1、微地震監測技術及應用隨著非常規致密砂巖氣、 頁巖氣藏的開采開發， 壓裂技術在儲層改造中起著 舉足輕重的作用，而微地震監測技術是評價壓裂施工效果的關鍵且即時的技術之一。根據微地震監測處理高精度地反演微震位置， 從而預測壓裂裂縫的發展趨勢 及區域，對壓裂施工效果進行跟蹤及評判， 同時也為后期油氣藏的開采和開發提 供技術指導。第一節 微地震監測技術原理與發展 微地震監測技術是通過觀測、 分析生產活動中所產生的微小地震事件來監測 生產活動的影響、效果及地下狀態的地球物理技術 , 其基礎是聲發射學和地震學。 與地震勘探相反 , 微地震監測中震源的位置、發震時刻、震源強度都是未知的,確定這些因素恰恰是微地

2、震監測的首要任務。微地震是一種小型的地震( mine tremor or microseismic )。在地下礦井深部開采過程中發生巖石破裂和地震活 動，常常是不可避免的現象。由開采誘發的地震活動，通常定義為，在開采坑道 附近的巖體內因應力場變化導致巖石破壞而引起的那些地震事件。 開采坑道周圍 的總的應力狀態。是開采引起的附加應力和巖體內的環境應力的總和。 一、技術背景巖爆是巖石猛烈的破裂， 造成開采坑道的破壞， 只有那些能夠引起礦區附近 的地區都受到破壞的地震事件才叫做沖擊地壓或煤爆、 “巖爆”。 對地下開采誘 發的地震活動性的研究表明， 礦震不一定全都發生在開采的地點， 且不同地區的 最大

3、震級也不相同， 但礦震深度一般對應于開采挖掘的深度。 每年在一些礦區的 地震臺網能記錄到幾千個地震事件， 只有幾個是巖爆。 在由開采引起的地震事件 的大的系列里， 巖爆只是其中很小的一個分支。 對礦山地震、 微地震及沖擊地壓 的觀測具有一致性，但應用到實際生產中必須區別對待。二、微地震技術的發展 基于微震監測的裂縫評價技術正發展成為油層壓裂生產過程中直觀而又可 靠的技術。近幾年來，國內眾多油氣田紛紛投入人力、物力和資金，積極開展該 技術的應用與研究工作，廣泛用于油氣勘探開發工作。 2011 年，東方物探公司 投入專項資金， 積極開展壓裂微地震監測技術研究， 壓裂微地震監測技術水平得 到快速提升

4、。截止 2011 年 11 月，東方物探公司已成功對 11 口鉆井實施了壓裂 微地震監測。 同年，華北油田物探公司針對鄂爾多斯工區大力推廣水平井分段壓 裂技術、不斷提高儲量動用率及單井產量的要求， 2011 年年初就對微地震檢測 技發展狀況進行調研，并對檢波器、記錄儀器、處理軟件進行實際考察。他們與科研院校合作， 在鄂南工區富縣牛東 4 井與洛河 4 井開展微地震監測 裂縫評價技術攻關， 采用微地震技術對儲層壓裂進行監測， 結果與人工電位梯度 方法(ERT)監測結果一致。該公司還通過組建微地震監測項目組，加強相關專業 知識的培訓和學習， 并與科研院校開發微地震檢測特色技術， 打造差異化競爭優

5、勢。近年來， 勝利油田積極開展微地震壓裂檢測技術應用研究， 并把它作為油氣 勘探開發的重要技術手段和技術儲備。 據了解，非常規油氣藏將成為勝利油田的 一個重要接替陣地， 而微地震壓裂檢測技術是非常規油氣藏勘探領域中的一項重 要新技術。在 20 世紀 40 年代，美國礦業局就開始提出應用微地震法來探測給地下礦井 造成嚴重危害的沖擊地壓， 但由于所需儀器價格昂貴且精度不高、 監測結果不明 顯而未能引起人們的足夠重視和推廣。近 10 年來，地球物理學的進展，特別是 數字化地震監測技術的應用， 為小范圍內的、 信號較微弱的微地震研究提供了必 要的技術基礎。為了驗證和開發微地震監測技術在地下巖石工程 (

