微震監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

桂志先，朱廣生（長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，武漢430100）

技術(shù)方法

微震監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

桂志先，朱廣生
（長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，武漢430100）

近10年來(lái)，油氣田微震監(jiān)測(cè)技術(shù)有了全面而較快的發(fā)展，其主要表現(xiàn)為水力壓裂微震監(jiān)測(cè)方法的能力和效果均得到了進(jìn)一步的提高。微震監(jiān)測(cè)的軟硬件逐步商業(yè)化，微震監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)處理和解釋方法等都有更多、更深入的研究。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)工作快速增加，僅北美洲各個(gè)盆地，每年就有數(shù)千口井使用了水力壓裂裂縫微震成像技術(shù)。國(guó)內(nèi)隨著頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的興起，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。

微震監(jiān)測(cè)；研究進(jìn)展；水力壓裂；綜合解釋

0　引言

油氣田開(kāi)發(fā)會(huì)誘生地震，這種現(xiàn)象一直受到人們的關(guān)注。早在1926年，就有人發(fā)表了關(guān)于美國(guó)德克薩斯州的Goose Greek油田在1917—1925年間因采油而誘發(fā)地震的論文。Segall［1］對(duì)這類(lèi)論文進(jìn)行了綜合研究，并提出了自己的理論。

1973年Bailey［2］在其專(zhuān)利中提出了水力壓裂微震監(jiān)測(cè)的基本設(shè)想。同年，AMOCO公司等在美國(guó)科羅拉多州的Wattenberg氣田進(jìn)行了水力壓裂微震監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，這是油氣田微震監(jiān)測(cè)工業(yè)試驗(yàn)，采用的是地面觀測(cè)方法，但試驗(yàn)沒(méi)有成功［3］。隨后，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在橡樹(shù)嶺進(jìn)行了水力壓裂裂縫地震繪圖試驗(yàn)，也是采用地面觀測(cè)方式，同樣以失敗告終。1976年美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在Wattenberg油田做了大量工作，試驗(yàn)用地面地震觀測(cè)方式記錄水力壓裂誘發(fā)微震。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于水力壓裂誘發(fā)微震的能量弱、頻率高，以及地層吸收等因素，在地面是不可能檢測(cè)到有效微震信號(hào)的，應(yīng)該在靠近這種裂縫附近記錄誘發(fā)微震。之后，桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始發(fā)展自己的井下地震記錄系統(tǒng)［4］。同時(shí)，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)始了井下微震觀測(cè)研究的現(xiàn)場(chǎng)工作，在Fenton Hill熱干巖中進(jìn)行了3年現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（1976年、1977年、1979年），結(jié)果顯示，在水力壓裂時(shí)，發(fā)生大量的可記錄的水平微震，利用這些微震可以確定水力壓裂裂縫的方位。

人們從1973年以來(lái)的一系列試驗(yàn)的失敗中，確立了水力壓裂誘發(fā)微震的井下觀測(cè)方法［5-6］，同時(shí)，改進(jìn)和發(fā)展了井下記錄儀器，以及相關(guān)的資料處理和解釋方法。1989年美國(guó)石油工程師協(xié)會(huì)（SPE）推出了一部重要專(zhuān)著《水力壓裂技術(shù)新發(fā)展》，其中在第十六章“方法和幾何形狀的確定”中專(zhuān)門(mén)討論了確定裂縫方位和形狀的方法。書(shū)中列出了3種裂縫測(cè)定方法，其中第二種便是“三軸地震法”（微震監(jiān)測(cè)法）［7］。這說(shuō)明國(guó)外已將水力壓裂微震監(jiān)測(cè)法視為確定裂縫方位和形狀的一種重要的實(shí)用方法。

2000年，美國(guó)John Wiley&Sons Ltd出版社出版了《油藏增產(chǎn)措施》一書(shū)，這本被譽(yù)為“現(xiàn)代石油增產(chǎn)技術(shù)的經(jīng)典著作”在第十二章寫(xiě)到：實(shí)踐證明，在所有有關(guān)（裂縫繪圖）技術(shù)之中，使用傾斜儀和井下三維地震分析進(jìn)行水力裂縫延伸的繪圖是最有用的［8］。這里的井下“三維地震”技術(shù)就是井下微震監(jiān)測(cè)方法。

早在水力壓裂微震監(jiān)測(cè)初期，微震監(jiān)測(cè)研究就開(kāi)始延伸到油氣采出和流體注入等領(lǐng)域。近10年來(lái)，受到高油價(jià)的推動(dòng)，石油工業(yè)越來(lái)越多的資金投向非常規(guī)油氣藏，如頁(yè)巖油氣藏及其他低滲透油氣藏。對(duì)這些油氣藏，水力壓裂幾乎是完井必做的工作。Duncan［9］估計(jì)可能有多達(dá)10%的非常規(guī)儲(chǔ)層完井需要進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)；Maxwell等［10］指出在整個(gè)北美洲的各個(gè)盆地，每年都有數(shù)千口井使用了裂縫成像技術(shù)。筆者著重討論2000年以來(lái)石油勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)誘生地震研究的若干進(jìn)展。

1　微震監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展

微震監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展其最明顯的標(biāo)志就是軟硬件的商品化。如“SIMFRAC○”，廠(chǎng)家稱(chēng)其為特種“聲波探測(cè)器”，它是由三分量加速度地震檢波器、壓力計(jì)和溫度傳感器組成的井下儀器，能在壓力不超過(guò)130 MPa、溫度低于150℃的條件下正常工作，主要用于小型水力壓裂期間作業(yè)；“SIMFRAC-MAP○”是采集后用于水力壓裂成像和破裂壓力下降分析的處理軟件；SIMFRAC○和SIMFRAC-MAP○都是IFP的注冊(cè)商標(biāo)?！癙ERSEIDS○”是一套包括采集軟件在內(nèi)的永久性井下采集監(jiān)測(cè)和地面記錄系統(tǒng)；μSICS○是結(jié)合開(kāi)采和運(yùn)行數(shù)據(jù)、油藏模擬及地質(zhì)力學(xué)模擬成果對(duì)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解釋和分類(lèi)的軟件；PERSEIDS○和μSICS○分別為IFP和GDF的注冊(cè)商標(biāo)［11］。

