微破裂向量扫描原理的研发进展

微破裂向量扫描原理是为了适应微震监测的目标特性、恶劣的地表监测环境、和对应用的一般监测要求,而逐步发展起来的.它不得不放弃记录要求较高的传统定位处理方法与可能使很多台站噪声极大的等距等角阵列,使用离散稀疏台网,处理分析完整的空间记录向量.在数学上,它计算各台记录对准各扫描点的向量间的相关性程度;在物理上,则反映了破裂释放能量的分布.选择安静处布设地震台网并在数据处理中去除和压制干扰信号以获得较小振幅的随机记录,是应用向量扫描技术的必要条件.这种条件应当数值化地由地震仪器、地震台网分布、监测环境、与去噪过程判定.一般情况下,为保证监测质量,它放弃振幅较小的纵波,而使用到达地表时携带能量较多的横波,并对扫描计算使用的台站记录附加以不同的权重;为提高性价比和使微震监测成为常规手段,在满足应用必要条件的基础上,它使用一个估计的最小扫描台站数,以及携行布设的最大台站数.利用相关性的概念,它可对速度模型引起的误差进行适度校正.微破裂向量扫描是专门针对微小破裂、三分量浅地表埋设观测、稀疏布设台阵、实时监测并4D处理解释、且考虑了微震多有剪切破裂特性的地震学监测方法;它扩展了传统定位方法的监测范围,能够在地表快速施工并"看到"微破裂,性价比高,可发展成为一种日常生产监测手段.     

微地震压裂监测技术研发进展

本文对近些年微地震压裂监测主要方法的研发现状从地震学角度做了简要的回顾和评论,讨论了它们的观测和处理手段的可行性与局限性;特别是依据已有观测事实,讨论了在地表布设千台地震仪(检波器)以内的地震台网时,拾取压裂破裂弹性波到时进而实施定位的可能性.文中强调了:研发和评价任何微震压裂监测方法,应当明确压裂产生的大量微小震级破裂和它们具有剪切成分的特性,也要顾及日常生产应用的要求和一般监测环境.井中邻近监测和实施传统定位处理,在检波器阵距压裂点几百米内,信噪比高,应是目前精度较高的最可靠的方法;若数据处理得好,它虽然不大可能作为日常手段,但可用于科研和检验其它方法.对地表大规模阵列式监测,定位处理因成功率较低和施工复杂似乎不能用作日常手段;若实施叠加或偏移处理,即使使用单分量阵也要顾及初动极性,以及最好避免大批量的非安静点的设置.微破裂向量扫描应当是可行的,但仍然需要进一步完善以克服其局限性.     

微地震及其监测综述——走向基于低信噪比的微破裂向量扫描

微地震是岩石的微小破裂.微地震的另一个重要特性是剪切破裂或具有很强的剪切破裂成分.通常人们感兴趣的是监测与生产生活密切相关的微震活动，为环保、安全、提高生产效率、以及一般地学科研提供参数和建议.观测微震信号，以及对其实施的数理、地质、工程等的分析研究，构成整个微震监测系统.对此系统的每一步骤，从观测仪器研制、微震台网布设、微震记录的整理和去噪、微震或其释放能量分布的定位，到分析微震时空活动规律，以及这些规律与监测目标之间关联的解释，都必须从上述微震的两个特性出发.微震监测照搬常用勘探地震学和一般小震以上的天然地震学软硬件是不恰当的．微震监测方法的研发必须严格服从地震学基本原理并进行大量实验．本文对微震及其监测进行了一般综述，说明了由于微震的两个重要特性及其监测的艰难程度，也由于微震监测成为伴随生产生活的性价比较高的常规手段的需求，而不得不研发基于微小信噪比数据记录、实施地面监测的微破裂向量扫描技术，较详细地描述了其原理、微震仪器、台网布设原则、去噪、分析解释原则、和应用中所得到的重要分析结论，以及目前存在的技术问题和展望．     

煤矿微震监测台网优化布设研究

煤矿冲击矿压现象日益严峻,作为矿山动力灾害的主要监测手段,微震监测系统已在许多矿井广泛使用,为保证矿震定位和能量计算的准确,提高预测预报煤矿冲击矿压的可行性,应建立一套台网布设优化及评价系统.应用微震定位和D值优化设计理论,结合煤矿实际条件研究了影响矿震定位精度的主要因素和不利条件,并提出了采用综合指数法确定煤矿高微震活动区域和区域内矿震发生的概率,制定了台站候选点和监测区域确定的一般原则.通过理论分析震中和震源标准差反映台网定位能力的不足,建立基于数值仿真实验方法的震中与震源误差期望值模型,最终形成台网布设优化及评价系统.实验和现场应用结果表明,该系统能够快速确定台网最优布设方案,准确评价台网定位能力,满足煤矿微震监测的需要.     

