微地震檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用隨著非常規(guī)致密砂巖氣、頁巖氣藏的開采開發(fā)，壓裂技術(shù)在儲(chǔ)層改造中起著舉足輕重的作用，而微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是評(píng)價(jià)壓裂施工效果的關(guān)鍵且即時(shí)的技術(shù)之一。根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)處理高精度地反演微震位置，從而預(yù)測(cè)壓裂裂縫的發(fā)展趨勢(shì)及區(qū)域，對(duì)壓裂施工效果進(jìn)行跟蹤及評(píng)判，同時(shí)也為后期油氣藏的開采和開發(fā)提供技術(shù)指導(dǎo)。第一節(jié)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理與發(fā)展微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過觀測(cè)、分析生產(chǎn)活動(dòng)中所產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術(shù),其基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)。與地震勘探相反,微地震監(jiān)測(cè)中震源的位置、發(fā)震時(shí)刻、震源強(qiáng)度都是未知的,確定這些因素恰恰是微地震監(jiān)測(cè)的首要任務(wù)。微地震是一種小型的地震（minetremorormicroseismic）。在地下礦井深部開采過程中發(fā)生巖石破裂和地震活動(dòng)，常常是不可避免的現(xiàn)象。由開采誘發(fā)的地震活動(dòng)，通常定義為，在開采坑道附近的巖體內(nèi)因應(yīng)力場(chǎng)變化導(dǎo)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(yīng)力狀態(tài)。是開采引起的附加應(yīng)力和巖體內(nèi)的環(huán)境應(yīng)力的總和。一、技術(shù)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(qū)附近的地區(qū)都受到破壞的地震事件才叫做沖擊地壓或煤爆、“巖爆”。對(duì)地下開采誘發(fā)的地震活動(dòng)性的研究表明，礦震不一定全都發(fā)生在開采的地點(diǎn)，且不同地區(qū)的最大震級(jí)也不相同，但礦震深度一般對(duì)應(yīng)于開采挖掘的深度。每年在一些礦區(qū)的地震臺(tái)網(wǎng)能記錄到幾千個(gè)地震事件，只有幾個(gè)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(gè)分支。對(duì)礦山地震、微地震及沖擊地壓的觀測(cè)具有一致性，但應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中必須區(qū)別對(duì)待。二、微地震技術(shù)的發(fā)展基于微震監(jiān)測(cè)的裂縫評(píng)價(jià)技術(shù)正發(fā)展成為油層壓裂生產(chǎn)過程中直觀而又可靠的技術(shù)。近幾年來，國內(nèi)眾多油氣田紛紛投入人力、物力和資金，積極開展該技術(shù)的應(yīng)用與研究工作，廣泛用于油氣勘探開發(fā)工作。2011年，東方物探公司投入專項(xiàng)資金，積極開展壓裂微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，壓裂微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)水平得到快速提升。截止2011年11月，東方物探公司已成功對(duì)11口鉆井實(shí)施了壓裂微地震監(jiān)測(cè)。同年，華北油田物探公司針對(duì)鄂爾多斯工區(qū)大力推廣水平井分段壓裂技術(shù)、不斷提高儲(chǔ)量動(dòng)用率及單井產(chǎn)量的要求，2011年年初就對(duì)微地震檢測(cè)技發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)檢波器、記錄儀器、處理軟件進(jìn)行實(shí)際考察。他們與科研院校合作，在鄂南工區(qū)富縣牛東4井與洛河4井開展微地震監(jiān)測(cè)裂縫評(píng)價(jià)技術(shù)攻關(guān)，采用微地震技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層壓裂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果與人工電位梯度方法(ERT)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。