微地震资料收集

引言

微地震压裂监测技术是近年来在低渗透油气藏压裂改造领域中的一项重要新技术。该项技术通过布置在井中的三分量检波器，来监测油藏注水、注气、热驱及油气采出等作业时引起地下应力场变化，导致岩层裂缝或错断所产生的地震波，通过分析微地震信号，反演裂缝属性裂缝的几何形状和空间展布，进而监测油藏动态。它能实时提供压裂施工产生裂隙的高度、长度和方位角， 利用这些信息可以优化压裂设计、优化井网或其他油田开发措施，从而提高油田采收率。

多分量地震数据成功用于定位压裂裂隙，可以精确地测量附近井注人流体、气体、聚合物或其他材料而引起岩石断裂时产生声发射的震中微震的震中，从而定位裂缝的空间位置。特别是进人世纪年代以来，地震检波器的带宽性能和井下布设方面得到很大发展，人们越来越重视利用微地震检测技术描述油藏动态世纪年代以来，先后有挪威阿莫科公司、菲力浦公司、美国联合太平洋资源公司、公司、美国能源部国家实验室、日本研究中心等研究机构对该项技术进行实验研究，为微地震监测技术在油气工业中广泛应用奠定了理论和实验基础。

目前微地震监测技术最成熟的应用还是基于震源定位，这主要利用直达纵波进行震源定位。但野外采集到的微震信号，其信噪比低，频率高，能量弱大致只能识别出直达纵波的初至，而且目前的震相初至拾取精度不是很高，当然就无法准确的震源定位、提取裂缝属性等参数。同时，利用同型波时差法的反演定位技术已不能满足当前微震监测的需要，必须结合直达横波进行纵横波时差法反演，提取裂缝属性，监测油藏动态。因此，在进行震源反演前，必须提高信号的信噪比，分离识别出微地震的直达纵横波以及反射波，提高反演精度。

微地震监测技术是一门新的地球物理技术，它是通过监测微震事件产生的地震波，确定微震坐标、发震时刻及烈度的技术。在国外，这方面研究起步较早，技术也相对成熟，多用于矿山安全监测、油气藏开发监测、火山活动性监测和天然地震监测等方面，但是由于探测精度、计算机处理能力的局限性，阻碍了其发展。近些年来，随着计算机技术的飞跃发展，微地震监测技术取得了长足进步，不仅可以实现微震的定位，还通过对震源机制的研究，对破裂性质进行更加细致的描述;监测还由一维、二维发展到三维、四维;精度也较以前有大幅度提高。

微地震监测技术是近20年才出现的地球物理新技术，它通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动效果及地下状态，其基础是声发射学和地震学。与地震勘探相反，微地震监测中震源的位置、发震时刻、震源强度都是未知的，确定这些因素恰恰是微地震监测的首要任务，完成这一任务主要是借鉴天然地震学的方法和思路。在油田开发工程中，注水、注气和水力压裂作业等都会诱生地震，对这些微地震的监测可用来研究注水或压裂裂缝的方位，代表了未来油田开发管理技术的发展方向，美国能源部已经长期资助微震监测研究，希望能推动这一技术逐渐实用化。微地震按监测方式可分为地面监测和井中监测，地面监测具有施工简单，不影响生产，并且成本比井中监测低许多等优点而具有良好的前景，但同时地面监测技术复杂，设备性能要求高，因而相对制约了其发展。

我国多数大型油气田已进入开采后期，低渗油气田的油气资源有望成为未来能源和经济发展的动力，而这些致密储层中的油气需要通过水力压裂才能够实现经济开采。微地震压裂监测技术就是通过观测、分析由压裂产生的微小地震事件来监测地下状态的地球物理技术。通过对压裂过程的监测可以获取水力压裂裂缝的位置、大小、导流能力、几何形态及局部地应力分布等诸多信息。监测微地震事件的采集观测方式总的来说有井下观测、地面排列观测和地面埋置观测3 种。比较可靠的监测方式是在井中进行的，但这种方法要求压裂井附近必须有监测井，并且这种方法空间横向定位分辨能力不够理想。在压裂井附近没有监测井或打井成本高的情况下，进行地面排列观测将是行之有效的办法，况且地面排列监测还有水平方向分辨率高、施工方便等优势。随着检波器性能和处理技术的发展提高，国外已经开始发展