吉林龙井地震台阵勘选

吉林省地震监测台网自数字化观测以来,地震监测能力和速报速度明显提高,但东部的延边地区测震台网密度仍相对偏低。为了进一步提升该区地震监测能力,中国地震局拟在吉林省延边州龙井市建设1个地震台阵,采用圆形阵列方式布设,孔径设为3 km,由9个子台组成。通过图上勘选、宏观勘选、仪器勘选,最终确定9个台点的具体位置,并给出布台方案,为今后实地建设台站打下坚实基础。     

煤矿矿震定位中异向波速模型的构建与求解

针对煤矿上覆岩层层状赋存和离层带的特点,构建矿井尺度的微震监测系统异向波速模型,模型中波速向量由地面探头速度与井下探头速度组成.研究了在只有强矿震信号和混有爆破信号两种条件下,以到时残差最小为目标和震源定位误差最小为目标的两种求解模型,模型求解选用具有全局寻优特性的遗传算法与CMEAS算法结合的混合算法.现场实际应用得出,只使用爆破信号的到时残差法最优,混有强矿震信号的到时残差法其次;与爆破信号定位所用的统一简化波速模型相比,震源定位误差大幅度降低.在此基础上进一步减低定位误差,还需从微震台网的优化布设方面解决.     

微破裂向量扫描在丰探15井压裂微震实时监测中的应用

浙江油田苏北采油厂于2017-07-28～29对丰探15井近4 km深的泰二段第三段进行了水力压裂,分成试压和主压.我们同时应用微破裂向量扫描(Vector Scanning,VS)实施了地面微震实时监测,目的是评估监测质量、实时监测的可行性、与压裂效果.我们严格执行了安静处布台和有效去噪等应用VS的必要条件,最大限度地提高了信噪比,平均的最小信噪比为2.35%;输出结果可靠.为今后更有效地设计和控制压裂,通过电信网和互联网,我们实施了野外采集数据的实时传输和遥控数据处理解释,观察了每分钟裂缝带的发展;实时监测系统可行.主压的最终X型破裂明显是在试压裂缝的基础上,由试压的300 m长,扩展到400～500 m,并加密了缝网;井域最大主压应力方位被限制在NE(50～80)±5°.本次压裂微震活动有明显的间歇性,较大微震群发生前积累能量所需时间,由初期的10 min内,逐渐延长到最后的百分钟.微震活动由压裂点扩展到远处的顺序清晰,这可能同此井附近的介质较为完整有关.每分钟的压裂微震活动状态一般在5～15 min内可报告给压裂施工团队.通过这次典型的水力压裂微震实时监测,我们验证了:VS的原理可行,且满足其应用的必要条件极为重要.微震实时监测有效地指导了压裂泵注程序的优化,针对监测到的缝网形态及时采取了液性变化、停泵转向等手段,实现了更大的改造体积.     

NC区块页岩气水平井压裂微震实时监测

页岩气储层压裂时微震微小、对其地面监测的记录数据信噪比(S/N)很低,常常<10%.且这些微震多为剪破裂,在不同地点的记录波动具有很强的正负极性.因此,在数据采集过程中需要躲避噪声源、进而有效去噪,以提高剪切破裂的S/N.为了提高微震监测成果在压裂过程中的实用性,需要对整个压裂过程采用实时监测的裂缝描述,为压裂泵注程序优化及时提供参考数据和指导.中国石化重庆页岩气有限公司在2020年5月应用微破裂向量扫描技术对NC区块的三口水平井的压裂进行了地面微震实时监测.三口井埋深3452～3667 m,共压裂和监测了56段.因满足了安静点观测及去噪的应用微破裂向量扫描的必要条件,输出结果可靠.实时观察了每段缝网的发展,有显著的间歇性和跳跃性.每段缝网均由多条交叉子破裂带组成,平均的主走向NE110°、全长470 m、宽度为长度的一半弱,井组地域平均最大主压应力方向应在NE110°～140°之间.由于实时监测,根据缝网当前形态,及时采取了变换排量和砂比等参数,辅以暂堵、改变液性、和停泵转向等手段,实现了更大的改造体积.     

