《石油科学通报》：利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展（中国石油大学(北京)：陈海潮、唐有彩、钮凤林、尹陈、巫芙蓉）

石油科学通报2016年9月第1卷第2期:198-208 却科学追报 利用微地震参数评佔水力压裂改造效果研究进展 陈海潮',唐有彩·2,钮凤林12,尹陈3,巫芙蓉3 1中国石油大学(北京)非常规天然气研究院,北京102249 2中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249 3川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司,成都610213 通信作者,niu@cup.edu.cn 攸稿日期:2016-08-17 中石油科技处项目(2013A-3608)和中石化科技处项目(P15024)联合资助 摘要微地震监测是定量评估水力压裂改造效果的主要方法,对于高效开发非常规油气储层具有重要意义。然 而,微地震监测技术在微地震事件产生机理、微地震弱事件检测和定位、综合解释等方面仍然面临诸多挑战。 本文以四川盆地某页岩气井综合微地震监测实验为例,从监测台阵、微地震参数获取和资料解释三方面,总结 了微地震监测技术的研究现状和发展趋勢。结合课题组的研究特色,重点讨论了地面微地震监测台阵、样本事 件扫描检测弱地震事件、震源机制反演等技术在水力压裂改造效果中的应用,展望了我国微地震监测技术未来 发展方向。 关键词水力压裂;微地震监测;地面台阵;样本事件方法;震源机制;储层改造体积 0引言 移将产生微地震活动。微地震监测技术就是通过观测 分析微地震信号,求取震源位置、震源机制等参数 随着勘探开发技术的快速发展,非常规油气资源近实时地获得裂缝空间展布特征,提供评估压裂效果 在现有经济和技术条件下展现出巨大的潜力。我国非的关键信息。工业应用的需求极大地推动了微地震监 常规油气资源储量丰富,致密砂岩、页岩等致密储层测理论的发展和技术的进步。经过近十年的商业化应 正逐渐成为国内勘探开发的主战场-。水平井和大用,微地震监测已经成长为评估压裂效果、优化压裂 规模体积压裂是商业化开采致密储层的核心技术,其施工、减轻地质灾害和降低勘探开发成本和风险的综 目的是通过对天然裂缝和岩石层理的有效沟通,形成合技术,是储层压裂中最精确、最及时、信息最丰富 复杂空间裂缝网络,极大地提高储层整体渗透率,实的监测手段。美国的页岩气开发过程中,约有20% 现储层在长、宽、高三维方向的全面改造門。据统计,的压裂改造施工采用了微地震监测技术,在勘探开发 只有40-60%的压裂级是没有产能的,30%的压裂级初期这一比例更高。微地震监测技术在改善低渗透 贡献了80%总产量。如何科学高效地开发非常规油油气压裂增产作业效果、改善油气井产能、提高油气 气仍然存在理论和技术上的诸多挑战,因此,需要客井采收率等方面发挥了巨大作用,在促进水力压裂技 观准确的方法近实时地对压裂效果进行综合评估,为术进步方面起到了不可替代的作用,是保障页岩等致 提高单井产量及油田高效开发提供技术支撑。 密储层高效开发的核心技术之一。 水力压裂人工裂缝扩展和天然裂缝重启、剪切滑 通过技术引进和自主研发相结合,国内东方地球 引用格式:陈海潮,唐有彩,钮凤林,尹陈,巫芙蓉,利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展.石油科学通报,2016,02:198-208 CHEN Haichao, TANG Youcai, NIU Fenglin, YIN Chen, wU Furong. Recent advances in microseismic monitoring and its implication to hydraulic fracturing mapping Petroleum Science Bulletin, 2016, 02: 198-208. dor: 10.3969/j. issn. 2096-1693.2016.02.016 c2016中国石油大学(北京)清华大学出版社有限公司 http:/sykxtb.cup.edu.cn

