微地震監(jiān)測技術(shù)探究

唐春華，顧廣慶

(1.北京科若思技術(shù)開發(fā)股份有限公司，北京 100082;2.華北油田公司井筒設(shè)計中心，河北任丘 062552)

1 前言

微地震監(jiān)測(microseismic monitoring)是利用高頻地震儀監(jiān)測巖石微破壞、微變形現(xiàn)象，從而獲得地下裂縫、裂隙分布、流體流動、應(yīng)力變化趨勢的一種技術(shù)方法。巖石在變形、破壞的整個過程中幾乎都伴隨著裂縫或孔隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、變形及摩擦，積聚能量的一部分以應(yīng)力波(P波和S波)的形式釋放，從而產(chǎn)生微地震事件。由于微地震信號包括了大量的關(guān)于巖體受力變形、破壞以及巖體裂縫活動的信息，通過監(jiān)測、分析微地震事件，可以推測巖體發(fā)生破壞、變形的過程、事件位置以及破壞強(qiáng)度。利用地震學(xué)方法對巖體微破壞、微變形過程進(jìn)行監(jiān)測，檢測和預(yù)報地下信息，在石油天然氣工程、環(huán)境與公共安全、礦山工程、土木工程等領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大應(yīng)用與進(jìn)展[1]。

石油、天然氣領(lǐng)域的微震監(jiān)測是指利用水力壓裂、油氣采出或常規(guī)注水、注氣以及熱驅(qū)等石油工程作業(yè)時引起地下應(yīng)力場變化，導(dǎo)致地下質(zhì)點(diǎn)位移所產(chǎn)生的微地震，進(jìn)行天然裂縫，水力壓裂裂縫作圖，或?qū)恿黧w運(yùn)動趨勢進(jìn)行描述的方法。監(jiān)測到的地震不是常規(guī)地震勘探中人工激發(fā)的地震，而是石油工程作業(yè)誘生的地震。由于這種地震很微弱，屬于微弱信號監(jiān)測范疇，因此直到20世紀(jì)70年代初國外石油業(yè)界才開始了水力壓裂微震監(jiān)測的野外試驗(yàn);到2000年，微地震監(jiān)測已經(jīng)被世界公認(rèn)為了解地下微破壞過程的一種非常重要的方法;目前，隨著儀表化油田技術(shù)的提出和發(fā)展，微震監(jiān)測正朝著對油氣田開發(fā)實(shí)行全程實(shí)時監(jiān)測的方向發(fā)展，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)潛力是巨大的[2]。

微地震監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)如今正在向數(shù)字化、智能化和高分辨率方向發(fā)展，以實(shí)時微地震事件采集、處理、分析和可視化等為特點(diǎn)，可以在主流操作系統(tǒng)下運(yùn)行。硬件方面主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信單元、數(shù)據(jù)控制中心、計算機(jī)以及GPS授時器等。軟件方面包括系統(tǒng)計時軟件、數(shù)據(jù)采集、處理軟件，可視化成果軟件，數(shù)據(jù)實(shí)時顯示軟件等[3]。

在國際上，歐美等發(fā)達(dá)國家在微地震領(lǐng)域發(fā)展迅速。硬件方面 OYO Geospace，Avalon，Sercel等公司，軟件方面ESG，ASC等公司，系統(tǒng)方面Pinnacle，Schlumberger，Microseismic Inc.等公司，都有很強(qiáng)的競爭力。

2 施工設(shè)計

接收矩陣的布置是得到正確結(jié)果的首要前提條件。目前主要有以下3種方式:其一，將接收矩陣放到偏離目標(biāo)井300 m以內(nèi)監(jiān)測井中，放置深度與目標(biāo)層相近。此種方式是最理想的:優(yōu)點(diǎn)是最大限度的接近震源，確保信號的質(zhì)量;缺點(diǎn)是監(jiān)測成本高，需要具備監(jiān)測井這個硬件條件。其二，將接收矩陣布置到目標(biāo)井段在地面投影的附近。此種方式優(yōu)點(diǎn)是簡單經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是信號衰減嚴(yán)重、信號質(zhì)量容易受到地表噪聲的干擾，只能監(jiān)測震級相對較大的微地震事件。其三，將接收矩陣布置到目標(biāo)井段在地面投影地表以下的數(shù)百米位置，覆蓋層以下。此種方式的優(yōu)點(diǎn)是避免了近地表噪聲的干擾，而又不需要監(jiān)測井這個硬件條件，缺點(diǎn)是監(jiān)測成本較高，數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。

另外，接收矩陣的地震臺站數(shù)量是一個重要的問題。理論上，微地震信號的信噪比與接收矩陣臺站數(shù)量的平方根()成正比。也就是說將接收矩陣的臺站數(shù)量從4增加到16，微地震信號的信噪比值將提高一倍。然而，當(dāng)接收矩陣的數(shù)量達(dá)到25時，通過增加接收矩陣的數(shù)量來提高信噪比值效果就不是很明顯了。但微地震源的定位精度則隨臺站個數(shù)的增加而線性提高[4]。

