中石油非常规油气微地震监测技术现状Word格式.docx

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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。

据不完全统计，中国页岩气资源量约为１３４×

１０１２ｍ３。

但中国页岩气勘探刚刚起步，对页岩层的渗流机理尚不完全清楚。

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。

３微地震监测技术现状

无论是页岩气还是致密油气的压裂改造效果，以及压裂裂缝的空间展布，均需用有效的方法来评估和确定。

早期一般采用示踪剂、温度测井、大地电位、测斜仪等方法进行压裂评估，由于监测距离有限、精度较低等原因，较少用来进行压裂监测。

示踪剂压裂评估方法只能对井筒附近压裂情况进行观测，不能对压裂效果进行充分评估；

温度测井压裂评估方法只能对压裂裂缝的高度进行估算，而且由于不同岩层的热传导性质不同，所以其监测精度不高；

大地电位可以对裂缝方位、裂缝长度的趋势进行识别，但对压裂改造体积、裂缝高度计算束手无策。

微地震监测技术能够对压裂裂缝方位、倾角、长度、高度、宽度、储层改造体积进行定量计算，近年被大规模应用于非常规油气储层改造压裂监测。

主要有以下作用：

① 

与压裂作业同步，快速监测压裂裂缝的产生，方便现场应用；

② 

实时确定微地震事件发生的位置；

③确定裂缝的高度、长度、倾角及方位；

④直接鉴别超出储层、产层的裂缝过度扩展造成的裂缝网络；

⑤监测压裂裂缝网络的覆盖范围；

⑥实时动态显示裂缝的三维空间展布；

⑦计算储层改造体积；

⑧评价压裂作业效果；

⑨优化压裂方案。

３．１　微地震监测技术概念

微地震监测技术是通过观测、分析由压裂、注水等石油工程作业时导致岩石破裂或错断所产生的微地震信号，监测地下岩石破裂、裂缝空间展布的地球物理技术。

微地震监测技术能够实时监测压裂裂缝的长度、高度、宽度、方位、倾角、储层改造体积等，是目前比较有效、可靠性最高的一种压裂裂缝监测技术。

根据微地震监测仪的布设方式，微地震监测方法可以分为井中监测和地面监测两类。

微地震井中监测是指监测仪器布设在井中，对微地震事件进行监测。

依据监测井的特点，微地震井中监测又可以分为邻井监测和同井监测。

邻井监测是指监测仪器放置在与压裂井邻近的井中进行监测。

邻井监测又包括深井监测和浅井监测。

深井监测是指观测井中的监测仪器距离压裂层段相近深度的监测。

浅井监测是指放置在观测井中的监测仪器距离压裂井压裂层段的垂向距离超过１ｋｍ 

以上的监测。

同井监测是指监测仪器放置在同一口压裂井中的监测。

微地震地面监测是指监测仪器布设在地面，对微地震事件进行监测。

依据监测仪器的布设方式，地面监测又可以分为地面排列观测和地面埋置观测。

３．２　国外微地震监测技术发展现状

１９６２年，微地震监测技术的概念被提出。

１９７３年，微地震监测技术开始应用于地热开发行业。

之后，微地震地面和井中监测开始试验研究。

美国橡树岭国家实验室和桑地亚国家实验室在１９７６年和１９７８年尝试用地面地震观测方式记录水力压裂诱发微震，由于信噪比、处理方法的限制，微地震地面监测试验失败。

与此同时，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开始了井下微震观测研究的现场工作，在Ｆｅｎｔｅｎ山热干岩中进行了３ 

年现场试验，获得大量资料［７］。

１９７８年，Ｈａｒｄｙ等成功地运用声发射技术进行了地下水压裂裂缝的定位。

１９９７年，在ＣｏｔｔｏｎＶａｌｌｅｙ进行了一次大规模综合微地震监测试验，本次试验对将微地震监测引入商业化轨道起了重要作用。

２０００ 

年，微地震监测开始商业化，在美国Ｔｅｘａｓ州ＦｏｒｔＷｏｒｔｈ市的Ｂａｒｎｅｔｔ油田进行了一次成功的水力压裂微地震监测，并对Ｂａｒｎｅｔｔ页岩层内裂缝进行了成像。