石油科学通报 2016 年 9 月 第 1 卷第 2 期：198-208 利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展 陈海潮 1 ，唐有彩 1, 2，钮凤林 1, 2*，尹陈 3 ，巫芙蓉 3 1 中国石油大学 ( 北京 ) 非常规天然气研究院，北京 102249 2 中国石油大学 ( 北京 ) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249 3 川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司，成都 610213 * 通信作者, niu@cup.edu.cn 收稿日期: 2016-08-17 中石油科技处项目(2013A-3608) 和中石化科技处项目(P15024) 联合资助 摘要 微地震监测是定量评估水力压裂改造效果的主要方法，对于高效开发非常规油气储层具有重要意义。然 而，微地震监测技术在微地震事件产生机理、微地震弱事件检测和定位、综合解释等方面仍然面临诸多挑战。 本文以四川盆地某页岩气井综合微地震监测实验为例，从监测台阵、微地震参数获取和资料解释三方面，总结 了微地震监测技术的研究现状和发展趋势。结合课题组的研究特色，重点讨论了地面微地震监测台阵、样本事 件扫描检测弱地震事件、震源机制反演等技术在水力压裂改造效果中的应用，展望了我国微地震监测技术未来 发展方向。 关键词 水力压裂；微地震监测；地面台阵；样本事件方法；震源机制；储层改造体积 引用格式：陈海潮, 唐有彩, 钮凤林, 尹陈, 巫芙蓉. 利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展. 石油科学通报, 2016, 02: 198-208 CHEN Haichao, TANG Youcai, NIU Fenglin, YIN Chen, WU Furong. Recent advances in microseismic monitoring and its implication to hydraulic fracturing mapping. Petroleum Science Bulletin, 2016, 02: 198-208. doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2016.02.016 ©2016 中国石油大学(北京) 清华大学出版社有限公司 http://sykxtb.cup.edu.cn 0 引言 随着勘探开发技术的快速发展，非常规油气资源 在现有经济和技术条件下展现出巨大的潜力。我国非 常规油气资源储量丰富，致密砂岩、页岩等致密储层 正逐渐成为国内勘探开发的主战场[1-2]。水平井和大 规模体积压裂是商业化开采致密储层的核心技术，其 目的是通过对天然裂缝和岩石层理的有效沟通，形成 复杂空间裂缝网络，极大地提高储层整体渗透率，实 现储层在长、宽、高三维方向的全面改造[3]。据统计， 只有 40~60%的压裂级是没有产能的，30%的压裂级 贡献了 80%总产量[4]。如何科学高效地开发非常规油 气仍然存在理论和技术上的诸多挑战，因此，需要客 观准确的方法近实时地对压裂效果进行综合评估，为 提高单井产量及油田高效开发提供技术支撑[5]。 水力压裂人工裂缝扩展和天然裂缝重启、剪切滑 移将产生微地震活动。微地震监测技术就是通过观测 分析微地震信号，求取震源位置、震源机制等参数， 近实时地获得裂缝空间展布特征，提供评估压裂效果 的关键信息。工业应用的需求极大地推动了微地震监 测理论的发展和技术的进步。经过近十年的商业化应 用，微地震监测已经成长为评估压裂效果、优化压裂 施工、减轻地质灾害和降低勘探开发成本和风险的综 合技术，是储层压裂中最精确、最及时、信息最丰富 的监测手段[6]。美国的页岩气开发过程中，约有 20% 的压裂改造施工采用了微地震监测技术，在勘探开发 初期这一比例更高[7]。微地震监测技术在改善低渗透 油气压裂增产作业效果、改善油气井产能、提高油气 井采收率等方面发挥了巨大作用，在促进水力压裂技 术进步方面起到了不可替代的作用，是保障页岩等致 密储层高效开发的核心技术之一。 通过技术引进和自主研发相结合，国内东方地球

利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展 199 物理公司、川庆钻探地球物理公司等单位开发了具有力传导和孔隙压力变化都会引起地层应力扰动,从而 自主知识产权的微地震监测软件系统,已经初步形成产生所谓的“干”和“湿”微地震事件叫。微地震 了微地震监测技术体系,完成了大量现场推广应用,引起的库伦应力变化远小于孔隙流体压力的变化,因 有效地指导了压裂施工和后期油气藏的开采开发,打此微地震事件不存在触发效应。然而,微地震事件绝 破了国外微地震监测服务公司在国内实时处理解释高大部分属于重复地震事件,即具有相近的震源位置和 端服务市场的垄断閃。我国页岩气等致密储层高效开相似的震源机制。