3 傳感器和采集器

傳感器對于微地震信號的采集至關(guān)重要，好的傳感器需要具備靈敏度高、噪聲低、幅頻響應(yīng)平滑、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。目前所有先進(jìn)的系統(tǒng)都將數(shù)據(jù)采集器與傳感器組裝到一起，盡量縮短模擬信號的傳輸距離，以便發(fā)揮數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)勢，提高整個系統(tǒng)的信噪比。

特低噪聲放大器(ULNA)是采集器中的核心器件。檢波器輸出的地震信號能量微弱，深層有效波的幅值一般為0.1 μV級，這樣的信號在獲取與放大過程中不可避免地會引入各種干擾。如何減少或消除這些干擾，突出所需要的微弱地震信號，以保證勘探精度的要求，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中前置放大器設(shè)計時首先要考慮的問題。而低噪聲設(shè)計的關(guān)鍵是，在最大限度地降低放大器固有噪聲的同時，提高放大器的增益。目前，TI等公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器，其噪聲功率譜密度可達(dá)0.9 nV/，具有良好的噪聲性能，為提高特低噪聲放大器的品質(zhì)提供了保障。圖1為數(shù)據(jù)采集器電路原理圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集器電路原理圖Fig.1 Schematic circuit diagram for data acquisition

4 數(shù)據(jù)傳輸與接口

數(shù)據(jù)傳輸一直是微地震儀器中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在有線傳輸方面，光纖傳輸和DSL(digital subscriber line，數(shù)字用戶環(huán)路)以高速率、遠(yuǎn)距離得到越來越多的應(yīng)用;在無線傳輸方面，ViMax(worldwide Interoperability for microwave access，全球微波互聯(lián)接入)、McWill(multi-carrier wireless information local loop，多載波無線信息本地環(huán)路)和WiFi，應(yīng)用較廣。

在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，除了傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議外，RTP/RTCP協(xié)議收到更多的關(guān)注(尤其在無線傳輸條件下)。

實(shí)時傳輸協(xié)議RTP(realtime transport protocol)是最早針對Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個傳輸協(xié)議，由IETF(Internet工程任務(wù)組)作為RFC1889發(fā)布。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作，其目的是提供時間信息和實(shí)現(xiàn)流同步。RTP的典型應(yīng)用建立在UDP上，但也可以在TCP或ATM等其他協(xié)議之上工作。RTP本身只保證實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸，并不能為按順序傳送數(shù)據(jù)包提供可靠的傳送機(jī)制，也不提供流量控制或擁塞控制，它依靠RTCP提供這些服務(wù)。

實(shí)時傳輸控制協(xié)議RTCP(realtime transport control protocol)負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包，包中含有已發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量、丟失的數(shù)據(jù)包的數(shù)量等統(tǒng)計資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時數(shù)據(jù)。

5 噪聲

即使采用最好的傳感器和采集器，使用最優(yōu)的施工設(shè)計，監(jiān)測結(jié)果也可能會受到噪聲的干擾。究其原因，主要是我們能夠監(jiān)測到的微地震信號非常微弱，即使采取了自動增益，其幅度也在毫伏級以下。噪聲主要有兩種:一種是地面的風(fēng)吹草動等自然界或人為噪聲，另外一種是設(shè)備本身引入的噪聲。

對于噪聲的處理:其一，應(yīng)盡量避免人為噪聲的干擾，如可以將傳感器在地表淺埋、避免電纜的晃動等。其二，可以通過采用濾波器，有效降低噪聲的能量。其三，提高儀器質(zhì)量，盡量壓低儀器本身的熱噪聲。

6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理一般包括相關(guān)濾波、初始波識別、速度模型建立、定位算法以及傅里葉變換、頻譜分析、聚類分析等。

微地震監(jiān)測結(jié)果通常用微地震源的空間排列分布來描述，微震源定位是監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的重要方向。利用正演方法、反演方法或二者相結(jié)合的方法。

目前，反演方法多采用雙殘差(double-difference seismic tomography method)，而正演方法多采用基于射線追蹤和波束賦形(beam forming)的網(wǎng)格快速搜索方法[5]。把監(jiān)測區(qū)這個空間體網(wǎng)格化，監(jiān)測前計算出各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)至各臺站的走時，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)個數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬個。監(jiān)測時，避開精確確定初至波到時這個難點(diǎn)，采用時間偏移技術(shù)把各臺站記錄的波形在各節(jié)點(diǎn)疊加。疊加效果最好的節(jié)點(diǎn)就是震源位置。

實(shí)踐證明，采用帶通濾波、能量比檢測、射線追蹤、匹配濾波、相關(guān)濾波、信噪分離等綜合優(yōu)化算法，可以明顯提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量，甚至在SNR小于1.33的情況下也能夠精確定位。

在眾多定位方法中，相對定位法由震源位置與臺站校正的聯(lián)合反演發(fā)展而來，是選定一震源位置較為精確的主事件，計算發(fā)生在其周圍的一群事件相對于它的位置，進(jìn)而計算這群事件的震源位置。相對定位法通過引入到時差，計算“相對位置”而消除了速度模型引起的誤差，有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。該方法所得相對位置與相對到時的誤差比經(jīng)典方法小30%，但絕對位置與絕對到時依賴于主事件(見圖2)。