6、如地熱水壓致 裂、水庫大壩、石油、核廢料處理等 ) 中所具有的巨大潛力，國外一些公司的研 究機構和大學聯合，進行了一些重大工程應用實驗。如 1997 年，在美國德州東 部的棉花谷進行了一次全面而深入的水壓致裂微地震成像現場實驗， 以驗證微地 震成像技術的實用價值。 該實驗取得了巨大成功， 證明微地震成像技術相對于其 它技術來講，分辨率高、覆蓋范圍廣、經濟實用及可操作性強，很有發展潛力。美國之所以成為目前世界上頁巖油氣開發的領跑者， 就是因為它已經熟練掌 握了利用地面、井下測斜儀與微地震檢測技術相結合先進的裂縫綜合診斷技術， 可直接地測量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的變形來表征所產生裂縫網絡，

7、評 價壓裂作業效果， 實現頁巖氣藏管理的最佳化。 該技術有以下優點： 1) 測量快速， 方便現場應用 ; 2) 實時確定微地震事件的位置 ; 3) 確定裂縫的高度、長度、傾角 及方位 ; 4) 具有噪音過濾能力。三、微地震監測定位技術微地震監測技術中震源的定位精度受多種因素影響 , 如介質復雜程度、定位 技術、微地震信號的信噪比以及微地震檢波器的空間分布等 , 其中微地震檢波器 空間分布是非常關鍵的一個環節。 不同的檢波器布置方案得到不同的微地震信號 陣列, 定位精度也不同。比如在天然地震預報中 ,理論上三個站點就可對已發生的 地震進行震中定位 , 但前提是三個站點不能位于同一直線 , 這說明

8、了站點分布的 重要性。正演模擬不僅能幫助我們認識地震數據的特征 , 同時也是反演中必不可少的 部分, 另外在反演方法的驗證中 , 還可以為我們提供模型數據。 水力壓裂微地震有 其獨有的特征 :震源位置和震源的激發時間未知 , 并且眾多震源隨著空間和時間 在不斷變化 , 最終形成破裂裂縫。因而, 水力壓裂微地震數值模擬需要滿足如下要 求:首先震源必須符合微地震裂縫發育特征 , 震源的空間位置及激發時間都應該 有一定規律 ;其次必須是三維三分量數值模擬 ,這樣才能更好地反演定位。 而數值 模擬方法分為波動方程正演和射線追蹤正演 , 它們各有優缺點。波動方程正演模 擬能完整地刻畫波在傳播過程中振幅、

9、相位和頻率的變化 , 但是三維波動方程正 演對硬件的要求比較高 ,并且很耗時 ,而三維射線追蹤正演耗時短 ,對硬件的要求 也比較低 ,在對振幅、相位和頻率的要求不是太高時 ,實用性比較高。 由于粘彈介 質更接近于實際介質 , 對波場的振幅和相位的影響較大 ,進而會對微震震源定位 的結果產生影響。四、微地震監測水力壓裂技術水力壓裂微震監測技術是近年來得到迅速發展的地球物理勘探技術之一 （毛 慶輝等， 2012）。它是以聲發射學和地震學為基礎，通過觀測分析水力壓裂作業 時產生的微小的地震事件繪制裂縫的空間圖像， 監測裂縫的發育過程， 實時調整 作業參數，實現水力壓裂效果最優化。水力壓裂時，在射孔位

10、置，當迅速升高的 井筒壓力超過巖石的抗壓強度（李國永等， 2010）時，巖石遭到破壞，并形成裂 縫擴展，這將產生一系列向四周傳播的微震波。 微地震監測水力壓裂就是以斷裂 力學理論（范天佑， 2003）和摩爾庫倫定律（劉建中等， 2004）為依據，通過 布置在被監測井周圍的各個監測分站對水力壓裂產生的微震波進行接收， 接著對 地面采集到的微震波信號進行解釋處理， 繼而確定微震源位置 （陸菜平等，2005）。在過去的十年間，微地震監測技術已經將水力壓裂從概念上和工程模型上簡單的平面斷裂轉變為由應力狀態和先存裂縫控制的斷裂網絡。注入流體在巖石中往往遵循“最小阻力路徑”，最大限度地減少工作量，優先生長

11、為先存的斷裂并 降低應力的時間間隔。微地震技術是唯一可以對這些復雜的難以想象的先存斷裂 的擴張進行監測的技術。在微震監測早期，工業上主要是利用垂直威爾斯鉆井， 微震監測利用盡可能接近井的有線部署陣列鉆孔。在這種結構中，背景噪聲水平 較低，信號幅度最大化，可以導致最佳的信噪比。因此，很容易記錄微震信號的 最大的數據。隨著記錄距離和相關的信號衰減，一般只能監測到背景噪音水平之 上相對較大的微震事件。普遍使用的水力壓裂監測方法有兩種， 一種解決方案是 在附近的水平井利用鉆孔陣列，另一種選擇是使用表面或近表面的淺孔陣列排布 的傳感器。五、微地震信號初至對定位精度的影響微地震定位精度與P波和S波的初至有

