介质各介质各向同性向同性沿直线传播沿直线传播恶劣恶劣较低较低,但不但不可知可知正负正负20-20-3030度度26.4微伏微伏不欢迎不欢迎5口口3
35、0.微地震信号识别技术是本技术成败的关键，识别不出微地震信号识别技术是本技术成败的关键，识别不出可用的信号，自动识别，实时监测就是一句空话。只有微可用的信号，自动识别，实时监测就是一句空话。只有微地震信号大于折算到仪器前端的仪器噪音地震信号大于折算到仪器前端的仪器噪音,信号才是可以检信号才是可以检测的。由于低噪音运算器件的广泛使用，及我们对仪器电测的。由于低噪音运算器件的广泛使用，及我们对仪器电路结构的独到改进，目前，折算到仪器前端的仪器噪音可路结构的独到改进，目前，折算到仪器前端的仪器噪音可以低于以低于2微伏。微地震信号是可以被检测到。微伏。微地震信号是可以被检测到。微地震信号是与大地噪音同
36、时进入检波器的。在噪音微地震信号是与大地噪音同时进入检波器的。在噪音背景中检测出信号是软件编制的主要内容。我们根据计算背景中检测出信号是软件编制的主要内容。我们根据计算机智能理论，编制了计算机自学习软件，输入多年人工裂机智能理论，编制了计算机自学习软件，输入多年人工裂缝观测结果，由计算机进行训练，提取出压裂或注水时的缝观测结果，由计算机进行训练，提取出压裂或注水时的普遍信号特征。这些特征包括普遍信号特征。这些特征包括:幅度谱，频率谱，信号段的幅度谱，频率谱，信号段的频谱分布，包络前递增及后递减特征，包络的拐点特征，频谱分布，包络前递增及后递减特征，包络的拐点特征，导波特征，信号的升起特征，尾波
37、特征等导波特征，信号的升起特征，尾波特征等13个特征。个特征。第第第第二章二章二章二章 2.3 2.3 微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别31.在现场识别前训练在现场识别前训练5分钟，可以与计算机中已有的信号特分钟，可以与计算机中已有的信号特征对比，对监测地点的噪音及信号特征予以鉴别及留存，提取征对比，对监测地点的噪音及信号特征予以鉴别及留存，提取频率谱，幅度谱，导波，包络特征，拐点特征等标志去区分当频率谱，幅度谱，导波，包络特征，拐点特征等标志去区分当地的信号与噪音。地的信号与噪音。正式工作时，逐路、逐段的予以识别。经严格检测，在正式工作时，逐路、逐段的予以识别。经严格
38、检测，在其中任一路上检测出可用信号后，与其它路做互相关。在由台其中任一路上检测出可用信号后，与其它路做互相关。在由台站分布所限定的时段内，其它路也有可用信号互相关存在，则站分布所限定的时段内，其它路也有可用信号互相关存在，则信号为真，否则为假；这一功能避免了压裂、注水、过车等作信号为真，否则为假；这一功能避免了压裂、注水、过车等作业的干扰，只要不是各台同时记录到的噪音，即使它很象信号，业的干扰，只要不是各台同时记录到的噪音，即使它很象信号，也可以被剔除掉。如果震源间过近，彼此间可能形成干扰；实也可以被剔除掉。如果震源间过近，彼此间可能形成干扰；实时监测时会扔掉一些过密的信号，避免干扰。后分析时
39、会自动时监测时会扔掉一些过密的信号，避免干扰。后分析时会自动加大处理时间，拉大时间间距，以避免干扰。后分析时会获得加大处理时间，拉大时间间距，以避免干扰。后分析时会获得更多的微地震信号。更多的微地震信号。以地震波走时判定微地震震源位置。实际采样率为每秒以地震波走时判定微地震震源位置。实际采样率为每秒一千次，理论走时分辨率为一毫秒。一千次，理论走时分辨率为一毫秒。第第第第二章二章二章二章 2.3 2.3 微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别32.图图2-1.微地震波到时微地震波到时 确定方法示意图确定方法示意图第第第第二章二章二章二章 2.3 2.3 微地震信号识别微地震信号