２００３年，微地震监测技术全面进入商业化运作阶段，直接推动了美国等国家的页岩气、致密气的勘探开发进程。

通过几十年的发展，国外微地震压裂监测服务公司发展迅速，已经具备了专有技术、软件、设备等一体化的服务能力，并在全球范围进行服务，垄断了高端微地震监测技术服务市场。

目前国外微地震监测服务公司主要有：

①法国Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ公司，现属于ＶＳＦｕｓｉｏｎ公司（ＢＡＫＥＲ 

与ＣＧＶ 

联合控股），在全球范围内提供综合微地震监测，监测服务包括测网设计、短时施工和永久性管理，开发的ＳｍａｒｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ软件包具有远程处理和网络报告的功能；

②美国Ｐｉｎｎａｃｌｅ公司，现属于哈利伯顿公司，能提供现场实时的裂缝和储层、裂缝检测和油藏监测服务；

③加拿大ＥＳＧ 

公司，主要为石油、矿产和工程地质行业的客户提供无源微地震监测服务；

④美国威德福（Ｗｅａｔｈｅｒｆｏｒｄ）公司，主要提供微地震监测永久性井下设备制造、安装和数据采集、实时监测等服务；

⑤斯仑贝谢公司，能够从事井中微地震监测采集、实时监测服务；

⑥ 

美国ＡｐｅｘＨｉｐｉｏｎｔ公司，能够从事浅井和井中微地震监测服务；

⑦美国ＭｉｃｒｏＳｅｉｓｍｉｃ公司，主要从事地面微地震监测服务。

３．３　中国石油集团的微地震监测技术现状

以往中国石油集团的微地震监测技术服务主要依赖与国外公司合作，开展试验性微地震监测项目。

直到２００２年，刘建中等在华北油田京１１断块用地面台站布设方式进行了微地震注水监测试验。

之后，又相继在朝阳沟油田、牙哈气田、鄯善油田、哈得油田、高尚堡油田进行了微地震地面监测试验。

２００４年１０月初，在长庆油田庄１９井区与国外公司合作首次实施了３口井的微地震压裂井中监测。

随后，相继在长庆西峰、姬塬油田、苏里格气田、大庆西斜坡致密油藏、吉林致密油藏、沁水煤层气藏等地区合作实施了超过５０ 

口井的井下微地震监测技术服务，积累了微地震监测的采集施工经验和对微地震监测技术应用效果的感性认识。

２０１０年，中国石油集团加大微地震监测技术的研究力度，针对微地震信号能量弱、微震破裂机制类型多样、微地震波型复杂、微地震震源高精度实时定位等挑战，开展了微地震监测采集处理解释技术攻关，形成了６ 

项微地震监测关键技术，提升了微地震采集、处理、解释一体化技术服务能力。

３．３．１　中国石油集团微地震监测关键技术

（１）微地震监测采集技术。

微地震波场特征、资料品质、定位精度与合理的微地震观测系统密切相关。

微地震观测系统优化涉及震源产生机理、信号接收方式、压裂施工环境等多种因素。

为此，研制了微地震监测可探测距离分析技术、微地震井中监测正演技术、微地震监测地面正演技术、微地震监测观测系统设计技术。

通过应用上述技术，可以根据地质特征、物性参数、压裂参数、检波器灵敏度等数据，设计合理的微地震监测方式、采集参数、监测距离、观测系统等，从而保障微地震监测记录的品质。

微地震监测可探测距离分析技术通过分析震级与监测距离的变化关系、分析不同探测距离能够监测到的震级大小。

微地震井中监测正演技术通过建立井中监测观测系统模拟井中三分量检波器接收的微地震记录，分析微地震井中监测观测系统的合理性。

微地震地面监测正演技术通过建立地面监测观测系统模拟地面检波接收的微地震记录，分析微地震地面监测观测系统的合理性。

（２）微地震资料去噪技术。

微地震事件能量弱，震级一般小于零级，易于被噪声掩盖，因而去噪技术尤为重要。

根据微地震信号与噪声单道与多道特征（如振幅、统计特征、速度特征、相关性等）的差异，研发的微地震资料去噪技术能够实现增强微地震信号能量的目的（。

（３）微地震事件识别技术。

面对压裂监测需要较长时间＞２４ｈ）、不间断监测，有效微地震事件又需要快速识别和拾取等问题，笔者结合微地震直达波与其他噪声在能量、偏振特性、走时等存在区别的特点，研发的多窗能量比法、基于ＡＩＣ（赤池信息准则）理论的初至自动拾取方法，能够快速对微地震事件进行有效识别。