地面监测微震的专业服务公司。我国目前大部分油田都靠压裂和流体驱动来实现稳产高产, 未来我国对微地震监测技术的市场需求将是很大的。这种需求必将促进这一领域的投资和研究，也必将促进这一技术在国内的发展和应用。

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，是目前判断压裂裂缝最准确的方法之一，水力压裂产生的微地震释放弹性波，频率大概在声音频率的范围内。压裂时，震源信号被位于压裂井旁的井中检波器所接收(见图3)，将接收到的信号进行资料处理，反推出震源的空间位置，用震源分布图就可以解释水力裂缝的方位、深度、延伸范围、长度、高度和裂缝发生顺序。该项技术在精度、可靠性、处理速度、设备放等四个方面都十分成熟。对井的要求如下: ①被监测井对应至少一口监测井； ②井距小于400 m ,两口井井口位置最好不在同一井场； ③监测井最大井斜小于30°,狗腿度小于3°P30 m。

井中微地震监测示技术意图

储层压裂在油气田开发中具有很重要的作用，是低渗透油气藏实现高产稳产的重要手段。通过人工压裂可在地层中产生裂缝，改善地层的渗流条件，提高油井的产能。在储层压裂过程中岩石遭到破坏并形成裂缝，沿着压裂缝的扩展面上必然会产生一系列的微小地震，通过对微震波信号的采集和处理，就可以计算微地震震源的位置，进而获得储层压裂缝的有关参数。微地震监测提供了目前储层压裂中最精确、最及时、信息最丰富的监测手段。它可以对储层压裂的范围、裂缝发育的方向、大小进行追踪和定位，客观地评价压裂工程的效果，优化压裂方案设计，提高压裂效率。近10 年来我国一些油田陆续开展了储层压裂的微地震监测，按传感器的布置方式可分为3 种：地面监测方式、井中监测方式和井口监测方式。 目前有3 种监测储层压裂微地震事件的主要方式，它们都有各自的优缺点。地面监测方式可直接检测微地震源的三维坐标，有利于准确描绘储层裂缝的空间形态；不过这种监测方式仅适合于较浅的压裂储层监测。井中监测方式的传感器直接布置在压裂储层附近，不论储层深度多大，微地震信号都可被传感器检测识别；但是井中监测方式的实施成本很高，这限制了它在储层压裂监测中的广泛应用。井口监测方式的实施成本低、容易推广，可以较准确地测绘储层压裂缝的水平延展情况，但却很难确定压裂缝的高度。在实施储层压裂的微地震监测时，只有根据压裂储层的条件、油田井场的条件和成本核算的条件，

选择某种合适的微

地震监测方式，或综合采用2 种以上的监测方式，才能达到对微地震监测的最佳效果，为低渗透油气藏的开发提供有价值的指导。

井下微地震水力裂缝测试技术起源于地震学。其采用恺装光缆将井下三分量实时采集检波器以大级距的排列方式、多级布放在压裂井旁的一个邻近井（监测井）井底对应储层深度，通过监测（压裂井）裂缝端部岩石的张性破裂和滤失区的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。井下微地震裂缝测试是国际上目前公认的最先进裂缝测试技术， 该技术具有传输速率高、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。

去噪国内外研究现状

最早研究纵横波分离识别问题的是苏联人加尔彼林，他简要叙述了极化滤波的各种方法后，详细阐述了偏振一位置相关分析法；在滤波处理中即要考虑波的传播方向，又要考虑波的偏振，把波传播的视速度滤波和偏振滤波结合起来，进行跟踪分量滤波赵鸿儒、孙进忠、唐文榜等系统论述了偏振滤波的方法。唐建侯等人通过偏振旋转的方法对慢横波进行波场分离的研究；吴律和朱光明也都针对vsp资料，系统阐述了极化滤波及波场分离方法。刘建华和刘福田等人通过奇异矩阵的方法对极化滤波进行系统验证，徐振海等人也通过雷达信号对自适应极化滤波进行了初步的阐述仁。