40、识别微地震信号识别微地震信号识别 实际确定微地震波到时时，采用包络反向延伸法，时间分实际确定微地震波到时时，采用包络反向延伸法，时间分辨精度为辨精度为0.2毫秒，这提高了定位精度。包络反向延伸法提高到毫秒，这提高了定位精度。包络反向延伸法提高到时精度的理论依据如图时精度的理论依据如图2-1所示：提取出包络的各个极大值点，所示：提取出包络的各个极大值点，用一个高次方程拟合包络，再给定包络反向延伸线与时间轴的用一个高次方程拟合包络，再给定包络反向延伸线与时间轴的交点，该交点就是微地震的初至到时。此交点是个数学点，有交点，该交点就是微地震的初至到时。此交点是个数学点，有足够的分辨精度，可以分辨出万分
41、之一秒的到时，考虑到微地足够的分辨精度，可以分辨出万分之一秒的到时，考虑到微地震信号的噪音背景和失真，实际上认定的微地震到时的分辨率震信号的噪音背景和失真，实际上认定的微地震到时的分辨率为为0.2毫秒。具体分析过程如下毫秒。具体分析过程如下:33.采用线性方程拟合地震波的到时，在有些条件下难以满足精度采用线性方程拟合地震波的到时，在有些条件下难以满足精度要求，故我们采用二次曲线拟合微地震波到时要求，故我们采用二次曲线拟合微地震波到时:t=ay2+by+c (19)在微地震波形上选出三组在微地震波形上选出三组(t、y)值，代入值，代入(19)式中，有：式中，有：第第第第二章二章二章二章 2.3
42、2.3 微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别 式式(20)中中:y1、y2、y3是微地震波的极大值点，是微地震波的极大值点，t1、t2、t3是相应的到时，是相应的到时，a、b、c是待求的系数。是待求的系数。34.第第第第二章二章二章二章 2.3 2.3 微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别由矩阵求逆可以由矩阵求逆可以得到得到a、b、c：把把(20)写成矩阵形式：写成矩阵形式：把把(22)式中的式中的a、b、c代入代入(19)式中，再令式中，再令 y=0，得，得t=c。t就就是微地震波的初至到时。式中是微地震波的初至到时。式中-1是是 的逆矩阵。的逆矩阵。
43、35.理论上，我们可以用更高次方程去拟合微地震波包络，理论上，我们可以用更高次方程去拟合微地震波包络，使到时更精确。事实上，我们不可能无限提高到时精度。出使到时更精确。事实上，我们不可能无限提高到时精度。出于实时定位的目的，我们必须计算、分配好各个环节所需要于实时定位的目的，我们必须计算、分配好各个环节所需要的机时。在二次采样的时间间隔内，必须完成数据存储，分的机时。在二次采样的时间间隔内，必须完成数据存储，分析，识别，定位，屏幕显示。如果在下一次采样开始时，不析，识别，定位，屏幕显示。如果在下一次采样开始时，不能完成分析，识别，定位，屏幕显示等全部工作，就要占掉能完成分析，识别，定位，屏幕显
44、示等全部工作，就要占掉计算机缓存，连续发生这样的情况，就会出现死机。合理分计算机缓存，连续发生这样的情况，就会出现死机。合理分配计算机机时，是实现人工裂缝实时定位的关键技术，也是配计算机机时，是实现人工裂缝实时定位的关键技术，也是计算机技术高度发展的产物，只是在近几年，国际上才实现计算机技术高度发展的产物，只是在近几年，国际上才实现人工裂缝的实时监测。由于上述原因，我们尽量采用了一些人工裂缝的实时监测。由于上述原因，我们尽量采用了一些简明，可操做，节省机时的算法。依据微地震波的到时，我简明，可操做，节省机时的算法。依据微地震波的到时，我们可以确定微地震震源。提高微地震波到时精度，就可以提们可以