这可能是由于水力压裂期间裂缝的 发面临埋藏深、有效动用难度大、地质与开发条件复持续剪切滑动从而形成重复地震。 杂、成本高等挑战,这些在客观上对压裂改造效果评微地震事件具有震级小、信号频率高、破裂机制 价技术提出了更高要求,现有技术体系不能完全满足类型多样的特点。典型频率范围为100~1500Hz,震 应用需求。因此,加快微地震监测理论研究和技术创级范围为-4~0。图2是北美地区几大页岩气区块的微 新,发展适应我国监测环境和条件的微地震监测技术,地震事件震级随监测距离变化。尽管微地震事件以 形成更精细准确的压裂改造效果评价技术,是致密油剪切震源机制为主,然而由于流体的作用,部分微地 气藏勘探开发十分迫切的现实需求。 震事件也可能包含显著的体积分量。水力压裂诱生 尽管微地震监测技术在评价压裂效果方面具有独的微地震事件最可能是剪切和拉伸的混合破裂机制。 特优势,但是在理论和技术上仍然面临挑战。本文以除压裂施工参数外,微地震事件信号特征还与储 四川盆地某页岩气井综合微地震监测为例,结合课题层岩石力学性质、原场应力状态、天然裂缝发育与 组的研究进展,阐述了微地震监测技术在数据采集、分布等密切相关。这些因素导致不同区域的微地震事 数据处理和资料解释等几方面的研究现状和发展趋势。件信号特征存在显著差别。例如,北美 Marcellus页 岩区块的微地震事件震级要明显低于 Barnett页岩区 1微地震事件信号特征 块(图2)。由于我国公开的微地震监测资料有限,还 没有这方面的统计分析。但是根据我们几次微地震监 明确水力压裂裂缝扩展与微地震事件的关系是进测实验的结果,四川盆地及其临近地区页岩气区块的 行微地震资料解释的基础門。一方面,地壳10km以微地震事件数目,尤其是震级相对较大的微地震事件 内的地层都处于不稳定的临界应力状态。水力压(Mw-2),要明显多于其他地区。与国外的非常规油 裂过程中,高压流体注入目标储层内,在人工裂缝扩气藏相比,我国的非常规油气藏具有埋深大、地质构 展的尖端会产生较大的剪切应力集中,同时压裂液滤造复杂、横向非均质性强、水平主应力差大、天然裂 失会引起孔隙压力增大,这些都会引起压裂区域内应缝或断层发育等特点。这些因素导致人工裂缝的形成 力重新分布(图1)。另一方面,页岩等致密储层中普和扩展规律、人工裂缝与天然裂缝相互作用机理更为 遍发育天然裂缝叫。尽管这些裂缝在地层围压下是闭复杂。需要进一步结合三维水力压裂物理模拟实验 合,但是很容易被重新激活。因此,现在普遍认为水分析不同压裂条件和地质激发环境下微地震事件的信 力压裂引起地层应力扰动,导致沿着天然裂缝等薄弱号特征,明确微地震事件产生的规律。 面的剪切滑动是微地震事件产生的主要机理2-1应 从能量的角度看,微地震事件的能量只占水力 压裂输入能量的很小部分(<1%)。微地震事件虽然能 SHEAR 指示人工裂缝的位置,但不能提供裂缝变形的具体 COMPRESSIVE 性质(如裂缝宽度)。水力压裂裂缝扩展过程本质是 无震或低频的叫。最近在北美部分页岩区块观测到 LEAKOFF 的伴随着水力压裂的长周期长持续时间( Long-period Long-duration,LPLD)微地震事件也支持这一观点。 LPLD事件以S波信号为主,主要特征是频率较低 FRACTURE (<100Hz),持续时间长,没有明显的震相到时。在天 TENSILE 然裂缝密度大和黏土含量高的区域,LPLD事件明显 图1水力压裂引起地层应力扰动吗 增多,LPLD事件可能和水力压裂裂缝与天然裂缝的 Fig, I Stress perturbation associated with hydraulic fracturing相互作用有关。事实上,在有流体参与的地震活动较 operation[3] 强的地区(如火山、俯冲带等)广泛存在着类似的地震

利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展 199 物理公司、川庆钻探地球物理公司等单位开发了具有 自主知识产权的微地震监测软件系统，已经初步形成 了微地震监测技术体系，完成了大量现场推广应用， 有效地指导了压裂施工和后期油气藏的开采开发，打 破了国外微地震监测服务公司在国内实时处理解释高 端服务市场的垄断[8]。我国页岩气等致密储层高效开 发面临埋藏深、有效动用难度大、地质与开发条件复 杂、成本高等挑战，这些在客观上对压裂改造效果评 价技术提出了更高要求，现有技术体系不能完全满足 应用需求。因此，加快微地震监测理论研究和技术创 新，发展适应我国监测环境和条件的微地震监测技术， 形成更精细准确的压裂改造效果评价技术，是致密油 气藏勘探开发十分迫切的现实需求。 