OYOGeospace公司的HDseisGeoResImagine高精度成像記錄系統(tǒng)，包括地面儀器采集系統(tǒng)與井下接收儀器系統(tǒng)2個(gè)部分。地面采集系統(tǒng)包括一套完整的野外采集軟件和SEISNET工作站；井下接收系統(tǒng)包括8只DDS-250型三分量的地震檢波器及相關(guān)輔助設(shè)備，它們具有0～1 500 Hz響應(yīng)能力，額定工作溫度為150℃，壓力為138 MPa。哈里伯頓和斯倫貝謝等大公司都有自己的微震監(jiān)測(cè)服務(wù)部門(mén)（Pinnacle公司采用并擁有所有權(quán)的FracSeis/SeisPT微地震數(shù)據(jù)處理、分析和成像系統(tǒng)）。

井下設(shè)備，如永久性井下三分量地震檢波器的性能得到進(jìn)一步驗(yàn)證。有2套永久性井下檢波器在1991年和1992年分別安裝在2口氣井中。第一套檢波器已經(jīng)取出，第二套是一串15級(jí)檢波器串，到2004年仍在正常工作，即證明現(xiàn)有井下三分量檢波器可以在井下惡劣環(huán)境中至少正常工作12年。同時(shí)，井下遙測(cè)技術(shù)和地面設(shè)備也有所改進(jìn)（20位或24位系統(tǒng)和先進(jìn)的集成采集系統(tǒng)等）。到2004年，與微震相關(guān)的信息記錄從小于總信息量的5%提高到了90%以上。在遙測(cè)技術(shù)支持下，地面采集系統(tǒng)每口井能管理24個(gè)三分量檢波器，最多可管理10口井，這使得處理時(shí)間大大縮短，使實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能，并有利于微震監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期和短期應(yīng)用［11］。

油氣田微震監(jiān)測(cè)對(duì)硬件的要求比水力壓裂更高，它需要解決3個(gè)難題：①尋找當(dāng)井中發(fā)生流體流動(dòng)時(shí)能夠使噪音極小化的井下檢波器設(shè)計(jì)方案；②解決井下地震系統(tǒng)永久性的各種焊接和密封問(wèn)題；③改善系統(tǒng)的魯棒性，由于超長(zhǎng)時(shí)間（處于井下惡劣環(huán)境中）改變了系統(tǒng)的牢固性，對(duì)系統(tǒng)輸出高質(zhì)量數(shù)據(jù)的能力會(huì)產(chǎn)生影響。

Schlumberger公司成功地解決了這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了專(zhuān)門(mén)用于正在運(yùn)行井中的井下地震系統(tǒng)——PS3工具，它用于監(jiān)測(cè)低強(qiáng)度信號(hào)的微震活動(dòng)，能在正在運(yùn)行井的環(huán)境下輸出低噪音數(shù)據(jù)，具有很好的魯棒性。但是當(dāng)連續(xù)輸出高保真地震數(shù)據(jù)期間對(duì)PS3工具性能的變化不敏感，研制者采用了下述方法，明顯地改善了系統(tǒng)的性能：其一，利用叫做“Ω鎖”（omega-lock）的特殊器件將檢波器耦合在套管上，而不是用傳統(tǒng)的弓形彈簧將檢波器耦合在套管上，展開(kāi)狀態(tài)下Ω鎖和安裝在其中的檢波器不再和油管接觸，因此Ω鎖隔絕了油管里流體流動(dòng)對(duì)檢波器的影響；其二，采用液壓管線(xiàn)特有的鋼管內(nèi)密封的電纜敷設(shè)技術(shù)，確保井孔中傳輸電纜長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，此外，附加的塑料密封內(nèi)容物確保了使用期間的落砂防護(hù)，這些措施提高了系統(tǒng)的整體可靠性；其三，利用了PS3工具獨(dú)特的四面體傳感器組構(gòu)方式，這種組構(gòu)包含有構(gòu)成四面體的4個(gè)傳感器（其中每2個(gè)傳感器間的夾角為109.47°），而不是傳統(tǒng)的3個(gè)正交傳感器組構(gòu)，這種四面體組構(gòu)能夠利用其中任意3個(gè)傳感器測(cè)試另一個(gè)傳感器的性能。因此，靈敏度的任何變化都可被修正并恢復(fù)矢量精度，當(dāng)PS3工具工作時(shí)就可以進(jìn)行性能測(cè)試，而不必停止數(shù)據(jù)采集。有了這種傳感器的組構(gòu)形式，還可得到傳感器冗余的好處，即當(dāng)4個(gè)傳感器中的任一個(gè)完全失效時(shí)，仍可重建極化方向。這樣就改善了永久性檢波器的整體性能，降低了對(duì)性能變化的敏感性［12］。

目前，一些商業(yè)化的硬件能兼容無(wú)源地震監(jiān)測(cè)和人工地震（常規(guī)地面地震、跨井地震、VSP等），因而降低了成本。微震監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)展的另一個(gè)標(biāo)志就是實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)和可視化軟件的發(fā)展，幾個(gè)大的服務(wù)公司能夠提供質(zhì)量良好的水力壓裂實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)可以看到水力裂縫生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)時(shí)圖像，水力壓裂工程師可據(jù)此調(diào)節(jié)施工參數(shù)，將水力裂縫控制在期望目標(biāo)區(qū)內(nèi)［13］。這對(duì)于薄的儲(chǔ)層，特別是非常規(guī)油氣藏的水力壓裂是十分重要的。微震設(shè)備發(fā)展的第三個(gè)標(biāo)志就是井下硬件正在向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。20世紀(jì)末使用的井下檢波器級(jí)數(shù)越來(lái)越多，有的達(dá)到50多級(jí)三分量檢波器。