以上所述极化滤波方法都是基于震源已知及信号比较强的情况下，井中的三分量检波器都可以顺利的校正到同一个方位，极化滤波时通常选择一个固定的方向作为期望滤波方向，很容易的达到提高信噪比的目的；而微地震信号的震源未知，信号能量弱，再加上井中检波器水平分量的随机性，大大的增加了极化滤波的难度期望方向不能为固定方向。

微地震监测是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术，其基础是声发射学和地震学。声发射是指材料内部应变能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象。由于大多数微地震事件持续时间小于1 s，通常微震能量介于里氏- 3到+ 1 级, 越弱的微地震事件,其频率越高，持续时间越短,能量越小,破裂的长度也就越短，其信号很容易受其周围噪声的影响或遮蔽。另一方面在传播当中由于岩石介质吸收以及不同的地质环境,也会使能量受到影响。在确定震源前必须先做滤波处理，以提高地震剖面的信噪比，为后续的工作做准备。常规的滤波处理针对的是反射地震波的处理，并不能很好地适应微地震波的滤波处理要求。

偏振分析的发展历史：地震波场在本质上是不同类型、不同偏振特性的振动相互干涉和叠加的结果。地震波偏振分析的目的就是提取地震波场的空间偏振特性和特征参数。偏振分析又称极化分析，是一种基于波的偏振特性的一种分析方法。目前该方法在地震勘探、光学、电磁学等方面有着广泛的应用并取得了一些研究成果。偏振分析在地震信号处理中的应用始于上个世纪60年代，WHITE和SHIMSHONI等人在天然地震和核爆地震极化研究中采用了垂直分量和水平分量的时间平均矢量积方法，这种方法基于一个观测点的不同震动分量间的相位关系，说明了通过三分量记录从干扰背景中识别有用信号的原理。这种方法保留了质点的线性运动，有效地压制了面波成分，故被称为极化滤波法的模拟方法。

在偏振研究工作的起始阶段，波的偏振主要用于解决VSP勘探中的一些问题，之后逐步应用于地面观测中，并得到了广泛的推广和应用。通过积累的经验证明，地震波的偏振特性可用于各种地震研究，如激发条件的研究、转换波的分离、研究波的速度及介质的各向异性等；尤其在研究复杂结构介质时，地震波偏振提供的价值很大。

由于各种波动在弹性介质中传播时，它们的偏振状态是各异的，如纵波质点的偏振方

向同波的传播方向一致，而横波则垂直于波的传播方向偏振，并且纵波和某些横波分量在一条直线内偏振，属线性偏振，面波及其他一些波则在一个平面内偏振，为平面偏振。地震记录中存在多种类型的波，它们的质点振动轨道表现出不同的特征。偏振分析技术能够定量地表征质点振动轨迹，因此，可利用质点偏振不同的特征(偏振系数，偏振方向，传递函数等)进行压制面波、分离纵波和转换波的极化滤波处理。基于波的偏振特性设计出的极化滤波器可以做到压制面波，分离纵横波从而达到叠前去噪和分量分离的目的。

旋转

微地震裂缝监测是对低渗透油气藏压裂改造中近年来出现的新技术。该技术基本实施方法是在一口压裂井中对目的层进行压裂, 在另一口( 与压裂井) 相邻井中, 用一串三分量检波器接收压裂过程岩石破裂产生的微震信号, 通过对微震信号的处理、反演求取微震震源位置, 进而确定裂缝的空间展布。了解裂缝方位和分布范围将有助于油气开采, 提高采油率。 在微地震三分量资料采集时, 如果检波器垂直分量的方向沿着井轨迹方向, 要获得地震记录真正的垂直分量、径向分量和切向分量, 必须同时对3 个分量进行坐标旋转。在进行微地震监测三分量资料采集时, 检波器水平分量的方向一般是随机的, 检波器垂直分量的方向一般为铅垂向下。在室内资料处理中, 通常首先计算水平分量检波器的方位定向, 再对水平分量实施方位旋转。在斜井中, 如果检波器垂直分量方向沿着井轨迹方向, 要获得地震记录的垂直分量、径向分量和切向分量, 必须对3 个分量进行坐标旋转。研究首先推导出了斜井三分量检波器坐标系与旋转后坐标系之间的关系, 然后针对实际微地震监测资料, 计算了检波器水平分量方位角, 进行了三分量的旋转。

