0 引言

地下储气库是天然气“产供储销”体系中主要储存方式，主要用于调节冬夏用气峰谷差、应对进口气中断、短缺等突发情况。储气库建设对于完善国家天然气产业、保障国计民生和维护国家能源安全具有十分重要的意义^[1]。油气藏型储气库是利用枯竭油气藏改建而成的地下储气空间，是目前世界范围内最主要储气库类型^[2]。据不完全统计，目前全球油气藏型储气库超过400余座，占地下储气库总数的75%以上^[3]。在中国，油气藏型储气库也是地下储气库建设的首选类型，自2000年首次建成大张坨储气库至2020年底，中国已建成27座储气库，除3座盐穴储气库外，其余均为枯竭油气藏型储气库^[4]。

储气库地质体完整性是制约储气库安全运行的关键因素。储气库一旦泄露，不仅导致储气库报废和天然气损失，而且气库内的天然气可能窜至地面而导致火灾、爆炸，造成环境污染、人员伤亡和经济损失，影响下游用户用气和社会稳定^[5]。谢丽华等^[3]对国外油气藏型储气库事故进行了不完全统计，发现16起储气库事故中与地质体因素相关的有7起，占比43.8%。中国油气藏型储气库地质体具有埋藏深、构造破碎、储层非均质性强^[6]等复杂地质特征，储气地质体面临的风险点多、面广，因此对储气库地质体完整性监测十分重要。

目前，国内主要采用针对温度、压力、流体组分等^[7-10]的常规手段对地质体密封性进行安全监测，常规方式覆盖范围较小、时效性较差，当这些监控参数发生明显变化时，其所反映的问题可能已经达到一定严重程度。微地震监测技术具有覆盖范围广、测量速度快、噪声过滤能力强、定位准确、现场应用方便等特点^[11]，可对储气库运行过程中盖层、断层、储层等地质体活动情况进行实时监测。

在国外，储气库地质体活动微地震监测技术发展较早，且已进行了大量研究及应用。Kraaijpoel等^[12]利用微地震监测技术对荷兰Bergermeer储气库的中间断层活动情况进行了监测；Cesca等^[13]根据微地震事件活动规律分析了储层稳定性及注气施工与周边地震活动相的关性。在中国，虽然储气库微地震监测技术已经趋于成熟，但截至2021年底，油气藏型储气库微地震监测应用开展较少，大多处于前期方案设计论证阶段，目前只有呼图壁储气库建立了微地震监测系统并长期运行^[14]。

本文从微地震监测原理及储气库地质体完整性定义出发，对微地震监测技术在储气库地质体完整性评价中的优势及必要性进行阐述，研究储气库地质体微地震监测资料的处理、解释方法，并以新疆呼图壁储气库为实例，开展微地震监测数据的处理及解释，对呼图壁储气库地质体完整性进行评价。

1 地质体完整性概念及监测的必要性 1.1 储气库地质体完整性概念

地质体^[15]是指不同成因的天然岩石体，通常占有一定的空间、具有特定岩性、可以与围岩相区别的地质产物。储气库地质体是指能够保证储气库正常安全运行的地质结构，是储气库建设运行的关键因素。郑雅丽等^[16]根据中国储气库地质体特点，结合完整性定义明确了储气库地质体完整性概念及基本内涵，认为油气藏型储气库地质体完整性研究对象是储层、断层、盖层、圈闭等，而保证地质体完整性就是保持圈闭有效性、断层稳定性、盖层完整性。

1.2 地质体完整性监测必要性

中国油气藏型储气库地质体条件较复杂，具有埋藏深、构造破碎等特点，导致储气库地质体风险点较多。以常见的断层相关圈闭为例，储气库地质体完整性风险^{[3, 16-17]}主要为：①盖层破裂泄漏；②断层活化泄露；③底层破裂泄露；④圈闭溢出点泄露等(图 1)。

虽然储气库建库初期经过周密的地质密封完整性评价，在建设期也是采用最高安全规格的结构设计和工艺方法，但随着储气库多轮注采运行过程中的交变应力作用或偶遇突发情况(如地震)，储气库地质体在长期服役过程中仍然可能产生圈闭功能失效、岩石破裂等情况，从而导致储气库天然气迁移、泄露等事故发生，因此一定要建立完善的监测系统，保证储气库安全运行。

2 微地震监测技术原理 2.1 储气库微地震监测理论基础

储气库运行过程中注入和采出天然气都会引起岩石局部地应力变化，当岩石应力聚集满足Mohr-Coulomb(莫尔—库伦)准则^[18]时，即岩石剪切面上的剪应力τ足够克服岩石固有剪切强度C和作用于剪切面上摩擦力μσ(μ为岩石内部摩擦系数，σ为作用在岩石上的法向应力)之和时(图 2)

$ \left|\tau \right|=C+\mu \sigma $

(1)

