微地震监测技术及其应用.docx
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微地震监测技术及其应用
毕业论文
微地震检测技术及其应用
院系名称：
地球物理与信息工程学院
专业名称：
_勘查技术与工程_____
学生姓名：
__姜涛_______
学号：
___2010041216________
指导教师：
梅金顺
完成日期2014年6月10日
微地震监测技术及其应用
摘要
本论文以微地震监测技术基本原理、微地震产生的机理与微地震监测技术分类与过程为基础，通过具体的地震监测技术原理分析与在油气勘中的应用研究，更加清楚的了解微地震监测技术的技术特点与作用，为今后的微地震监测在油气勘探的应用提供理论依据。
同时本文着重论述了微地震监测技术在非常规油气特别是页岩气勘探开发中的作用与应用前景。
为微地震检测技术在我国油气勘探开发过程中的应用提供了理论基础。
关键词：
微地震监测技术；油气勘探；页岩气
Microseismicmonitoringtechnologyanditsapplication
Abstract
Inthisthesis,thebasicprinciplesofmicro-seismicmonitoringmechanismtoproducemicro-seismictechnologywithmicro-seismicmonitoringandprocess-basedclassification,throughspecificanalysisofseismicmonitoringtechnologyprincipleandappliedresearchintheoilandgasexplorationinamoreclearunderstandingofthemicro-seismicmonitoringtechnicalcharacteristicsandtheroleoftechnologyforthefutureofmicro-seismicmonitoringprovidesatheoreticalbasisinoilandgasexplorationapplications.Meanwhilethispaperfocusesonthemicro-seismicmonitoringandapplicationoftechnology,especiallytheroleofunconventionaloilandgasprospectsinshalegasexplorationanddevelopment.Microseismicmonitoringtechnologyintheoilandgasexplorationanddevelopmentprocessofourcountrytoprovideatheoreticalbasis.
Keywords:
micro-seismicmonitoringtechniques;oilandgasexploration;shalegas
第1章前言
1.1课题背景及目的
随着非常规油气（页岩气等）开采逐渐发展和重要性的提高，微地震监测技术成为压裂裂缝形成、发展的重要的判断依据，监测结果也为提高页岩气勘探技术，提高非常规油气采收率提供了非常重要的保证。
研究微地震监测技术的具体原理与应用，了解微地震监测技术发展趋势的需要。
因此，微地震监测技术在最近几年取得了巨大的进步与发展。
微地震监测技术于20世纪80年代最早被提出，90年代开始逐渐在各个行业得到应用。
2006年，威德福公司首次推出FracMap微地震压裂监测技术，率先在油气勘探领域实现了商业化的应用。
微地震监测技术在油气藏勘探开发方面的主要应用包括油藏动态监测和储层压裂监测等，可缩短和降低储层监测的周期与费用，提高油气开采率和提高产量。
近年来在低渗透油气藏压裂改造领域中，微地震裂缝监测技术己成为一项比较重要的新方法，它的主要理论依据为声发射学和地震学。
