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微震系统应用实例

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Application of microseismic system

1.微震监测与成像用于煤层气压裂效果评估

施工监测压裂井位于山西省,是布置在沁水盆地的一口煤层气试采取芯井。根据压裂施工设计,对压裂井进行大型压裂改造,通过压裂在地层中建立人工裂缝,增加地层导流能力,沟通井筒周围裂缝和有效储集体,达到增产的目的。通过监测,获得压裂井段人工压裂裂缝的方位、长度、高度、产状等信息,以及压裂产生的微震事件定位和裂缝成像的结果。

压裂现场监测共布置40个监测站点,传感器打孔埋设并有效耦合安装。万泰高灵敏度的微地震监测系统监测到了清晰的射孔信号(图20)和微地震信号(图21)。针对监测到的事件,可使用清楚的波形到时信息,进行定位。这些微震事件的三视图分布如图22所示。对于能量太小的微震事件,由于近地表低速地层的衰减和各种噪声的影响,微震信号的信噪比较低,因此在地面进行微震监测时很难从连续记录到的信号中识别出来。但是通过对长时间的连续记录波形进行相关叠加,在裂缝发生的区域,会呈现弹性波物性差异较大的特征,据此可以刻划微震发生的区域,即对裂缝进行成像。我们利用压裂时间段记录的连续信号,进行了裂缝叠加成像,如图23所示。裂缝成像结果显示在压裂井附近,北东侧存在一个较强的叠加能量区,而西南侧只出现了一个较弱的叠加区。这意味着在北东侧存在一个较大的裂缝而西南侧的裂缝较弱。

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图20 煤层气水力压裂万泰微地震监测系统   图21 煤层气水力压裂万泰微地震

记录的射孔信号的波形                监测系统记录的微震事件的波形


图22微震事件分布图


图23连续波形相关叠加裂缝成像结果

2.地面微震监测技术用于监测地方煤矿越界开采

项目背景:神华集团某大型煤矿曾多次遭地方煤矿越界开采,不仅造成煤矿资源破坏,而且造成了相当大的安全隐患。针对地方煤矿越界开采问题,神华集团在2006年成立了地方煤矿监测站,定期对地方煤矿的开采动态进行检查。由于个别地方煤矿经常故意阻拦或刁难监测站的工作,导致越界开采行为仍时有发生。为了实时监测地方煤矿越界开采的情况,万泰地球物理与煤矿企业联合开展了微震技术用于监控地方煤矿越界开采的试验研究。

地方煤矿越界开采试验区,沟壑纵横,为典型的黄土高原地貌,区内植被稀少,水土流失严重。地层岩性主要为砂泥岩夹煤层,沉积较稳定,地层平缓,煤层埋藏浅。试验项目采用了安徽万泰地球物理技术有限公司自主研发的地面微震监测系统,在半径约1公里范围内布置三分量、灵敏度200V/m/s的检波器20台,对3平方公里范围内的越界开采行为进行监测试验。图24为微震监测台站和巷道分布平面图。图中最右侧和最左侧的三个放炮事件为已知炮点,用于校正地层速度模型。系统根据前三炮计算出的速度模型对未知爆破事件进行实测。最终系统监测到两次爆破事件(位于图24中间,药量1kg),系统计算得出的爆破时间和矿方放炮时间一致,定位结果和矿方放炮位置相差23m和35m。地面微震系统得出的放炮时间和坐标较为精准,验证效果得到矿方充分认可。在监测到放炮事件的同时,系统还监测到约1.5km左右之外,图左下角所示的10几个微震事件,经和矿方确认,这些微震事件是矿山综采工作面回采活动所诱发。

同时,该试验区内广泛分布第四系浅黄色粘土、细沙,厚度20~100m,对微震信号的接收造成了较大影响。由于采取了浅孔台站布设(5m左右)以及传感器本身的高灵敏度和采集系统的低本底噪声,系统接收的信号具有较高的信噪比(见图25)。试验结果表明利用万泰地球物理公司的微震系统,可以对越界开采进行监测,为煤矿的资源不受侵害以及安全生产提供保障。另外,试验还表明万泰地球物理公司的微震系统还可以监测到远处矿山井下的开采活动诱发的微地震事件,可通过与井下微震系统相结合,给煤矿安全生产提供一个更全面的微震监测方案。



图24微震监测煤矿越界开采地面台站布置图

最左侧和右侧的三个爆破点为已知点,中间的两个爆破为未知事件。系统成功监测到两个爆破,定位误差在20~30m左右。另外微震系统还监测到1.5km远处与矿山开采活动相关的微地震事件(见圆点)。


图25微震系统接收到的放炮事件信号


3.煤矿冲击地压灾害微震监测与成像研究

某煤矿主采煤层为4层煤、6层煤、8层煤和12层煤。目前主采煤层为8层煤,其工作面标高在-374~-443m。8层煤顶板上部约34m为6层煤,煤层部分已开采,再上部约80m为4煤层,煤层已开采。根据七星矿对8层煤开采冲击地压监测的全局和重点相结合的要求:实现了冲击地压全矿井监测,并对重点的回采与掘进工作面进行了高精度微震监测。监测的重点回采工作面主要集中在西三区,西四区,东三区。全矿井监测传感器永久安装,回采工作面的传感器布置要求是在回采工作面两侧巷道每150到200m安装1个传感器,可根据工作面推进情况进行回收与重新安装。

