作者 董翰川1,2 吴悦1,2 杨凯1,2 庞丽丽1,2 宋继武1,2
1.中国地质查询局水文地质环境地质查询中心(河北 保定 071051)
2.国土资源部地质环境监测技能要点实验室(河北 保定 071051)
*基金项目：川渝页岩气勘查开发区1:5万环境地质查询(编号：DD20160253)
董翰川(1985-)，男，硕士，工程师，研讨方向：地质灾害监测预警技能。
摘要：以STM32F4和CS536芯片为中心部件，规划了一种三重量微地震裂缝监测仪，首要用于页岩气挖掘进程中微地震事情的捕捉。选用能够一起记载纵波、横波和转化波的三重量检波器用于感知质点振荡加速度。论述了监测仪的作业原理和软硬件规划思路，并在涪陵国家级页岩气示范区的焦石镇展开了户外使用实验。经过剖析，三重量微地震监测仪能够较真实地反映震源方位及裂缝的发育程度，可作为了解页岩气水压裂对深部地质结构影响的技能手段。
0 导言
近年来，非常规资源开发在全世界掀起热潮，微地震监测技能成为低浸透油气藏压裂改造范畴内一项重要技能[1-2]，该技能在油气藏挖掘进程中能够优化注采程序、当令调整水力压裂参数、及时修正压裂作业程序、优化增产办法，然后下降挖掘本钱、进步油气藏产值，能够大大缩短和下降油气储层监测的周期与费用[3-5]。因而，微地震监测技能已广泛使用于水力压裂裂缝监测、油气藏动态监测、灌水监测等范畴，并获得了油气界的高度认可[6-8]。
我国的微地震监测技能研讨起步较晚，受技能引进时刻较短、对技能把握程度不行等要素影响，国内油气藏挖掘范畴进行的微地震监测方面均选用国外技能与服务(如斯伦贝谢等公司)，国内微地震监测配备方面尚处于空白，没有自主知识产权的微地震监测设备[9-10]。
1 微地震监测仪概略及原理
1.1 概略
油气藏挖掘进程中水力压裂等工程活动简单构成地层岩石开裂构成裂缝，微地震监测仪首要用于对该裂缝的几许形状及发育程度进行捕捉。地层岩石决裂首要张性决裂和剪切决裂两种方法[11]，微地震监测仪选用三重量监测技能监测剪切决裂。剪切决裂进程中发生纵波和横波，每个微地震事情都是纵波在前，横波在后，且在传达方向上有三个重量：两个水平重量X、Y和一个笔直重量Z。微地震监测仪经过三个重量加速度数据的收集剖析，完结微地震事情的定位。受中国地质查询局地质查询项目“川渝页岩气勘查开发区1:5万环境地质查询”资金支撑，该配备已在重庆市涪陵区焦石镇页岩气挖掘区进行户外实验。
1.2 微地震监测技能原理
微地震监测技能是近年来使用较广泛的新式地球物理技能，其根底是声发射和地震学，首要用于油气田挖掘进程中对细小地震事情的捕捉。其原理是经过观测和剖析油气挖掘活动中(如水力压裂)在地下深部发生的岩石开裂等细小地震事情，对观测到的微地震数据进行处理和解译，并生成图画，然后更好地知道岩石裂缝的几许形状、方位、倾角、连通性、密度等。依据监测方法不同，通常将微地震监测分为观测井监测和地表(或近地表)监测两种方法[4]，本文选用后一种方法。
2 监测仪硬件规划
微地震监测仪选用三重量检波器感知X、Y和Z三个重量加速度值的改变，设备将收集到的三个加速度模拟量转化为CPU芯片可辨认的数字信息，数据经内存处理和剖析后存储于本地SD卡处。监测仪硬件首要包含嵌入式处理器模块(CPU)、电源模块、滤波电路模块、程控增益扩大器模块、模数转化器模块(AD)、GPS校时定位模块、SD卡存储模块，结构如图1所示。体系的时刻校准作业由GPS电路完结，电路中所有的逻辑时序操控悉数由嵌入式操控器CPU来完结，各个模块电路彼此协同作业完结微地震事情的捕捉。
2.1 嵌入式处理器CPU
微地震信号的收集是一个接连收集的进程，数据量较大且需求实时存储，因而体系在选型上要尽或许地做到低功耗，监测仪选用STM32F4系列的嵌入式处理器作为中心CPU芯片，主频为168 MHz，实践性能指标为1.25 DMIPS/MHz，具有较高的能耗比，内部集成256 KB SRAM，能够满意数据缓存的需求，该处理器I/O接口品种较多，具有IIS数据口，合作CPU的DMA中止形式，用于AD数据的快速存取，片外装备16 M SDRAM，用于接连数据的缓存，其结构如图2所示。
2.2 信号电路部分
2.2.1 差分输入电路
信号输入端选用差分输入方法以按捺共模搅扰信号，并使用了低通滤波器按捺高频噪声，输入端接入稳压二极管，避免外界环境中静电的进入和传感器的信号起伏过大导致芯片损坏，电路如图3所示。
2.2.2 程控增益扩大电路
程控增益扩大电路挑选PGA280AIPW数字运放芯片，CPU经过SPI接口与芯片进行通讯，增益可调，以下发的数字0～10设定扩大倍率，对应扩大倍率为1/8～128，输出信号进一步进行高频滤波和差分滤波，削减信号噪声，电路如图4所示。
2.2.3 模数转化电路
模数转化电路是微地震信号收集的中心部分，电路选用CS5361音频AD转化器，具有192 kHz采样率，24位分辨率，双通道输入，IIS数据接口。AD上电初始化结束后开端运转，以1 kHz的采样速度双通道并行收集，数据存入处理器环形缓冲区，接收到GPS校时触发信号，经过处理器的DMA管理器搬移缓冲区的数据到外部存储器，进步了数据处理的速度，电路如图5所示。