該公司還通過組建微地震監(jiān)測(cè)項(xiàng)目組，加強(qiáng)相關(guān)專業(yè)知識(shí)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，并與科研院校開發(fā)微地震檢測(cè)特色技術(shù)，打造差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。近年來，勝利油田積極開展微地震壓裂檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究，并把它作為油氣勘探開發(fā)的重要技術(shù)手段和技術(shù)儲(chǔ)備。據(jù)了解，非常規(guī)油氣藏將成為勝利油田的一個(gè)重要接替陣地，而微地震壓裂檢測(cè)技術(shù)是非常規(guī)油氣藏勘探領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要新技術(shù)。在20世紀(jì)40年代，美國礦業(yè)局就開始提出應(yīng)用微地震法來探測(cè)給地下礦井造成嚴(yán)重危害的沖擊地壓，但由于所需儀器價(jià)格昂貴且精度不高、監(jiān)測(cè)結(jié)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(xué)的進(jìn)展，特別是數(shù)字化地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，為小范圍內(nèi)的、信號(hào)較微弱的微地震研究提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。為了驗(yàn)證和開發(fā)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下巖石工程(如地?zé)崴畨褐铝选⑺畮齑髩?、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(jī)構(gòu)和大學(xué)聯(lián)合，進(jìn)行了一些重大工程應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。如1997年，在美國德州東部的棉花谷進(jìn)行了一次全面而深入的水壓致裂微地震成像現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證微地震成像技術(shù)的實(shí)用價(jià)值。該實(shí)驗(yàn)取得了巨大成功，證明微地震成像技術(shù)相對(duì)于其它技術(shù)來講，分辨率高、覆蓋范圍廣、經(jīng)濟(jì)實(shí)用及可操作性強(qiáng)，很有發(fā)展?jié)摿ΑＣ绹猿蔀槟壳笆澜缟享搸r油氣開發(fā)的領(lǐng)跑者，就是因?yàn)樗呀?jīng)熟練掌握了利用地面、井下測(cè)斜儀與微地震檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合先進(jìn)的裂縫綜合診斷技術(shù)，可直接地測(cè)量因裂縫間距超過裂縫長(zhǎng)度而造成的變形來表征所產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，評(píng)價(jià)壓裂作業(yè)效果，實(shí)現(xiàn)頁巖氣藏管理的最佳化。該技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：1)測(cè)量快速，方便現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用;2)實(shí)時(shí)確定微地震事件的位置;3)確定裂縫的高度、長(zhǎng)度、傾角及方位;4)具有噪音過濾能力。三、微地震監(jiān)測(cè)定位技術(shù)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(xiàn)降低趨勢(shì)，而對(duì)于初至誤差為0.0015ｍs處出現(xiàn)的定位誤差波動(dòng)，在本模型中將其考慮為非線性反演算法及局部極值所致。圖1初至誤差對(duì)定位精度的影響六、速度模型引起的定位誤差根據(jù)巖石物理模型其中ρ為密度，Ｋ是Ｂulk模量，μ是剪切模量。根據(jù)巖石物理參數(shù)分析，Ｐ波速度與地層參數(shù)的關(guān)系式可表示為壓裂施工前，巖石的Ｂulk模量和剪切模量可認(rèn)為是穩(wěn)定值，地層的速度為靜態(tài)速度。在壓裂作業(yè)過程中，地層的孔隙度和溫度的變化忽略不計(jì)，Ｐ波速度主要與巖石的體積模量Ｋ、剪切模量μ、圍壓Ｐｃｏｎ、孔隙壓力Ｐｐｏｒｅ、有效壓力Ｐｅｆｆ、地層密度ρ有關(guān)，用簡(jiǎn)化的關(guān)系式表示為ＶＰ∝（Ｋ，μ，Ｐｃｏｎ，Ｐｐｏｒｅ，Ｐｅｆｆ，ρ）。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(shù)的關(guān)系可近似用ＶＳ∝（μ，Ｐｃｏｎ，Ｐｐｏｒｅ，Ｐｅｆｆ，ρ）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Ｂulk模量變大。