岩石发生破裂。图 2为τ -σ空间的Mohr-Coulomb准则示意图，用于描述材料的强度和破坏特性。其中，σ₁为最大主应力，σ₃为最小主应力，莫尔强度包络线代表材料所能承受的最大正应力与最大剪应力的关系，而莫尔圆是材料各向同性时的破坏模式，2β是指莫尔强度包络线与莫尔圆在它们的交点处的法向线与坐标轴之间的夹角。当莫尔强度包络线与莫尔圆相切时，材料处于破坏状态。

根据内摩擦角φ与摩擦系数μ之间的关系，可以得到

$ \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\varphi =\mu $

(2)

摩擦是一种材料内部的阻力，它的大小与材料间的摩擦系数密切相关，而内摩擦角则是度量材料抵抗破坏的能力的重要指标。通过几何上的角度关系可证明，β与φ之间有一个特定的关系，即

$ \varphi +\frac{\mathrm{\pi }}{2}=2\beta $

(3)

根据此关系，可以通过测定材料的内摩擦角φ估算材料的破坏界限，进而确定材料的强度及破坏特性。

当岩石受力超过其极限强度时，发生破裂活动，激发的弹性波向周围传播。储气库微地震监测就是利用接收注采气过程中岩石破裂所产生的弹性波，对岩石破裂位置、时间、能量等属性参数进行反演，从而及时了解储气库地层活动情况，保障储气库安全运行。

2.2 微地震监测在储气库地质体完整性评价方面的优势

实时性是储气库微地震监测最重要的优势之一。常规监测手段通过监测储层温度、压力、流体组分等参数变化实现储气库完整性监测。当监测参数发生明显变化时，储气库完整性可能已遭破坏。微地震技术可实时监测储层、盖层、断层等地质体活动情况，是储气库地质体活动最直接的监测手段。除此之外，还可根据微地震事件活动规律对可能发生的潜在泄露风险提前预测、预警。

常规监测手段有效监测范围较小，一般只局限在监测点附近，因此需要部署较多监测井才能实现储气库完整性监测，成本较高。微地震监测技术可实现三维空间立体监测(井中监测范围大致为1~2 km，地面监测范围与检波器布设相关)，能同时监测有效监测范围内的断层、储层、盖层等岩石破裂活动，相比于常规监测，微地震监测范围更广、监测信息更丰富。

2.3 储气库微地震监测数据处理方法

微地震监测技术自20世纪40年代发展至今，已逐渐趋于成熟，处理、定位方法^[19-23]种类较多。针对储气库微地震监测具有监测时间长、破裂信号较弱、检波器数量多等特点，本文选取基于能量扫描叠加的定位算法^[24-26]，该算法不用拾取每个微地震事件的P、S波初至，自动化程度较高，更适用于储气库微地震长期监测数据处理。

该方法首先将储气库有效监测区域离散成网格点，然后计算网格点传播到各个检波器的理论旅行时曲线，最后将理论旅行时曲线所对应的实际数据振幅绝对值进行叠加

$ Q({x}_{i}, {y}_{i}, {z}_{i})=\sum\limits_{k=1}^{M}\sum\limits_{j=-N/2}^{N/2}\left|A\left[k, t(k, {x}_{i}, {y}_{i}, {z}_{i})+j\mathrm{\Delta }t\right]\right| $

(4)

式中：$ Q({x}_{i}, {y}_{i}, {z}_{i}) $为通过叠加得到的第i个网格点振幅；$ A(k, t) $为第k个检波器记录在t时刻的振幅；$ t(k, {x}_{i}, {y}_{i}, {z}_{i}) $为第i个网格点到第k个检波器旅行时；Δt为时间采样间隔；M为检波器数量；N为时窗长度。若计算节点为真实微地震震源点则理论走时曲线与实际采集微地震数据同相轴重合，叠加后Q会大幅增加，反之则会减小。因此，当Q大于某一阈值时，认为该节点为真实破裂点。

微地震记录中若存在野值、井筒波等较强干扰时，噪声在叠加后有可能超过阈值而被误认定为是有效信号。为避免此情况发生，可采用：①数据预处理，在进行扫描叠加前对微地震信号进行异常值去除、滤波等处理，去除记录数据中的野值和较强噪声，避免出现误定位现象；②若某些干扰具有一定规律性(如井筒波初至时差一致)，在能量扫描叠加定位后，伪震源位置将会集中在同一位置，针对此类噪声误定位现象，可将该区域微地震信号进行整体去除。无论采用何种方法，定位前都应对微地震信号及噪声类型进行分析，避免误定位现象出现。

3 应用实例 3.1 项目概况

新疆呼图壁储气库构造上位于北天山山前坳陷第三排构造带的东端，整体构造形态为近东西向展布的长轴断背斜，呼图壁断裂将背斜切割为上、下盘两个断背斜；储层为紫泥泉子组二段，岩性主要为细粉砂岩和粉砂岩，埋藏较深，约为3500 m。