45、确定微地震震源。提高微地震波到时精度，就可以提高微地震源定位精度。高微地震源定位精度。第第第第二章二章二章二章 2.3 2.3 微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别微地震信号识别36.该程序是人工裂缝监测系统配套程序，具有完备的功能：该程序是人工裂缝监测系统配套程序，具有完备的功能：1)12通道微震信号实时分析、连续采集；通道微震信号实时分析、连续采集；2)井口压力数据采集；井口压力数据采集；3)井口流量数据采集；井口流量数据采集；4)实时微地震事件监测，裂缝面上的震源点定位实时微地震事件监测，裂缝面上的震源点定位5)在线裂缝拟合，长度、宽度、高度、方位估计，并输出在线裂缝拟合，长度、宽
46、度、高度、方位估计，并输出参数数据表；参数数据表；6)现场观测直接显示三维观测结果现场观测直接显示三维观测结果,结果是真三维图形，在结果是真三维图形，在三维空间可任意旋转的坐标内三维空间可任意旋转的坐标内,从任意角度观测人工裂缝从任意角度观测人工裂缝和注水、汽驱前缘轮廓；和注水、汽驱前缘轮廓；7)包括现场显示后自动处理，用不同速度复现人工裂缝分包括现场显示后自动处理，用不同速度复现人工裂缝分析结果等先进功能；析结果等先进功能；第第第第二章二章二章二章 2.4 2.4 软件功能软件功能软件功能软件功能37.8)后自动识别，以现场实际采样数据记录为依据，自动识别微地震信后自动识别，以现场实际采样数
47、据记录为依据，自动识别微地震信号，给出独立于实时监测的结果，既可以检验检测结果的可重复性，号，给出独立于实时监测的结果，既可以检验检测结果的可重复性，又在现场门槛值选择不合适时，弥补现场监测结果的缺陷。如现场又在现场门槛值选择不合适时，弥补现场监测结果的缺陷。如现场门槛值选得过高，微地震点数过于稀疏门槛值选得过高，微地震点数过于稀疏,就会影响到观测分析结果的就会影响到观测分析结果的直观性。我们可以调低门槛值进行后自动识别，以提高微地震点数，直观性。我们可以调低门槛值进行后自动识别，以提高微地震点数，改善直观效果。我们在新开展观测的现场，由于对地层、裂缝方面改善直观效果。我们在新开展观测的现场，
48、由于对地层、裂缝方面的特征的不了解，常常使用这一技术；的特征的不了解，常常使用这一技术；9)选定图形可粘贴到画图下进行编辑，也可以直接打印分析出的图形选定图形可粘贴到画图下进行编辑，也可以直接打印分析出的图形 10)为了实时定位，显示观测结果，在观测前需输入相关坐标、井斜，为了实时定位，显示观测结果，在观测前需输入相关坐标、井斜，波速参数；波速参数；11)优选监测方式，压裂注水的诱发微地震可能有不同的分布特征，应优选监测方式，压裂注水的诱发微地震可能有不同的分布特征，应该选用不同的定位模式和微地震发生的区间，以节省计算机机时；该选用不同的定位模式和微地震发生的区间，以节省计算机机时；12)后处
49、理拟合注水、汽前缘分布，给出以微地震点密度为依据的拟合后处理拟合注水、汽前缘分布，给出以微地震点密度为依据的拟合结果，并可以在图上添加井位，也可以把多个井的观测结果合成到结果，并可以在图上添加井位，也可以把多个井的观测结果合成到一张图上，探讨注水波及区，理论上的未波及区可能是剩余油的分一张图上，探讨注水波及区，理论上的未波及区可能是剩余油的分布区。布区。第第第第二章二章二章二章 2.4 2.4 软件功能软件功能软件功能软件功能38.由于岩石的破坏强度和出现微位移的强度存在差别，后者由于岩石的破坏强度和出现微位移的强度存在差别，后者远小于前者，有时仅达到岩石破坏强度的一半时，就会有微远小于前者，
50、有时仅达到岩石破坏强度的一半时，就会有微位移出现，以致于观测裂缝尺度远大于进水裂缝尺度。位移出现，以致于观测裂缝尺度远大于进水裂缝尺度。进水裂缝可以表示为：进水裂缝可以表示为：P-L1*f=T1+Sn （23）发生微地震的裂缝长度可以表示为：发生微地震的裂缝长度可以表示为：P-L2*f=T2+Sn （24）L1/L2=(P-S1-Sn)/(P-S2-Sn)（25）第第第第三章三章三章三章 3.1 3.1 测试裂缝与进水裂缝比较测试裂缝与进水裂缝比较测试裂缝与进水裂缝比较测试裂缝与进水裂缝比较39.式中，式中，P是井底压力，是井底压力，Sn是裂缝面上的法向应力，是裂缝面上的法向应力，L1、L2分