2．加拿大由采矿诱发的地震活动性综述

由于区域地震台网布设到开采矿区，加拿大对矿震活动的监测工作已得到了改进。矿震的强度、频度，会随着采矿向更深处发展并随开采率的加速而增加．因为许多矿山（钾盐、煤和金属）的面积范围较大，所以现今监测这些矿震的最可行和最实用的方法是，在发生微震活动的矿内或矿的地表布设地震台网。在少数几个矿山周围已部署了地震台网，并且还计划在近代经历过剧烈矿震的其它矿山周围布设地震台网。本文描述了６次矿震的震源机制，并且介绍了有关的Ｐ波、Ｓ波辐射图像。把实际地震的辐射图像与理论上的预测进行比较，是判断潜在源机制的快速方法，另外，可用识别较大事件前的微震活动图像方法来减轻严重事件所造成的潜在损失。     

鹤岗矿震台网背景噪声分析

利用鹤岗地震台及鹤岗矿震台网的观测资料,分析了矿务局点、救援队点、大陆矿、鸟山矿等4个测点的背景噪声,得到鹤岗区域矿震的典型背景噪声特征及观测环境对矿震台网的影响特点,以及矿震台网所受具体干扰源的特征,并对矿震台网的监测效能进行了评估.     

鹤岗矿震台网背景噪声分析

利用鹤岗地震台及鹤岗矿震台网的观测资料,分析了矿务局点、救援队点、大陆矿、鸟山矿等4个测点的背景噪声,得到鹤岗区域矿震的典型背景噪声特征及观测环境对矿震台网的影响特点,以及矿震台网所受具体干扰源的特征,并对矿震台网的监测效能进行了评估。     

甘肃省2个区域数字地震台网及其监测情况和资料处理

介绍了近期建设和运行的张掖台网和天祝－古浪台网的情况,包括台站分布、仪器情况、资料处理方法和监测区域的壳速度结构,列出了张掖台网监测到的微震１５７次以及天祝－古浪网记录的３２９次微震的震中分布图。     

密集台网微震定位技术在矿山开采动态监测中的应用研究

利用河南新密超化镇某矿区布设的密集临时地震台网观测资料,通过微震震源精确定位手段,实现强干扰背景下该地区某煤矿地下开采面的定位追踪试验研究。微震定位后,爆破点位置的水平精度为±70m,垂直精度为±500m。试验研究结果表明,利用高密度数字地震台网资料,可较为准确地监测矿山地下开采面的动态变化,从而实现对矿产资源越界开采和小矿非法开采的有效制约和监督。同时,本次试验结果显示地震台网的监测控制范围受爆炸源能量、地下开采面的深度、监测区背景噪声、监测仪器的灵敏度和抗干扰能力等因素影响,试验结果可对今后矿区地震监测台网的合理布设提供有效指导。     

紫坪铺水库地震监测预测

紫坪铺水库微震台网已经运行逾6年,强震台网已经运行逾3年,水库蓄水逾4年。2006年10月水磨突发ML1.4级微小地震群,库区及附近和库坝区地震活跃,依据监测研究较准确预测了2006年11月至2007年2月的水磨ML2.5级地震群。研究认为ML2.5级地震群是蓄水初期诱发的一些浅表卸荷型或岩溶塌陷型小地震。2008年5月12日汶川8级特大天然地震发生在微震台网监测范围内,水库微震台网和强震台阵的运行正常,为政府抗震救灾有效决策提供了科学依据,为稳定社会发挥了作用。     

微地震信号传播特性分析

本文基于层状介质模型比较了地面激发深部接收信号与深部激发地表接收信号的差异,研究表明地震信号从高速层或者低速层入射时,当入射角不同时都会存在透射系数绝对值大于1的情况;法向入射时,上方入射和下方入射的透射波的振幅传递系数的绝对值不相等;相对于浅层炮点的情况,炮点位于深层时接收到的VSP记录信号更强记录更清晰;微地震事件井中和地表监测的信噪比依赖于许多因素,如几何扩散、衰减效应、噪声水平、信号频率、接收器数目、近地表放大效应以及阻抗对比效应等,本文只考虑井中检波器阵列与微地震震源之间距离的影响,随着距离的增大地面阵列的叠加信号信噪比相对于VSP记录会有明显的提高;阻抗差异和自由表面边界情况会导致入射P波的强度增强,这种效果能够补偿表面增加的噪声造成的影响,使得我们可以在地表通过相对较少的检波器监测微地震信号.     

