微地震檢測技術(shù)簡介

1、微地震監(jiān)測技術(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)在儲層改造中起著 舉足輕重的作用，而微地震監(jiān)測技術(shù)是評價壓裂施工效果的關(guān)鍵且即時的技術(shù)之一。根據(jù)微地震監(jiān)測處理高精度地反演微震位置， 從而預(yù)測壓裂裂縫的發(fā)展趨勢 及區(qū)域，對壓裂施工效果進(jìn)行跟蹤及評判， 同時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)測技術(shù)原理與發(fā)展 微地震監(jiān)測技術(shù)是通過觀測、 分析生產(chǎn)活動中所產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測 生產(chǎn)活動的影響、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)測中震源的位置、發(fā)震時刻、震源強(qiáng)度都是未知的,確定這些因素恰恰是微地

2、震監(jiān)測的首要任務(wù)。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(fā)生巖石破裂和地震活 動，常常是不可避免的現(xiàn)象。由開采誘發(fā)的地震活動，通常定義為，在開采坑道 附近的巖體內(nèi)因應(yīng)力場變化導(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”。 對地下開采誘 發(fā)的地震活動性的研究表明， 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

3、震級也不相同， 但礦震深度一般對應(yīng)于開采挖掘的深度。 每年在一些礦區(qū)的 地震臺網(wǎng)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(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中必須區(qū)別對待。二、微地震技術(shù)的發(fā)展 基于微震監(jiān)測的裂縫評價技術(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)測技術(shù)研究， 壓裂微地震監(jiān)測技術(shù)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(shí)施了壓裂 微地震監(jiān)測。 同年，華北油田物探公司針對鄂爾多斯工區(qū)大力推廣水平井分段壓 裂技術(shù)、不斷提高儲量動用率及單井產(chǎn)量的要求， 2011 年年初就對微地震檢測 技發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行調(diào)研，并對檢波器、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 裂縫評價技術(shù)攻關(guān)， 采用微地震技術(shù)對儲層壓裂進(jìn)行監(jiān)測， 結(jié)果與人工電位梯度 方法(ERT)監(jiān)測結(jié)果一致。該公司還通過組建微地震監(jiān)測項(xiàng)目組，加強(qiáng)相關(guān)專業(yè) 知識的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)， 并與科研院校開發(fā)微地震檢測特色技術(shù)， 打造差異化競爭優(yōu)

5、勢。近年來， 勝利油田積極開展微地震壓裂檢測技術(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)儲備。 據(jù)了解，非常規(guī)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(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， 但由于所需儀器價格昂貴且精度不高、 監(jiān)測結(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)測技術(shù)的應(yīng)用， 為小范圍內(nèi)的、 信號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)測技術(shù)在地下巖石工程 (

6、如地?zé)崴畨褐?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(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)場實(shí)驗(yàn)， 以驗(yàn)證微地 震成像技術(shù)的實(shí)用價值。 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?。美國之所以成為目前世界上頁巖油氣開發(fā)的領(lǐng)跑者， 就是因?yàn)樗呀?jīng)熟練掌 握了利用地面、井下測斜儀與微地震檢測技術(shù)相結(jié)合先進(jìn)的裂縫綜合診斷技術(shù)， 可直接地測量因裂縫間距超過裂縫長度而造成的變形來表征所產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，

7、評 價壓裂作業(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) 測量快速， 方便現(xiàn)場應(yīng)用 ; 2) 實(shí)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(jiān)測定位技術(shù)微地震監(jiān)測技術(shù)中震源的定位精度受多種因素影響 , 如介質(zhì)復(fù)雜程度、定位 技術(shù)、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(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。 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(yù)報中 ,理論上三個站點(diǎn)就可對已發(fā)生的 地震進(jìn)行震中定位 , 但前提是三個站點(diǎn)不能位于同一直線 , 這說明

8、了站點(diǎn)分布的 重要性。正演模擬不僅能幫助我們認(rèn)識地震數(shù)據(jù)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(yàn)證中 , 還可以為我們提供模型數(shù)據(jù)。 水力壓裂微地震有 其獨(dú)有的特征 :震源位置和震源的激發(fā)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(shù)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(fā)育特征 , 震源的空間位置及激發(fā)時間都應(yīng)該 有一定規(guī)律 ;其次必須是三維三分量數(shù)值模擬 ,這樣才能更好地反演定位。 而數(shù)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(yōu)缺點(diǎn)。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(shí)用性比較高。 由于粘彈介 質(zhì)更接近于實(shí)際介質(zhì) , 對波場的振幅和相位的影響較大 ,進(jìn)而會對微震震源定位 的結(jié)果產(chǎn)生影響。四、微地震監(jiān)測水力壓裂技術(shù)水力壓裂微震監(jiān)測技術(shù)是近年來得到迅速發(fā)展的地球物理勘探技術(shù)之一 （毛 慶輝等， 2012）。它是以聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)為基礎(chǔ)，通過觀測分析水力壓裂作業(yè) 時產(chǎn)生的微小的地震事件繪制裂縫的空間圖像， 監(jiān)測裂縫的發(fā)育過程， 實(shí)時調(diào)整 作業(yè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水力壓裂效果最優(yōu)化。水力壓裂時，在射孔位