圖2微地震波傳播路徑示意圖根據(jù)射孔資料校正的速度模型是地層在壓裂施工作業(yè)前的靜態(tài)表現(xiàn)。隨著壓裂施工的進(jìn)行，地層中逐漸形成裂縫網(wǎng)，使得地層的壓力、等效密度、體積模量、剪切模量都發(fā)生一定的變化。如圖2所示，當(dāng)新激發(fā)的微震（紅色星型）穿過壓裂液及壓力改變區(qū)域（圖2中射孔附近區(qū)域）時(shí)，因地層巖石物理屬性的改變而導(dǎo)致傳播速度的變化。而前期根據(jù)射孔資料校正的速度可能已不適應(yīng)該微震事件的定位而導(dǎo)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(huì)造成影響。第二節(jié)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用一、微地震監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。微地震監(jiān)測(cè)主要包括數(shù)據(jù)采集、震源成像和精細(xì)反演等幾個(gè)關(guān)鍵步驟。歸納起來,微地震監(jiān)測(cè)有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用:(1)儲(chǔ)層壓裂監(jiān)測(cè);(2)油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè);(3)識(shí)別可能引起儲(chǔ)層分區(qū)或充當(dāng)過早見水流動(dòng)通道的斷層或大裂縫,描述斷層的封堵性能;(4)對(duì)于裂縫為主的儲(chǔ)層,微地震事件也可以作為位于儲(chǔ)層內(nèi)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(duì)裂縫性儲(chǔ)層有關(guān)的流動(dòng)各向異性進(jìn)行成像;(5)對(duì)微地震波形和震源機(jī)制的研究,可提供有關(guān)油藏內(nèi)部變形機(jī)制、傳導(dǎo)性裂縫和再活動(dòng)斷裂構(gòu)造形態(tài)的信息,以及流體流動(dòng)的分布和壓力前緣的移動(dòng)情況;(6)微地震監(jiān)測(cè)和其他井中地震技術(shù)和反射地震技術(shù)結(jié)合起來,提供功能強(qiáng)大的常規(guī)預(yù)測(cè)工具,大大降低儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)的周期和費(fèi)用。二、微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山地壓監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用研究及進(jìn)展由于淺層地表礦產(chǎn)資源的日益枯竭，礦山開采深度的不斷加大，深部開采破壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)，容易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害，極大地威脅井下人員和設(shè)備安全，因此有必要開展各項(xiàng)地壓災(zāi)害的監(jiān)測(cè)研究。作為目前礦山動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)的有效手段，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)通過在開采區(qū)域內(nèi)布設(shè)檢波器，接收震源所發(fā)出的地震波信號(hào)，來確定巖體微破裂分布位置，進(jìn)而掌握巖體活動(dòng)規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。衡量礦山微地震事件的參數(shù)大體分為兩大類：礦山微地震信號(hào)參數(shù)和礦山微地震活動(dòng)隨機(jī)特征參數(shù)。礦山微地震活動(dòng)隨機(jī)特征參數(shù)包括微地震能量分布率、微地震發(fā)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(jìn)行分類，單位能量級(jí)差內(nèi)的微地震事件的發(fā)生次數(shù)，其量綱為頻次／焦耳（頻次／Ｊ）；微地震發(fā)生率是指單位時(shí)段內(nèi)所發(fā)生微地震事件的次數(shù)，每小時(shí)發(fā)生微地震事件的次數(shù)，其量綱為頻次／小時(shí)（頻次／ｈ）；微地震空間分布率是指：在單位空間區(qū)域內(nèi)所發(fā)生微地震事件的次數(shù)，其量綱為頻次／立方米（頻次／ｍ3）。