（４）微地震震源定位技术。

现已研制成功纵横波时差法、震源速度联合反演法、四维聚焦定位方法等四种。

通过模型正演和射孔定位的验证，上述方法定位的精度一般小于１０ｍ。

（５）微地震监测裂缝解释技术。

计算压裂裂缝长度、高度、宽度、方位、倾角以及ＳＲＶ（增产处理储集体）等参数，评估压裂效果，为压裂方案设计提供参考。

（６）基于微震信息的井旁裂缝模型建立技术。

依据微地震监测结果提供的井中裂缝分布等信息，建立井旁裂缝模型，并融入到油藏模型，为油藏数值模拟提供更为合理的三维油藏模型。

３．３．２　中国石油集团微地震监测软件系统功能

软件性能是衡量微地震监测能力和水平的标尺。

中国石油集团于２０１２年成功推出了基于Ｇｅｏ-Ｅａｓｔ平台和基于ＧｅｏＭｏｕｎｔａｉｎ平台、具有自主知识产权、具备工业化生产能力的微地震实时监测软件系统，拥有采集设计、处理、解释、油藏建模等一体化服务功能，实现了中国石油集团微地震监测软件从无到有的跨越。

目前该系统拥有５０个模块，主要包括微地震波动方程正演、采集设计、检波器三分量定向、速度校正、偏振分析、事件定位、裂缝解释等功能，涵盖了从采集评估到现场实时处理、裂缝解释、油藏模型分析的整套技术流程，软件界面友好，流程清晰，操作简便。

主要体现在以下６个方面。

（１）采集设计功能。

根据地质特征、压裂参数、物性参数等设计不同采集参数，利用模型正演进行微地震三分量波场模拟，以便分析设计合理的微地震监测方式、采集参数、监测距离、观测系统等。

该软件系统能够同时针对微地震地面监测和微地震井中监测进行采集设计。

（２）检波器定向功能。

为了对微地震井中监测数据精确定位，需要利用射孔记录或者震源激发确定井中检波器的三分量定位。

该软件系统支持井中检波器三分量定位，能够提供直方图法、偏振分析法、极值法等方法对直井、斜井的检波器三分量定向。

（３）速度校正功能。

速度模型的精确与否直接影响微地震的定位精度。

结合射孔记录，软件系统可提供速度校正功能，以保证后续压裂微地震事件定位所需的速度模型。

（４）微地震处理功能。

该系统能够提供实时处理和后处理两种功能。

前者具备实时接收野外仪器传输的数据，并自动寻找和拾取有效微地震事件的初至，自动进行震源定位，其定位精度与国外同类产品相当。

随着后期对地质参数、速度模型的精确了解，软件系统可以选择不同方法提供后期精细处理功能。

（５）微地震解释功能。

能够依据微地震震源分布计算震级大小、压裂裂缝长度、高度、宽度、倾角、倾向、ＳＲＶ 

等参数，分析压裂缝与天然断层、地应力方向关系和井轨迹合理性，评估压裂效果。

（６）油藏模型分析功能。

为了扩展微地震技术的应用范围，该系统还具有油藏模型分析功能，提供压裂后产量预测、压裂后裂缝模型、渗透率模型，为后期油藏建模提供合理模型。

综上所述，该软件系统具有一体化、整体性、灵活性、实时性、交互性等五个主要特点。

一体化。

软件系统具备采集、实时处理、后处理、裂缝解释、油藏模型分析等一体化的微地震监测服务功能，能够提供采集设计、实时处理、实时解释、裂缝成像、压裂效果评估、油藏建模等一体化解决方案。