12、著緊密聯系， 初至的拾取主要利用P 波和S波的能量特性或自回歸算法識取P波、 S波初至。由微地震信號起跳較為 復雜，波至延續度較長，對于自動拾取的初至往往存在拾取精度問題。 吳治濤等 利用小波技術及偏振分析進行微地震P波、 S波震相識別及初至拾取，但仍存在 拾取精度的問題。實際資料表明，對典型的信噪比高的微地震波，自動拾取的結 果與手工拾取的結果基本一致；對無量綱大振幅的微地震波，到時自動拾取結果 的可靠性要高于手工拾取，對信噪比低和到時點不清晰的微地震波自動拾取的可靠性相 對較低。假設信號的拾取初至與真實初至之間的時差為At,地層的速度為V(x，y，z)，則產生的定位誤差AM f理論地可簡要

13、歸納為A-Wy = y * At ( 1)通過以上分析，拾取精度往往取決于自動初至拾取技術及判斷準則，通過可靠的判斷準則和人機交互拾取提高拾取精度和定位精度，因此認為該類誤差是可控 的，故本文將其歸類為可控誤差。圖1展示了給定模型的初至誤差對定位精度影響的數值模擬。 其中橫坐標表 示不同的初至拾取誤差，縱坐標表示該誤差導致的不同方向定位誤差。X誤差、 Y誤差和Z誤差分別表示在X、Y、Z方向產生的定位誤差的絕對值，水平誤 差表示X和Y方向誤差的平方和的平方根， 絕對誤差則表示水平誤差和Z誤差的平方和的平方根。由圖1可見，隨著初至誤差的增加定位精度總體呈現降低趨勢，而對于初至誤差為0.0015 m

14、 s處出現的定位誤差波動，在本模型中將其考慮為非線性反演算法及局部極值所致。朋差水平罠莖0 0005初至邊墓jJr/jViik1771/ fVL /<k" j/kJ/i. / Jr I fi/ / / f-JK /i卜1rtiL M 7 |>N左悝罠硬弓和至罠菱的天喬圖1初至誤差對定位精度的影響六、速度模型引起的定位誤差根據巖石物理模型' f _V p _V pp Q其中P為密度，K 是E ulk模量，卩 是剪切模量。根據巖石物理參數分析，P 波速度與地層參數的關系式可表示為壓裂施工前，巖石的E ulk模量和剪切模量可認為是穩定值，地層的速度為靜態 速度。在壓裂作

15、業過程中，地層的孔隙度和溫度的變化忽略不計，P波速度主要 與巖石的體積模量K、剪切模量卩、圍壓P con孔隙壓力P Pore有效壓力P e ff、地層密度P有關，用簡化的關系式表示為VP*(K,U,Pcon,Ppore,Peff,p)。S波速度因不受體積模量的影響，故S波的速度與地層參數的關系可近似用VS*(U,P con,Ppore,Peff,p )表示。而隨著流體、 支撐劑的注入及地層壓力的增加，地層等效密度增加，巖石的等效E ulk模量變 大。圖2微地震波傳播路徑示意圖根據射孔資料校正的速度模型是地層在壓裂施工作業前的靜態表現。隨著壓裂施工的進行，地層中逐漸形成裂縫網，使得地層的壓力、等

16、效密度、體積模量、 剪切模量都發生一定的變化。如圖2所示，當新激發的微震(紅色星型)穿過壓 裂液及壓力改變區域(圖2中射孔附近區域)時，因地層巖石物理屬性的改變而 導致傳播速度的變化。而前期根據射孔資料校正的速度可能已不適應該微震事件 的定位而導致定位誤差，該誤差值用公式3表示。速度各向異性，地層傾角等的 速度模型都會造成影響。= r 匕(工*衛：?) 1、(3)第二節微地震監測技術的應用一、微地震監測的應用。微地震監測主要包括數據采集、震源成像和精細反演等幾個關鍵步驟。歸納 起來，微地震監測有以下幾個方面的應用 ：(1)儲層壓裂監測；(2)油藏動態監 測；(3)識別可能引起儲層分區或充當過早