圖2 微地震事件定位示意圖Fig.2 Microseismic event location illustration

7 速度

如果將微地震事件的定位過程和GPS定位做類比，到時差和速度是決定定位準(zhǔn)確性的兩個主要因素。通常人們把地球介質(zhì)假設(shè)成各向同性的，發(fā)展了基于各向同性的地震資料處理和解釋方法。但是大量理論和實(shí)踐證實(shí)了實(shí)際地層中廣泛存在著各向異性。在各向異性介質(zhì)條件下，常規(guī)的處理方法不可避免地產(chǎn)生誤差，目前微地震中所涉及到的各向異性主要指地層的速度各向異性。所以從某種意義上來說地震各向異性可以理解為地震速度對角度的依賴性[6]。

通過時間和空間確定的微地震事件，如射孔，來標(biāo)定速度模型，降低速度模型不精確引入的誤差，是目前國內(nèi)外普遍采用的做法，圖3為GPS定位示意圖。

圖3 GPS定位示意圖Fig.3 GPS location illustration

8 數(shù)據(jù)格式

眾所周知，微地震目前還沒有國際標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式。SEG－2、SED－D Rev 2.0和SEG－Y是最有可能的候選方案。三者之中，SED－D Rev 2.0過于簡單，滿足不了微地震新的需求;SEG－Y的文件頭，可供用戶自定義的數(shù)據(jù)空間太小，也不太適合;SEG－2的文件頭相對靈活，用戶自定義的數(shù)據(jù)空間比較大，因此最有可能成為微地震數(shù)據(jù)格式演化的格式標(biāo)準(zhǔn)。

9 不確定性

微地震監(jiān)測結(jié)果的不確定性主要有以下兩個方面原因:其一，數(shù)據(jù)質(zhì)量的不確定性;其二，速度模型的不確定性。數(shù)據(jù)質(zhì)量的不確定性，有可能是由自然界或電子噪聲，接收矩陣的數(shù)量，采樣頻率，傳感器的幅頻特性，傳感器布置等原因引起的，也可能是微地震信號震級小等不可控原因引起的。速度模型的不確定性，主要是對地層的了解知之甚少，無法用有限的模型進(jìn)行逼近。

目前有兩種方法對這種不確定性進(jìn)行評估，一種是計算殘時差和Q值，另一種是通過已知震源進(jìn)行矯正，例如射孔[7]。

10 解釋

獲得微地震數(shù)據(jù)之后，需要知道哪些數(shù)據(jù)是反映震源屬性的。首先應(yīng)計算出微破壞、微變形區(qū)的長、寬、高等基本幾何形態(tài)，然后通過震源機(jī)制解和綜合斷面解等方法來分析這個區(qū)微地震的形成機(jī)理。最后，需要結(jié)合施工設(shè)計來綜合分析。例如，前置液的用量和砂比是否合理，注水井的布置是否合適，層數(shù)和層間距的設(shè)計是否恰到好處，壓裂是否達(dá)到預(yù)期效果等[8]。

11 應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)微地震在油田煤層氣領(lǐng)域，例如，水力壓裂、注水/氣前緣監(jiān)測、油氣井穩(wěn)定性、油氣層管理、斷層定向等，在礦山安全領(lǐng)域，巖爆、巖塌、邊坡、水庫穩(wěn)定性等，以及放射性核廢料處理、地下煤炭氣化、二氧化碳地下存儲、地下熱能開采等都有廣泛的應(yīng)用前景。

12 展望

盡管微地震在石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)70年代，但是它的規(guī)模應(yīng)用卻是在2000年以后。未來，在采集方法，傳感器優(yōu)化，矩陣設(shè)計，采集信號過程，事件定位，速度校準(zhǔn)和裂縫擴(kuò)展機(jī)制等方面，還需要有很大的提高。有理由相信，隨著這些方面的進(jìn)步，人們對微地震將有更深入、更清楚的了解，同時將獲得更多的有用信息。

13 結(jié)語

微地震監(jiān)測是人們了解井下生產(chǎn)活動的一種重要方法。由于噪聲、距離、震級、速度模型等因素的影響，并不是所有的監(jiān)測結(jié)果都是可靠的;即使一次成功的監(jiān)測，在資料解釋方面，由于各種局限性，仍然還有很多需要改進(jìn)之處[9]。微地震在廣義上屬于地震學(xué)范疇，它對于大多數(shù)地質(zhì)學(xué)者、油田工作者是陌生的，人們對于這個新鮮事物還不甚了解。未來，微地震監(jiān)測將成為一項重要的技術(shù)手段。因此，人們需要采用積極的態(tài)度來了解和學(xué)習(xí)這項技術(shù)，以便更好地認(rèn)識井下生產(chǎn)活動[10]。

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[2]梁 冰，朱廣生.油氣田勘探開發(fā)中的微震監(jiān)測方法[M].北京:石油工業(yè)出版社，2004.

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[10]于興河.油氣儲層地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2009.