微地震检测技术简介

微地震监测技术及应用

随着非常规致密砂岩气、页岩气藏的开采开发，压裂技术在储层改造中起着举足轻重的作用，而微地震监测技术是评价压裂施工效果的关键且即时的技术之一。根据微地震监测处理高精度地反演微震位置，从而预测压裂裂缝的发展趋势及区域，对压裂施工效果进行跟踪及评判，同时也为后期油气藏的开采和开发提供技术指导。

第一节微地震监测技术原理与发展

微地震监测技术是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术,其基础是声发射学和地震学。与地震勘探相反,微地震监测中震源的位置、发震时刻、震源强度都是未知的,确定这些因素恰恰是微地震监测的首要任务。微地震是一种小型的地震（mine tremor or microseismic）。在地下矿井深部开采过程中发生岩石破裂和地震活动，常常是不可避免的现象。由开采诱发的地震活动，通常定义为，在开采坑道附近的岩体内因应力场变化导致岩石破坏而引起的那些地震事件。开采坑道周围的总的应力状态。是开采引起的附加应力和岩体内的环境应力的总和。

一、技术背景

岩爆是岩石猛烈的破裂，造成开采坑道的破坏，只有那些能够引起矿区附近的地区都受到破坏的地震事件才叫做冲击地压或煤爆、“岩爆”。对地下开采诱发的地震活动性的研究表明，矿震不一定全都发生在开采的地点，且不同地区的最大震级也不相同，但矿震深度一般对应于开采挖掘的深度。每年在一些矿区的地震台网能记录到几千个地震事件，只有几个是岩爆。在由开采引起的地震事件的大的系列里，岩爆只是其中很小的一个分支。对矿山地震、微地震及冲击地压的观测具有一致性，但应用到实际生产中必须区别对待。

二、微地震技术的发展

基于微震监测的裂缝评价技术正发展成为油层压裂生产过程中直观而又可靠的技术。近几年来，国内众多油气田纷纷投入人力、物力和资金，积极开展该技术的应用与研究工作，广泛用于油气勘探开发工作。2011年，东方物探公司投入专项资金，积极开展压裂微地震监测技术研究，压裂微地震监测技术水平得

到快速提升。截止2011年11月，东方物探公司已成功对11口钻井实施了压裂微地震监测。同年，华北油田物探公司针对鄂尔多斯工区大力推广水平井分段压裂技术、不断提高储量动用率及单井产量的要求，2011年年初就对微地震检测技发展状况进行调研，并对检波器、记录仪器、处理软件进行实际考察。

他们与科研院校合作，在鄂南工区富县牛东4井与洛河4井开展微地震监测裂缝评价技术攻关，采用微地震技术对储层压裂进行监测，结果与人工电位梯度方法(ERT)监测结果一致。该公司还通过组建微地震监测项目组，加强相关专业知识的培训和学习，并与科研院校开发微地震检测特色技术，打造差异化竞争优势。近年来，胜利油田积极开展微地震压裂检测技术应用研究，并把它作为油气勘探开发的重要技术手段和技术储备。据了解，非常规油气藏将成为胜利油田的一个重要接替阵地，而微地震压裂检测技术是非常规油气藏勘探领域中的一项重要新技术。

在20世纪40年代，美国矿业局就开始提出应用微地震法来探测给地下矿井造成严重危害的冲击地压，但由于所需仪器价格昂贵且精度不高、监测结果不明显而未能引起人们的足够重视和推广。近10年来，地球物理学的进展，特别是数字化地震监测技术的应用，为小范围内的、信号较微弱的微地震研究提供了必要的技术基础。为了验证和开发微地震监测技术在地下岩石工程(如地热水压致裂、水库大坝、石油、核废料处理等)中所具有的巨大潜力，国外一些公司的研究机构和大学联合，进行了一些重大工程应用实验。如1997年，在美国德州东部的棉花谷进行了一次全面而深入的水压致裂微地震成像现场实验，以验证微地震成像技术的实用价值。该实验取得了巨大成功，证明微地震成像技术相对于其它技术来讲，分辨率高、覆盖范围广、经济实用及可操作性强，很有发展潜力。

美国之所以成为目前世界上页岩油气开发的领跑者，就是因为它已经熟练掌握了利用地面、井下测斜仪与微地震检测技术相结合先进的裂缝综合诊断技术，可直接地测量因裂缝间距超过裂缝长度而造成的变形来表征所产生裂缝网络，评价压裂作业效果，实现页岩气藏管理的最佳化。该技术有以下优点：1)测量快速，方便现场应用; 2)实时确定微地震事件的位置; 3)确定裂缝的高度、长度、倾角及方位; 4)具有噪音过滤能力。

三、微地震监测定位技术

微地震监测技术中震源的定位精度受多种因素影响,如介质复杂程度、定位技术、微地震信号的信噪比以及微地震检波器的空间分布等,其中微地震检波器空间分布是非常关键的一个环节。不同的检波器布置方案得到不同的微地震信号阵列,定位精度也不同。比如在天然地震预报中,理论上三个站点就可对已发生的地震进行震中定位,但前提是三个站点不能位于同一直线,这说明了站点分布的重要性。

正演模拟不仅能帮助我们认识地震数据的特征,同时也是反演中必不可少的部分,另外在反演方法的验证中,还可以为我们提供模型数据。水力压裂微地震有其独有的特征:震源位置和震源的激发时间未知,并且众多震源随着空间和时间在不断变化,最终形成破裂裂缝。因而,水力压裂微地震数值模拟需要满足如下要求:首先震源必须符合微地震裂缝发育特征,震源的空间位置及激发时间都应该有一定规律;其次必须是三维三分量数值模拟,这样才能更好地反演定位。而数值模拟方法分为波动方程正演和射线追踪正演,它们各有优缺点。波动方程正演模拟能完整地刻画波在传播过程中振幅、相位和频率的变化,但是三维波动方程正演对硬件的要求比较高,并且很耗时,而三维射线追踪正演耗时短,对硬件的要求也比较低,在对振幅、相位和频率的要求不是太高时,实用性比较高。由于粘弹介质更接近于实际介质,对波场的振幅和相位的影响较大,进而会对微震震源定位的结果产生影响。

四、微地震监测水力压裂技术

水力压裂微震监测技术是近年来得到迅速发展的地球物理勘探技术之一（毛庆辉等，2012）。它是以声发射学和地震学为基础，通过观测分析水力压裂作业时产生的微小的地震事件绘制裂缝的空间图像，监测裂缝的发育过程，实时调整作业参数，实现水力压裂效果最优化。水力压裂时，在射孔位置，当迅速升高的井筒压力超过岩石的抗压强度（李国永等，2010）时，岩石遭到破坏，并形成裂缝扩展，这将产生一系列向四周传播的微震波。微地震监测水力压裂就是以断裂力学理论（范天佑，2003）和摩尔－库伦定律（刘建中等，2004）为依据，通过布置在被监测井周围的各个监测分站对水力压裂产生的微震波进行接收，接着对地面采集到的微震波信号进行解释处理，继而确定微震源位置（陆菜平等，2005）。

在过去的十年间，微地震监测技术已经将水力压裂从概念上和工程模型上简