10、置，當(dāng)迅速升高的 井筒壓力超過巖石的抗壓強(qiáng)度（李國永等， 2010）時，巖石遭到破壞，并形成裂 縫擴(kuò)展，這將產(chǎn)生一系列向四周傳播的微震波。 微地震監(jiān)測水力壓裂就是以斷裂 力學(xué)理論（范天佑， 2003）和摩爾庫倫定律（劉建中等， 2004）為依據(jù)，通過 布置在被監(jiān)測井周圍的各個監(jiān)測分站對水力壓裂產(chǎn)生的微震波進(jìn)行接收， 接著對 地面采集到的微震波信號進(jìn)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(jiān)測技術(shù)已經(jīng)將水力壓裂從概念上和工程模型上簡單的平面斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓱?yīng)力狀態(tài)和先存裂縫控制的斷裂網(wǎng)絡(luò)。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(yōu)先生長

11、為先存的斷裂并 降低應(yīng)力的時間間隔。微地震技術(shù)是唯一可以對這些復(fù)雜的難以想象的先存斷裂 的擴(kuò)張進(jìn)行監(jiān)測的技術(shù)。在微震監(jiān)測早期，工業(yè)上主要是利用垂直威爾斯鉆井， 微震監(jiān)測利用盡可能接近井的有線部署陣列鉆孔。在這種結(jié)構(gòu)中，背景噪聲水平 較低，信號幅度最大化，可以導(dǎo)致最佳的信噪比。因此，很容易記錄微震信號的 最大的數(shù)據(jù)。隨著記錄距離和相關(guān)的信號衰減，一般只能監(jiān)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(jiān)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(lián)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(fù)雜，波至延續(xù)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(shù)及偏振分析進(jìn)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(shí)際資料表明，對典型的信噪比高的微地震波，自動拾取的結(jié) 果與手工拾取的結(jié)果基本一致；對無量綱大振幅的微地震波，到時自動拾取結(jié)果 的可靠性要高于手工拾取，對信噪比低和到時點(diǎn)不清晰的微地震波自動拾取的可靠性相 對較低。假設(shè)信號的拾取初至與真實(shí)初至之間的時差為At,地層的速度為V(x，y，z)，則產(chǎn)生的定位誤差A(yù)M 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(shù)及判斷準(zhǔn)則，通過可靠的判斷準(zhǔn)則和人機(jī)交互拾取提高拾取精度和定位精度，因此認(rèn)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(shù)值模擬。 其中橫坐標(biāo)表 示不同的初至拾取誤差，縱坐標(biāo)表示該誤差導(dǎo)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(chǎn)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(xiàn)降低趨勢，而對于初至誤差為0.0015 m

14、 s處出現(xiàn)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(jù)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(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E ulk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

15、業(yè)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(guān)，用簡化的關(guān)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(shù)的關(guān)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(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

16、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，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 速度模型都會造成影響。= r 匕(工*衛(wèi)：?) 1、(3)第二節(jié)微地震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用一、微地震監(jiān)測的應(yīng)用。微地震監(jiān)測主要包括數(shù)據(jù)采集、震源成像和精細(xì)反演等幾個關(guān)鍵步驟。歸納 起來，微地震監(jiān)測有以下幾個方面的應(yīng)用 ：(1)儲層壓裂監(jiān)測；(2)油藏動態(tài)監(jiān) 測；(3)識別可能引起儲層分區(qū)或充當(dāng)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(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，對裂縫性儲層有關(guān)的 流動各向異性進(jìn)行成像；(5)對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)性裂縫和再活動斷裂構(gòu)造形態(tài)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(jiān)測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)測工具 ,大大降低儲層監(jiān)測的周期和費(fèi)用。 二、微地震監(jiān)測技術(shù)在礦山地壓監(jiān)測方面的應(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

18、開采破 壞了原巖應(yīng)力狀態(tài)， 容易誘發(fā)動力災(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)測研究。作為目前礦山動力災(zāi)害監(jiān)測的有效手段， 微地震監(jiān)測技術(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， 來確定巖體微破裂分布位置， 進(jìn)而掌握巖體活動規(guī)律， 并實(shí)現(xiàn)動力災(zāi)害的預(yù)測預(yù) 報。衡量礦山微地震事件的參數(shù)大體分為兩大類： 礦山微地震信號參數(shù)和礦山微 地震活動隨機(jī)特征參數(shù)。礦山微地震活動隨機(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， 單位能量級差內(nèi)的微地震事件的發(fā)生次數(shù)， 其量綱為頻

19、次 /焦耳（頻次/J）;微地震發(fā)生率是指單位時段內(nèi)所發(fā)生微地震事件的次數(shù)， 每小時發(fā)生微地震事件的次數(shù)，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(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/m 3）。礦山常用的用來預(yù)報微地震時間的信號參數(shù)有以下六種：（1）事件計數(shù)： 將產(chǎn)生微地震的一次材料內(nèi)部變化稱為一個微地震事件，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）能量計數(shù)： 信號檢波包絡(luò)線下的面積，

20、 分為單位時間內(nèi)的總計數(shù)和計數(shù) 率。經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)褪录始辛?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(qū)域： 有時候在定位過程中發(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， 可以探測到能量級更小的微 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， 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，巖體接近破壞時頻率會出現(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，N、N分別表示兩點(diǎn)距離小于r

21、的所有微地震源對的個數(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）°，分維數(shù)D減小意味著危險增大。以上這六個參數(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)場的測試數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，對礦山巖體的內(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

22、破壞；E類：高水平應(yīng)力、低垂直應(yīng) 力條件下的壓剪破壞。厚層堅硬巖石（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、密度和可監(jiān) 測性依次為A> B> C> Do參考文獻(xiàn)1 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Jo華北科技學(xué)院學(xué)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(jiān)測技術(shù)J。煤 炭科學(xué)技術(shù)，35 （1）： 26-2

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