微地震信号通常利用有限的正交非对称的三分量检波器接收, 由于此信号能量弱、信噪比低, 微震记录道数少,震源不确定, 水平分量记录和波的到达方向不一致,致使垂直分量和水平分量监测到的波型难以分离。

与地面三分量地震可以控制检波器方位相比，井中三分量检波器的水平方位是不能控制的，或出于施工成本的考虑而不加以控制，让检波器在井中不同深度随机推靠于不同方位，也就是其，Y分量的方向是旋转变化的，并且无法从仪器上知道记录时检波器的方向，这就为后续的井间不同波场资料分析和成像处理带来困难。如果井径垂直，井下三分量检波器的 分量可以认为是固定的，理想状况下，直达P波是线性偏振的，其偏振方向在连井剖面上。但由于施工过程中井中噪音信号干扰和检波器本身的原因，直达波并不总是表现为线性偏振。 国外经过多年多次试验确立了水力压裂诱生微地震井中监测方法, 我国刚开始应用此项技术,而应用比较多的是在地面进行监测。根据20世纪90年代以来, 应用新设备、新技术获得的典型微地震压裂监测试验成果、井中微地震压裂监测实例及有关的技术试验史料分析认为, 微地震压裂监测应在井中进行。同时还进一步分析了地面监测不到高信噪比、高分辨率、高保真度诱生微地震波的原因, 并建议引进和发展井中微地震压裂监测技术、地面测斜仪压裂监测技术和电位法水力压裂监测技术。

井中微地震监测技术前景看好。石油业界的微震监测技术开展比采矿业晚得多，但却进展快，应用领域广。约20世纪70年代末，井中微地震水力压裂裂缝监测方法的可行性得到了人们的承认，到20世纪80年代中期，井中微地震水力压裂监测成像方法已得到石油工程学家的充分肯定，认为微震监测法可以给出水力压裂裂缝明确的图像，并且比其他各种方法都准确。20世纪80年代末，国外已将微地震监测法视为确定水力压裂裂缝方位和形状的一种重要而实用的方法。1991 年开始以来，人们将微地震水力压裂监测的经验用于油气田开发，即利用采油(气) 、注水、注气、热驱等诱生微地震监测油气田开发过程或有关油田工程活动，解决储层孔隙流体的运动方向和范围。21 世纪初提出的“仪表化油田”的概念，其核心技术之一就是微震监测。主张在大量井中安置永久性多级地震检波器和其他地球物理仪器以及

永久性工程传感器(如压力计、温度计、流速计等)，以便对油气田开发全过程实施微震监测以及实施多种井中和地面的有源地震的重复测量。将有源地震与微地震监测相配合并以油藏工程数据进行标定，对油气田开发动态实施有效的实时监测与管理，其技术潜力和经济效益将是巨大的。

井中微地震微地震技术是通过观测、分析油气生产过程中产生的微小地震事件，来监测生产活动及其对地下造成的各种影响。与其他地震勘探方法不同，微地震测量中震源的位置、发震时间以及震源强度都是未知的，获得这些未知参数就是微地震监测的主要任务。将监测微地震事件的传感器置于井内，就是井中微地震。目前，应用较多、较好的基本上都是井中微地震技术。地面微地震由于浅层吸收强、能量传播路径远等原因，效果难以保证。井中微地震可分为临时性监测与永久性监测两种。前者是为配合某项具体生产任务进行的监测，如储层压裂监测，后者主要用于动态油藏管理等方面。

主要用途，与其他相关方法相比，微地震监测技术的成本较低，而且无任何污染。目前，井中微地震主要用于储层压裂监测与油藏驱动监测等方面。实时井中微地震压裂监测是目前应用最广、效果最好的压裂监测技术之一。利用它，可以及时指导压裂工程进行压裂参数调整；井中微地震油藏驱动监测可以实现对注入流体前缘的三维成像，研究驱动前缘波及状况。此外，井中微地震还可用于断层封堵性研究、地层各向异性研究等。

目前存在的主要技术难点有：１）对接收微地震信号的传感器要求较高，大多数微地震事件的频率范围为２００～１５００Ｈｚ，能量范围为里氏－３～＋１级，持续时间不到１ｓ，要记录这样的信号，必须使用特制的井中检波器；２）微地震震源成像是一种弱信号成像技术，要求有较强的抗噪声能力和有效弱信号保持能力。