尽管微地震监测技术在评价压裂效果方面具有独 特优势，但是在理论和技术上仍然面临挑战。本文以 四川盆地某页岩气井综合微地震监测为例，结合课题 组的研究进展，阐述了微地震监测技术在数据采集、 数据处理和资料解释等几方面的研究现状和发展趋势。 1 微地震事件信号特征 明确水力压裂裂缝扩展与微地震事件的关系是进 行微地震资料解释的基础[9]。一方面，地壳 10 km以 内的地层都处于不稳定的临界应力状态[10]。水力压 裂过程中，高压流体注入目标储层内，在人工裂缝扩 展的尖端会产生较大的剪切应力集中，同时压裂液滤 失会引起孔隙压力增大，这些都会引起压裂区域内应 力重新分布(图 1)。另一方面，页岩等致密储层中普 遍发育天然裂缝[11]。尽管这些裂缝在地层围压下是闭 合，但是很容易被重新激活。因此，现在普遍认为水 力压裂引起地层应力扰动，导致沿着天然裂缝等薄弱 面的剪切滑动是微地震事件产生的主要机理[12-13]。应 力传导和孔隙压力变化都会引起地层应力扰动，从而 产生所谓的“干”和“湿”微地震事件[14-15]。微地震 引起的库伦应力变化远小于孔隙流体压力的变化，因 此微地震事件不存在触发效应。然而，微地震事件绝 大部分属于重复地震事件，即具有相近的震源位置和 相似的震源机制。这可能是由于水力压裂期间裂缝的 持续剪切滑动从而形成重复地震[16]。 微地震事件具有震级小、信号频率高、破裂机制 类型多样的特点。典型频率范围为 100~1500 Hz，震 级范围为-4~0。图 2 是北美地区几大页岩气区块的微 地震事件震级随监测距离变化[7]。尽管微地震事件以 剪切震源机制为主，然而由于流体的作用，部分微地 震事件也可能包含显著的体积分量[17]。水力压裂诱生 的微地震事件最可能是剪切和拉伸的混合破裂机制。 除压裂施工参数外，微地震事件信号特征还与储 层岩石力学性质、原场应力状态、天然裂缝发育与 分布等密切相关。这些因素导致不同区域的微地震事 件信号特征存在显著差别。例如，北美Marcellus页 岩区块的微地震事件震级要明显低于Barnett页岩区 块(图 2)。由于我国公开的微地震监测资料有限，还 没有这方面的统计分析。但是根据我们几次微地震监 测实验的结果，四川盆地及其临近地区页岩气区块的 微地震事件数目，尤其是震级相对较大的微地震事件 (Mw>-2)，要明显多于其他地区。与国外的非常规油 气藏相比，我国的非常规油气藏具有埋深大、地质构 造复杂、横向非均质性强、水平主应力差大、天然裂 缝或断层发育等特点。这些因素导致人工裂缝的形成 和扩展规律、人工裂缝与天然裂缝相互作用机理更为 复杂。需要进一步结合三维水力压裂物理模拟实验， 分析不同压裂条件和地质激发环境下微地震事件的信 号特征，明确微地震事件产生的规律。 从能量的角度看，微地震事件的能量只占水力 压裂输入能量的很小部分(<1%)。微地震事件虽然能 指示人工裂缝的位置，但不能提供裂缝变形的具体 性质(如裂缝宽度)。水力压裂裂缝扩展过程本质是 无震或低频的[13]。最近在北美部分页岩区块观测到 的伴随着水力压裂的长周期长持续时间(Long-period Long-duration, LPLD)微地震事件也支持这一观点[18]。 LPLD事件以S波信号为主，主要特征是频率较低 (<100 Hz)，持续时间长，没有明显的震相到时。在天 然裂缝密度大和黏土含量高的区域，LPLD事件明显 增多，LPLD事件可能和水力压裂裂缝与天然裂缝的 相互作用有关。事实上，在有流体参与的地震活动较 强的地区(如火山、俯冲带等)广泛存在着类似的地震 TENSILE SHEAR FRACTURE LEAKOFF COMPRESSIVE 图 1 水力压裂引起地层应力扰动 [13] Fig. 1 Stress perturbation associated with hydraulic fracturing operation[13]

石油科学通报2016年9月第1卷第2期 0.5 8◆ -2.5 35 ◇ Eagle Ford 000 2000 图2北美四个主要页岩气区块微地震震级随监测距离的变化 g. 2 Moment magnitude s distance plot for several shale treatments in four major shale plays in North America I 事件,称为震颤( Tremor)。根据LPLD事件和震颤相离压裂目标区域近(<1000m),微地震信号衰减少且 似的特征,推测这类事件和构造震颤具有相同的产生环境噪声水平低,信噪比高,能检测到大量高信噪比 机制,即高压流体引起沿裂缝的缓慢剪切滑动。