小浪底数字地震台网技术系统构成与应用

基于小浪底数字地震台网建设改造,就微震台网和强震台网在大坝监测中的应用做了详细的介绍,试图为同类台网的建设提供借鉴和参考。     

长短极距比值干扰源定位方法及其在地电场观测中的实际应用

提出长短极距比值干扰源定位方法用来定位地电观测中出现的地表干扰源。该方法基于均匀半空间模型且地表干扰为点电源,利用地表不同位置的干扰源所引起的同测向长短极距的电场变化差异,联合多测向比值来定位干扰源位置,并应用到徐庄子台漏电干扰一例和高邮台偶极源试验中。结果表明:利用长短极距比值法,能有效定位干扰点源,且能定位偶极干扰源的其中一个电极。     

基于DIRECT算法的微震震源快速网格搜索定位方法研究

微震监测定位技术的精度及效率是微震监测中的核心技术问题,震源扫描算法作为一种稳定、可靠的方法被广泛用于微震监测定位中,但是在多事件、多参数反演中,其反演效率严重制约其应用.本文将震源扫描算法与DIRECT算法思想结合,提出基于DIRECT算法的微震快速网格震源搜索定位方法,即在求解震源扫描算法目标函数最优解时,采用DIRECT搜索策略,无需划分网格大小,直接搜索目标函数最优解.通过地面及井中微震监测模型测试表明,基于DIRECT算法的微震快速网格震源搜索定位方法比传统的震源扫描算法搜索次数少、计算耗时短、计算精度高,尤其适合大空间内多事件、多参数的震源反演,为水力压裂微震监测过程中大量数据的实时、快速、准确定位提供了可能.     

微破裂向量扫描技术的自动化数据处理

本文是微破裂向量扫描技术(Vector Scanning—VS)系列文章的第四篇.前三篇分别为微地震压裂监测技术研发进展、VS的原理、VS的数据采集(见本文参考文献).为满足微震监测中应用VS的必要条件,即获得小振幅的随机记录,在数据处理中,必须数值化地判断凸显的、或隐藏在背景噪声中的有规律的干扰.目标区内外与监测目标无关的干扰记录被视为外来能量,应去除或压制.换言之,依然是尽力提高有效信噪比.数据处理的主要任务是:处理准备,包括扫描几何设计、构建监测目标区的速度模型、与计算扫描体内各点的地震波射线传播到达各观测点的走时和入射参数表;判别、去除、和压制各类干扰噪声;及完成扫描计算.作为去噪后达到的目标,小振幅的随机背景记录应当是:远处无穷个振源及观测点附近弱电磁场干扰的组合,是无规律或时空上不可预报从而也不可能去除的波动;这些背景噪声的振幅应尽可能的小;有效频率带内,每个频率携带有差别不大的能量密度,即接近白噪声.因而,在时间、频率、和空间域,必须在去噪过程中搜寻、压制或去除下列干扰:任何在周期上可能重复的记录;任何携带较高能量的窄带频率;凸显的任何较大振幅;以及除有用信号外,台站间可能相关的其他记录;等等.要实现数据处理的工程化,主要是软件的高度自动化,需要将VS的必要条件、物理等科技知识、经过验证的观测结论、和计算经验实现数值化,融入到一个专家系统中.     

研究中强地震前中小地震震源机制变化的一种方法

定义了“P轴分布集中度”用以研究中强地震前中小地震震源机制变化。利用祁连山中东段地区布设的中法微震数字监测台网多年的监测资料和甘肃数字监测台网的资料,使用P波和S波初动和振幅比联合反演方法反演了两次中等地震前震源区附近地区中小地震震源机制解和发震应力场;利用“P轴分布集中度”这一参数分析研究了这两次中等地震前中小地震震源机制和发震应力场的时间变化。结果表明,震前1~2年中小地震震源机制解P轴开始集中,在震前集中到大约与主震震源机制的发震应力场一致。