微地震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向及應(yīng)用

劉建中，唐春華，左建軍

（1.北京科若思技術(shù)開發(fā)股份有限公司，北京100082；2.勝利油田物探研究院，山東東營 257022）

1 前言

隨著頁巖氣、非常規(guī)油氣開采提上日程，微地震監(jiān)測技術(shù)成為判斷壓裂裂縫形成、發(fā)展趨勢的判斷依據(jù)，監(jiān)測結(jié)果為提高頁巖氣開采水平，非常規(guī)油氣采收率提供了重要保證。研究微地震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向，了解微地震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域成為需要。需要是技術(shù)發(fā)展的最重要的動力，微地震監(jiān)測技術(shù)在最近幾年取得了長足進(jìn)展[1]。

2 降低儀器噪音，記到更小的微地震

發(fā)展質(zhì)量更高的監(jiān)測系統(tǒng)是微地震技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

油田水力壓裂形成的微地震分布在-1級至-5級，地下微地震信號的強(qiáng)度可以由式（1）估計(jì)，依據(jù)古登堡的體波震級理論[2]

可以估算測點(diǎn)微地震幅度

式（2）中：M是體波震級；Q（H，r）是反映震中距影響的量規(guī)函數(shù)，量規(guī)函數(shù)包括了所有衰減的影響。古登堡使用的原始量規(guī)函數(shù)在5 km的距離上是1.4，國家地震臺網(wǎng)使用的量規(guī)函數(shù)在5 km的距離上是1.8，有些地震專家針對華北的研究結(jié)果建議在5 km的距離上量規(guī)函數(shù)采用1.9[3]。鑒于微地震震級小，周期短，筆者趨于使用較大的量規(guī)函數(shù)；量規(guī)函數(shù)取值越大，測點(diǎn)信號強(qiáng)度越弱。A0是-2級地震在監(jiān)測點(diǎn)的地動位移，單位是微米。原震級公式使用的是S波最大振幅，微地震通常監(jiān)測到的是P波，S波振幅是P波振幅的倍，因此修改了原震級公式。

由此可以計(jì)算出-2級地震在5 km的距離上由儀器輸入端記到的電壓

式（3）中：ω是角頻率，微地震頻率在50～200周之間，在式（3）中取為100；ε是地震儀的轉(zhuǎn)換系數(shù)，使用2個(gè)地震儀直接串接。

計(jì)算結(jié)果表明，-2級地震在測點(diǎn)的信號幅值為4.7 μV，要記到清晰的微地震波形，應(yīng)該滿足

式（4）中：C是采樣率；T是被采集信號的最高頻率，為200周；S是儀器前端輸入噪音；P是微地震信號在測點(diǎn)折算出的電壓幅值。由式（4）可看出，提高儀器水平有兩條途徑，降低儀器前端輸入噪音水平或者提高采樣率。事實(shí)上，在儀器研制過程中，兩者也是互相制約的，采樣率提高，儀器前端的輸入噪音也會增大，選擇一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)，也可以提高儀器水平。由式（4）可以計(jì)算出

S＜(1-3T/C)×P＜1.88 μV

儀器前端輸入噪音小于1.88 μV，才可以保證每個(gè)地震周期采集3個(gè)以上的有效點(diǎn)，回放出清晰的地震波形。

儀器前端輸入噪音的測試方法是：前端短路，用輸出端的電壓除以整個(gè)儀器系統(tǒng)的放大倍數(shù)，其結(jié)果就是輸入端噪音。圖1是儀器前端輸入噪音的測試結(jié)果。

圖1 折算到儀器前端的噪音分布Fig.1 The noise distribution that converted to the front end of the instrument

圖1橫軸是時(shí)間分布比例，縱軸是儀器噪音水平，單位為μV。有約95%以上的時(shí)間，儀器前端噪音水平小于1.5 μV。該監(jiān)測系統(tǒng)可以在5 km的距離上記到-2級微地震。

如果記到清晰的微地震波形，可以進(jìn)行顯性相關(guān)分析，得到可靠的分析結(jié)果。

圖2是某油田壓裂監(jiān)測實(shí)際記到的微地震波形，16個(gè)記錄道12道記錄質(zhì)量良好。圖2中：橫軸是時(shí)間，時(shí)間標(biāo)度是1 s；圖中有7組縱向可以對比的波形，用黑色框標(biāo)出的一組尤其顯著。以這一組資料做顯性相關(guān)分析得出以下結(jié)果：提取出顯著的地震波形；給出臺站間可靠的到時(shí)差；用相關(guān)分析，依據(jù)初動符號把數(shù)據(jù)分成兩組。上述結(jié)果可以作為評價(jià)監(jiān)測結(jié)果可靠性，震源精確定位，計(jì)算速度模型，做出震源機(jī)制的基本資料。