整体性。

该系统采用了一体化架构，能够同时兼容常规地震资料采集、处理、解释以及三维可视化等功能，便于将微地震事件与三维地震数据进行有机结合，发挥微地震的整体服务功能。

灵活性。

该系统具有高度的灵活性，可针对不同地区、不同观测系统、不同信噪比资料，灵活选择处理模块进行组合，定制合理的处理流程。

实时性。

该系统能够完成与野外仪器车的实时传输对接，自动接收微地震记录，实时、自动拾取有效微地震事件，实时完成微地震震源的反演定位，自动对微地震震源进行三维可视化显示。

交互性。

该系统具备交互操作、ＱＣ 

控制，界面友好，可进行人工干预，有效地保证每个处理环节的质控。

目前，中国石油集团利用自主研发的微震监测软件已完成了页岩气、致密气、致密油、煤层气等领域１００多口井的非常规油气水力压裂井中及地面微地震监测项目。

３．３．３　中国石油集团微地震监测技术服务能力

目前，中国石油集团已拥有１８０级井中三分量检波器，记录主频可达１０００Ｈｚ以上，耐温１５０℃，承压７０ＭＰａ。

随着微地震监测装备实力的增强，中国石油集团井中微地震监测技术服务能力，已能实现从采集设计至数据处理的地面监测技术流程，所积累的丰富数据采集、处理、裂缝解释经验，为推动水力压裂现场实时指导和压裂效果评价，推动非常规油气储层改造技术应用奠定了基础。

中国石油集团将继续完善井中监测，发展地面监测，探索油藏动态监测，从单一的井中监测、地面监测发展到井、地联合立体监测、浅井监测、深浅井联合监测等多种方式，扩大微地震监测技术服务的能力和范围。

３．３．３．１　地面微地震监测

针对地面噪声发育的特点，目前中国石油集团研制了微地震地面监测的去噪方法、地面监测定位方法，能够克服因有效信号被噪声干扰而不能清晰分辨微地震事件等难题，形成了有效的微地震地面监测观测方式。

通过理论、模型正演、实际资料的分析与应用，此微地震地面监测方法是可信的。

随着快速定位方法的研发成功，微地震地面监测方法会大规模推广应用。

３．３．３．２　微地震井中监测

微地震井中监测包括同井监测和邻井监测。

同井监测只能对停泵后产生的裂缝进行监测，这是因为检波器布设在压裂井里，压裂液注入时流体流动的噪声、泵的噪声太强，此时的微震记录信噪比极低，常常不能用于后续的数据处理和解释，故同井监测应用较少。

邻井监测包括深井监测和浅井监测。

目前，中国石油集团广泛应用深井监测，该方法微地震事件清晰，计算结果可靠、稳定。

在勘探阶段，压裂井周围很难有一口距离适中的观测井，如果单独钻探一口观测井，费用太高，限制了深井监测的规模化应用。

目前中国石油广泛应用拉链式压裂作业方式，深井监测的应用将得到进一步拓展。

３．３．３．３　微地震深、浅井联合监测

为了扩大微地震监测技术的应用，结合深井监测和地面监测的优缺点，应用深浅井同时监测方法，即在压裂井附近钻探几百米的浅井作为观测井，与相邻的深井同时监测。

监测结果表明，浅井监测能够监测到微地震事件，监测的压裂裂缝展布与深井监测结果趋势一致，裂缝长度、高度、宽度、ＳＲＶ 

等参数基本一致。

３．３．３．４　微地震多井联合监测

鉴于油田开发阶段的井网密度加大，此时微地震监测可以采用多井联合监测，即在压裂井周围选择合适距离的两口或多口井中布设检波器观测，每口井中布置多级三分量地震检波器。

通常利用三口井以上进行监测，即可扩大微地震观测在水平方向的张角，提高计算精度，以便全面描述压裂裂缝的空间图像。

３．３．４　应用实例

３．３．４．１　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。

Ｙ 

井与压裂井Ｍ 

井井口地面距离约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１５ｍ。

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。

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。

３．３．４．２　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。

从地震预测剖面看，远离Ｑ３直井４００ｍ之外，井两侧油气层发育。

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１ｋｍ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７０°

，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２１ｍ。

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，一方面说明了地震资料油气预测的准确性，另一方面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。

４　中国石油集团微地震监测技术未来发展方向

随着我国非常规油气勘探开发程度的不断深入，对微地震监测技术提出了更高的需求，微地震监测技术将面临着从勘探到开发过程中各个环节不同应用目的的挑战。

勘探阶段的水力压裂监测需要求取裂缝空间展布和岩石物性参数；

开发阶段的水力压裂监测需要提高裂缝监测的精度，为编制开发方案提供依据；

开采阶段需要利用微地震技术监测油藏驱动、水驱及气驱前缘、油藏动态变化。

由此可见，探查对象不同，微地震监测技术面临的挑战也不同。

４．１　地面微地震是勘探阶段水力压裂监测发展的主要方向

在勘探阶段，微地震监测技术能够在水力压裂监测中发挥重要作用。

但由于成本、稀疏的井网间距、地面强噪声、微地震监测方法发展不平衡等因素，勘探阶段的每口井进行有效的微地震压裂监测受到限制，迫切需要发展多种观测方式的微地震监测方法和软件系统。

