微地震检测技术简介

------------------------------------------------------------------------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（minetremorormicroseismic）。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单的平面断裂转变为由应力状态和先存裂缝控制的断裂网络。注入流体在岩石中往往遵循“最小阻力路径”，最大限度地减少工作量，优先生长为先存的断裂并降低应力的时间间隔。微地震技术是唯一可以对这些复杂的难以想象的先存断裂的扩张进行监测的技术。在微震监测早期，工业上主要是利用垂直威尔斯钻井，微震监测利用尽可能接近井的有线部署阵列钻孔。在这种结构中，背景噪声水平较低，信号幅度最大化，可以导致最佳的信噪比。因此，很容易记录微震信号的最大的数据。随着记录距离和相关的信号衰减，一般只能监测到背景噪音水平之上相对较大的微震事件。普遍使用的水力压裂监测方法有两种，一种解决方案是在附近的水平井利用钻孔阵列，另一种选择是使用表面或近表面的浅孔阵列排布的传感器。五、微地震信号初至对定位精度的影响微地震定位精度与Ｐ波和Ｓ波的初至有着紧密联系，初至的拾取主要利用Ｐ波和Ｓ波的能量特性或自回归算法识取Ｐ波、Ｓ波初至。由微地震信号起跳较为复杂，波至延续度较长，对于自动拾取的初至往往存在拾取精度问题。吴治涛等利用小波技术及偏振分析进行微地震Ｐ波、Ｓ波震相识别及初至拾取，但仍存在拾取精度的问题。实际资料表明，对典型的信噪比高的微地震波，自动拾取的结果与手工拾取的结果基本一致；对无量纲大振幅的微地震波，到时自动拾取结果的可靠性要高于手工拾取，对信噪比低和到时点不清晰的微地震波自动拾取的可靠性相对较低。假设信号的拾取初至与真实初至之间的时差为Δｔ，地层的速度为Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ），则产生的定位误差ΔＭｆ理论地可简要归纳为通过以上分析，拾取精度往往取决于自动初至拾取技术及判断准则，通过可靠的判断准则和人机交互拾取提高拾取精度和定位精度，因此认为该类误差是可控的，故本文将其归类为可控误差。图1展示了给定模型的初至误差对定位精度影响的数值模拟。其中横坐标表示不同的初至拾取误差，纵坐标表示该误差导致的不同方向定位误差。Ｘ误差、Ｙ误差和Ｚ误差分别表示在Ｘ、Ｙ、Ｚ方向产生的定位误差的绝对值，水平误差表示Ｘ和Ｙ方向误差的平方和的平方根，绝对误差则表示水平误差和Ｚ误差的平方和的平方根。由图1可见，随着初至误差的增加定位精度总体呈现降低趋势，而对于初至误差为0.0015ｍs处出现的定位误差波动，在本模型中将其考虑为非线性反演算法及局部极值所致。图1初至误差对定位精度的影响六、速度模型引起的定位误差根据岩石物理模型其中ρ为密度，Ｋ是Ｂulk模量，μ是剪切模量。根据岩石物理参数分析，Ｐ波速度与地层参数的关系式可表示为压裂施工前，岩石的Ｂulk模量和剪切模量可认为是稳定值，地层的速度为静态速度。在压裂作业过程中，地层的孔隙度和温度的变化忽略不计，Ｐ波速度主要与岩石的体积模量Ｋ、剪切模量μ、围压Ｐｃｏｎ、孔隙压力Ｐｐｏｒｅ、有效压力Ｐｅｆｆ、地层密度ρ有关，用简化的关系式表示为ＶＰ∝（Ｋ，μ，Ｐｃｏｎ，Ｐｐｏｒｅ，Ｐｅｆｆ，ρ）。Ｓ波速度因不受体积模量的影响，故Ｓ波的速度与地层参数的关系可近似用ＶＳ∝（μ，Ｐｃｏｎ，Ｐｐｏｒｅ，Ｐｅｆｆ，ρ）表示。而随着流体、支撑剂的注入及地层压力的增加，地层等效密度增加，岩石的等效Ｂulk模量变大。图2微地震波传播路径示意图根据射孔资料校正的速度模型是地层在压裂施工作业前的静态表现。随着压裂施工的进行，地层中逐渐形成裂缝网，使得地层的压力、等效密度、体积模量、剪切模量都发生一定的变化。如图2所示，当新激发的微震（红色星型）穿过压裂液及压力改变区域（图2中射孔附近区域）时，因地层岩石物理属性的改变而导致传播速度的变化。而前期根据射孔资料校正的速度可能已不适应该微震事件的定位而导致定位误差，该误差值用公式3表示。速度各向异性，地层倾角等的速度模型都会造成影响。第二节微地震监测技术的应用一、微地震监测的应用。微地震监测主要包括数据采集、震源成像和精细反演等几个关键步骤。归纳起来,微地震监测有以下几个方面的应用:(1)储层压裂监测;(2)油藏动态监测;(3)识别可能引起储层分区或充当过早见水流动通道的断层或大裂缝,描述断层的封堵性能;(4)对于裂缝为主的储层,微地震事件也可以作为位于储层内部的有效纵波和横波震源,用于速度成像和横波各向异性分析,对裂缝性储层有关的流动各向异性进行成像;(5)对微地震波形和震源机制的研究,可提供有关油藏内部变形机制、传导性裂缝和再活动断裂构造形态的信息,以及流体流动的分布和压力前缘的移动情况;(6)微地震监测和其他井中地震技术和反射地震技术结合起来,提供功能强大的常规预测工具,大大降低储层监测的周期和费用。