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

Microseismic monitoring technology and its application

Abstract

In this thesis, the basic principles of micro-seismic monitoring mechanism to produce micro-seismic technology with micro-seismic monitoring and process-based classification, through specific analysis of seismic monitoring technology principle and applied research in the oil and gas exploration in a more clear understanding of the micro-seismic monitoring technical characteristics and the role of technology for the future of micro-seismic monitoring provides a theoretical basis in oil and gas exploration applications. Meanwhile this paper focuses on the micro-seismic monitoring and application of technology, especially the role of unconventional oil and gas prospects in shale gas exploration and development. Micro seismic monitoring technology in the oil and gas exploration and development process of our country to provide a theoretical basis. 

Keywords: micro-seismic monitoring techniques; oil and gas exploration; shale gas

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，地面监测的试验失败了。1997年，地震学家在Cotton Valley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，19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200 Hz ~ 2 000 Hz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、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3 505 m,3 155 m, 2 805 m,  2 455 m和2 105 m。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

地层在燃烧过程中储层受热破裂发生轻微震动，所以当确定某一时刻的空间位置时，就能够确定该区块被加热的范围，然后得到在不同时间下微震的分布变化，同时可以断定热前缘的位置变化状况。微小地震检测技术方法于加拿大蒸汽驱动中的应用证明了这项技术完全可以用在火烧油层的技术中于火线位置的监测，它的成本远小于4D成像，同时还能够得到连续的燃烧前缘的动态变化特性。

3.2  微地震监测技术在页岩气勘探中的应用  

随着我国页岩油气开发技术的不断突破，未来5～10年必将形成一定的油气开发规模。微地震压裂检测技术作为一项重要的非常规油气藏勘探新技术，全面了解和掌握其技术特点、技术关键、应用方法、技术实用性及其发展方向，必将对我国页岩油气藏勘探开发起到重要的推进作用。

1.  非常规油气勘探开发对微地震监测技术的需求

非常规油气指成藏机理、分布规律、赋存状态及勘探开发方式等不同于现今的常规油气藏的烃类资源。全球非常规油气资源十分丰富，种类也非常多，其中非常规石油资源主要包括致密油、页岩油、稠油、油砂、油页岩等。其中资源潜力最大、分布最广、且在现有技术经济条件下最具有开发价值的是页岩气和致密油气等。我国己经在致密油气、页岩气等非常规资源勘探开发中达到良好效果。

中国致密油气层系多，涵盖古生界、中生界、新生界沉积岩;致密油气藏类型多，包括砂岩、碳酸盐岩、火山岩;致密油气分布区域十分广阔，东部有松辽、渤海湾、二连、海拉尔等盆地的致密砂岩油藏，以及松辽、渤海湾盆地的致密火山岩油气藏;中部有鄂尔多斯、四川盆地的砂岩油气藏;西部有准噶尔、柴达木、塔里木盆地的致密油气藏等。上述致密油气储层具有低孔、低渗特点，极难形成自然产能。

中国页岩分布广泛，主要分布于南方、东部、西部、以及华北地区，其地质成藏规律与美国页岩气的成藏特点有许多相似之处，勘探前景良好。但中国页岩气勘探才刚刚起步，对页岩层的渗流机理等方面尚不完全清楚。

要实现致密油气以及页岩气的规模勘探和开发，必须借鉴国外经验，实施水平井压裂、多级压裂改造，有效扩大渗流通道，并通过微地震监测技术求取裂缝的空间展布特征、提取岩石力学参数，为进一步储层改造及开发井位部署提供技术支撑。

2.  微地震监测技术在页岩气勘探中的应用综述

    微地震监测技术作为监测页岩气水力压裂效果的关键技术之一，在国内外己经得到了长足的发展，微地震监测主要用于在水力压裂作业过程中，了解裂缝的走向和评价压裂的效果，对诱导裂缝的方位、几何形态进行监测。由于微地震事件产生的声波信号，与噪音信号相比属于弱信号，因此，在微地震资料的处理解释过程中，需要注重以下四个环节的资料处理:第一是建立速度模型和校正，可以利用地震处理解释、干涉成像等方法建立速度模型;第二是噪音压制和弱信号的识别和提取，可以在微地震记录中有效地去除相干噪音并提取与微地震事件相关的有效信号;第三是震源定位和误差分析，根据弱信号提取的结果，采用网格搜索法、遗传算法和联合反演算法等方法准确的反演微地震发生的空间位置;最后就是根据微地震事件进行裂缝成像。