声发射为由物品里面应变的能量急剧地变化而出现的瞬态弹性波的情况。
在地震勘探领域中，随着井间地震地震技术的发展，采集压裂微地震裂缝监测数据，并进行处理，对目的层成像，确定小断层、裂缝的发育区，绘制地层微构造，提高精细勘探的精度。
目前，微地震监测技术已经成为地球物理界的热门技术之一，是储层压裂过程中最精确、最及时、信息最丰富的监测手段。
随着对微地震震源机制、反演及可视化的深入研究，微地震技术将不断扩大应用范围，发展前景将更加广阔。
1.2国内外研究现状
1962年，微地震监测技术的概念第一次被科学家被提出。
1973年，微地震监测技术开始应用于地热开发行业。
从这以后，微地震监测技术在地面和井中的监测研究开始试验。
美国橡树岭国家实验室在1976年、桑地亚国家实验室在1978年分别尝试用地面地震观测的方式记录了水力压裂诱发的微地震，但是由于当时技术的限制，地面监测的试验失败了。
1997年，地震学家在CottonValley进行了一次大规模的微地震地面监测试验，这次试验将微地震监测商业化做出了非常重要的作用。
2000年，微地震监测技术正式开始商业化，在美国Texa州的某一个油田进行了一次成功的水力压裂微地震监测试验，并成功对Bar-nett页岩层内裂缝进行了成像分析。
2003年，微地震监测技术开始进入全面的商业化运作，推动了全世界页岩气等非常规油气的勘探开发进程。
此外，1989年P.Segall对微地震监测技术又进行了综合的研究，随即根据试验结果提出了相应的理论。
同时，在1976年美国著名的实验室桑地亚国家实验室在某油田也进行了很多相关的任务，实验采用了地面地震监测技术记载下水力压裂所诱发的微地震事件。
这个试验得出的结论是：
微地震的能量由水力压裂所诱生时，频率和地层的吸收影响因子，在地面上得不到信任的监测，因此不能够采用地面微地震监测办法来判断水力压裂的几何的形状裂缝与其方位，反而要用裂缝的周围来记载诱生的微地震。
因为通过很长时间的原理的探讨与野外实验上获得的成就，Sandia国家实验室首次研究了具有自主产权的井下地震的记录系统。
1970年之后，采用水力压裂来诱发微地震逐渐被人们认可，并用这种方法来研究裂缝。
从此许许多多的不同领域的研究人员均参与到这项科研中，让这种方法可以平稳的发展和应用。
从1980年开始，石油工业中首先要追求能应用在能诱生微地震性质的监测技术。
20世纪80年代，微地震监测技术谈论的主要是采用水力压裂诱生的微地震。
根据诱生的微地震绘制出的水力压裂的微地震空间图像，比水力压裂工程中的方法要精确很多，而且可给出其它方法都无法得到的信息。
因此，到80年代中期，微地震监测技术成像方法己经得到石油工程专家的一致肯定，并且比起其它各种方法都更加准确和有效，也更加实用经济。
在20世纪80年代末，国外已将微地震监测技术做为确定水力裂缝形状和方位的一种非常重要的方法了。
近十几年来水力压裂的微地震监测技术的主要研究在裂缝成像的数据处理方法和资料解释的方法和相关的理论上，诱发微地震成像的方法得到了长足的进步与发展，这不仅使裂缝的方位与形态更加准确，而且提供了在水力压裂裂缝发育过程中更加详细的资料，甚至能够提供地层的应力、渗透率等参数。
目前微地震监测最基本的应用是基于震源定位，这方面的难题已经进过努力基本解决，所以现在研究的主要内容是在地面上的应用。
包括在现场根据具体情况安排微地震监测方式的过程。
随着微地震研究的不断深入和应用的推广，微地震技术逐渐成为油气开采的关键技术。
相信在不久的将来，微地震监测技术必将成为油气开发的常规武器，为世界油气勘探贡献巨大的力量！
第2章微地震监测技术综述
当岩石破裂时会产生强度较弱的地震波,这种地震波就叫做“微地震”。
微地震发生在裂隙一类的断面上，裂隙范围通常很小，只有1~10m。
通常情况下这些断面是稳定的。
然而，当其中的应力受到干扰时,岩石中原来存在的或新产生的裂缝周围就会出现应力集中、应变能增高；当外力增加到一定程度时，原来裂缝的发生地区就会出现屈服或者变形，这时候一部分储藏的能量以会弹性波的形式释放出来，这个过程会产生微小的地震，叫做“微地震”。