万泰与矿山一起对微震事件进行处理,并向矿方提交标准化、专业化的微震报告,并开展了国际领先的双差成像研究,间接描述了采煤工作面开挖扰动可能影响的区域及其相对的速度变化,同时成像结果显示在大断层附近出现了较大的速度变化,如图26所示。


图26采煤层利用微震成像得到的速度异常分布(蓝色为高速,红色为低速)

矿方根据微震活动性、结合矿井地质构造、巷道掘进以及工作面推进情况等,来指导矿方安全生产。微震事件定位情况见图27。


图27微震事件定位图

4.罗马尼亚盐矿采空区稳定性监测

某地区通过开采盐矿床,创造了体积达百万立方米的采空区。该采空区,因1991年发生大规模的崩塌被封闭。由于2001年采空区顶板岩石大规模的垮落,导致地表塌陷,形成了一个直径近200m的塌陷坑,造成了170万立方米的卤水溢出。2004年第二次较大规模崩塌使塌陷坑进一步扩大。该采空区已经给附近一个人口稠密的小镇带来了严重的影响。

为监测采空区稳定性,在深度160-360m,超过1平方公里的区域内布置36通道的微震监测系统。该系统记录的微震事件,可反映在崩塌范围内,微震活动与应力重分布的关系。2005年7月到2006年3月,共监测到矩震级在-2.8~0.3级的微震事件2392个,如图28所示。事件定位精度在18m以内。大部分事件是监测范围内采空区顶板岩体的垮落引起,微震事件空间汇聚区域是采空区顶板主要垮落区域。在微震事件分布相对比较离散的地方则反映出附近较小空区顶板的垮落。



图28微震事件在垂向剖面上的分布

矩张量反演可以确定微震事件的震源机制,通过分析评估微震事件的震源机制可以给出盐矿采空区垮落的趋势。


图29微震事件震源机制分析

5.边坡稳定性的微震监测

微震监测主要用来评估边坡岩体内裂隙的产生和发展,已知或未知地质构造的活化。大多数裂隙的活动发生在边坡深部,常规监测方法难以发现。具有三维整体监测特点的微震技术,可以监测并获得这些裂隙的位置、尺度、非弹性变形、压剪性质等信息。进而根据微震事件的时空分布划分潜在破坏区域。边坡深部的非弹性变形等异常,可能比边坡表面宏观位移提早数周,因此有可能实现边坡失稳的提前预警。

露天矿的生产爆破或附近的工程振动,一般会诱发边坡岩体的震动,其影响程度可以通过质点峰值速度(PPV)或质点峰值加速度(PPA)的水平来表征。微震监测系统可以测量并给出这类扰动的PPV和PPA值。随着微震数据的积累,可通过微震系统建立边坡震动数据库,结合边坡表面损害的发展变化分析,可以为边坡动态设计施工管理提供数据基础。

南美某大型露天矿,安装了36通道的微震监测系统。该系统包括9个三轴和9个单轴15Hz的全向微震传感器(如图30所示)。18个传感器台阵覆盖范围达1000m x 1500m x 1000m左右,可进行全天候实时整体三维监测。微震监测结果主要用于评估边坡内发生的微震活动与主要地质构造或采矿活动之间的关系,这些结果是露天矿运营和矿区规划的重要基础。


图30 单轴(灰色块)和三轴(组灰块)微震传感器的位置

该系统在4月内,监测定位了886个微震事件,矩震级从-1.2级到1.4级,定位精度约28m。使用波形初至自动计算出各个事件位置,并用先进的定位方法优化了微震事件的定位。结果表明,目标区域内微震事件活跃,多数微震事件发生在露天矿东部边坡内的两个狭长条带内,与边坡表面近似平行。图31给出了边坡内部和深部的微震事件。


图31  4个月的微震事件分布图

6.地下油气库高精度微震监测系统

高精度微震监测系统可在油库建设过程中同步安装,可以对地下油库开挖过程中可能发生的岩体失稳(如大范围的冒顶、塌方等)进行监测预警;为开挖顺序、分段爆破等施工优化提供指导;可以对区域内因地下油库施工和运营引起的断层等已知或未知地质构造的活化进行评估。油库运营期间,可以评估因为油量变化产生的附加应力对洞室稳定性和渗透性等的影响;监测预警地下洞室中可能发生的塌方、冒顶并作出定位和分析;评估远场天然地震,和扰动对油库区岩体稳定性的影响,为地面以下的油库安防提供保障。

某油气库建设过程中安装了微震监测系统,实现了实时远程监控地下库及附近岩体的微震情况,以确保油气洞库的安全建设与运营。该系统包括了12个传感器,其中包括两个3轴传感器和10个单轴传感器。油气库附近的微震事件分布见下图32。

同时洞库的不同位置安装常规传感器来监控周围水幕的流体压力、温度等参数,与洞库内微震系统结合形成了完整的地下油库监测系统。该系统自动采集微震、压力数据,三维可视化的呈现给管理人员。连续微震压力监测结果表明,储存液化油气的洞库运行良好。


图32油库微震事件三维图



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