2　微震數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)展

微震數(shù)據(jù)采集方法設(shè)計(jì)是基于誘生微震的特點(diǎn)。誘生微震的特點(diǎn)：一是能量微弱，水力壓裂誘生微震的震級(jí)一般小于0級(jí)［5，12］，油氣采出和流體注入誘發(fā)微震的震級(jí)通常為-3～0級(jí)［10］，但有時(shí)可高達(dá)5級(jí)，甚至更高，以致造成破壞［13］；二是頻率很高，頻帶一般為100～1 500 Hz，衰減快，一般最遠(yuǎn)傳播500～600 m后便淹沒(méi)在背景噪音里［13-14］。

目前，石油業(yè)界普遍認(rèn)可的微震監(jiān)測(cè)方法是井中三分量檢波器觀測(cè)，這種方法的數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)最基本的任務(wù)有2個(gè)：監(jiān)測(cè)井位的選擇和監(jiān)測(cè)井中檢波器的布置。20世紀(jì)70年代確立微震監(jiān)測(cè)井中觀測(cè)方法以來(lái)，直至20世紀(jì)末，幾乎沒(méi)有專(zhuān)門(mén)討論微震數(shù)據(jù)采集問(wèn)題的論文。21世紀(jì)初以來(lái)，陸續(xù)出現(xiàn)了深入討論微震數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)的論文［15-17］，相關(guān)研究進(jìn)一步指出了微震數(shù)據(jù)采集需要遵循的要點(diǎn)。

Eisner等［15］根據(jù)模擬研究指出：水力壓裂微震監(jiān)測(cè)井中觀測(cè)時(shí)，當(dāng)檢波器組中有檢波器高于和低于微震源時(shí)，震源位置的不確定性明顯減小；微震位置的不確定性還取決于井中檢波器組與震源的相對(duì)深度，井中檢波器組長(zhǎng)度變短，微震定位的垂向誤差則增大；增加監(jiān)測(cè)井檢波器組里的檢波器數(shù)目并不能降低微震定位誤差；相鄰檢波器的微震信號(hào)疊加可改善方位角測(cè)定時(shí)的信噪比。

Kidney等［16］根據(jù)微震監(jiān)測(cè)實(shí)例分析及模型研究得出類(lèi)似結(jié)論：微震定位垂向誤差主要取決于速度模型、檢波器組長(zhǎng)度和位置，以及初至拾取精度?？鐑?chǔ)層（被處理層）安置的檢波器組計(jì)算出的微震位置，其深度更準(zhǔn)確；一般較短的檢波器組微震定位垂向誤差會(huì)增大；如果在實(shí)際微震位置上方只有1個(gè)檢波器，則定位垂向誤差也會(huì)增大，相反，如用少數(shù)幾個(gè)檢波器分布在相似距離上，則定位的垂向誤差將極小化。已經(jīng)證明，檢波器個(gè)數(shù)較少時(shí)，反演得到的方位角偏差增大；當(dāng)檢波器組大部分被安置在微震實(shí)際位置上方時(shí)，對(duì)較深位置的微震約束力降低，導(dǎo)致深度系統(tǒng)出現(xiàn)誤差［16］。

從井中檢波器分布位置方面及減小微震定位誤差來(lái)看，井中觀測(cè)“跨層布置檢波器”，這一設(shè)計(jì)思想是正確的，然而上述研究者顯然沒(méi)有足夠考慮到噪音問(wèn)題，特別是在增注壓裂時(shí)大量高壓流體被快速壓入被監(jiān)測(cè)層，這些高壓流體在被監(jiān)測(cè)層中的流動(dòng)產(chǎn)生的噪音不可避免地會(huì)波及到觀測(cè)井中的檢波器。這種噪音最終導(dǎo)致微震定位的精度降低和可能超過(guò)“跨層布置檢波器”帶來(lái)的精度改善。為盡可能消除這種噪音，在水力壓裂微震監(jiān)測(cè)開(kāi)始前，監(jiān)測(cè)井被監(jiān)測(cè)層的上方需使用封隔器或打水泥塞。這樣就難以實(shí)現(xiàn)“跨層布置檢波器”，只能將檢波器組布置在被監(jiān)測(cè)層的上方，但比起“跨層布置檢波器”，最終達(dá)到的微震定位精度可能更高。

數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)中一般要進(jìn)行數(shù)值模擬，當(dāng)然不同作業(yè)公司使用的模型不同［18-19］。油氣田微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集方法的一個(gè)重要進(jìn)展是地面觀測(cè)方法的使用。水力壓裂微震監(jiān)測(cè)工業(yè)試驗(yàn)是1973年在美國(guó)Wattenberg氣田進(jìn)行的。那次試驗(yàn)失敗的原因就是因?yàn)椴捎昧说孛嬗^測(cè)方法，當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄的微震信號(hào)完全淹沒(méi)在噪音背景中，而以當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法和相關(guān)軟件的水平，不足以從如此低信噪比的記錄中提取出有效微震信息。20多年后，微震監(jiān)測(cè)的軟硬件都取得了很大的進(jìn)步，一些研究者和服務(wù)公司均認(rèn)為地面微震監(jiān)測(cè)方法是可行和有效的，并聲稱(chēng)取得了成功［20-22］。

3　資料處理與解釋進(jìn)展

微震監(jiān)測(cè)在資料處理與解釋方面的進(jìn)展主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：一是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的商業(yè)化應(yīng)用；二是微震監(jiān)測(cè)與測(cè)斜儀聯(lián)合反演及多種資料的綜合解釋?zhuān)蝗顷P(guān)于精度與解釋問(wèn)題的深入討論。

