微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)探究

唐春華，顧廣慶

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

1 前言

微地震監(jiān)測(cè)(microseismic monitoring)是利用高頻地震儀監(jiān)測(cè)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(dòng)、應(yīng)力變化趨勢(shì)的一種技術(shù)方法。巖石在變形、破壞的整個(gè)過(guò)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(hào)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(dòng)的信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)、分析微地震事件，可以推測(cè)巖體發(fā)生破壞、變形的過(guò)程、事件位置以及破壞強(qiáng)度。利用地震學(xué)方法對(duì)巖體微破壞、微變形過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，檢測(cè)和預(yù)報(bào)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(cè)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(shí)引起地下應(yīng)力場(chǎng)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)?chǔ)層流體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行描述的方法。監(jiān)測(cè)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(hào)監(jiān)測(cè)范疇，因此直到20世紀(jì)70年代初國(guó)外石油業(yè)界才開(kāi)始了水力壓裂微震監(jiān)測(cè)的野外試驗(yàn);到2000年，微地震監(jiān)測(cè)已經(jīng)被世界公認(rèn)為了解地下微破壞過(guò)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(cè)正朝著對(duì)油氣田開(kāi)發(fā)實(shí)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)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(jì)算機(jī)以及GPS授時(shí)器等。軟件方面包括系統(tǒng)計(jì)時(shí)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(shí)顯示軟件等[3]。

在國(guó)際上，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(jìng)爭(zhēng)力。

2 施工設(shè)計(jì)

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?xún)?nèi)監(jiān)測(cè)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(hào)的質(zhì)量;缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)成本高，需要具備監(jiān)測(cè)井這個(gè)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(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，缺點(diǎn)是信號(hào)衰減嚴(yán)重、信號(hào)質(zhì)量容易受到地表噪聲的干擾，只能監(jiān)測(cè)震級(jí)相對(duì)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(cè)井這個(gè)硬件條件，缺點(diǎn)是監(jiān)測(cè)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(tái)站數(shù)量是一個(gè)重要的問(wèn)題。理論上，微地震信號(hào)的信噪比與接收矩陣臺(tái)站數(shù)量的平方根()成正比。也就是說(shuō)將接收矩陣的臺(tái)站數(shù)量從4增加到16，微地震信號(hào)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(shí)，通過(guò)增加接收矩陣的數(shù)量來(lái)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(tái)站個(gè)數(shù)的增加而線性提高[4]。

3 傳感器和采集器

傳感器對(duì)于微地震信號(hào)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(hào)的傳輸距離，以便發(fā)揮數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，提高整個(gè)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(hào)能量微弱，深層有效波的幅值一般為0.1 μV級(jí)，這樣的信號(hào)在獲取與放大過(guò)程中不可避免地會(huì)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(hào)，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(jì)時(shí)首先要考慮的問(wèn)題。而低噪聲設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是，在最大限度地降低放大器固有噪聲的同時(shí)，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(hù)環(huán)路)以高速率、遠(yuǎn)距離得到越來(lái)越多的應(yīng)用;在無(wú)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(wú)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(wú)線傳輸條件下)。

實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP(realtime transport protocol)是最早針對(duì)Internet上多媒體數(shù)據(jù)流的一個(gè)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(duì)一或一對(duì)多的傳輸情況下工作，其目的是提供時(shí)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(shí)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(shí)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(huì)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(jì)資料，因此，服務(wù)器可以利用這些信息動(dòng)態(tài)地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類(lèi)型。RTP和RTCP配合使用，能以有效的反饋和最小的開(kāi)銷(xiāo)使傳輸效率最佳化，故特別適合傳送網(wǎng)上的實(shí)時(shí)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(jì)，監(jiān)測(cè)結(jié)果也可能會(huì)受到噪聲的干擾。究其原因，主要是我們能夠監(jiān)測(cè)到的微地震信號(hào)非常微弱，即使采取了自動(dòng)增益，其幅度也在毫伏級(jí)以下。噪聲主要有兩種:一種是地面的風(fēng)吹草動(dòng)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(duì)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(dòng)等。其二，可以通過(guò)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(shí)別、速度模型建立、定位算法以及傅里葉變換、頻譜分析、聚類(lèi)分析等。