LPLD微地震事件信号;缺点是需要有合适距离的监测井 事件可能是水力压裂裂缝的主要变形机制,包含水力成本高,并且随着监测距离增加,井下台阵的监测能 压裂裂缝尺寸的重要信息。目前对于LPLD事件是力和定位精度迅速下降,监测结果可能会出现系统性 否广泛发育仍存在争议,LPLD事件只在某些特定的偏差,同时有限的方位角覆盖也降低了震源机制反演 区块监测到,并且已报道的LPLD事件可能是区域性的可靠性。井下台阵适用于有大量可用监测井的成熟 地震引起的信号,而和水力压裂活动无关02。 区块。地面台阵是布置在目标储层地表或浅地表的监 测台阵,以接收来自压裂区域的微地震信号,是近年 2监测台阵 来发展起来的监测方式。除了不需要专门的监测井以 外,地面台阵可以根据需要灵活调整台阵布局,监测 合理的微地震监测台阵几何布局是监测项目成功范围大,成本低,适用于各种复杂的监测环境和条件 的关键。微震监测项目可行性研究的核心内容就是通能监测到较大震级(ML>0)的微地震事件,同时宽方 过模拟台阵的检测能力以及微震事件的定位误差,确位角覆盖在震源机制反演方面有独特的优势。尽管地 定最优的台站布局凹。根据微地震监测仪器的布设方面台阵具有诸多诱人的优点,但是由于距离监测目标 式,微地震监测台阵可分为井下台阵和地面台阵两大区远(>3km)、地层吸收衰减强、近地表构造复杂、 类。井下台阵是在目标井周围的一口或几口井中布置地面背景噪声强等原因,地面台阵监测获得的微地震 检波器阵列,是目前精度最高、最可靠的监测方法,信号信噪比低,能监测到的有效微地震事件数目大幅 商业微地震监测大多采用这种监测方式。井下台阵可度减少。因此,地面台阵监测的核心问题是通过优化 以布置在直井、水平井或斜井中,其优势在于检波器台阵布局提高资料品质

200 石油科学通报 2016 年 9 月 第 1 卷第 2 期 事件，称为震颤(Tremor)。根据LPLD事件和震颤相 似的特征，推测这类事件和构造震颤具有相同的产生 机制，即高压流体引起沿裂缝的缓慢剪切滑动。LPLD 事件可能是水力压裂裂缝的主要变形机制，包含水力 压裂裂缝尺寸的重要信息[19]。目前对于LPLD事件是 否广泛发育仍存在争议，LPLD事件只在某些特定的 区块监测到，并且已报道的LPLD事件可能是区域性 地震引起的信号，而和水力压裂活动无关[20-21]。 2 监测台阵 合理的微地震监测台阵几何布局是监测项目成功 的关键。微震监测项目可行性研究的核心内容就是通 过模拟台阵的检测能力以及微震事件的定位误差，确 定最优的台站布局[22]。根据微地震监测仪器的布设方 式，微地震监测台阵可分为井下台阵和地面台阵两大 类。井下台阵是在目标井周围的一口或几口井中布置 检波器阵列，是目前精度最高、最可靠的监测方法， 商业微地震监测大多采用这种监测方式。井下台阵可 以布置在直井、水平井或斜井中，其优势在于检波器 离压裂目标区域近(< 1000 m)，微地震信号衰减少且 环境噪声水平低，信噪比高，能检测到大量高信噪比 微地震事件信号；缺点是需要有合适距离的监测井， 成本高，并且随着监测距离增加，井下台阵的监测能 力和定位精度迅速下降，监测结果可能会出现系统性 偏差，同时有限的方位角覆盖也降低了震源机制反演 的可靠性。井下台阵适用于有大量可用监测井的成熟 区块。地面台阵是布置在目标储层地表或浅地表的监 测台阵，以接收来自压裂区域的微地震信号，是近年 来发展起来的监测方式。除了不需要专门的监测井以 外，地面台阵可以根据需要灵活调整台阵布局，监测 范围大，成本低，适用于各种复杂的监测环境和条件， 能监测到较大震级(ML > 0)的微地震事件，同时宽方 位角覆盖在震源机制反演方面有独特的优势。尽管地 面台阵具有诸多诱人的优点，但是由于距离监测目标 区远(> 3 km)、地层吸收衰减强、近地表构造复杂、 地面背景噪声强等原因，地面台阵监测获得的微地震 信号信噪比低，能监测到的有效微地震事件数目大幅 度减少。因此，地面台阵监测的核心问题是通过优化 台阵布局提高资料品质。 4 000 Marcellus Barnett Woodford Eagle Ford 0 1 000 2 000 3 000 5 000 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 .0 0.5 Moment Magnitude 图 2 北美四个主要页岩气区块微地震震级随监测距离的变化 [7] Fig. 2 Moment magnitude vs. distance plot for several shale treatments in four major shale plays in North America[7]