3.1微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

Barnett氣田在2001年12月成功實(shí)現(xiàn)微震繪圖。這個(gè)氣田位于Fort Worth盆地，天然氣儲(chǔ)層為夾在Viola石灰?guī)r和大理石隕石灰?guī)r（Marble Falls Limestone）之間的Mississippian頁(yè)巖。Barnett頁(yè)巖厚100～300 m，頁(yè)巖是一個(gè)天然裂縫型儲(chǔ)層，滲透率非常低，其數(shù)量級(jí)僅為毫微達(dá)西。微震繪圖的目的是在氣井增注期間確定裂縫生長(zhǎng)特點(diǎn)。大規(guī)模水力壓裂與加密鉆井表明，壓裂與原生裂縫間存在復(fù)雜的相互作用，需要了解裂縫的幾何特征。更為重要的是，Barnett頁(yè)巖下伏的Ellenberger石灰?guī)r有許多克斯特型孔洞并充滿(mǎn)水，如果水力壓裂時(shí)裂縫向下生長(zhǎng)進(jìn)入Ellenberger層的含水區(qū)，則可能發(fā)生嚴(yán)重的水淹災(zāi)害。為避免裂縫生長(zhǎng)進(jìn)入地層危險(xiǎn)區(qū)，就必須對(duì)裂縫生長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，然后利用石油工程技術(shù)對(duì)裂縫形狀和生長(zhǎng)高度及方向均實(shí)施控制，使裂縫轉(zhuǎn)向，即避開(kāi)地質(zhì)危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)向儲(chǔ)層未處理過(guò)的部位。Barnett頁(yè)巖水力壓裂微震成像項(xiàng)目獲得了圓滿(mǎn)成功。當(dāng)時(shí)，Barnett氣田處于早期開(kāi)發(fā)階段，并一躍成為美國(guó)第三大天然氣田，促使整個(gè)行業(yè)開(kāi)始向頁(yè)巖氣領(lǐng)域發(fā)展［14，23-28］。

許多學(xué)者曾采用多種方法力圖控制或改變水力裂縫的方向和長(zhǎng)度，但均未能如愿。就目前技術(shù)狀況而言，唯有微震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠使研究者隨時(shí)親眼觀測(cè)到裂縫的實(shí)時(shí)空間圖像，如單個(gè)裂縫的形狀、長(zhǎng)度、高度、厚度和方向，或裂縫網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成、空間范圍、主次裂縫方向等，從而能夠根據(jù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整處理方法和參數(shù)，以使裂縫按期望的空間形狀（方向、長(zhǎng)度）生長(zhǎng)。實(shí)時(shí)微震成像成為工程師們避免嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)難的唯一有效手段，也因此證明了其在氣田生產(chǎn)最優(yōu)化領(lǐng)域的重大價(jià)值。

3.2聯(lián)合反演和解釋

微震監(jiān)測(cè)的早期研究，是借助微震來(lái)確定水力裂縫的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸，以獲得水力裂縫正確的空間圖像?，F(xiàn)在，微震技術(shù)已經(jīng)成熟地運(yùn)用在油氣田開(kāi)發(fā)中，人們?cè)絹?lái)越注重微震數(shù)據(jù)與多種獨(dú)立數(shù)據(jù)的完全整合，包括地質(zhì)力學(xué)模型、儲(chǔ)層性質(zhì)、鉆井?dāng)?shù)據(jù)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。多種資料綜合處理與解釋的研究實(shí)例越來(lái)越多。2000年以來(lái)，微震監(jiān)測(cè)與其他方法的聯(lián)合反演和綜合解釋發(fā)展較快，其中最主要的是微震數(shù)據(jù)和測(cè)斜儀（也稱(chēng)傾斜儀）數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理與綜合解釋?zhuān)?9，29-33］，此方法最早在1996年已有人嘗試［34］。

在石油工業(yè)中井下測(cè)斜儀和井下微震技術(shù)是2種主要且獨(dú)立的水力壓裂裂縫直接繪圖技術(shù)，每種技術(shù)均可測(cè)量出在水力壓裂過(guò)程中的不同數(shù)據(jù)。測(cè)斜儀可直接測(cè)量裂縫引起的巖石變形，而微震檢波器可檢測(cè)由壓裂造成的孔隙壓力和應(yīng)力變化誘生的微地震。每種技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，這就使它們成為非常適于聯(lián)合應(yīng)用的相容技術(shù)。利用2種數(shù)據(jù)集進(jìn)行聯(lián)合反演時(shí)，無(wú)論是從不同的觀察井得到的還是從同一口觀察井得到的，都可以改善裂縫的幾何形狀并降低各種參數(shù)的估算誤差。

測(cè)斜儀裂縫繪圖的原理很簡(jiǎn)單（圖1）。水力壓裂產(chǎn)生的裂縫導(dǎo)致裂縫周?chē)鷰r石發(fā)生特有模式的變形。測(cè)斜儀可非常精確地測(cè)量出水力壓裂引發(fā)的裂縫周?chē)貐^(qū)（地表或井下）的地層傾斜（變形），從而得到水力裂縫的幾何參數(shù)［35］。測(cè)斜儀有地面和井下2種觀測(cè)方式，對(duì)應(yīng)的儀器原理相同，但儀器結(jié)構(gòu)有所不同［29，32，34-36］。地面測(cè)斜儀放置在注入井周?chē)囊恍\井（深度10～40 ft，1 ft≈0.304 8 m）中，并用砂充填。測(cè)斜儀陣列的布置方式是圍繞裂縫方位在地面投影成橢圓形或圓形。來(lái)自水平布置的陣列的綜合數(shù)據(jù)反演模擬，可提供最可能的裂縫參數(shù)數(shù)組，如傾角和裂縫方位都與處理后的形變解釋相關(guān)，測(cè)斜儀到注入井的徑向距離為幾百米到1 mi（1 mi≈1.609 3 km），依處理的靶層深度和預(yù)測(cè)的裂縫尺度而定。地面測(cè)斜儀陣列可測(cè)量位移梯度，提供裂縫上方地表變形圖。傾角場(chǎng)的分析提供了裂縫方位角、傾角、裂縫中心深度和裂縫總?cè)莘e測(cè)量成果。由于地面測(cè)斜儀一般距人工裂縫較遠(yuǎn)，因此它們并不能準(zhǔn)確分辨出裂縫的長(zhǎng)度和高度。