微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果通常用微地震源的空間排列分布來(lái)描述，微震源定位是監(jiān)測(cè)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(cè)區(qū)這個(gè)空間體網(wǎng)格化，監(jiān)測(cè)前計(jì)算出各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)至各臺(tái)站的走時(shí)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)個(gè)。監(jiān)測(cè)時(shí)，避開(kāi)精確確定初至波到時(shí)這個(gè)難點(diǎn)，采用時(shí)間偏移技術(shù)把各臺(tái)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(cè)、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(duì)定位法由震源位置與臺(tái)站校正的聯(lián)合反演發(fā)展而來(lái)，是選定一震源位置較為精確的主事件，計(jì)算發(fā)生在其周?chē)囊蝗菏录鄬?duì)于它的位置，進(jìn)而計(jì)算這群事件的震源位置。相對(duì)定位法通過(guò)引入到時(shí)差，計(jì)算“相對(duì)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(duì)位置與相對(duì)到時(shí)的誤差比經(jīng)典方法小30%，但絕對(duì)位置與絕對(duì)到時(shí)依賴(lài)于主事件(見(jiàn)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(guò)程和GPS定位做類(lèi)比，到時(shí)差和速度是決定定位準(zhǔn)確性的兩個(gè)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(lái)說(shuō)地震各向異性可以理解為地震速度對(duì)角度的依賴(lài)性[6]。

通過(guò)時(shí)間和空間確定的微地震事件，如射孔，來(lái)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(guó)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(méi)有國(guó)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(guò)于簡(jiǎn)單，滿足不了微地震新的需求;SEG－Y的文件頭，可供用戶(hù)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(duì)靈活，用戶(hù)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(cè)結(jié)果的不確定性主要有以下兩個(gè)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(hào)震級(jí)小等不可控原因引起的。速度模型的不確定性，主要是對(duì)地層的了解知之甚少，無(wú)法用有限的模型進(jìn)行逼近。

目前有兩種方法對(duì)這種不確定性進(jìn)行評(píng)估，一種是計(jì)算殘時(shí)差和Q值，另一種是通過(guò)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(jì)算出微破壞、微變形區(qū)的長(zhǎng)、寬、高等基本幾何形態(tài)，然后通過(guò)震源機(jī)制解和綜合斷面解等方法來(lái)分析這個(gè)區(qū)微地震的形成機(jī)理。最后，需要結(jié)合施工設(shè)計(jì)來(lái)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(jì)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(cè)、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(kù)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(chǔ)、地下熱能開(kāi)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(lái)，在采集方法，傳感器優(yōu)化，矩陣設(shè)計(jì)，采集信號(hào)過(guò)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(duì)微地震將有更深入、更清楚的了解，同時(shí)將獲得更多的有用信息。

13 結(jié)語(yǔ)

微地震監(jiān)測(cè)是人們了解井下生產(chǎn)活動(dòng)的一種重要方法。由于噪聲、距離、震級(jí)、速度模型等因素的影響，并不是所有的監(jiān)測(cè)結(jié)果都是可靠的;即使一次成功的監(jiān)測(cè)，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(duì)于大多數(shù)地質(zhì)學(xué)者、油田工作者是陌生的，人們對(duì)于這個(gè)新鮮事物還不甚了解。未來(lái)，微地震監(jiān)測(cè)將成為一項(xiàng)重要的技術(shù)手段。因此，人們需要采用積極的態(tài)度來(lái)了解和學(xué)習(xí)這項(xiàng)技術(shù)，以便更好地認(rèn)識(shí)井下生產(chǎn)活動(dòng)[10]。

[1]Norm Warpinski.Microseismic monitoring inside and out[J].Journal of Petroleum Technology，2009，61(11):82 －83.

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

[3]Shawn Maxwell，Schlumberger.An introduction to this special section microseismic[J].The Leading Edge，2010(3):277.

[4]Pinnacle.How Big Are These Microseismic Events?Microseismic Events[R/OL].2011.

[5]Zhang Haijiang.University of wisconsin － madison，double －difference seismic tomography method and its applications[J].Dissertation Abstracts International，2003，64(11):189.

[6]孫晶波.方位各向異性介質(zhì)縱波速度分析方法研究與應(yīng)用[D].北京:中國(guó)石油大學(xué)，2012.

[7]Julie Shemeta，MEQ Geo，Paul Anderson.It’s a matter of size magnitude and moment estimates for microseismic data[J].The Leading Edge，2010(3):296 －302.

[8]Doug Doug Bobrosky.Canadian Business Unit Director，Packers Inc Plus Energy Services Inc.，Multi－ Stage Fracturing of Horizontal Wells[S].2010，January 28/29.

[9]Shawn Maxwell，Schlumberger.Microseismic growth born from success[J].The Leading Edge，2010(3):338 －343.

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