圖2 某油田壓裂監(jiān)測實(shí)際記到的微地震波形Fig.2 The actuallly microseismic waveform recorded by fracturing monitoring of some oilfield

如果儀器系統(tǒng)達(dá)不到上述指標(biāo)，則記錄不到清晰的微地震波形，影響記錄、分析的可靠性。作為補(bǔ)救，可以進(jìn)行隱性相關(guān)分析，得到相對可靠的分析結(jié)果。

隱性相關(guān)分析通常使用時(shí)間偏移、疊加技術(shù)。記錄波形的精確疊加需要可靠的到時(shí)差，計(jì)算到時(shí)差需要可靠的速度模型，計(jì)算可靠的速度模型依賴可靠的到時(shí)差，二者互相依存，這使隱性相關(guān)分析存在某些不確定性。

高可信的壓裂、注水監(jiān)測，應(yīng)該使用合格的監(jiān)測系統(tǒng)，減少結(jié)果的不確定性。

3 增加微地震監(jiān)測的臺站個(gè)數(shù)，解釋出更多的未知數(shù)

每增加一個(gè)臺站，可以增加2個(gè)方程；震源參數(shù)個(gè)數(shù)是固定的只有4個(gè)：X0、Y0、Z0、T0，3個(gè)空間坐標(biāo)，一個(gè)發(fā)震時(shí)刻；在水平均勻速度模型的假設(shè)下，每一層有2個(gè)未知數(shù)，層厚、層速。在監(jiān)測臺站個(gè)數(shù)足夠多的情況下，可以在精確確定震源參數(shù)的情況下，建立多層水平均勻速度模型。建立速度模型的層數(shù)可以寫為

式（5）中：n是層數(shù)；m是監(jiān)測臺站個(gè)數(shù)。使用下面公式可以進(jìn)行震源參數(shù)、速度模型的聯(lián)合反演。如果有20個(gè)臺站，可以建立8層水平均勻速度模型。速度模型近于實(shí)際，震源參數(shù)也會更可靠。

式（6）～式（8）是進(jìn)行震源參數(shù)、速度模型聯(lián)合反演的基本公式。式中：H是震源深度、震源上方的地層厚度，h1、h2、…h(huán)n是震源上方的各層厚度；αm1是相對第m個(gè)臺站的震源地震射線出射角，αmn是相對第m個(gè)臺站、第n層地震射線出射角，αm1是一個(gè)過渡性待求參數(shù)，計(jì)有m個(gè)；αmn由式（9）得出；rm是震源相對第m個(gè)臺站的水平距離，是由X0、Y0兩個(gè)未知數(shù)表示的震源水平位置；t0是發(fā)震時(shí)刻，tm是第m個(gè)臺站的直達(dá)P波到時(shí)；V1、V2、…Vn是各層的P波波速。式（6）是路徑方程，有m個(gè)；式（7）是走時(shí)方程，有m個(gè)?？梢杂?jì)算出震源參數(shù)，各地層厚度及速度。

式（6）～式（9）是依據(jù)一個(gè)地震的計(jì)算過程及結(jié)果，微震個(gè)數(shù)增多，還可以依據(jù)不同來源位置的地震計(jì)算結(jié)果的差別細(xì)化地層、波速結(jié)構(gòu)。

實(shí)際地層不是水平均勻的，層面存在傾斜，這時(shí)，每層需要增加2個(gè)待求參數(shù)，地層傾角、傾向。傾角、傾向的物理意義是，用一個(gè)豎直面去切水平面和地層，豎直面沿著直立軸轉(zhuǎn)動。若水平面和地層在豎直面上的切線始終平行或重合，則地層是水平的；若水平面和地層在豎直面上的切線有夾角，則地層傾斜，最大的夾角是地層傾角，最大夾角的張開方向是地層傾向。

建立速度模型的層數(shù)可以寫為

只有使用更多的臺站，才可以做出滿足要求的地層速度模型與結(jié)構(gòu)，其計(jì)算過程見式（11）

式（11）和式（12）是有傾斜地層的路徑方程、走時(shí)方程。式中，Lmn、Hmn由式（13）和式（14）給出

式（15）～式（17）中：hn、αmn、rn是原始地層厚度、地震射線出射角、地層傾角；?n是第n層傾向，是與正北方向的夾角。式中參數(shù)可由下式計(jì)算出