圖1　測(cè)斜儀繪圖原理Fig.1Mapping principle of inclinometer

井下測(cè)斜儀繪圖與地面測(cè)斜儀繪圖原理相同，但與在地面不同的是，井下測(cè)斜儀是用電纜放置在一個(gè)或多個(gè)鄰井中，深度約為水力壓裂裂縫的深度，其提供的是鄰近水力裂縫的地層形變圖。在絕大多數(shù)運(yùn)用中，井下測(cè)斜儀安置在比地面測(cè)斜儀更靠近裂縫的位置，因此其對(duì)裂縫尺度也更加敏感。測(cè)量出來(lái)的傾角用來(lái)確定裂縫隨時(shí)間變化的高度、長(zhǎng)度和寬度。

3.2.1主成分分析法（PCA）聯(lián)合反演［29］

主成分分析法（PCA）應(yīng)用于水力壓裂誘生微震云時(shí)，是通過(guò)微震位置數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣特征值和特征矢量來(lái)尋找主成分及其方向。造成微震云大部分偏差的2個(gè)基本主成分為裂縫的長(zhǎng)度和高度，裂縫的方向可由主成分方向確定。根據(jù)這種方法就能夠用PCA提取微震云的特征屬性，然后與測(cè)斜儀數(shù)據(jù)一起用于聯(lián)合反演。

圖2是在主方向（Z1，Z2）構(gòu)成的坐標(biāo)系里長(zhǎng)半軸a和短半軸b的橢圓，其中有2個(gè)最重要的主成分，微震落入該橢圓內(nèi)的概率可按下式計(jì)算：

其中

式（2）～（3）中：θ為坐標(biāo)系內(nèi)微震方向與Z1軸的夾角，（°）；r為無(wú)量綱系數(shù)，取值范圍0～1；z1和z2分別為微震事件在Z1和Z2軸上的投影。

圖2　主方向坐標(biāo)系里的橢圓Fig.2The elliptical in main direction coordinate system

當(dāng)a和b是1倍、2倍或者3倍于協(xié)方差矩陣的標(biāo)準(zhǔn)差（σ1和σ2）時(shí)，微震落在橢圓內(nèi)的概率分別為39.3%，86.5%和98.8%。對(duì)1倍標(biāo)準(zhǔn)差而言，概率太低，多數(shù)微震震源沒(méi)有包含在裂縫橢圓內(nèi)。對(duì)3倍標(biāo)準(zhǔn)差而言，概率太高以至于少數(shù)異常事件對(duì)裂縫的長(zhǎng)度和高度產(chǎn)生很大影響。所以選擇2倍的標(biāo)準(zhǔn)差［式（2）中的比率取為2］，似乎對(duì)主成分與裂縫長(zhǎng)度和高度的關(guān)系是最佳的［32］。用上述主成分分析法處理微震數(shù)據(jù)提取微震云的特征屬性，然后將與微震數(shù)據(jù)方向和尺度匹配的誤差加入目標(biāo)函數(shù)，這樣，即可獲得滿(mǎn)足測(cè)斜儀測(cè)得的斜率和微震數(shù)據(jù)提供的最佳裂縫方位角與尺度。

3.2.2混合數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演［29］

用于初步研究的聯(lián)合反演方法包括一個(gè)與微震數(shù)據(jù)分布耦合的傾斜三維橢球裂縫模型。該分布模型根據(jù)一套波至?xí)r間（P和S波）和方位角數(shù)據(jù)來(lái)處理微震數(shù)據(jù)，并進(jìn)行微震定位，或利用實(shí)時(shí)修正的速度進(jìn)行微震定位，以得到與裂縫方位角、傾角、高度及長(zhǎng)度平均值相關(guān)的微震分布。執(zhí)行反演裂縫參數(shù)和地層速度用Levenberg/Marquardt非線(xiàn)性解算器。Warpinski基于原有的Green和Snedden方程給出了三維破裂模型的斜率響應(yīng)方程。實(shí)質(zhì)上，作為垂直傳感器位置Z的函數(shù)的斜率分布如下式：式中：h為裂縫總高度，m；L為裂縫半長(zhǎng)度（假設(shè)裂縫是對(duì)稱(chēng)的），m；Δp為凈壓力，MPa；yc為裂縫中心的垂直深度，m；αf為裂縫相對(duì)監(jiān)測(cè)位置的方位角，（°）；δf為裂縫的斜角（傾角的余角），（°）；Wdis為監(jiān)測(cè)井與注入井間的距離，m；E為楊氏模量，MPa；ν為泊松比。一般認(rèn)為，Wdis，E和ν是已知的，前6個(gè)參數(shù)中的任意一個(gè)可能是已知的并用作約束條件。為了方便反演，所有的自由參數(shù)度映射到實(shí)軸上，均用Levenberg/Mararquardt算法尋求函數(shù)最小化，以快速確定未知參數(shù)的最佳值。

由于微震震源的性質(zhì)和普遍存在的噪音，微震事件的位置以某種方式分布在裂縫的周?chē)?。方位角和傾角的分布特征可根據(jù)方向統(tǒng)計(jì)學(xué)得出平均值和方差。裂縫長(zhǎng)度和高度分布的處理較為困難，微震事件通常被假設(shè)為關(guān)于裂縫高度和長(zhǎng)度特征的正態(tài)分布，即實(shí)際裂縫高度和長(zhǎng)度的函數(shù)。測(cè)試表明，裂縫高度和長(zhǎng)度特征約能提供反映實(shí)際微震分布的裂縫高度和長(zhǎng)度的60%。

