劉建中，唐春華，左建軍

（1.北京科若思技術開發(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)測技術發(fā)展方向，了解微地震監(jiān)測技術應用領域成為需要。需要是技術發(fā)展的最重要的動力，微地震監(jiān)測技術在最近幾年取得了長足進展[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度可以由式（1）估計，依據(jù)古登堡的體波震級理論[2]

可以估算測點微地震幅度

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，測點信號強度越弱。A0是-2級地震在監(jiān)測點的地動位移，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個地震儀直接串接。

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

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，選擇一個最佳的結(jié)合點，也可以提高儀器水平。由式（4）可以計算出

S＜(1-3T/C)×P＜1.88 μV

儀器前端輸入噪音小于1.88 μV，才可以保證每個地震周期采集3個以上的有效點，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，可以進行顯性相關分析，得到可靠的分析結(jié)果。

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

圖2 某油田壓裂監(jiān)測實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)達不到上述指標，則記錄不到清晰的微地震波形，影響記錄、分析的可靠性。作為補救，可以進行隱性相關分析，得到相對可靠的分析結(jié)果。

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

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

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

每增加一個臺站，可以增加2個方程；震源參數(shù)個數(shù)是固定的只有4個：X0、Y0、Z0、T0，3個空間坐標，一個發(fā)震時刻；在水平均勻速度模型的假設下，每一層有2個未知數(shù)，層厚、層速。在監(jiān)測臺站個數(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)測臺站個數(shù)。使用下面公式可以進行震源參數(shù)、速度模型的聯(lián)合反演。如果有20個臺站，可以建立8層水平均勻速度模型。速度模型近于實際，震源參數(shù)也會更可靠。

式（6）～式（8）是進行震源參數(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個臺站的震源地震射線出射角，αmn是相對第m個臺站、第n層地震射線出射角，αm1是一個過渡性待求參數(shù)，計有m個；αmn由式（9）得出；rm是震源相對第m個臺站的水平距離，是由X0、Y0兩個未知數(shù)表示的震源水平位置；t0是發(fā)震時刻，tm是第m個臺站的直達P波到時；V1、V2、…Vn是各層的P波波速。式（6）是路徑方程，有m個；式（7）是走時方程，有m個?？梢杂嬎愠稣鹪磪?shù)，各地層厚度及速度。

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

實際地層不是水平均勻的，層面存在傾斜，這時，每層需要增加2個待求參數(shù)，地層傾角、傾向。傾角、傾向的物理意義是，用一個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)，其計算過程見式（11）

式（11）和式（12）是有傾斜地層的路徑方程、走時方程。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)可由下式計算出

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

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

如果臺站個數(shù)足夠多，可以反演地層結(jié)構(gòu)，代替常規(guī)三維勘探。應該注意的是，用微地震技術做三維勘探，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)測技術進行三維地震勘探，來自地下的信號只有一個單程且較清晰；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)測技術進行三維地震勘探已經(jīng)成為一種潮流，國內(nèi)外均有人進行此項研究，并已經(jīng)取得長足進展。

4 與成熟的地震學理論融合，形成完整的微地震學理論

微地震監(jiān)測技術是一個新興技術，只有借鑒成熟技術，理論才會更完善。引進常規(guī)地震中的應力降、地震矩、震源機制理論，提高了資料解釋水平，豐富、擴大了微地震技術的理論技術，拓展了微地震監(jiān)測技術的應用領域。如用張性、剪性震源機制辨別壓裂施工形成的人工裂縫的有效縫、無效縫，評價壓裂施工水平。張性震源機制標示該微震所在位置的壓裂裂縫是張開型的，多個張開型微地震標示的壓裂裂縫是有效裂縫；剪切型微地震標示該微震所在位置的壓裂裂縫是沿著已有裂縫的錯動，多個剪切型微地震標示的壓裂裂縫是無效裂縫[4]（見圖3、圖4）。用微地震震源機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)被很多應用單位使用。

圖3 某油田微地震監(jiān)測做出的張性震源機制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幅震源機制圖，兩者差別明顯。平面震源機制是用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條弧線把負號、正號的微地震監(jiān)測臺站切分為4個區(qū)，相對2個區(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）。

應力降、地震矩、震源尺度理論也已經(jīng)被引進微地震監(jiān)測技術領域，用以估計震源尺度，地震強度。

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。用地震矩可以估計微地震張開或者錯動的位移幅度，進而判斷壓裂裂縫寬度，是一個評價油田壓裂效果的非常有用的參數(shù)。式（21）中的Δ通常采用圓盤假設去計算，震源半徑可以由式（22）計算

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

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

引進常規(guī)地震勘探的時間偏移、相關疊加理論，提高了監(jiān)測的可靠性，鋪平了進入地震勘探領域的技術基礎。

用12個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，計算出來自空間網(wǎng)格每一個節(jié)點至全部監(jiān)測站的地震波走時，給出來自某一節(jié)點至一指定監(jiān)測站與至其他監(jiān)測站的走時差；監(jiān)測時，把其他臺站的地震記錄做時差矯正后疊加在指定臺站的地震記錄上，若疊加后某一時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)點的地震信號。使用時間偏移、微地震記錄疊加技術，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。如果可以由聲波時差或監(jiān)測射孔獲得速度模型，偏移、疊加技術會取得更好的效果。

5 在礦山、水庫進行危險性預測

常規(guī)地震預報中，以小震報大震是一類常用技術，但經(jīng)常出現(xiàn)失誤。事實上，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，可以進行其他測量，以檢驗發(fā)震趨勢。如小震發(fā)生時，沿斷層某一部分的剪切應力增加，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，需要更小的地震進行危險預報，以微地震進行水庫、礦山危險預報是現(xiàn)實可行的[5]。

微地震數(shù)據(jù)量大，可以進行多種分析[5]。在國外，用微地震技術進行礦山安全性監(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技術，以減少礦難所造成的人類生命和財產(chǎn)損失。

6 結(jié)語

微地震監(jiān)測技術已經(jīng)成為一個有重要應用的前沿技術，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)測臺站個數(shù)無疑是其最重要的兩個發(fā)展方向。前者，可以記到更多、更小的微地震，夯實了微地震監(jiān)測技術的理論基礎。后者，增多了提取微地震信號的機會，得到更多的資料、信息，可以解釋出更多成果，增大了微地震技術的應用前景。引進成熟的地震學理論，可以形成完整的微地震學理論。

在前述發(fā)展基礎上，轉(zhuǎn)而把微地震技術應用于勘探領域，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)實施勘探施工。

微地震震級小、頻度高，隨時可以在任何地點、任何時間取得資料，可以為常規(guī)地震中的小地震進行前期預報，在水庫、礦山安全領域也有廣泛應用。

[1] 劉建中，孫慶友，徐國明，等.油氣田儲層裂縫研究[M] .北京：石油工業(yè)出版社，2007：84-112.

[2] 中國科學院地球物理所.地震學基礎[M] .北京：科學出版社，1976：126-168.

[3] Reginald Hardy H Jr.Acoustic emission/microseismic activity：Principles，techniques and geotechnical applications[M] .1st edition.2003：5.

[4] 郭履燦，趙鳳竹.震級及震源參數(shù)確定[M] .北京：中國科學出版社，1986：3-4.

[5] 劉建中，劉國華.用微地震監(jiān)測結(jié)果預報水庫、礦山有害地震[J] .中國工程科學，2012，14（4）：45-48.