利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展 美国 Microseismic公司(MSI)是地面微地震监测相同,但对压裂效果的评估并未产生本质差异。井下 技术的倡导者,经过了一系列测试实验后,确定了台阵和地面台阵对比监测实验表明,地面台阵能够得 用上千道普通检波器,按星形放射状布置的观测方到可靠的观测数据,监测到较大震级的微地震事件, 式凹。通过大量台站数据波形偏移叠加,有效去除来而这些事件基本上能满足裂缝刻画的需求,是经济可 自井场的不相干噪声,从而极大地增强弱微地震事件行的监测方案。由于国内非常规勘探处于起步阶段 检测能力。星形台阵的缺点是台站数目多,施工难度野外可供井下观测的井较少,地面微地震监测需求量 大(尤其是山区),数据量大,难以实时传输和处理。大。可以预见,未来几年地面监测将有一个飞跃式的 Microseismic公司在此基础上,又发展了稀疏浅井的发展,成为非常规油气勘探阶段储层压裂改造监测的 埋藏布设方式,可以对成熟开发区块进行大范围长期关键技术。因此,发展和完善经济有效、适应不同环 监测。法国 Magnitude公司提出片区排列布设方案,境的地面微地震监测方法和技术,是下一步的重点研 每个片区由上百道检波器按照一定规则分布在小范围究方向 内,这样既能对地面噪声有比较好的压制效果,又方 便选取低噪声区域进行布设,极大地增强了监测效 果凹。我们创新性地提出由高灵度敏度三分量宽频带 地震仪组成的地面散点台阵布设方式,用少量高质量 4000 宽频带台站来代替大规模台阵,安装灵活方便,对场 地要求低,更适合国内页岩气等致密油气开发的场地 环境,既可以记录到宽频带范围内的完整微地震事件 2000 信号,也大幅度减少了数据量凹。 图3是井下和地面台阵相结合的综合微地震监测 实例。W井是四川盆地某页岩气水平井,垂直井深约 3000m,水平段长度约为1500m,采用19段分级 压裂。微地震监测系统由一口深井Z井、地面星形台 阵和散点台阵组成。Z井中放置20级检波器,级距 15m,位置为2500~2800m。星形台阵由10条测线 (蓝线),共1193道检波器组成。散点台阵由22个宽 E-W Direction/m 频带地震台站组成(红三角形)。图4是三种台阵的微 地震监测数据分别处理的结果。可以看出,微地震事图3四川某页岩气井水力压裂综合微地震监测实验台阵分 布P 件空间分布特征基本一致。尽管三种不同的监测rig3 Array geometry of an integrated microseismic monitoring 方式获得的微地震事件个数、空间分布等参数不完全 experiment in the shale play inside the Sichuan Basin (c)t 深井台阵 地面星形台阵 地面散点台阵 图4不同监测台阵微地震事件定位结果对比凹 Fig4 Comparison of microseismic events detected by three different types of monitor array

利用微地震参数评估水力压裂改造效果研究进展 201 美国Microseismic公司(MSI)是地面微地震监测 技术的倡导者，经过了一系列测试实验后，确定了 用上千道普通检波器，按星形放射状布置的观测方 式[23]。通过大量台站数据波形偏移叠加，有效去除来 自井场的不相干噪声，从而极大地增强弱微地震事件 检测能力。星形台阵的缺点是台站数目多，施工难度 大(尤其是山区)，数据量大，难以实时传输和处理。 Microseismic公司在此基础上，又发展了稀疏浅井的 埋藏布设方式，可以对成熟开发区块进行大范围长期 监测。法国Magnitude公司提出片区排列布设方案， 每个片区由上百道检波器按照一定规则分布在小范围 内，这样既能对地面噪声有比较好的压制效果，又方 便选取低噪声区域进行布设，极大地增强了监测效 果[24]。我们创新性地提出由高灵度敏度三分量宽频带 地震仪组成的地面散点台阵布设方式，用少量高质量 宽频带台站来代替大规模台阵，安装灵活方便，对场 地要求低，更适合国内页岩气等致密油气开发的场地 环境，既可以记录到宽频带范围内的完整微地震事件 信号，也大幅度减少了数据量[25]。 图 3 是井下和地面台阵相结合的综合微地震监测 实例。W井是四川盆地某页岩气水平井，垂直井深约 3000 m，水平段长度约为 1500 m，采用 19 段分级 压裂。微地震监测系统由一口深井Z井、地面星形台 阵和散点台阵组成。Z井中放置 20 级检波器，级距 15 m，位置为 2500~2800 m。星形台阵由 10 条测线 (蓝线)，共 1193 道检波器组成。