礦山常用的用來預(yù)報(bào)微地震時(shí)間的信號(hào)參數(shù)有以下六種：（1）事件計(jì)數(shù)：將產(chǎn)生微地震的一次材料內(nèi)部變化稱為一個(gè)微地震事件，分為總事件數(shù)和事件率，總事件數(shù)是累積數(shù)而事件率是單位時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射現(xiàn)象次數(shù)。（2）ｍ值及其減小率：ｍ值是微地震事件的最大振幅與其發(fā)生數(shù)分布關(guān)系式中的指數(shù)，可以由最小二乘法或優(yōu)化方法得到。（3）能量計(jì)數(shù)：信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，分為單位時(shí)間內(nèi)的總計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)率。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)褪录始辛?5%以上的高能事件就已接近危險(xiǎn)，因而可用大能量微地震事件的能量來評(píng)價(jià)巖體的破壞程度。（4）空白區(qū)域：有時(shí)候在定位過程中發(fā)現(xiàn)有空白區(qū)域存在，代表該區(qū)域中沒有或只有很少的微地震事件。改變檢波器的觸發(fā)值，可以探測(cè)到能量級(jí)更小的微地震事件。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)周圍積蓄有較強(qiáng)剪切應(yīng)變能時(shí)，此空白區(qū)域極可能發(fā)生大的地質(zhì)災(zāi)害。（5）頻率：某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，巖體接近破壞時(shí)頻率會(huì)出現(xiàn)降低現(xiàn)象。如果后續(xù)事件頻率出現(xiàn)明顯的降低，應(yīng)當(dāng)引起注意。（6）分維數(shù)（勝山邦久，1996）：定義微地震事件發(fā)生過程中。式中，Ｎｒ、Ｎ分別表示兩點(diǎn)距離小于ｒ的所有微地震源對(duì)的個(gè)數(shù)和微地震事件總數(shù)。如果微地震源分布具有分形構(gòu)造，則應(yīng)當(dāng)有Ｃ（ｒ）∝ｒＤ，分維數(shù)Ｄ減小意味著危險(xiǎn)增大。以上這六個(gè)參數(shù)從側(cè)面反映了礦上微地震常用的相關(guān)信息。為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的目的，人們針對(duì)各種情況下不同種類的混凝土、巖石試樣，運(yùn)用巖石聲發(fā)射技術(shù)，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(fā)射機(jī)理、巖石破碎過程與聲信號(hào)之間的聯(lián)系，試圖得到巖體破壞過程中的聲發(fā)射規(guī)律，然后再與現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，對(duì)礦山巖體的內(nèi)在狀況做出判斷。從斷裂類型角度來看，由采礦活動(dòng)導(dǎo)致的巖石破裂產(chǎn)生的微震的力學(xué)機(jī)理分為4類，Ａ類：高垂直應(yīng)力、低側(cè)壓的壓剪破壞；Ｂ類：高水平應(yīng)力、低垂直應(yīng)力條件下的壓剪破壞。厚層堅(jiān)硬巖石（關(guān)鍵層）斷裂前和斷裂后在巖體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的水平推力或區(qū)域性水平構(gòu)造應(yīng)力導(dǎo)致高水平應(yīng)力；Ｃ類：彎矩產(chǎn)生的單層或組合巖層下沉過程中層內(nèi)和層間的剪切破壞；Ｄ類：由于拉張與剪切耦合作用而產(chǎn)生的拉張和剪切破壞。此4種力學(xué)機(jī)理中，按照微震事件的能級(jí)、密度和可監(jiān)測(cè)性依次為Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ。參考文獻(xiàn)董國福，翟軍，鄒立雙，等。水力壓裂增透技術(shù)在煤巷掘進(jìn)中的應(yīng)用［Ｊ］。華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，10（2）：22-28姜福興。2007。沖擊地壓及煤與瓦斯突出和透水的微震監(jiān)測(cè)技術(shù)［Ｊ］。