可以看出，較水平均勻假設(shè)，每層增加了2個(gè)待求未知數(shù)：傾角rn、傾向?n。

依據(jù)式（11）～式（20）可以計(jì)算出地層的傾角、傾向、厚度、速度。多個(gè)微地震可以細(xì)化地層結(jié)構(gòu)。

如果臺站個(gè)數(shù)足夠多，可以反演地層結(jié)構(gòu)，代替常規(guī)三維勘探。應(yīng)該注意的是，用微地震技術(shù)做三維勘探，信號源來自地下，看到的是透射波，沒有常規(guī)三維地震勘探常見的反射震相，不能用反射震相排列描述地質(zhì)層面，而是計(jì)算出地層參數(shù)，給出地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

斷層可以形成反射震相，如果在記錄中存在明顯的反射震相，可以用監(jiān)測到反射震相的臺站分布描述地層產(chǎn)狀。

使用微地震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行三維地震勘探，來自地下的信號只有一個(gè)單程且較清晰；用在構(gòu)造反轉(zhuǎn)地層，可以得到事半功倍的效果。目前使用微地震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行三維地震勘探已經(jīng)成為一種潮流，國內(nèi)外均有人進(jìn)行此項(xiàng)研究，并已經(jīng)取得長足進(jìn)展。

4 與成熟的地震學(xué)理論融合，形成完整的微地震學(xué)理論

微地震監(jiān)測技術(shù)是一個(gè)新興技術(shù)，只有借鑒成熟技術(shù)，理論才會更完善。引進(jìn)常規(guī)地震中的應(yīng)力降、地震矩、震源機(jī)制理論，提高了資料解釋水平，豐富、擴(kuò)大了微地震技術(shù)的理論技術(shù)，拓展了微地震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。如用張性、剪性震源機(jī)制辨別壓裂施工形成的人工裂縫的有效縫、無效縫，評價(jià)壓裂施工水平。張性震源機(jī)制標(biāo)示該微震所在位置的壓裂裂縫是張開型的，多個(gè)張開型微地震標(biāo)示的壓裂裂縫是有效裂縫；剪切型微地震標(biāo)示該微震所在位置的壓裂裂縫是沿著已有裂縫的錯(cuò)動，多個(gè)剪切型微地震標(biāo)示的壓裂裂縫是無效裂縫[4]（見圖3、圖4）。用微地震震源機(jī)制判斷壓裂裂縫的有效性，在大量裂縫中判別主要壓裂裂縫已經(jīng)被很多應(yīng)用單位使用。

圖3 某油田微地震監(jiān)測做出的張性震源機(jī)制Fig.3 The tensional focal mechanism made by microseismic monitoring of some oilfield

圖4 某油田監(jiān)測做出的剪切性震源機(jī)制Fig.4 The shearing focal mechanism made by microseismic monitoring of some oilfield

圖3、圖4是利用監(jiān)測到的微地震繪制的2幅震源機(jī)制圖，兩者差別明顯。平面震源機(jī)制是用2條弧線把初動符號不同的微地震監(jiān)測臺站切分開，使弧線兩側(cè)的地震初動符號不同。如果2條弧線的圍限區(qū)內(nèi)是負(fù)號、區(qū)外是正號，該地震是張開型的，其2條弧線交匯位置過震源的連線是發(fā)生微地震的裂縫方向（見圖3）。如果2條弧線把負(fù)號、正號的微地震監(jiān)測臺站切分為4個(gè)區(qū)，相對2個(gè)區(qū)符號相同，該地震是剪切型的，弧線中的一條是發(fā)生微地震的裂縫方向（見圖4）。

應(yīng)力降、地震矩、震源尺度理論也已經(jīng)被引進(jìn)微地震監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，用以估計(jì)震源尺度，地震強(qiáng)度。

依據(jù)地震低頻幅度及波譜確定的地震矩寫為[3]

式（21）中：β是S波波速；Ω0是低頻位移振幅；Δ是震源面積。用地震矩可以估計(jì)微地震張開或者錯(cuò)動的位移幅度，進(jìn)而判斷壓裂裂縫寬度，是一個(gè)評價(jià)油田壓裂效果的非常有用的參數(shù)。式（21）中的Δ通常采用圓盤假設(shè)去計(jì)算，震源半徑可以由式（22）計(jì)算