微地震监测技术推断裂缝的几何形态和产能的主要方法有：静压力分析裂缝模拟、试井以及生产动态分析等方法。利用地面、井下测斜仪与微地震鉴测技术结合的裂缝综合诊断技术，可直接测量造成的变形来表征所产生的裂缝网络，实现页岩气藏开采管理最佳化。

    图3.3以直井为例展示了微地震监测压裂裂缝的微地震事件。从图中可以看出微地震活动性表征的复杂裂缝系统显示，裂缝模式随时间推移而扩展。

图3.3  微地震监测压裂裂缝的微地震事件图

微地震监测能实时提供压裂中裂缝的方位、长度和高度等信息，是目前判断最准确的方法之一，可用于预测裂缝生成方向，以及优化水力压裂设计和裂缝走向，改善水平井水力压裂评估。井下倾斜监测可以取得裂缝底部及顶端或每一个侧翼总的长度。地而倾斜监测通过测斜仪监测压裂造成裂缝的地下移位或地而变形情况。直接近井筒裂缝监测技术通过测井压裂后页岩气井的流体物理特性，反演近井筒范围裂缝参数信息，主要包括同位素示踪剂法、温度测井等等。它不具备实时监测功能，监测范围小，通常作为补充手段。分布式声传感裂缝监测方法是利用光纤作为声音传感传输介质实时监测光纤沿线的声音分布情况，进而获取裂缝信息。

页岩气井实施压裂改造措施后，需用有效的方法确定压裂作业效果，获取压裂诱导裂缝导流能力、几何形态、复杂性及其方位等诸多信息，改善页岩气藏压裂增产作业效果以及气井产能，并提高天然气采收率。

微地震监测技术的优点是:1）测量速度快，方便现场使用;2）可以实时确定微地震的位置;3)能确定裂缝高度、长度、倾角及方位;4）具有噪音过滤能力。

3.  微地震监测技术在页岩气勘探中的应用实例

  a.页岩气微地震压裂监测

M井是一口页岩气水平井，水平段长度约为1000m。为了让页岩层产生足够的渗流通道，采用9级分段压裂，利用微地震实时监测压裂效果。利用105级三分量微地震监测系统，采用一口深井Y井(直井)和3口浅井(X1, X2 , X3)同时监测(图11)0Y井与压裂井M井井口地而距离约6m，在深井监测Y井下放40级检波器，级距15m，位置为1800 ^-2385m;在三口浅井观测井分别下放19级检波器，级距15m0

利用自主研发的微地震监测软件系统，进行射孔速度校正、去噪、检波器方位校正、震源定位等处理，获得M井9段压裂裂缝空间展布。同时此数据还委托国外A}B}C公司分别进行了处理。从处理结果看，微地震压裂裂缝展布规律、延伸方位趋势一致(图12)。从定量分析来看，四家公司获得的微地震事件个数、压裂裂缝长度、宽度、高度、SRV等参数不完全相同，但均在一个数量级别之内，对压裂效果的评估并未产生本质差异。A公司获得的有效微地震事件个数与C'公司基本一致，数量最多，可能存在对噪声信号的误定位;B公司处理结果与我们的处理结果基本一致，虽然微地震事件个数少，但多级分段压裂的特征相对比较清楚。

b.致密油气微地震压裂监测

直井Q3井目的层段钻探油气显示不佳。从地震预测剖而看，远离Q3直井400m之外，井两侧油气层发育(图13)。为了证实地震预测的油气层，在Q3直井段采用大型压裂改造，使其目的层产生足够长裂缝，沟通远处油气层。为了监测压裂改造产生的裂缝是否波及地震预测的油气层段，采用微地震监测压裂效果。

 为了降低干扰，施工前协停了Q3井周围lkm范围内的生产井、注水井。监测时间为压裂、射孔前2h至压裂施工结束后6h。图14为压裂监测结果，压裂裂缝方位北偏东7U0，与成像测井解释成果吻合。裂缝带长度为846m，宽度为265m，高度为21m0

 由图13可见，压裂产生的裂缝波及到了该井周围的气层，该井最终获得了工业气流。该井高产工业油气流的成功获得，一方而说明了地震资料油气预测的准确性，另一方而也证实微地震监测的可靠性。