煤炭科學(xué)技術(shù)，35（1）：26－28WilsonS,raymerD.Theeffectsofvelocitystructureonmicroseismiclocation[C].SEGExpandedAbstracts,2003,1565-1568LiaoQ,KouriD.Automaticfirstbreakdetectionbyspectraldecompositionusingminimumuncertaintywavelets[C],2011:1627-1631.SongF,KuleliH.S,ToksozM.N,etal.Animprovedmethodforhydrofracture-inducedmicroseismiceventdetectionandphasepicking[J].Geophysics,2010,75(6):A47-A52.SvitekT,RudajevV,PetruzalekM.DeterminationofP-waveevents[J].ActaMontanisticaSlovacaRocnik,2010,15(2):145-151BoseS,ValeroH.P,linQ,etal.Anautomaticproceduretodetectmicroseismiceventsembeddedinhighnoise[C],2009:1537-1541.LokajicekT,KlimaK.Afirstarrivalidentificationsystemofacousticemissionsignalsbymeansofahigh-orderstatisticsapproacTechnology,2006,17(9):2461-2466.MeasurementScienceLiangC,ThorntonM.P,MortonP,etal.Improvingsignal-to-noiseratioofpasssiveseismicdatawithanadaptiveFKfilter.SEGTechnicalProgramExpandedAbstracts.SEq2009:1703一1707.WangJ,TilmannF,WhiteR.S,etal.Applicationoffrequency-dependentmultichannelWienerfilterstodetecteventsin2Dthree-componentseismometerarrays[J].Geophysics,2009,74(6):V133-V141.ZhaoX,YoungR.P.Numericalmodelingofseismicityinducedbyfluidinjectioninnaturallyfracturedreservoirs[J].Geophysics,2011,76(6):167-180.VerdonJ.P,KendallJ.M,MaxwellS.C.AcomparisonofpassiveseismicmonitoringoffracturestimulationfromwaterandC02injection[J].Geophysics,2010,75(3):1-7.KummerowJ.Usingthevalueofthecross-correlationcoefficienttolocatemicroseismicevents[J].Geophysics,2010,75(4):47-52.WongJ,HanL,optimization[C],2010:JohnC.Microseismichypocenterlocationusingnonlinear2186-2190.DeepK,YadavA,KumarS.Improvinglocalandregionalearthquakelocationsusinganadvanceinversiontechnique:Particleswarmoptimization[J].WorldJournalofYlodellingandSimulation,2012,8(2):135一141.ZouZ,ZhouH.W.Reversetimeimagingofsmallearthquakesusing2DarraydatainThreeGorgesReservoirregion,China[C],2011:1674-1678.姜秀娣，魏修成，黃捍東，等。2005。利用不同角度域Ｐ波資料反演縱、橫波速度［Ｊ］。石油地球物理學(xué)報(bào)，40（5）：585－591。劉建中，馮濤，員增榮，等。2004ａ。注水前緣監(jiān)測(cè)及井周應(yīng)力狀態(tài)［Ｊ］。巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，23（14）：2409－2412陸菜平，竇林名，吳興榮，等。2005。巖體微震監(jiān)測(cè)的頻譜分析與信號(hào)識(shí)別［Ｊ］。巖土工程學(xué)報(bào)，27（7）：772－775毛慶輝，陳傳仁，桂志先，等。2012。水力壓裂微震監(jiān)測(cè)中速度模型研究［Ｊ］。工程地球物理學(xué)報(bào)，9（6）：708－711苗小虎，姜福興，王存文，等。2011。微地震監(jiān)測(cè)揭示的礦震誘發(fā)沖擊地壓機(jī)理研究［Ｊ］。巖土工程學(xué)報(bào)，33（6）：971－976平健，李仕雄，陳虹燕，等．2010．微震定位原理與實(shí)現(xiàn)［Ｊ］．金屬礦山，（1）：167－169．宋維琪，王新強(qiáng)，高艷可．2012．地面監(jiān)測(cè)微地震事件等效速度反演定位方法［Ｊ］．石油物探，51（6）：606－612，632吳順川，周喻，高斌．2010．卸載巖爆試驗(yàn)及ＰＦＣ3Ｄ數(shù)值模擬研究［Ｊ］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，29（2）：4082－4088徐文杰，胡瑞林，王艷萍．2007