微地震檢測技術(shù)簡介

微地震檢測技術(shù)簡介微地震檢測技術(shù)簡介微地震檢測技術(shù)簡介xxx公司微地震檢測技術(shù)簡介文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計，管理制度微地震監(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震監(jiān)測的首要任務(wù)。微地震是一種小型的地震（minetremorormicroseismic）。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，且不同地區(qū)的最大震級也不相同，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。截止2011年11月，東方物探公司已成功對11口鉆井實施了壓裂微地震監(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)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)。為了驗證和開發(fā)微地震監(jiān)測技術(shù)在地下巖石工程(如地?zé)崴畨褐铝?、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)用實驗。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)場實驗，以驗證微地震成像技術(shù)的實用價值。該實驗取得了巨大成功，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，就是因為它已經(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)，評價壓裂作業(yè)效果，實現(xiàn)頁巖氣藏管理的最佳化。該技術(shù)有以下優(yōu)點：1)測量快速，方便現(xiàn)場應(yīng)用;2)實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,但前提是三個站點不能位于同一直線,這說明了站點分布的重要性。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。波動方程正演模擬能完整地刻畫波在傳播過程中振幅、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,實用性比較高。由于粘彈介質(zhì)更接近于實際介質(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，實時調(diào)整作業(yè)參數(shù)，實現(xiàn)水力壓裂效果最優(yōu)化。水力壓裂時，在射孔位置，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?。胁āⅲ硬ǔ踔痢Ｓ晌⒌卣鹦盘柶鹛^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初至之間的時差為Δｔ，地層的速度為Ｖ（ｘ，ｙ，ｚ），則產(chǎn)生的定位誤差ΔＭｆ理論地可簡要?dú)w納為通過以上分析，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ｍs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。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)巖石物理模型其中ρ為密度，Ｋ是Ｂulk模量，μ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Ｂulk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μ、圍壓Ｐｃｏｎ、孔隙壓力Ｐｐｏｒｅ、有效壓力Ｐｅｆｆ、地層密度ρ有關(guān)，用簡化的關(guān)系式表示為ＶＰ∝（Ｋ，μ，Ｐｃｏｎ，Ｐｐｏｒｅ，Ｐｅｆｆ，ρ）。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∝（μ，Ｐｃｏｎ，Ｐｐｏｒｅ，Ｐｅｆｆ，ρ）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Ｂulk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。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／ｍ3）。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，分為單位時間內(nèi)的總計數(shù)和計數(shù)率。經(jīng)驗證明，當(dāng)?shù)褪录始辛?5%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：某些實驗結(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，Ｎｒ、Ｎ分別表示兩點距離小于ｒ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）∝ｒＤ，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)壓的壓剪破壞；Ｂ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＞Ｄ。參考文獻(xiàn)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［Ｊ］。華北科技學(xué)院學(xué)報，10（2）：22-28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）：26－28WilsonS,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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