因此微地震信号很容易受其周围噪声的影响或被屏蔽。
此外，在传播当中由于岩石介质吸收以及地质环境的不同，能量也会受到影响。
微地震监测技术就是通过观测、分析一些微小地震事件来监测其中的影响、效果及地下状态的地球物理技术。
其基本做法是：
首先在井中和地面布置检波器排列组合用来接收生产活动所产生或诱导的微小地震事件；然后通过对这些事件的反演求取微地震震源位置等相关参数；最后，通过这些参数对生产活动进行监控或指导。
2.1微地震监测技术原理
1.微地震监测技术基本原理
一般来讲，微地震监测是利用声学运动学原理，起源于对天然地震的监测。
在地下的水力压裂井中，地层会由于地下压力的变化而被强制压开一条很大的裂缝，底层中的能量会沿着这条裂缝向地层中不停的辐射，导致主裂缝周围地层发生错动或者涨裂。
主裂缝中的涨裂和错动向外辐射的能量与地震勘探中的震源相似，它的频率非常高，通常在200Hz~2000Hz的范围内浮动。
检波器位于压裂井旁边，它将先接收震源信号，然后将接收到的震源信号进行资料处理，最后反推出震源所在的空间位置，这个震源位置就代表了裂缝的位置。
图1所示为微地震监测示意图。
图2.1微地震监测示意图
对于此图的解释为：
在压裂或者高压注水的时候，随着地层压力的不断升高，根据摩尔-库伦准则，沿着进水区的边缘一般容易发生微小地震事件。
实际微小地震的频段为几十至几百周的范围，相当于-2至-5级地震。
首先记录下这些微小地震，并根据其走向进行震源的定位，由微小地震震源的空间分布的位置就能够描述注水前缘区的大致轮廓。
于柱坐标系内，微小地震的震源空间分布于三个坐标面上的投影，能够给出前缘区的三视图（俯视图、前视图、侧视图），这三个视图分别描述前缘区的平面分布、展布方位以及参考性的高度等参数。
摩尔-库伦准则可以改写为:
（2.1）
（2.2）
此式中：
当
（1）式左侧大于等于右侧时，表明会发生微小地震事件。
是指作用于裂缝面上的剪切应力的大小;是指岩石所固有的应力抗剪强度，数值由几兆帕到几十兆帕，数值为零;S1,S2分别是最大主应力和最小主应力;PO是地层压力;是最大主应力和裂缝面的法向之间的夹角。
根据式
（1）能够看出，微震容易于沿己有裂缝面发生。
这时为零，左侧易于大于右侧。
2.微地震波的运动学
假设有一个微小地震事件位于O点，该微地震引起地层的相互剪切错动，这个错动从而形成了一个微小地震波的震源。
这个震源与常规的地震勘探是不同的，它的能量稍微微弱，只相当于几克至几十克的炸药的能量。
由于微小地震的震源所产生的子波向外传播，与常规的地震不同的是在这里波的传播既含有纵波（（P波），也有横波（S波），在时间t1、t2时P波和S波分别传播到了A点和B点。
在t2时，处于B点的三分量接收器接收到了P波和S波的振动，如图2.2所示。
图2.2.微地震源定位
震源定位的基本过程如下:
微小地震定位应用的方法是矩阵分析理论，计算微小地震震源的空间坐标的依据为走时方程。
具体方程如下：
（2.3）
经变换，（2.3式）可以改写为：
（2.4）
上式中，
-
是各分站的P波到时，
是震源发生时刻;（X1,Yl,0）…（X6,Y6,0）是各分站坐标;
是P波速度;（X0,Y0,ZO）是微震震源的空间坐标。
T0,X0,Y0,ZO是待求的未知数。
由上述方程看出方程组是可解的（未知数的个数少于方程个数）。
所以，四个方程便可解出四个解。
这就要求至少有四个分站，而且这四个分站必须含有记录信号，这样才可以进行震源定位。
同时，必须含有五个以上的站记录到信号，才会保证足够的定位精度。
（2.4）式可以写成标准的系数矩阵的形式，利用相关求解矩阵的方法便可以解出T0,X0,YO;再把T0,X0,YO代入（2.3）式中就可以得出Z0,ZO就是相对压裂深度的裂缝高度，由于计算过程的累积作用，高度误差较大。
回归常数即为相对观测段的高度:
依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。
3.微地震信号识别