国外广泛应用的是微地震深井监测和微地震地面监测。

微地震深井监测可以观测到明显的微地震信号，但常常因为无合适距离的监测井以及专门钻探深井监测井成本高等原因，微地震深井监测的规模化应用受到限制。

微地震地面监测施工方便，监测的方位角度大，但监测的微地震信号常常被噪声湮没，利用常规处理解释方法难以见到明显微地震事件，另外震源定位的实时性也难以做到。

近年来，通过微地震地面监测技术的攻关研究，证明地面监测可以得到可信的数据，监测到较大震级的事件，而这些事件也基本上满足裂缝刻画的需求。

更为重要的是，地面监测可以对较大范围的水平井压裂进行监测或对区域内的油田开发或注水过程进行监测，其中的较大事件还可以用来反演震源机制。

如今各大服务公司都在加紧研发地面微地震监测技术，形成了利用ＲＴ２实时连续无线遥测地面地震采集仪器和地面微地震事件监测处理的技术热潮，从而导致地面微地震监测业务量迅速在世界各地大幅度增长。

大量事实表明，地面微地震监测的效果和信息量要优于井中微地震监测的效果。

可以预见，近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的关键技术。

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，发展经济有效、适应不同环境方式的地面微地震监测观测方法和技术，是我们下一步努力的方向。

４．２　井中微地震监测走向精细化

在开发阶段，微地震监测除了能够监测压裂裂缝的空间展布、实时评判压裂效果、指导优化下一步压裂方案外，还能够支撑非常规油气藏提高采收率。

开发阶段的压裂微地震监测结果较多，可以将微地震监测结果延伸为开发服务，例如：

①可以改进压裂作业后三维油藏模拟模型，如渗透率模型等，为油藏数值模拟提供合理三维油藏模拟模型；

提高三维压裂设计的准确性；

③ 

针对特定的区块形成校正后的压裂模型；

④提高压裂后净压力拟合的准确性；

⑤在现场提高压裂再设计的针对性；

改进油藏产量预测和经济优化的准确性。

井中微震监测目前虽然已经实现实时处理，但其精度还有很大的提高空间。

随着仪器数据传输能力的提高，更多的检波器级数会应用到井中监测，多井监测也将成为一种选择。

在这种情况下，应用井下微地震检测数据可以反演破裂的震源机制，得到更为精细可靠的、更多的震源参数。

另外，偏振方向分析和初至拾取等关系到震源定位精度的关键信息，其计算和拾取精度将通过交互分析和迭代求解得到更进一步的提高。

４．３　油藏长期动态监测及永久监测技术将逐步发展起来

随着油田开发的深入，仪表化油田正进入人们的视野，而安置永久检波器对地下流体诱发微震进行监测则是仪表化油田的重要组成部分。

当然，这需要永久埋置检波器的性价比有一个大的提升，即实时数据回收、自动检测事件、免维护、花费低。

在非常规油气开采阶段，油藏驱动是实现油气田稳产高产的重要措施，油藏驱动包括注水、注气等措施，微地震水驱监测和气驱监测是生产动态监测、评估驱替效果的重要技术手段。

我国非常规油气田需要靠注气、注水来保持稳产。

在注水、注气的过程中，引起流体压力前缘的移动和孔隙流体压力的变化，从而诱发微地震事件。

因此开采阶段的油藏驱动监测，也可以通过微地震监测，实现岩石内部流体前缘实时三维成像，提供水动力和地质力学过程的图像。

通过对裂缝成像和驱动前缘波及状况的分析，油藏工程师可以调整和优化开采方案，提高油气采收率和油田整体开发效果。

４．４　井中地面联合监测、主动被动微地震联合观测成为研究热点

联合监测方案永远有它的优势。

目前已有公司通过井中地面联合监测来分析区域内地面监测的可行性。

在新的工区，该技术对于选择最佳观测方式、评估地面监测可行性很有帮助。

另外，主动与被动地震也有其结合点，尤其对于原生裂缝和压裂裂缝的解释将发挥重要作用。

４．５　微地震震源机制研究将成为必然选择