在微震數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，從當(dāng)前速度模型獲得三維位置開(kāi)始，利用（x，y）坐標(biāo)按照方向統(tǒng)計(jì)學(xué)確定微震方位角，并由這個(gè)方位角得到垂直裂縫走向的投影圖和沿裂縫走向的投影圖，可分別得出裂縫的傾角和高度，再使用循環(huán)統(tǒng)計(jì)學(xué)和已得到的裂縫高度和長(zhǎng)度計(jì)算出微震位置的平均值和方差?；诹芽p高度、長(zhǎng)度、方位角和傾角的微震事件的概率公式表達(dá)如下：

式中：zi，yi和bi分別為第i個(gè)微震在垂直方向、沿裂縫走向和沿垂直裂縫走向的投影，zc，yc和bc為其平均值，m；σz，σy和σb分別為微震分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，m。假設(shè)這3個(gè)獨(dú)立變量是互不相關(guān)的。

3.3微震監(jiān)測(cè)精度和多種資料綜合解釋

3.3.1微震監(jiān)測(cè)精度

微震數(shù)據(jù)的處理幾乎無(wú)例外都要進(jìn)行微震定位，因此微震監(jiān)測(cè)精度取決于微震定位精度。微震震源位置可由波從震源到檢波器的距離L和波傳播方向確定。梁兵等［13］基于誤差分析運(yùn)算原則給出了均勻介質(zhì)條件下，微震定位距離L的誤差解析表達(dá)式，其中L的相對(duì)誤差E*（L）和絕對(duì)誤差ΔL分別為式中：vp，vs分別為縱、橫波速度的相對(duì)誤差，m/s；，分別為縱、橫波速度的近似值，m/s；E*（vp），E*（vs）分別為縱、橫波速度近似值的相對(duì)誤差；Tp，Ts分別為縱、橫波波至?xí)r間，s；分別為縱、橫波波至?xí)r間近似值，s；縱、橫波波至?xí)r差Tps=Ts-Tp，其近似值為近似值的相對(duì)誤差。式（6）表明，微震定位計(jì)算的距離相對(duì)誤差E*（L）既與縱、橫波速度的近似值及其相對(duì)誤差有關(guān)，也與縱、橫波波至?xí)r差近似值的相對(duì)誤差有關(guān)，但與距離及縱、橫、波波至?xí)r間無(wú)關(guān)。式（7）表明，微震定位計(jì)算的距離其絕對(duì)誤差ΔL與距離呈正比，既與縱、橫波速度的近似值及其相對(duì)誤差有關(guān)，也與縱、橫波波至?xí)r差近似值的相對(duì)誤差有關(guān)，但與縱、橫波波至?xí)r間無(wú)關(guān)。

微震傳播方向計(jì)算誤差一般在幾度之內(nèi)，極化分析得到的微震傳播方位角和仰角誤差不大于5°。Grechka［17］指出，高信噪比強(qiáng)微震時(shí)方位角誤差為5°，低信噪比微震時(shí)方位角誤差為20°～30°。筆者處理江漢油田老22斜5井水力壓裂微震監(jiān)測(cè)時(shí)（2008年12月），在監(jiān)測(cè)井距壓裂井約300 m處，利用射孔微震數(shù)據(jù)進(jìn)行極化分析，得到微震傳播方位角的誤差小于5°。根據(jù)方位角誤差為5°估算，可得到計(jì)算的微震震源位置與真實(shí)震源位置的距離，即微震定位絕對(duì)誤差m的近似公式為

式中：α為與真實(shí)震源到檢波器的直線(xiàn)方向與計(jì)算的震源到檢波器的直線(xiàn)方向間的夾角［13］（圖3），（°）。

圖3　微震定位誤差示意圖Fig.3The schematic diagram of microseismic source location deviation

圖3中S為真實(shí)微震源空間位置，A為計(jì)算得到的微震源空間位置，G為檢波器位置。

Kidney等［16］基于實(shí)際微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和正演模擬得出下述結(jié)論：①隨著微震與檢波器組間距的增大，微震信噪比降低，而總的定位誤差增大，微震云系統(tǒng)變得更加分散。②垂向彌散主要取決于速度模型、檢波器串長(zhǎng)度和位置，以及讀出的旅行時(shí)精度。③微震被定位到深度較深的系統(tǒng)的不正確位置是源自檢波器串與微震的相對(duì)位置關(guān)系。由于檢波器串大部分被安置在真實(shí)微震位置的上方，對(duì)較深位置的微震約束力更小，這就導(dǎo)致了系統(tǒng)誤差。對(duì)于跨儲(chǔ)層安置的檢波器組，計(jì)算出的微震位置的深度分布將更帶隨機(jī)性。④高質(zhì)量的矢端曲線(xiàn)圖將獲得更精確的微震方位值。當(dāng)距離增大時(shí)，微震方位的任何不確定性都將轉(zhuǎn)換成更大的空間誤差［21］。

Eisner等［15］、Kidney等［16］及Grechka［17］均認(rèn)為微震定位精度和微震與檢波器空間相對(duì)位置密切相關(guān)。Eisner等［15］根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果指出：井中微震監(jiān)測(cè)時(shí)，當(dāng)檢波器組中有高于或低于微震源時(shí)，震源位置的不確定性明顯減小。監(jiān)測(cè)井中檢波器排列變短，而微震位置的垂向不確定性增大。微震位置的不確定性還取決于井中檢波器組與震源的相對(duì)深度，當(dāng)被定位微震發(fā)生在監(jiān)測(cè)檢波器排列的深度范圍內(nèi)，而該檢波器排列的孔徑與微震到檢波器的距離相差不大時(shí)，微震定位精度最高。