微地震信号识别技术是微地震监测技术成败的关键之一，如果识别不出可用的信号，自动识别和实时监测就无从谈起。
只有微地震信号大于仪器前端的噪音，这个信号才是可以检测的。
因为低噪音运算器件的广泛使用，及我们对仪器电路结构的逐步改进，目前，折算到仪器前端的噪音可以达到低于2
。
这时微地震信号就可以被检测到了。
正式工作时，微地震信号被逐路、逐段的予以识别。
经严格检测，首先在其中任一路上检测出可用信号后，再与其它路做互相关。
如果在由台站分布所限定的时段内，其它路也存在可用信号，且为互相关存在，则信号为真，反之为假;这一功能够避免压裂、注水、过车等其他因素的干扰，只要不是各台同时记录到的噪音，即使与实际信号很相似，也可以被去除掉。
如果震源间间隔过近，彼此间可能形成干扰;所以实时监测时应当扔掉一些过密的信号，避免发生干扰。
后分析时会获得更多的微地震信号记录。
图2.3微地震波到时确定方法示意图
实际确定微地震波信号到时时，常采用包络反向延伸法，时间分辨精度为0.2毫秒，这样可以提高定位的精度。
这种方法的理论依据如图3所示:
首先提取出包络的各个极大值点，用一个高次方程拟合包络，再给定时间轴与包络反向延长线的交点，这个交点就是微地震的初至到时时间。
这个交点是一个数学点，有足够高的分辨精度，可以分辨出精确到万分之一秒的到时。
具体分析过程为:
在有些特殊条件下，采用上述线性方程拟合地震波到时的方法，不能完全满足地震波的精度要求，所以我们常采用二次曲线拟合微地震波到时的方法取代线性方程拟合的方法，具体如下:
（2.6）
在微地震波形上选出三组（t，y）值，带入（2.6）式中，有：
（2.7）
式（2.7）中，
，
是相应的到时，a、b、c是未知需要求出的常数。
把（2.7）式写成矩阵形式：
=
.
（2.8）
对（2.8）矩阵求逆，可以得到a、b、c：
=
.
（2.9）
把（2.9）式中的a,b,c代入（2.7）式中，再令y=0，得t=c。
t就是微地震波的初至到时。
理论上，我们可以用更高次的方程去做拟合微地震波包络，从而使到时更精确。
实际上，我们不可能无限提高到时精度。
出于实时定位的目的，我们必须计算、分配好各个环节所需要的机时。
在二次采样的时间间隔内，必须完成数据存储，分析，识别，定位，屏幕显示。
依据微地震波的到时，我们可以确定微地震震源位置。
提高微地震波到时的精度，就可以提高微地震源定位的精度。
2.2微地震监测技术的分类
微地震监测一般分为地面监测和井中监测两种方式。
地面监测是指首先在监测的目标区域周围的地面上布置若干个接收点，然后再进行微地震监测。
井中监测的区别是在监测目标区域周围附近的井中布置几个接收排列，同样进行微地震监测。
与井中监测相比，由于地层吸收、扩散、传播路径复杂化等原因，地面监测所得到的资料存在微震事件少、信噪比相对较低、反演可靠性差等缺点。
具体分类如下：
1.地面测斜仪监测技术
地面测斜仪监测法，是通过在地面压裂井的周围布置一组测斜仪来测量地面由于压裂引起岩石变形而导致的地层倾斜，经过地球物理反演确定造成大地变形场压裂参数的一种裂缝监测方法。
通过在压裂形成的变形场内安放多只倾斜仪在地下12m深处，可测得压裂作业产生的变形场，通过测得变形场的反演可获得裂缝的方位、倾角等参数。
20世纪80年代末，国外已将地面测斜仪水力压裂监测技术视为确定裂缝方位和形状的3种方法之一。
2.地面电位法监测技术
根据电位法理论，当高/低矿化度液体进人压裂层段后，使地面电位视纯异常曲线出现负/正异常变化。
在水力压裂过程中，由于压裂液相对于地层为一个良导体，液体的注人会造成原地面电场的变化，大部分电流集中到低阻体带，造成地面的电位发生变化。
鉴于此，若在被测压裂井周围环形布置多组测点，采用高精度的电位观测系统，观测压裂施工前后的地面电位变化，通过监测注人到目的层的压裂液引起的地面电场变化获得裂缝方位、长度、形态等参数，特别适合于浅井大型水力压裂。
目前该技术在大庆、长庆、四川、新疆等油田广泛应用，并在煤层气开采中得到应用。