初至识别技术

自动化微地震监测技术是一门服务领域和服务前景十分广阔的物探高新技术。微地震监测技术具有成果可靠，并且可实现大范围空间内连续、动态监测等优点。

针对矿山开采而言，微地震检波器所得到的信号具有多样性、突发性和不确定性。微地震信号在传输过程中，除了带有有用的信息外，同时还会夹杂如机械噪音、电磁设备噪音、环境噪音等干扰无用信号，它们具有很大的随机性质，并且微地震信号是微地震震源和传播介质相互作用的结果，传播介质和震源也是复杂的，所以对信号的处理很困难。因此，MS信号的正确识别成为微地震研究的关键，可以说，MS监测技术的发展离不开信号的识别和处理，因此微地震信号分析和识别P波震相等具有重要意义。

精确拾取P波到时对于微地震事件的震源定位和解释震源机制具有重要意义。人工查看震动图和P波到时拾取是非常耗时的，就算是专业人员因为主观介人，在不同时间拾取的P波初至也会不同。目前采用的方法有利用自回归一赤池信息准则（AR-AIC）、通过对波场矢量计算散度与旋度等方法来识别P波、S波震相。本文介绍一种简单、费时短、适合实时处理的算法来识别P波初至，即STA/LTA算法。此算法的原理是利用STA（信号短时平均值）和LTA（信号长时平均值）之比来反映信号振幅或能量的变化。

STA/LTA算法识别P波到时方法介绍：因为微地震事件和背景噪声在振幅特征和频率组成上有很大的不同, 这就为在三分向震动图上识别波到时提供可能微地震事件的特征是明显的初至点、高频和随着时间频率很快衰减, 而背景噪音信号可以从他们的低振幅、低频来

区分进行计算时首先定义特征函数, 本文在长短时窗内信号利用振幅绝对值来刻画微地震事件的特征, 然后利用特征函数滑动长短时窗计算和长时窗平均值刻画了信号背景噪音的变化趋势, 短时窗平均值刻画了微地震信号的振幅能量变化趋势, 当信号到达时, 比变化得快, 相应的值会有一个明显的突跳, 当短时窗平均值与长时窗平均值之比超过用户定义的触发阂值时, 此点被判定为波到时这一刻指示指定的采集通道触发, 在微地震系统中一旦通道被触发, 就认为微地震事件被识别并要求采集仪记录微地震事件, 微地震监测系统也将转到计算震源位置等工作。特征函数的选取直接关系着震相拾取的精度。

等人曾利用地震记录幅值的绝对值作为特征函数,

的具体算法如下

Ｐ波到时在低信噪比地震记录中利用ＳＴＡ／ＬＴＡ 算法难以准确拾取，这给地震波分析、微地震事件精确定位等带来困难。一些背景噪声比较高、信噪比低的弱震，其微弱信号强度往往和噪声水平持平，甚至在信号初始端比背景噪声水平还低，对于这类微地震事件的Ｐ波到时如何提取，是目前从事工程微地震监测工作人员所面对的现实问题。

三分量地震资料包含着丰富的运动学和动力学信息，各种随机噪声的存在严重降低了资料的信噪比，给有效信息的提取带来了一定的困难，因此提高资料的信噪比成为数据处理过程中的重要环节之一，利用速度或偏振滤波来识别震相主要是采用低通滤波、相关滤波和叠加处理等手段。近十多年来发展起来的剪切波分裂震相识别方法大都属于偏振滤波方法，所存在的问题是识别结果对资料窗口长度和信噪比变化比较敏感，另外还会产生同相轴的重叠问题，不能很好地描述地震信号的时变特征。

小波理论是近十年来发展起来的进行时变信号处理的有力工具，已成功应用于信号分析、图象处理及非线性研究等方面。基于小波变换的地震信号频谱细化和以往研究方法相比，在频谱分辨率得到了明显提高．小波分析方法使我们能够达到“既看到森林（信号的概貌），又看到树木（信号的细节）”之目的（张贤达，１９９５）。利用小波分析的多尺度分解及信号消噪技术能较好地解决这一问题。本研究尝试联合小波分解变换与偏振分析方法对实际微地震信号，特别是弱震相微地震信号进行处理研究。