地球物理學(xué)家一致認(rèn)為，速度是影響微震定位誤差的一個(gè)重要因素。Eisner等［15］和Grechka［17］進(jìn)一步指出，速度不均勻性對(duì)微震定位誤差可能具有深刻的影響，并且用模型計(jì)算證明了用微震數(shù)據(jù)本身可適時(shí)調(diào)節(jié)vp和vs。Grechka［17］用P波和S波旅行時(shí)的Frichet導(dǎo)數(shù)矩陣奇異值分解法估算vp和vs，以解決速度隨時(shí)間的變化難題［17］。

由微震監(jiān)測(cè)得到的微震云空間圖像可以確定水力裂縫長(zhǎng)度，但即使微震定位很精確，這個(gè)長(zhǎng)度也僅僅是水力壓裂生成的裂縫長(zhǎng)度，而不是裂縫的有效長(zhǎng)度。準(zhǔn)確確定水力裂縫生成的長(zhǎng)度和有效長(zhǎng)度，對(duì)優(yōu)化增注設(shè)計(jì)和完井策略是必不可少的。包括由微震監(jiān)測(cè)在內(nèi)的水力裂縫繪圖技術(shù)的最新進(jìn)展，為在多種地質(zhì)背景下生成的裂縫長(zhǎng)度提供了豐富的信息。如果裂縫長(zhǎng)度的評(píng)估方法使用不當(dāng)，其結(jié)果將會(huì)帶來(lái)顯著的不確定性，并會(huì)傳遞到后續(xù)產(chǎn)量分析中。Cipolla等［36］比較了各種評(píng)估裂縫有效長(zhǎng)度和導(dǎo)流能力的裂縫模擬優(yōu)缺點(diǎn)，這些裂縫模擬包括PDA（生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析）和PTA（壓力瞬變分析）以及油藏?cái)?shù)值模擬，給出了綜合多種技術(shù)確定所生成的已支撐裂縫長(zhǎng)度和有效裂縫長(zhǎng)度的方法。多個(gè)油田的研究實(shí)例表明，在一些儲(chǔ)層中生成的裂縫長(zhǎng)度和有效裂縫長(zhǎng)度可能有驚人的差異，而在某些情況下，有效裂縫長(zhǎng)度可能與生成的裂縫長(zhǎng)度非常相近，微震和傾斜儀裂縫成像可以提供裂縫長(zhǎng)度直接測(cè)量值和裂縫的復(fù)雜性，但不能深入了解已支撐裂縫長(zhǎng)度和有效裂縫長(zhǎng)度的性質(zhì)，這是當(dāng)前水力裂縫成像技術(shù)的局限性［35］。

3.3.2多種資料綜合解釋

Tezuka等［19］報(bào)導(dǎo)了綜合微震數(shù)據(jù)和壓力分析資料進(jìn)行儲(chǔ)層描述的方法和效果，數(shù)據(jù)來(lái)自日本Yufutsu氣田2005年進(jìn)行的大型注水壓裂和微震監(jiān)測(cè)。Yufutsu天然氣儲(chǔ)層是裂縫型基巖儲(chǔ)層，位于白堊紀(jì)花崗巖和始新紀(jì)礫巖中，深度4～5 km。這個(gè)儲(chǔ)層開(kāi)發(fā)中最重要的一個(gè)問(wèn)題是，如何建立一個(gè)有助于油氣運(yùn)移的裂縫模型系統(tǒng)，目的是描述原生裂縫的空間分布。對(duì)注入計(jì)劃和預(yù)期的增注地區(qū)進(jìn)行了認(rèn)真的設(shè)計(jì)，并且以離散裂縫網(wǎng)絡(luò)（DFN）模型進(jìn)行了數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。DFN模型建立在由井孔圖像獲得的裂縫信息基礎(chǔ)之上。超過(guò)5 600 m3且沒(méi)有任何添加劑的純水注入改善了井的吸收能力，并誘生了明顯的微震活動(dòng)。觀測(cè)到微震分布的優(yōu)先方向與預(yù)測(cè)具有良好的一致性。然而，觀測(cè)到的壓力響應(yīng)卻有顯著差異。這些失配信息反饋到模型中并進(jìn)行修改，最終可顯示出一個(gè)合理匹配的模型。

Shemeta等［30］討論了Rulison氣田井中微震監(jiān)測(cè)與多種地面地震資料綜合解釋的例子，地面地震資料包括地面多波多分量三維地震、時(shí)延三維-VSP地震資料。Rulison氣田位于美國(guó)科羅拉多州，天然氣儲(chǔ)層由河流相致密砂巖組成，其滲透率很低（5～80 mD）。Rulison氣田商業(yè)性開(kāi)采主要取決于水力壓裂裂縫效果，為更好地了解天然裂縫和水力壓裂誘發(fā)裂縫的幾何形態(tài)，使用了地面多分量三維地震和井中微震監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行綜合研究。

地面多波多分量三維地震勘探是在2003—2006年由科羅拉多州礦業(yè)學(xué)院油藏描述項(xiàng)目組采集和處理解釋的。地震波激發(fā)用的是P波和S波可控震源，地下面元的大小為55ft×55 ft（1 ft≈0.3048m），地面布置了1 500個(gè)接收點(diǎn)和770個(gè)炮點(diǎn)。地震處理時(shí)分別提取了獨(dú)立的P波和S波分量。在Rulison氣田，用S波地震數(shù)據(jù)探測(cè)斷層和裂縫特征比P波更靈敏。許多不同的信號(hào)處理和可視化方法被用來(lái)突出地震數(shù)據(jù)體的各種特征，這些都是采用從地震道提取不同屬性信息的方法。其中一種是地震相似性屬性，它能測(cè)量地震反射波橫向變化情況并突出主要和次要斷層的不連續(xù)性。儲(chǔ)層“最終估計(jì)儲(chǔ)量”（EUR）值高的井，似乎與S波相似性屬性數(shù)據(jù)體上突出的斷層和裂縫特征區(qū)相關(guān)。重復(fù)進(jìn)行的多次三維多波多分量地震勘探，構(gòu)成了時(shí)延（四維）地震的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。據(jù)此，應(yīng)用時(shí)延地震技術(shù)研究了這些年間儲(chǔ)層變化的情況。