（如图2.4）1984年，在SPE第59届年会上，电位法水力压裂监测技术被归纳确定为水力压裂方位角的地球物理方法之一。
图2.4电位法监测裂缝水平投影图
3.地面微地震监测技术
成立于2003年的美国MicroSeismic（MSI）公司是地面微地震监测技术的积极开发和推广者。
它是在监测目标区域地面上布置大量监测站点进行微地震监测（见图6），通过监测数据确定微地震事件及其震源。
这种方法的特点是施工比较简单、成本低，但是接收信号信噪比差，数据处理方法要求高，MSI公司己经实现了地面微地震监测技术的大规模商业化利用。
王维波等人自主研发了一套地面微地震监测系统，在川渝地区成功应用19井次。
图2.5地面微地震监测示意图
地面监测方式可直接获得微地震源的二维坐标，对于准确描绘储层中压裂缝的位置形态是非常有利的，这是地而监测方式的一个优势。
由于微地震的能量很小，若被压裂的储层很深，则微地震波的信号就很难被布置于地而的传感器识别，所以地面监测方式适合于较浅的压裂储层。
4.浅井组合监测技术
浅井组合微地震压裂监测技术是在压裂井周围区域，钻取4、5口深度200}300m深的观测井，在每口观测井中放置至少10级井下检波器，实时采集压裂过程中产生的微地震，如图7。
该技术克服了压裂井旁必须要有数千米深观测井的不利条件，更适合于大井距气田的微地震压裂监测。
图2.6浅井组合微地震压裂监测图
5.井下微地震裂缝监测技术
井下微地震裂缝监测技术是美国Pinnacle公司开发的监测压裂过程中人工裂缝的技术，通过监测压裂井裂缝端部岩石的张性破裂和滤失区微裂隙的剪切滑动造成的微地震信号，获得裂缝方位、高度、长度、不对称性等方面的空间展布特征。
井下微地震裂缝监测技术依靠其传输速率高、超低采样速率、过滤低频噪音、接收频率响应高、处于井底位置全方位感应纵、横波信号精确度高的特点,目前已成为国际上公认的最先进裂缝监测技术。
图2.7井下微地震监测示意图
2.3微地震监测技术野外施工的一般过程
1.数据采集
数据采集是微地震监测的技术基础步骤，通常对硬件设备要求较高。
由于徽地震的特性，必须用高采样率、连续记录、宽频带、宽动态范围参数进行微地震信号采集。
数据采集系统一般由传感器、前置放大器、后置放大器、滤波器、GPS、记录器、传输电路以及电池等仪器构成。
传感器应该埋置于地面下数米深处。
采用多个监测设备合理设置和布站以提高监测精度。
数据处理系统一般有相关滤波、初始波识别、速度模型、定位算法以及傅里叶变换、频谱分析、聚类分析、三维显示等功能。
2.实时成像
震源成像是微地震数据处理的首要任务，根据数据采集观测系统的不同和可记录到信息的不同，有多种不同的成像方法：
纵横波时差法、同型波时差法、偏振分析定位法、三圆相交定位法等。
这些方法基本上都能实现现场实时成像。
3.精细反演
以上简单列出的成像方法通常都假设速度场是均匀的、已知的，即所谓的理想状态。
但实际情况并非完全在理想状态之内。
要想得到微地震源精确定位并了解速度场的具体变化，就需要进行微地震精细反演。
精细反演的具体做法如下：
1）首先必须提供3D或2D初始速度分析模型；
2）用射线追踪的方法分别计算地震波理论到时和偏导数等参数；
3）反复采用多次迭代法求取模型修正量，直到满足误差要求；
4）观测地点和所需微地震事件必须要足够多；
e）对模型施加一定的约束条件以降低震源-速度的多解性。
4.回归分析
大量微地震震源点在空间的分布，能够构成一个在宏观上反映震源区域某种生产/地质信息的几何散点图。
这种几何散点图有一定统计分布规律的能力。
因此回归分析为对微小地震的监测结果进行定量解释的重要工具之一
5.微地震监测的一般过程：
1）根据微小地震监测所需目的，确定具体监测的方式；
2）根据地震、声测井以及VSP等资料建立起2D或3D初始速度的模型；
3）设计观测的系统，确定相关的参数，从而实现数据采集的目的；
4）监测微小地震事件的过程中，根据各点的纵波时差，计算出震源到测点的距离；
5）用基于2D或3D射线追踪技术的高精度震源的精细反演技术，确定微小地震震源的具体准确位置.