散点台阵由 22 个宽 频带地震台站组成(红三角形)。图 4 是三种台阵的微 地震监测数据分别处理的结果。可以看出，微地震事 件空间分布特征基本一致[25]。尽管三种不同的监测 方式获得的微地震事件个数、空间分布等参数不完全 相同，但对压裂效果的评估并未产生本质差异。井下 台阵和地面台阵对比监测实验表明，地面台阵能够得 到可靠的观测数据，监测到较大震级的微地震事件， 而这些事件基本上能满足裂缝刻画的需求，是经济可 行的监测方案。由于国内非常规勘探处于起步阶段， 野外可供井下观测的井较少，地面微地震监测需求量 大。可以预见，未来几年地面监测将有一个飞跃式的 发展，成为非常规油气勘探阶段储层压裂改造监测的 关键技术。因此，发展和完善经济有效、适应不同环 境的地面微地震监测方法和技术，是下一步的重点研 究方向。 ⌞ςझ䭢 ౝ䲏ᭌᒏझ䭢 ౝ䲏᪐◦झ䭢 (a) (b) (c) 图 4 不同监测台阵微地震事件定位结果对比 [25] Fig. 4 Comparison of microseismic events detected by three different types of monitor array[25] 2000 2000 4000 0 0 2000 2000 4000 N-S Direction/ m E-W Direction/m 图 3 四川某页岩气井水力压裂综合微地震监测实验台阵分 布 [25] Fig. 3 Array geometry of an integrated microseismic monitoring experiment in the shale play inside the Sichuan Basin[25]

石油科学通报2016年9月第1卷第2期 征函数达成共识。样本事件扫描是另一种检测弱地震 3微地震工具箱 事件的有效方法,其根据不同事件的波形相似性,利 用已有地震事件(样本事件)和连续波形记录的相关函 目前,微地震监测还没有行业标准。CSEG数来识别弱地震事件。改进的样本事件扫描方法能够 ( Canadian Society of Exploration Geophysicists)微地震进一步对检测到的弱地震事件进行精确相对定位,降 委员会根据微地震监测的实践经验,给出了水力压裂低了各向异性速度模型等因素对微地震定位精度的影 微地震监测产出的参考标准规范凹。现代微地震资料响。前面已经提到,微地震事件分布相对集中,并 处理向精细化方向发展,微地震监测的目标是尽可能且震源机制接近,其中包含大量重复地震事件,因此 获得更多微地震参数,充分挖掘微地震事件中的信息,样本事件扫描方法十分适用甽。图5是分别利用某商 以更加客观准确地评价水力压裂改造效果 业微地震软件(图5a)和样本事件扫描方法(图5b)独 立处理W井第19级压裂井下微地震监测数据的结果。 3.1时空分布 两种方法得到的微地震事件空间分布特征基本一致。 微地震震源的时空分布是微地震监测最直观也是商业软件共检测到206个微地震事件,而样本事件扫 使用最广泛的信息,用于指示水力压裂裂缝的位置、描方法使用36个样本事件共检测到1038个微地震事 长度、高度等信息。传统基于能量的微地震事件检测件門。样本事件扫描方法能够大幅度提高弱地震事件 方法,如 STA/LTA、AlC等方法,能够可靠地识别高检测能力,和商业软件处理结果相比,在保持较低事 信噪比微地震事件凹。微地震事件数目随震级增大呈件误报率的同时,能将微地震数目提高5-10倍 指数减少,因此弱微地震事件检测是微地震监测成功 的关键。然而,微地震事件震级小、频率高,地层吸 3.2震源机制 收衰减较强,导致大部分微地震信号信噪比低。即使 微地震震源机制能够提供岩石破裂过程和破裂类 是井下监测,往往也由于不能准确地识别S波震相到型的具体信息,对于明确流体与基质、天然断层相互 时,可定位的微地震事件数目大大降低。面对这种挑作用形成复杂空间裂缝网络机理具有重要意义,被认 战,主要有偏移叠加和样本事件扫描两种数据处理方为是突破微地震解释“ Dots in box”的关键。然而, 式来提高微地震事件检测能力。偏移叠加方法由于不由于技术上的原因,微地震震源机制一直未能在微震 需要拾取震相到时,能够自动处理连续监测数据流,监测中得到广泛应用。前面提到,微地震震源机制包 已经成为大规模地表微地震监测数据的通用处理方含剪切和拉伸过程的混合破裂过程,需要进行矩张量 式凹。偏移叠加方法的主要问题是数据量大导致实时反演,以完整描述震源破裂过程。矩张量反演受速度 性差,并且叠加特征函数众多,目前还没有对最优特模型、地层衰减、震源定位精度、台站方位角覆盖等 N-sOe李 N-S Direction/m 图5(a)某商业微地震软件和(b)样本事件扫描方法处理W井第19级压裂井下微地震监测数据的结果叫 Fig5 (a)Microseismic results during the 19th stage hydraulic fracturing treatment of the Well w from(a)One commercial microseismic software and(b) Template-based method