微地震监测技术在致密油储层改造中也取得了良好应用。图15是松辽某致密油井水力压裂微地震井中监测的结果，两口井同时压裂，产生了良好的裂隙性储集体。

图3.4  微地震监测结果与地震油气显示剖面融合

3.3  微地震监测技术在其他方面的应用

微地震监测技术在油气开发中除了可以在上述水力压裂和流体驱动监测方面发挥重要作用外，通过长期监测与短期监测相结合的方式，还能发挥以下作用:

1.  确定地应力方向：

地应力是由于地壳内部垂直和水平运动的力以及其它因素的力而引起的介质内部单位面积上的作用力，它影响着地层中的岩石和流体。水力压裂产生的裂缝受地层三向应力制约，裂缝的延伸方向与地层中最大主应力的方向平行，而且垂直于最小主应力，测量出水力裂缝的延伸方向也就是地层应力的方向。对于井眼方位角的水平井，压裂施工形成的人工裂缝形态一般比较简单，不需要采取特殊技术措施就可以保证压裂施工的成功。因此根据地应力的方向优化钻井轨迹设计，对钻井与压裂改造意义非常大。

2.  矿山安全监测

在煤层气开采中，利用微地震监测技术确定的人工裂缝力向布置巷道走向，可以避兔压裂裂缝横切生产巷道，也可避兔煤层气沿着裂缝直接流人巷道，这样就可以减少不必要的矿难。矿山上，经过研究，以微地震预报较大矿震是完全可行的，也是地震预报研究的突破口。在国外，以震报震，用0级以下地震预报0级以上地震，在矿山的成功率己经达到50%以上，如果国内达到这一目标，可以减少大量的财产损失及伤亡。由此可见，微地震监测技术在矿山安全中也可发挥举足重轻的作用。

第4章  结论

本文主要研究的是微地震监测技术及其应用。本文从微地震检测技术的基本原理入手，通过一系列文字说明与公式解释，得到了微地震的运动学、震源定位和信号识别等方面的理论知识。为这一前沿技术能够更好地应用于油气田勘探开发打下坚实基础。本文接下来从微地震分类入手，主要分为地面微地震和井下微地震技术。地面微地震技术具体分为地面测斜仪检测技术、地面电位法、地面微地震三种方法。井下包含浅井组合和井下两种微地震监测方法。而微地震监测技术野外施工一般包括数据采集、实时成像精细反演、回归分析等过程。这些过程组成了整个微地震检测技术的核心。有了这些微地震监测技术的原理等描述，接下来的研究内容是微地震监测技术的应用。微地震的应用主要应用于油气勘探过程中。本文主要讨论了微地震监测技术在页岩气勘探开发中的应用这一最具有代表性的作用。微地震监测技术在油田开发中的作用有：

1) 用微地震监测技术这一新工艺的物探技术能得到高质量的精确数据。数据可以指导油田压裂的过程，得到比二维模型更快、精度更高的真实压裂模型数据，指导油气田开发。 

2)应用微地震监测技术进行水力压裂监测、水驱前缘监测和油藏描述都已经在实际生产中取得较好的效果，其应用前景是广阔的。 

3）水力压裂是目前页岩气开发的核心技术之一，对于提高压裂效果和优化压裂设计是非常重要的，而微地震监测技术为评价页岩气藏储层压裂效果提供了可能性。

从我国以及世界非常规油气特别是页岩气的勘探开发来看，微地震监测技术无疑将是最有效、最前沿的技术。此外，微地震监测技术还包括矿山安全监测、判断地应力方向等应用。所以说，微地震技术必将是21世纪地球物理学的热门前沿技术。

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[15]唐绍辉，吴壮军岩石声发射活动规律的理论与实验研究矿业研究与开发，2000,20(1):16~18

致  谢

　 深深感谢我的导师梅金顺老师对于我的毕业设计和论文的指导。梅老师为人谦和，平易近人。在论文的选题、搜集资料和写作阶段，梅老师都倾注了极大的关怀和鼓励。在论文的写作过程中，每当我有所疑问，梅老师总会放下繁忙的工作，不厌其烦地指点我;在我初稿完成之后，梅老师又在百忙之中抽出空来对我的论文认真的批改，字字句句把关，提出许多中肯的指导意见，使我在研究和写作过程中不致迷失方向。再次感谢梅老师对我毕业设计的支持与指导。

离校日期已日趋渐进，毕业论文的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！谢谢你们三年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢三年里面你们孜孜不倦的教诲！