17、見水流動通道的斷層或大裂縫，描述斷層的封堵性能;(4)對于裂縫為主的儲層，微地震事件也可以作為位于儲層內部的 有效縱波和橫波震源，用于速度成像和橫波各向異性分析，對裂縫性儲層有關的 流動各向異性進行成像；(5)對微地震波形和震源機制的研究，可提供有關油藏內 部變形機制、傳導性裂縫和再活動斷裂構造形態的信息 , 以及流體流動的分布和 壓力前緣的移動情況 ;（6） 微地震監測和其他井中地震技術和反射地震技術結合 起來, 提供功能強大的常規預測工具 ,大大降低儲層監測的周期和費用。 二、微地震監測技術在礦山地壓監測方面的應用研究及進展 由于淺層地表礦產資源的日益枯竭， 礦山開采深度的不斷加大， 深部

18、開采破 壞了原巖應力狀態， 容易誘發動力災害， 極大地威脅井下人員和設備安全， 因此 有必要開展各項地壓災害的監測研究。作為目前礦山動力災害監測的有效手段， 微地震監測技術通過在開采區域內布設檢波器，接收震源所發出的地震波信號， 來確定巖體微破裂分布位置， 進而掌握巖體活動規律， 并實現動力災害的預測預 報。衡量礦山微地震事件的參數大體分為兩大類： 礦山微地震信號參數和礦山微 地震活動隨機特征參數。礦山微地震活動隨機特征參數包括微地震能量分布率、 微地震發生率和微地震空間分布率。 微地震能量分布率是指： 如果按照微地震事 件能量大小進行分類， 單位能量級差內的微地震事件的發生次數， 其量綱為頻

19、次 /焦耳（頻次/J）;微地震發生率是指單位時段內所發生微地震事件的次數， 每小時發生微地震事件的次數，其量綱為頻次/小時（頻次/h）;微地震空間分布率是指：在單位空間區域內所發生微地震事件的次數， 其量綱為頻次/立方 米（頻次/m 3）。礦山常用的用來預報微地震時間的信號參數有以下六種：（1）事件計數： 將產生微地震的一次材料內部變化稱為一個微地震事件，分為總事件數和事件率， 總事件數是累積數而事件率是單位時間內的聲發射現象次 數。（ 2）m 值及其減小率： m 值是微地震事件的最大振幅與其發生數分布關系 式中的指數，可以由最小二乘法或優化方法得到。（3）能量計數： 信號檢波包絡線下的面積，

20、 分為單位時間內的總計數和計數 率。經驗證明，當低事件率集中了 35%以上的高能事件就已接近危險，因而可用 大能量微地震事件的能量來評價巖體的破壞程度。（4）空白區域： 有時候在定位過程中發現有空白區域存在， 代表該區域中沒 有或只有很少的微地震事件。 改變檢波器的觸發值， 可以探測到能量級更小的微 地震事件。經驗證明，當周圍積蓄有較強剪切應變能時， 此空白區域極可能發生 大的地質災害。（5）頻率：某些實驗結果指出，巖體接近破壞時頻率會出現降低現象。如果 后續事件頻率出現明顯的降低，應當引起注意。（6）分維數（勝山邦久，1996）:定義微地震事件發生過程中。式中，N、N分別表示兩點距離小于r

21、的所有微地震源對的個數和微地震事 件總數。如果微地震源分布具有分形構造，則應當有C （r）°，分維數D減小意味著危險增大。以上這六個參數從側面反映了礦上微地震常用的相關信息。 為了達到實際應 用的目的，人們針對各種情況下不同種類的混凝土、 巖石試樣，運用巖石聲發射 技術，研究壓縮、拉伸和彎曲載荷下巖石變形及破壞的基本特性； 研究巖石聲發 射機理、巖石破碎過程與聲信號之間的聯系， 試圖得到巖體破壞過程中的聲發射 規律，然后再與現場的測試數據或經驗結合，對礦山巖體的內在狀況做出判斷。從斷裂類型角度來看，由采礦活動導致的巖石破裂產生的微震的力學機理分 為4類，A類：高垂直應力、低側壓的壓剪

22、破壞；E類：高水平應力、低垂直應 力條件下的壓剪破壞。厚層堅硬巖石（關鍵層）斷裂前和斷裂后在巖體結構中產 生的水平推力或區域性水平構造應力導致高水平應力；C類：彎矩產生的單層或組合巖層下沉過程中層內和層間的剪切破壞； D類：由于拉張與剪切耦合作用而 產生的拉張和剪切破壞。此4種力學機理中，按照微震事件的能級、密度和可監 測性依次為A> B> C> Do參考文獻1 董國福，翟軍，鄒立雙，等。水力壓裂增透技術在煤巷掘進中的應用Jo華北科技學院學報，10 （2）： 22-282 姜福興。2007。沖擊地壓及煤與瓦斯突出和透水的微震監測技術J。煤 炭科學技術，35 （1）： 26-2

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