地面微地震压裂监测技术在煤层气开发中的应用

田 峰

(山西省煤炭地质物探测绘院，山西 晋中 030600)

0 引言

煤层气俗称瓦斯，是赋存在煤层中以甲烷为主要成分的烃类气体，是煤层矿藏的主要伴生能源之一。对煤层气的开发利用，既可以变废为宝，最大程度消除煤层开采时的安全隐患，又能为人类社会生产活动提供节能环保的清洁能源。在煤层气的开采过程中，压裂改造是这类储量得以探测及有效开发利用的重要手段。而压裂监测技术能够对压裂效果进行评价，进而优化压裂施工设计方法，改善压裂效果达到增产目的。压裂监测技术主要包括地面微地震、井中微地震、大地电位法、井温、放射性同位素、地面测斜仪及井下测斜仪等方法。其中，地面微地震压裂监测技术由于其施工简单、成本较低、监测方位角度大等特点，既能够解释裂缝的方位、对称性，又可以给出裂缝的长度、高度及规模等要素，故本文主要针对该技术进行论述。

在压裂施工作业的过程中，用于监测微地震信号的检波器布设于地面，在裂缝扩展过程中产生的细微震动传递能量到地面并被检波器接收，通过对这类微地震事件进行相关处理，就能够计算出震源位置，通过研究震源位置的空间分布特征，进而对压裂产生裂缝进行描述，并解释其方位、长、宽、高等参数，这就是地面微地震压裂监测技术。

1 原理

地面微地震监测事件定位主要采用三维网格搜索绝对定位法，基于波形N次根叠加的三维网格点搜索定位技术，具体的原理及算法如下。

其中L为地震波从网格点x到检波器k的射线路径，vj(m,x)为射线路径上的速度，dl(m,x)为沿着射线路径的积分长度。

得到了P、SV和SH记录之后，用N次根叠加的方法计算模型空间内格点X的能量Uj(x,m)，

其中

计算某一格点x的能量时，对所有检波器记录的地震数据求取N次根，并保留正负号，然后根据该格点x到检波器的旅行时对地震数据进行偏移叠加，对叠加后的地震波形在保留正负号的前提下求N次方，得到叠加后的地震波形。最后，对该波形求取包络线，并对时间积分，得到该网格点的总能量值。

计算得到所有格点的总能量之后，求取整个模型空间总能量最大的网格点，该网格点所对应的位置就可能对应一个微地震事件。为了进一步提高微地震识别和定位精度，只选取总能量足够大的格点作为微地震的发生位置。计算所有格点上能量的中位数Mj(x,m)，中位数定义为能量值大于小于Mj(x,m)的格点数目相同的数值。

对于某个时间段，如果能量最大值对应的那个格点位置x距离压裂位置很近，而且这个最大能量值Uj(x,m)大于f乘以中位数Mj(x,m)，则该格点对应于一个可能的微地震事件，其中，f为一系数，根据地质情况决定。

利用已有速度模型对微地震事件做初至正演。在实际压裂过程中，产生的实际微地震事件必然会落入N个小网格中的某一个网格内，即是通过正演初至对实际信号进行拉平，将实际信号拉到最平，叠加能量的正演初至位置必然是微地震事件产生的真实位置。该方法引入了地球物理学的两个假设条件：其一是假设检波器接收地表是水平的，通过高程静校正可满足这一假设条件；其二是假设外界干扰为白噪音信号，白噪音序列期望为零即对噪音叠加其叠加能量为零。地面微地震监测原理示意图如下。

2 数据采集

由于压裂产生的微地震事件信号较弱，能量在传播过程中不断衰减，最终到达地面的微地震信号也就少之又少。若压裂目的层很深，微地震事件就很难被布设在地面的检波器捕捉到，故地面微地震监测一般适用于埋藏相对较浅的压裂目的层[1]。

压裂井场的噪声以典型的面波形式，向四周传播并衰减，一般在距离井场1km范围处消失。故检波器应该布设在距离井场1km以外的区域，这样可以避免井场噪声对有效信号进行干扰。由于微地震信号较弱，震动能量在传递3km后会骤然衰减，故检波器的布设亦不宜超过3km，以保证能够接收到有效信号[2]。

地面微地震监测采用的是基于波形叠加的相干能量定位方法。为了提高解释精度， 在观测系统设计过程中，需充分考虑到成像孔径的大小和穿过成像孔径的接收点密度[3]。 常见的地面微地震压裂监测观测系统一般采用星型观测系统或矩形观测系统，并确保满足定位算法的叠加次数和成像孔径。微地震监测一般采用三分量宽频带检波器。检波器布置具有以下原则：所有检波器应尽量避开干扰源，尽量去除或压制与压裂破裂没有直接关联的干扰信号，避免影响记录质量；所有检波器x分量需统一朝向；检波器应增加与地面的耦合程度，可采取挖坑埋置的方式进行布设，其埋设方式既可以增强对弱信号的捕捉效果又可以有效屏蔽环境噪音。在压裂前30min需进行现场背景噪音监测，监测过程采用实时监测并贯穿压裂工程始末，压裂结束后继续监测30min背景噪声，便于对比分析。

图1 地面微地震监测原理示意图Figure 1 A schematic diagram of surface microseismic monitoring principle

3 数据处理

由于地面监测距离较远，信号较弱，故微地震事件的识别和获取就成为地面监测能否成功的关键，而地面监测主要以人文、环境等干扰因素为主，故经过滤波、去噪等相关处理方法后，微地震事件的识别程度能够有显著提升。