毕 业 设 计（论 文）

文献翻译

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       年     月      日

文献原文

微地震监测技术在采矿工程中的应用

1.介绍

原岩应力场可能成为重新分配后，在岩石开采，形成高应力集中区采场的墙壁，诱导采场岩层破裂，反过来，成为重大矿难，如顶板垮落，矿井的原因突水，煤与瓦斯突出和岩爆。截至今日，监控此类灾害和预测仍未重新有效解决。目前，钻孔一般用在监视器地层裂缝。为了预测岩层移动，通常采用动态仪器监测方法。但是，这些方法不仅涉及大量的工作，而且他们也从局限在时间和空间上吃亏，这是很难在满足大范围监控需求。预测和决心灾害是急需解决的问题在中国煤炭行业，这就需要通过搜索来解决对地层破裂科学和适宜的监测方法。  

大量的研究表明，累积能量岩体必须由微地震波信号被释放，并声学为期破坏发生前的时间。我们可以因此，利用这些微地震信号的特性波来监视岩体的稳定性和预测主要矿难。随着我们的研究，我们是第一家引进在一个下微地震监测和定位原则地面防爆监控系统。鉴于实际工程问题中，我们描述的应用微地震监测技术在确定了“两区”的高度（破裂和断裂区）负担过重，煤柱部​​和失败的深度中的宽度地板。安全性和高效率的挖掘，基于微地震监测结果在工作面，表明微地震监控技术在采矿种很有应用前途。

2.微地震现象和它们的位置的原则

2.1微地震现象

  基于实际岩土工程中，我们发现的故障与声学现象岩体。声学现象通常称为微地震信号波因声发射的高能量电平引起的故障岩体。都是一样的，测试了岩石在实验室样品通常被称为岩石声波发射。微地震监控技术，从岩石声发射研制技术在实验室，具有相同的原理岩石声波;两者都基于累积能量的释放的岩体过一段时间它的破坏过程。但是，在研究和在该领域的尺度是不同的。岩石的规模在实验室声发射在很大程度上为一个样本十几厘米到大小，一米的地方的频率水平声发射是高的，也就是说，几百到几千赫兹。在现场，规模涉足微地震监测关注的主要是岩体数米到数十米，其中的微地震监测的频度低，从几赫兹至几百赫兹。伴有微地震现象是岩石变形，裂纹萌生和裂纹萌生，反过来，是密切相关的机械岩石结构的行为。因此，微地震信号提供相当数量的故障在骑着有用信息结构。这个信息可以被处理和分析，以推断岩石结构的力学行为，估计不稳稳定性和岩石结构的破坏，并确定位置，范围和失败的程度。

2.2定位原则

  在岩体发生故障的微地震现象。岩体的不稳定状态和故障位置可阻止  通过加工和开采从分析微地震信号监控系统。这可以被显示在三维空间图。图1表示微地震信号的波形轮廓，典型的压裂地层和图。地层断裂显示了很短的时间延迟一个小高峰。知道一个阶层的区分和煤层裂隙是对于一个微地震源的分析和定位的帮助。定位微地震事件需要的安排几个微震动探测器中所监视的区域中，如图所示图。当岩体裂隙或其他异常条件系统蒸发散适用于监控区域，探测器可能会收集沿着近似传送到他们的微地震波数据线性路径的能量之间的距离不同来源和波到达每个探测器原因时差。这些时间差可以被用来建立厘清的位置之间的关系，如图式（1）。

在方程（1），（X，Y，Z）是源的空间坐标，即，未 已知，当（X;，Y;和z;)是第i个检测器的坐标，这 是一个已知的位置的微地震振动的起始时间系统蒸发散是值t，这也是个未知数。经t是的到来倍于记录在每个位置第i个探测器。的发 波，V的P，可视为要么是未知的或已知的值; 和m是检测器的数量。式 （1）是一个非线性的系统中，这是很难直接求解， 所以我们必须使用一个线性系统来取代这个非线性系统。 当第i个检测器的传播时间的公式用于子道中的第k个检测器的走时方程，我们可以得到式（2）如下：

通过对走时公式的不同组合 第i个检测器和第k个检测器，可以得到m个（m1）/ 2线性方程，只有1的系统线性无关 方程。处理数据和解决这些（M1）后线 阿尔利的方程，三维空间反演 将允许微地震事件被精确定位。研究岩体的不稳定状态和故障区 提供了一种新的方法来确定岩体的危险区域。