二、微地震监测技术在矿山地压监测方面的应用研究及进展由于浅层地表矿产资源的日益枯竭，矿山开采深度的不断加大，深部开采破坏了原岩应力状态，容易诱发动力灾害，极大地威胁井下人员和设备安全，因此有必要开展各项地压灾害的监测研究。作为目前矿山动力灾害监测的有效手段，微地震监测技术通过在开采区域内布设检波器，接收震源所发出的地震波信号，来确定岩体微破裂分布位置，进而掌握岩体活动规律，并实现动力灾害的预测预报。衡量矿山微地震事件的参数大体分为两大类：矿山微地震信号参数和矿山微地震活动随机特征参数。矿山微地震活动随机特征参数包括微地震能量分布率、微地震发生率和微地震空间分布率。微地震能量分布率是指：如果按照微地震事件能量大小进行分类，单位能量级差内的微地震事件的发生次数，其量纲为频次／焦耳（频次／Ｊ）；微地震发生率是指单位时段内所发生微地震事件的次数，每小时发生微地震事件的次数，其量纲为频次／小时（频次／ｈ）；微地震空间分布率是指：在单位空间区域内所发生微地震事件的次数，其量纲为频次／立方米（频次／ｍ3）。矿山常用的用来预报微地震时间的信号参数有以下六种：（1）事件计数：将产生微地震的一次材料内部变化称为一个微地震事件，分为总事件数和事件率，总事件数是累积数而事件率是单位时间内的声发射现象次数。（2）ｍ值及其减小率：ｍ值是微地震事件的最大振幅与其发生数分布关系式中的指数，可以由最小二乘法或优化方法得到。（3）能量计数：信号检波包络线下的面积，分为单位时间内的总计数和计数率。经验证明，当低事件率集中了35%以上的高能事件就已接近危险，因而可用大能量微地震事件的能量来评价岩体的破坏程度。（4）空白区域：有时候在定位过程中发现有空白区域存在，代表该区域中没有或只有很少的微地震事件。改变检波器的触发值，可以探测到能量级更小的微地震事件。经验证明，当周围积蓄有较强剪切应变能时，此空白区域极可能发生大的地质灾害。（5）频率：某些实验结果指出，岩体接近破坏时频率会出现降低现象。如果后续事件频率出现明显的降低，应当引起注意。（6）分维数（胜山邦久，1996）：定义微地震事件发生过程中。式中，Ｎｒ、Ｎ分别表示两点距离小于ｒ的所有微地震源对的个数和微地震事件总数。如果微地震源分布具有分形构造，则应当有Ｃ（ｒ）∝ｒＤ，分维数Ｄ减小意味着危险增大。以上这六个参数从侧面反映了矿上微地震常用的相关信息。为了达到实际应用的目的，人们针对各种情况下不同种类的混凝土、岩石试样，运用岩石声发射技术，研究压缩、拉伸和弯曲载荷下岩石变形及破坏的基本特性；研究岩石声发射机理、岩石破碎过程与声信号之间的联系，试图得到岩体破坏过程中的声发射规律，然后再与现场的测试数据或经验结合，对矿山岩体的内在状况做出判断。从断裂类型角度来看，由采矿活动导致的岩石破裂产生的微震的力学机理分为4类，Ａ类：高垂直应力、低侧压的压剪破坏；Ｂ类：高水平应力、低垂直应力条件下的压剪破坏。厚层坚硬岩石（关键层）断裂前和断裂后在岩体结构中产生的水平推力或区域性水平构造应力导致高水平应力；Ｃ类：弯矩产生的单层或组合岩层下沉过程中层内和层间的剪切破坏；Ｄ类：由于拉张与剪切耦合作用而产生的拉张和剪切破坏。此4种力学机理中，按照微震事件的能级、密度和可监测性依次为Ａ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄ。参考文献董国福，翟军，邹立双，等。水力压裂增透技术在煤巷掘进中的应用［Ｊ］。华北科技学院学报，10（2）：22-28姜福兴。2007。冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术［Ｊ］。煤炭科学技术，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，黄捍东，等。2005。利用不同角度域Ｐ波资料反演纵、横波速度［Ｊ］。石油地球物理学报，40（5）：585－591。刘建中，冯涛，员增荣，等。2004ａ。注水前缘监测及井周应力状态［Ｊ］。岩石力学与工程学报，23（14）：2409－2412陆菜平，窦林名，吴兴荣，等。2005。岩体微震监测的频谱分析与信号识别［Ｊ］。岩土工程学报，27（7）：772－775毛庆辉，陈传仁，桂志先，等。2012。水力压裂微震监测中速度模型研究［Ｊ］。工程地球物理学报，9（6）：708－711苗小虎，姜福兴，王存文，等。2011。微地震监测揭示的矿震诱发冲击地压机理研究［Ｊ］。岩土工程学报，33（6）：97