井下微地震監測技術應用研究

摘 要：隨著頁巖氣開發的興起，微地震監測技術作為與之緊密相關的一項地球物理技術受到了日益密切的關注。本文首先介紹了微地震監測技術的原理，隨后列舉了三項國外成功應用微地震監測技術的實例。最后對其未來發展方向進行了展望。

關鍵詞：微地震監測 原理 應用

中圖分類號：P618 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（b）-0089-01

微地震監測技術近年來已經發展為石油天然氣開發中的一項常用技術。目前該技術的廣泛應用主要集中于對水力壓裂作業伴生的裂隙網絡變形進行成像，此外也用于監測進行二次提采和生產時因注入液體產生的非彈性形變所誘發的微震。近年來頁巖氣開發在全世界范圍內的興起為微地震監測技術的發展注入了新的動力。因為頁巖氣開發中所使用的一項關鍵技術——水力壓裂技術，在壓裂完成后要對其壓裂效果和裂縫的空間展布情況進行分析評價，而微地震監測技術是進行此項工作最有效的技術手段之一。

1 微地震監測技術的原理

目前學術界對于微地震并沒有明確的定義，一般認為所謂微地震是指地震矩數值小于0的地震，其成因包括天然和人工誘發兩種[1]。微地震監測技術按檢波器布置位置進行劃分可分為地表監測技術和井下監測技術，本文主要對其中的井下監測技術進行介紹。在井下監測作業中，高度靈敏的傳感器被布置在靠近震源的井眼中以使信號衰減和背景噪音降至最小。這種方法以排列稀疏的檢波器陣列檢測幅值很低的微震事件，檢波器的最大檢測范圍限定在監測位置周圍的一定區域內。

利用井下數據，研究者大體上可以通過三類方法來確定微震震源的位置。第一類方法可以利用單個三分量檢波器的數據來實現，這種方法通常稱為矢端圖技術。在這種方法中，進行記錄的傳感器和微震震源間的位置關系可以通過直達P波/S波初至的微小運動來確定。傳感器到震源的距離可以通過直達P波和S波的初至時間差和這兩種波的速度信息來確定。矢端圖法所最簡單情況下只需要一個測點和該區域介質的平均速度信息。通過利用多個位置的傳感器記錄和有關勘查區域速度結構的所有可用信息，研究者可以用矢端圖法得到更可信的震源定位。

第二類定位方法利用三角測量方案中多工位的P波和S波混合初至時間的組合來進行工作。此方法和之前的矢端圖法可以利用被調查區域中隨空間變化的速度信息。

第三種定位方法涉及到在空間中尋找與特定相位的初至具有最大相似性量度值的點，而無需測量不連續的波至時間。該技術可以利用一個單獨的相，但前提條件是有一個大的孔徑陣列，對于小一些的井下孔徑陣列則使用多重相位法。該成像方法在概念上與克希霍夫偏移算法較為相似。通常，定位方法可以結合矢端圖法和初至時間信息。對給定的微地震進行研究所使用的方法要視傳感器配置和所得數據的質量而定[2]。

2 微地震監測技術的應用實例

2.1 巴涅特頁巖氣水力壓裂成像

2000年，研究者在美國德克薩斯州的沃斯堡盆地用鋼纜布置的檢波器陣列完成了第一例成功的水力壓裂成像作業。當時，巴涅特氣田處于開發的早期。此后這塊氣田成為了美國最大的天然氣田之一，并且對頁巖氣工業的發展起到了促進作用。巴涅特氣田屬于天然裂隙性油藏，常規的水力壓裂模型假定壓裂過程中只會產生一條裂縫，但是對巴涅特氣田地層中發現的復雜裂隙網絡該理論已不再適用。

研究表明巴涅特氣田的氣井產量和發生微地震的巖石容積以及微震事件的地震矩密度之間存在著關系。從微地震成像技術衍生出來的斷裂網絡模型較好的揭示了氣井產量同被激發巖石的體積及裂縫密度的關系。由于用近千次水力壓裂作業監測描述了大約一半水力壓裂施工項目，巴涅特油田也是迄今微地震研究應用最多的地方。目前，微地震實時成像技術在巴涅特氣田除了應用提高氣井產能還用于對潛在地質災害的評估[3]。

2.2 北海油藏監測

1997年4月，研究者在北海的Ekofisk油田進行了微地震監測。Ekofisk 以其與儲集層壓實相關聯的海底下沉而聞名，研究者對其微震事件進行研究以對其構造中背斜脊的上覆斷層結構進行成像。這次監測作業通過使用一個安放在油田正中觀測井中，用鋼纜布置的六級三分量檢波器陣列來實施。研究者們觀測到了與此前在此處獲得的觀測結果相連貫的顯著活動速率。微震活動集中于儲集層中的一些特定地層。盡管假設存在注水的因素，觀測到的變形仍被歸因于壓實造成的斷層活動。

2.3 CLINTON鎮油藏監測

美國肯塔基州Clinton鎮的70-6區塊曾進行過旨在驗證井下傳感器描述開采層特征能力的早期研究。在該區塊，石油產自地下300～700 m深的低孔隙度碳酸鹽巖層中，同時其儲層具有高滲透率低儲集能力的特點。裂縫方向通常是未知的并被假定為垂直的。監測試驗涉及到早在Clinton鎮附近的幾個井場布置高容積的生產井以描繪儲層裂縫系統。微地震定位了曾經含油但后來經過鹵水侵入逐漸枯竭并隨后恢復到靜液壓的裂縫，為區域勘探和剩余油分布的研究指出了新的方向。

3 結論

本文首先解釋了微地震監測的原理，并對幾個微地震監測技術的應用案例進行了介紹。

隨著檢波器精度的提高，對微地震震源機制認識的加深以及智能井等技術的發展，微地震監測技術將在裂縫預測、油藏監測等工作中發揮更加重要的作用。將微震信息與其他的地球物理、地質學、巖石物理以及地質力學信息相結合將是微震信號解釋工作的主要發展方向。

參考文獻

[1]梁兵，朱廣生.油氣田勘探開發中的微地震監測方法[M].石油工業出版社，2004.

[2]S.C.Maxwell，J.Rutledge，R.Jones，M.Fehler.Petroleum Reservoir Characterization Using Downhole Microseismic Monitoring[J].Geophysics，2010，75：129-137.

[3]徐曉會，楊樹敏，張淑珍.微地震監測技術在油藏實時特征描述中的應用[J].國外測井技術.2006，21（6）：64-68.

[4]劉百紅，秦緒英，鄭四連，等.微地震檢測技術及其在油田中的應用現狀[J].勘探地球物理進展，2005，28（5）：325-332.