式（22）中：f0是拐角頻率，是地震頻譜幅度明顯變小一點(diǎn)的頻率拐點(diǎn)。地震應(yīng)力降可以寫為

由式（1）、（21）、（22）、（23）可以計(jì)算出微震震級、震源尺度及應(yīng)力降，上述幾個(gè)參數(shù)在許多場合常有重要應(yīng)用。

引進(jìn)常規(guī)地震勘探的時(shí)間偏移、相關(guān)疊加理論，提高了監(jiān)測的可靠性，鋪平了進(jìn)入地震勘探領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)。

用12個(gè)以上放在地面上的地震儀，把被監(jiān)測區(qū)切分成三維網(wǎng)格（見圖5）。監(jiān)測前，計(jì)算出來自空間網(wǎng)格每一個(gè)節(jié)點(diǎn)至全部監(jiān)測站的地震波走時(shí)，給出來自某一節(jié)點(diǎn)至一指定監(jiān)測站與至其他監(jiān)測站的走時(shí)差；監(jiān)測時(shí)，把其他臺站的地震記錄做時(shí)差矯正后疊加在指定臺站的地震記錄上，若疊加后某一時(shí)間段地震記錄幅度明顯增大，信號變得清晰，則存在來自這一節(jié)點(diǎn)的地震信號。使用時(shí)間偏移、微地震記錄疊加技術(shù)，可以大幅度提高空間定位精度，把震源定位誤差控制在10 m以內(nèi)。

圖5 微地震偏移、疊加示意圖Fig.5 Schematic diagram of microseismic deviation and superposition

圖5中，上面是布置的微地震臺站，下面是切分的三維網(wǎng)格。如果可以由聲波時(shí)差或監(jiān)測射孔獲得速度模型，偏移、疊加技術(shù)會取得更好的效果。

5 在礦山、水庫進(jìn)行危險(xiǎn)性預(yù)測

常規(guī)地震預(yù)報(bào)中，以小震報(bào)大震是一類常用技術(shù)，但經(jīng)常出現(xiàn)失誤。事實(shí)上，小震向某一斷層集中，有兩種發(fā)展趨勢：地震能量轉(zhuǎn)移，形成新的、更大的集中；地震能量釋放，沿著斷層已經(jīng)沒有可以發(fā)生地震的能量。二擇一的結(jié)果作為唯一的判斷，出現(xiàn)失誤在所難免。原因是震源深度大于人類施工深度，難以取得其他佐證。礦山、水庫則不同，震源深度小，通常在幾百米至幾千米，可以進(jìn)行其他測量，以檢驗(yàn)發(fā)震趨勢。如小震發(fā)生時(shí)，沿?cái)鄬幽骋徊糠值募羟袘?yīng)力增加，則可能有新的地震發(fā)生；否則沒有后續(xù)地震。

常規(guī)地震的大震通常指5級以上地震，以1、2級地震預(yù)測大震；在礦山、水庫，5級地震太大，2級以上地震就可能形成破壞，需要更小的地震進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)報(bào)，以微地震進(jìn)行水庫、礦山危險(xiǎn)預(yù)報(bào)是現(xiàn)實(shí)可行的[5]。

微地震數(shù)據(jù)量大，可以進(jìn)行多種分析[5]。在國外，用微地震技術(shù)進(jìn)行礦山安全性監(jiān)測，已經(jīng)普遍被采用；國內(nèi)水庫、礦山也會逐漸推廣這項(xiàng)技術(shù)，以減少礦難所造成的人類生命和財(cái)產(chǎn)損失。

6 結(jié)語

微地震監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)有重要應(yīng)用的前沿技術(shù)，發(fā)展方向受到矚目。

開發(fā)質(zhì)量更高的微地震監(jiān)測系統(tǒng)，增多微地震監(jiān)測臺站個(gè)數(shù)無疑是其最重要的兩個(gè)發(fā)展方向。前者，可以記到更多、更小的微地震，夯實(shí)了微地震監(jiān)測技術(shù)的理論基礎(chǔ)。后者，增多了提取微地震信號的機(jī)會，得到更多的資料、信息，可以解釋出更多成果，增大了微地震技術(shù)的應(yīng)用前景。引進(jìn)成熟的地震學(xué)理論，可以形成完整的微地震學(xué)理論。

在前述發(fā)展基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)而把微地震技術(shù)應(yīng)用于勘探領(lǐng)域，可以大幅度提高勘探水平，在前人無法取得合格勘探資料的地區(qū)實(shí)施勘探施工。

微地震震級小、頻度高，隨時(shí)可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間取得資料，可以為常規(guī)地震中的小地震進(jìn)行前期預(yù)報(bào)，在水庫、礦山安全領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。

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