通过对监测数据进行扫描，实时提取有效微地震事件记录，实现微地震地面监测的处理和解释。微地震地面监测数据处理步骤主要包括信号解编、原始资料预处理、微地震事件识别与定位、配置处理参数、质量控制等。

3.1 数据解编

通过对采用GPS受时的检波器进行编排，组合成所有检波器的记录文件，同时将检波器坐标信息写入道头便于后期定位处理。

3.2 预处理

预处理的工作重点主要是噪音衰减、振幅补偿、静校正及矢量合成：微地震信号强度整体较弱，需要较大的增益才能够看到有效波形特征，其噪音主要来源于高频信号，在处理中采用多道能量统计的方法进行噪音衰减，将超过均方根振幅的能量进行衰减，从而对异常振幅进行有效控制；振幅补偿主要通过AGC增益控制的方法进行，使深层能量恢复与浅层能量均衡；静校正是通过高程静校正将所有检波器校正到平均高程上，通过分析对比选取合适的替换速度以满足静校正的需求；矢量合成，首先将x、y分量数据合成至H1分量，H1分量主要为横波信号及微弱的纵波信号，再将H1、z分量数据合成至Hp分量，Hp分量上包含了所有的纵波信息。

3.3 速度建模

精确的速度模型是数据反演和事件定位的基础。一般利用声波测井曲线求取速度的初始模型，由于声波速度同地震波速度之间存在一定的差异，而射孔信号能够对初始速度模型进行修正和优化，故使用压裂钻孔声波测井曲线建立初始速度模型，利用射孔信号进行定位不断调整速度模型，通过多次迭代及多速度模型融合分析获得满足绝大多数有效事件的速度模型的唯一解，优化后的速度模型能够用于进行正演模拟、能量叠加、事件定位等工作[4]。

3.4 微地震事件定位

通过定位处理后，达到理论初至与实际初至基本拟合的目的。利用正演初至对有效信号进行拉平，拉平效果较好且叠加能量较大时，认为利用最终速度模型进行定位的结果准确可靠。在此基础上选取最清晰的微地震事件叠加道作为标准道，通过互相关计算统计每个检波器的剩余时差校正量，并将该校正量应用于每个有效事件中进一步提高事件的定位精度。

3.5 质量控制

对资料预处理及事件定位进行质量控制，确保资料品质及定位的精度。在资料预处理事件识别过程中，受异常振幅干扰影响，识别筛选出的事件也可能存在无效事件，通过人工干预识别再次优选后，对此类无效事件进行剔除，从而对随机噪声进行较好的压制，减小异常振幅对弱信号事件识别、提取及定位带来的影响；从所定位事件记录初至的拟合情况及初至拉平效果来判断定位精度，对于定位准确的事件，其拟合初至与实际初至吻合度较高，而对于定位精度不够的事件记录，其拟合初至与实际初至位置存在差异，需进行重新定位。

4 数据分析

完成对微地震事件的定位，将每个微地震事件的位置与时间进行相关后，得到微地震事件四维立体图。图中可以清晰地看到每个震源点的位置，整个震源点指明了裂缝扩展的方向和高度，颜色表明微地震发生的时间顺序。

图2 微地震事件四维立体图Figure 2 Microseismic event 4D block diagram

对四维立体图在平面上进行投影，可以得到震源位置的俯视图和侧视图。俯视图指明压裂人工裂缝主缝及支缝的方向。侧视图指明压裂裂缝高度及其随长度的变化。

从微地震事件密度体在平面上沿各深度进行切片分析，从平面上看，可获得事件密度在井筒两侧的分布情况，从深度上看，可得出压裂段上、下方的事件密度，并确定微地震事件集中范围。通过各压裂层段微地震响应波及范围与压裂停泵压力进行相关分析，可判断煤层压裂改造效果。

图3 微震源位置俯视图与侧视图Figure 3 Vertical view and lateral view of microseismic source position

图4 压裂井各煤层微地震事件点密度分布图 Figure 4 Coal seam microseismic event points density distribution from fracturing well

图5 压裂井微地震事件密度分布体效果图Figure 5 Microseismic event density distribution effect diagram from fracturing well

根据微地震事件所描述的裂缝网络特征，利用水力压裂裂缝建模技术，构建离散裂缝网络模型，分析裂缝类型及相关性，估算压裂改造体积，计算时把明显远离微地震监测响应事件的孤立点抠除。通过最终计算，可得压裂井改造体积SRV值。

5 结语

利用地面微地震压裂监测技术对压裂井进行的分段多层监测扫描，能够获得改造前、改造中、改造后的储层物性变化信息，通过背景识别、正演计算、滤波处理等综合计算得到人工裂缝走向、长度、高度、SRV等相关信息，为提高压裂改造效果和研究缝控储量提供准确的压裂特征信息。地面微地震压裂监测技术可在强干扰条件下监测以储层压裂时产生的微弱物性变化，在煤层气监测实践中表明，该方法是适用于压裂裂缝监测的一种经济有效切实可行的方法。本技术对裂缝长度及高度的解释采用差值梯度变化进行计算，受地质条件和岩性物质弹性差异等诸多因素影响，其监测精度也会不同，故其成果解释还应结合地质、压裂等相关专业知识进一步进行分析，以求达到最佳效果。