图1  微地震信号的波形轮廓

2.3监控系统 

  图像是一个地下，防爆微地震是先进的设备发动系统，专门用于矿山，如 图2为该图像微地震监测系统可以接受由岩体故障的微地震信号与三组分微地震检波器如图所示。图3为在采矿工程中的应用。

3.在采矿工程中的应用

3.1确定了“两区”的高度

  在中国，下方承压含水层安全开采是一项紧迫问题必须解决。这将导致上面的覆盖层一个工作面洞穴，形成了“两区”后采，即一个破裂带和断裂带。一旦崩落的高度和断裂区达到承压含水层以上的工作表面看，这可能会导致突水从工作面顶板，其中严重威胁安全高效开采。目前，“两区”通常的高度的确定挂起的钻井技术，但是从这些结果测量菜单中有几个严重的局限性。 （1）将测定结果如有的钻孔进行在空间中的位置出来，只表示结果这个位置，而钻探点之间撕裂地区仍然未开发。 （2）在钻孔的结果是在一个特定的唯一的瞬时值时间，而“两区”的形式提供了一个动态过程中，即，所测得的结果在不同的时间而变化。 （3）它是很难确定冒落带的精确高度利用钻井技术，这是非常难以适用蝙蝠侠冒落带。（4）不同的地质条件可能会引入大的变化在崩落的高度和破碎带。在一个特定的矿井中观察到的结果，不能一概而论，并应用到其他煤矿。为了降低“两区”的高度，避免突水从该工作面的顶板，一个实用的煤柱的宽度工作面一般是大的安全开采，导致的损失大量的煤炭资源。

  微地震监测技术可以揭示发展特性，并确定了“两区”的高度图。图4示出的微地震图像的轮廓投影示意图话筒事件沿着一个工作面的倾斜方向兴隆庄矿。 2种采工作面后，故障形成在煤层顶：（1）拉伸破坏，其具有失败的阶层和（2）剪切之间无挤压应力效应失败，骨折和滑移由于挤压应力失败阶层之间生效。通过微地震释放的能量拉伸破坏的信号波形比剪切的小故障，使上述覆盖层的微地震事件工作面大多是由屋顶的剪切破坏所致。屋顶的拉伸和剪切故障会引起的崩落该工作面上方的覆盖层，形成“两区”崩落和裂缝开采后。直接屋顶的失败在很大程度上取决于拉伸破坏，而主屋顶的失败在很大程度上是一种功能剪切。图。图4示出的分布的高度微地震事件的工作面上方，它可以达到是 - 之间约123和156米，而微地震事件大多集中在46至148米高度。该微地震事件的工作面以上最大高度是156米，也就是说，剪切破坏的最大高度。微地震事故的工作面上方覆土大多诱导的剪切煤层顶板的故障，以及由10 - 胆汁故障，但通过拉伸破坏所释放的能量小，并且不容易找到。因此，位于微地震事件LAR-GELY对应于剪切破坏。因此，分配微地震事件的区域大多对应于该工作面的破碎带。下面的断裂带的区域，那里有几个微地震事件，对应于工作面冒落带。图。 4显示了该放的高度区是约46米，即大约102米断裂带。该断裂带可进一步分为微断裂带和水流动的断裂带，这里的微密集区地震事件一般是在水流动的断裂带。通过微地震监测，我们可以定义精确的崩落的实用空间位置和破碎带和决定其发展的高度。这可以提供的基础本网站对于安全开采，增产煤炭资源和提高煤矿的经济效益和社会效益。

3.2  确定煤柱截面的宽度

  一个煤柱的截面的宽度确定的距离巷道和采空之间。它是非常重要一个巷道与本节的合理宽度的稳定性煤柱。煤柱仲的宽度的确定化依赖，目前，主要是在经验主义中的部分矿，它缺乏科学和相关信息，萨利其精确测定，并导致煤矸石重源，开挖过程中巷道施工困难和挖掘，顶板垮落等问题。的宽度煤柱部​​由的覆盖层来确定工作面，特别是断裂的规则，旁边的断裂位置的工作面覆。目前，该断裂位置工作面侧覆层是由钻井监督。然而，本工作面侧覆层的断裂是一个动态的过程，从而钻井是相当性的，给出的不受监督的领域各种钻井现场。