202 石油科学通报 2016 年 9 月 第 1 卷第 2 期 3 微地震工具箱 目 前， 微 地 震 监 测 还 没 有 行 业 标 准。CSEG (Canadian Society of Exploration Geophysicists)微地震 委员会根据微地震监测的实践经验，给出了水力压裂 微地震监测产出的参考标准规范[26]。现代微地震资料 处理向精细化方向发展，微地震监测的目标是尽可能 获得更多微地震参数，充分挖掘微地震事件中的信息， 以更加客观准确地评价水力压裂改造效果。 3.1 时空分布 微地震震源的时空分布是微地震监测最直观也是 使用最广泛的信息，用于指示水力压裂裂缝的位置、 长度、高度等信息。传统基于能量的微地震事件检测 方法，如STA/LTA、AIC等方法，能够可靠地识别高 信噪比微地震事件[27]。微地震事件数目随震级增大呈 指数减少，因此弱微地震事件检测是微地震监测成功 的关键。然而，微地震事件震级小、频率高，地层吸 收衰减较强，导致大部分微地震信号信噪比低。即使 是井下监测，往往也由于不能准确地识别S波震相到 时，可定位的微地震事件数目大大降低。面对这种挑 战，主要有偏移叠加和样本事件扫描两种数据处理方 式来提高微地震事件检测能力。偏移叠加方法由于不 需要拾取震相到时，能够自动处理连续监测数据流， 已经成为大规模地表微地震监测数据的通用处理方 式[28]。偏移叠加方法的主要问题是数据量大导致实时 性差，并且叠加特征函数众多，目前还没有对最优特 征函数达成共识。样本事件扫描是另一种检测弱地震 事件的有效方法，其根据不同事件的波形相似性，利 用已有地震事件(样本事件)和连续波形记录的相关函 数来识别弱地震事件。改进的样本事件扫描方法能够 进一步对检测到的弱地震事件进行精确相对定位，降 低了各向异性速度模型等因素对微地震定位精度的影 响[29]。前面已经提到，微地震事件分布相对集中，并 且震源机制接近，其中包含大量重复地震事件，因此 样本事件扫描方法十分适用[30]。图 5 是分别利用某商 业微地震软件(图 5a)和样本事件扫描方法(图 5b)独 立处理W井第 19 级压裂井下微地震监测数据的结果。 两种方法得到的微地震事件空间分布特征基本一致。 商业软件共检测到 206 个微地震事件，而样本事件扫 描方法使用 36 个样本事件共检测到 1038 个微地震事 件[31]。样本事件扫描方法能够大幅度提高弱地震事件 检测能力，和商业软件处理结果相比，在保持较低事 件误报率的同时，能将微地震数目提高 5-10 倍[31]。 3.2 震源机制 微地震震源机制能够提供岩石破裂过程和破裂类 型的具体信息，对于明确流体与基质、天然断层相互 作用形成复杂空间裂缝网络机理具有重要意义，被认 为是突破微地震解释“Dots in Box”的关键。然而， 由于技术上的原因，微地震震源机制一直未能在微震 监测中得到广泛应用。前面提到，微地震震源机制包 含剪切和拉伸过程的混合破裂过程，需要进行矩张量 反演，以完整描述震源破裂过程。矩张量反演受速度 模型、地层衰减、震源定位精度、台站方位角覆盖等 NS Direction/m EW Direction/m NS Direction/m Depth/ m Depth/ m 600 400 200 0 200 600 400 200 0 200 800 600 400 200 0 EW Direction/m 800 600 400 200 0 2800 2600 2400 2200 2800 2600 2400 2200 (a) (b) 图 5 (a) 某商业微地震软件和 (b) 样本事件扫描方法处理 W 井第 19 级压裂井下微地震监测数据的结果 [31] Fig.5 (a) Microseismic results during the 19th stage hydraulic fracturing treatment of the Well W from (a) One commercial microseismic software and (b) Template-based method[31]