6）通过微小地震事件的数量、地震震源参数、压裂参数等随时间的变化规律分析，向用户提供其所需要的有用信息，提出下一步生产开发活动的建议。
第3章微地震监测技术的应用
3.1微地震监测技术在油气勘探过程中的作用
微震监测技术在石油工程领域的应用是一个重要的应用。
对于开采石油的油田，为了提高石油的采出率，通常要向采区注入高压水破岩。
开采石油一般都在大深度的地层下进行，浅则几百米，深则上千米。
因此，注水需要在技术上可行和经济上合理。
近年来，微地震监测技术逐步取代了注水技术。
国内外很多石油公司对微地震监测技术在油气田开发阶段的应用进行了大量试验与研究，这项技术在油气勘探中的应用虽然未成为常规，但这项技术本身却日趋成熟。
在油气勘探过程中，微地震监测技术有以下几个方面的作用。
1.储层压裂监测技术
储层压裂是低渗透率储集层实现高产、稳产的重要手段之一。
微地震监测技术是目前储层压裂中最精确及时、信息最丰富的监测手段。
实时微地震成像（图9）可以及时指导压裂工作过程，适时调整压裂参数。
图3.2储层压裂的微地震监测
压裂与震源参数的综合分析应用可以分别确定储集层内的应力大小及其方向。
也可以追踪和定位压裂的范围和方向，同时对大小进行追踪和定位，这样可以客观评价压裂工程的效果，知道油田下一步开发，降低开发成本，提高采收率。
2.油藏驱动监测
实现油田稳产高产的另一个重要手段就是油藏驱动监测，目前我国越来越多的油田主要依靠注气和注水来保持稳定的产量。
微地震事件是在注水或注气的过程中所引起孔隙流体压力的变化和流体压力前缘的移动所发生的（图10）。
通过微地震监测，可以实现岩体内部流体前缘实时进行3D成像，同时提供地质力学和水动力过程的图像。
这个过程所提供的信息比4D成像地震更加准确，其适应面更广，针对性更强，但它的成本却比4D地震勘探低很多。
油藏工程师通过对驱动前缘波状况和裂缝成像的分析，可以调整和优化开发勘探方案，从而提高油气采收率和油田整体的开发效果。
图3.2流动驱动形成的微地震事件分布图
从左到右为5个不同深度的切片深度分别为3505m,3155m,2805m,2455m和2105m。
白色圆点为流体注入井，白色三角为据此确定的第2口生产井。
3.确定注水前缘位置
根据摩尔库伦理论以及断裂力学的准则，压裂和注水都有可能诱发微地震事件，通过对微小地震波的收取，再依靠计算机软件的解释以及处理，就可以确定微小地震的震源位置。
可以得到出水驱前缘的位置、优势注水方向和注入水波以及面积等一系列资料。
一些油田通过监测注水过程中的微震波，评价了注水井组注水前缘，对调整注采井网、提高水驱效率和整体开发效果起到了重要的指导作用。
4.火烧油层前缘监测
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