殼牌加拿大公司在加拿大Peace River油田用蒸汽吞吐增產(chǎn)法（CSS）開(kāi)采瀝青過(guò)程中，設(shè)計(jì)并完成了一個(gè)瀝青開(kāi)采監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。Peace River油田目的層是一重油儲(chǔ)層，為半固結(jié)砂巖，厚30 m，埋深約600 m。項(xiàng)目包括微震監(jiān)測(cè)、地面時(shí)延地震（二維和稀疏三維）、地面測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)、時(shí)延三維-VSP和InSAR等數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合解釋研究，并建立了儲(chǔ)層及其生產(chǎn)過(guò)程中影響地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)的概念模型。綜合解釋表明，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)揭示了蒸汽吞吐油藏響應(yīng)的空間不均勻性。Peace River油田在CSS作業(yè)早期循環(huán)時(shí)，蒸汽分布不均勻性的影響不明顯。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，儲(chǔ)層的重要部分仍然未受到增注處理，后期循環(huán)特性則依賴(lài)于蒸汽分布的不均勻性［37］。

Shemeta等［30］認(rèn)為，水力壓裂微震繪圖應(yīng)與多分量三維地震數(shù)據(jù)相結(jié)合，為更好地認(rèn)識(shí)復(fù)雜致密含氣砂巖中水力裂縫生長(zhǎng)過(guò)程和描述裂縫幾何形態(tài)提供了有力的工具，并且還能提供井孔周?chē)鷥?chǔ)層性質(zhì)的詳細(xì)資料。多分量三維地震數(shù)據(jù)提供了一個(gè)描繪儲(chǔ)層構(gòu)造和地質(zhì)特征的框架，四維地震數(shù)據(jù)可繪制因生產(chǎn)引起的儲(chǔ)層長(zhǎng)期變化圖像，這些地震數(shù)據(jù)與水力裂縫微震成像相結(jié)合提供了對(duì)儲(chǔ)層的綜合全面研究，能深入了解復(fù)雜致密含氣砂巖儲(chǔ)層內(nèi)水力裂縫的擴(kuò)展和儲(chǔ)層內(nèi)地震屬性的復(fù)雜性。

Mohammad等［33］給出的微震數(shù)據(jù)綜合處理與解釋的例子，取自美國(guó)猶他州Greater Natural Buttsy油田。這個(gè)例子研究的是井下微震監(jiān)測(cè)和地面微震監(jiān)測(cè)水力裂縫成像與模擬結(jié)果的綜合處理解釋及比較。研究者利用可視化軟件將水力裂縫模型與微震聯(lián)合圖示，使觀者看到一個(gè)完全整合在目的層系里的模擬裂縫幾何形態(tài)與微震的三維圖像。綜合處理解釋結(jié)果表明，井下微震監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬的裂縫幾何形狀，大多數(shù)匹配良好，而地面微震成像結(jié)果與模擬的裂縫幾何形狀則匹配不佳。當(dāng)加上額外的輸入數(shù)據(jù)，如地質(zhì)模型等，所用綜合方法能為堆疊河流相含油層水力裂縫模擬與油藏管理提供一個(gè)很好的工具。

4　微震監(jiān)測(cè)發(fā)展方向

隨著非常規(guī)油氣田的勘探與開(kāi)發(fā)，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用空間，在如下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步發(fā)展：

（1）微震監(jiān)測(cè)的理論與機(jī)制研究，包括震源機(jī)制研究、速度模型與波場(chǎng)數(shù)值模擬。

（2）改進(jìn)的成像，增加了微震圖像的精確度和置信度，包括儀器的改進(jìn)，在井中部署更多傳感器以提高定位精度的能力。

（3）資料處理與定位方法研究，包括弱信號(hào)的拾?。ㄌ貏e是地面微震監(jiān)測(cè)）。

（4）微震方法與其他方法的聯(lián)合應(yīng)用、數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演、資料綜合解釋的開(kāi)展都將會(huì)更好地改善對(duì)儲(chǔ)層的刻畫(huà)精度，提高采收率。

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（本文編輯：楊琦）

Research advances of microseismic monitoring

Gui Zhixian，Zhu Guangsheng
（Geophysics and Oil Resource Institute，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

In recent decades，microseismic monitoring technology in oil and gas operation has got rapid and comprehensive developments.These progresses are mainly manifested as the further affirmation and high appraisal of the microseismic hydraulic fracture monitoring，gradual commercialization of the microseismic monitoring software and hardware，the thorough and specialized researches about the methods of data acquisition，data processing and interpretation in microseismic monitoring.The work of microseismic monitoring technology and services increase rapidly.Only in the basins in North America，hydraulic fracturing microseismic imaging is conducted in thousands of wells every year. With the rise of shale gas exploration and development in China，fast promotion appears in microseismic monitoring technology as well.

microseismic monitoring；research advances；hydraulic fracturing；comprehensive interpretation

P631

A

1673-8926（2015）04-0068-09

2015-03-04；

2015-05-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“微地震監(jiān)測(cè)中波場(chǎng)特征與數(shù)據(jù)處理方法”（編號(hào)：41074104）資助

桂志先（1964-），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地震資料處理與解釋、微震監(jiān)測(cè)及信號(hào)處理方面的教學(xué)與科研工作。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區(qū)大學(xué)路111號(hào)長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院。E-mail：gyy68@126.com。