  微地震技术可以监测骨折规则和位置工作面侧覆层的蒸发散，演绎分布规则化的侧向支撑和压力决定的合理宽度基于微地震监测，结果的部分煤柱ING。图。图5示出的轮廓投影示意图微地震事件沿着木瓜矿的倾斜方向工作面。这个数字表明，微地震事件是主要集中在四个方面。第一区域位于内部工作面侧煤层具有3-4米的范围内，其浅地面层，这是造成采矿工作面和领导工作面侧煤层具有3-4米范围内插入塑料状态。第二个领域是直接顶板岩层内发现工作面端，这是造成骨折和旋转层的工作面上方，导致更多的微的地震事件。第三个方面是在第二区域的右上方，所造成的侧屋顶层的上面的工作故障脸上。第四区位于侧上面层内工作面。在这方面的微地震事件更加频繁和集中，造成侧的击穿和旋转层数开采后工作面上方。这个区域可以判断故障和阶层的故障位置的上方工作面。鉴于微地震事件的轮廓投影沿工作面的倾斜方向，我们可以判断侧地层之上的崩溃和失效位置工作面和推断的分布和纬度，其峰值位置ERAL支撑压力，如图所示。 5（蓝色曲线）。这一侧向支承压力的峰值位置之间的距离和巷道煤壁约11-12米。因此，我们可以EXCA-瓦泰岛巷道的位置16-18米的道路遥远煤壁为下一个工作面的部分巷道。宽度此煤柱的截面为16-18米。

3.3确定所述底板的破坏深度

确定底板破坏深度是一个重要的条件为实现上述承压含水层安全开采。该阻止，这个深度的波动目前依赖于经验公式和实际现场测量，不同的地质浓度条件和开采方法可能引入的误差较大地板衰竭和计算的破坏深度实际深度从经验公式。这是为了判定更是如此倾斜煤层底板的破坏深度。实用领域失败深处测量可以由钻孔注入进行（脱水）试验或观察变化位移（应力）在演练设置位移传感器前和采后后孔。然而，底板破坏深度的静态字段确定测量有被本地化，由于的，可以钻孔和用复杂的钻孔数目有限现场施工条件。动态破坏的深度和连续，整个工作面底板的项故障不能很好地预测这些测量。

  采用高精度微地震监测技术，我们可以观察到连续的，动态的故障特点煤层层，研究层故障的动态变化和准确地确定故障的深度和地板的失效模式地层。我们的现场微地震监测开始于102009年10月及截至二○○九年十二月十日。在这个显示器 - 得到的底板破坏阶段1微地震事件。这些事件都是鲜明的体现炭火动态破坏倾斜煤层工作面开采期间的特征，从而允许的底板破坏深度和危险区域的识别易发生突水。图。图6表示出它们之间的关系。微地震事件的每一天和前进在监控阶段，距离工作面的。这个数字表明，微地震事件的数量增加在第一然后与工作面的进展而减小。该微地震事件数量记录得8和发生 12和11月13日，2009年。图 7显示了一个配置文件微地震事件沿投影示意图该工作面的倾斜方向[14,15]。红色圆点表示的事件发生地点（​​忽略上面的煤层地板）。图 7表明，事件内的分布地板地层是不对称的，相对于一个水平的故障或近水平煤层底板。煤层底板的破坏深度靠近下顺槽较深和故障的范围是更广泛的比较靠近上顺槽煤层底板。地板的最大破坏深度附近的下十字头约16米，而靠近上最大破坏深度顺槽为约12μm。该底板岩层在这两个区域，图中的绿色的椭圆。受害最严重的故障相比地板在工作面。因此，这些两个地区必须考虑的主要区域预测突水从地板。这是用于在地板更是如此在附近的裂缝。

4.结论

  微地震监测技术作为一种先进的，非破坏性的地球物理方法，具有广阔的发展前景采矿工程应用。与我们的研究中，我们已经介绍了微地震监测的原则，地点原则和一个地面微地震监测系统。同时，我们所描述的微地震监测中的应用根据实际工程技术在采矿工程应用程序。

（1）微地震监测技术可以透露开发特性，并确定了“两高度区域的工作面，即冒落带，断裂的区。我们的微地震监测结果表明，微地震事件的分布区是LARG-EST，对应工作面的破碎带，而面积低于此断裂带，微地震事件毕竟是少数，相当于破裂带。

（2）微地震监测技术可以监测压裂规则和工作面侧面位置折叠，演绎出的侧向支承压力分布规律并确定煤柱部分的合理宽度。

（3）微地震监测技术可用于观察煤的连续的，动态破坏特性煤层底板，允许在地板上的动态变化研究故障图形及准确地确定故障的深度和失败的底板岩层模式。下载本文