储层紫泥泉子组二段直接盖层为上覆地层紫三段泥岩，质地比较纯，分布较稳定，虽然厚度较小，钻遇厚度约为6.84~9.46 m，平均为8.03 m，但埋深大于3000 m，压实程度高，孔隙度、渗透率小，经历了长期的地史时期却未遭到破坏，封闭类型为物性封闭(即毛管压力封闭)，封闭性能强。区域盖层的稳定分布是储气库整体封闭条件好的有力保障。在紫泥泉子组之上发育一套安集海河组灰色、灰绿色泥岩，属于湖相—半深湖相沉积，厚度约为838 m，且全区稳定分布，可以作为本区一套稳定的区域性盖层。

呼图壁储气库含气面积范围内主要发育3条北西—南东向展布、南倾的逆断裂，即呼图壁断裂、呼图壁北断裂及呼001井北断裂，均断穿紫泥泉子组(图 3)。呼图壁断裂是该区最主要的断裂，断穿了安集海河组区域盖层，断距为60~200 m，但由于该断裂为挤压型的逆断层，加之区域盖层厚度大，因此推断该断层在垂向上具备密封作用。同时从生产动态资料上看，工区内所有井在安集海河组上部的地层中均未见油气显示，证明了呼图壁断裂在垂向上是密封的。呼图壁北断裂、呼001井北断裂垂向上均未断穿本区的区域盖层，即安集海河组的泥岩地层，因此断层在垂向上具有密封作用。呼图壁断裂下盘紫二段直接与上盘紫一段对接，测井解释成果分析表明，紫二段储层以细、粉砂岩为主，物性好，而紫一段地层岩性明显变细，以粉砂岩为主，泥质含量增加，物性变差。同时测井解释结果还表明，呼图壁断裂上盘紫泥泉子组泥岩厚度明显大于下盘，而且越靠近断面，泥岩厚度越大，随着上盘泥质含量的增加，断层两侧易于形成砂泥并置局面。因此，从断层两侧岩性对接关系上看，断层侧向上具有一定的密封性。

3.2 微地震监测系统部署

为了保证呼图壁储气库运行过程中地质体完整性，呼图壁储气库自2013年开始建立微地震监测系统对储气库运行过程进行实时监测，截至目前共部署9口微地震监测井(图 3)，其中深度为1500 m的半深监测井三口，每口井置入12个检波器，级间距为50 m；深度为70 m浅监测井六口，每口井置入4个检波器，级间距为15 m。

3.3 微地震数据处理

研究过程中共收集到7口井微地震监测数据，其中1口为半深井(半深井3)，6口为浅井，数据记录期间从2020年9月30日至2020年12月1日，共计两个月。图 4为半深井3及浅井HUWJ3、HUWJ6的典型微地震记录，可以看出：半深井信号质量较好，P、S波初至清晰；浅井信号信噪比较低，井HUWJ3的S波、井HUWJ6的P波无法识别，且井HUWJ3的P波、井HUWJ6的S波只能看出大致区域，无法准确拾取。

速度模型的精度是影响微地震事件定位精度的重要因素之一。在数据处理时，由于缺少射孔信号或主动源信号，因此采用震源速度联合反演方法对速度模型^[27-31]进行优化。图 5为速度曲线优化前、后对比，优化后速度模型更精确，定位精度更高。

由于呼图壁储气库微地震监测时间长，数据量达12 TB，因此本文采用基于能量扫描叠加的定位算法对半深井、浅井监测数据分别进行处理。图 6为半深井3的定位结果，共监测到1059个微地震事件，震级分布范围为-3.09~-1.42。由图可以看出，微地震事件主要集中在三个区域：①浅层0~150 m范围内(绿色圆点)，共监测到274个微地震事件，震级为-2.46~-1.91，初步判定为人工活动所致；②1500 m深度附近(蓝色圆点)，共监测到773个微地震事件，震级为-3.09~-1.82，呈条带状分布，初步认为是小裂缝活动所致；③储层深度附近(红色圆点)，共监测到12个微地震事件，震级为-2.23~-1.42，说明储层相对稳定。图 7为六口浅井监测数据联合定位结果，共监测到117个微地震事件，震级为-2.51~-2.21，深度为0~170 m。根据微地震事件发震时间、空间位置对比分析浅井、半深井浅层活动监测成果，只发现两个微地震事件同时被浅井和半深井成功接收并反演定位。

对比浅井、半深井监测结果发现：①浅井并未监测到深度在1500 m附近及储层附近的微地震事件，可能是微地震信号受低速层吸收衰减及地面噪声的影响，且距浅井检波器较远，因此浅井监测对储层附近的断层、盖层等活动并无明显效果；②浅井在浅地表区域监测到的微地震事件较少且分散，而半深井3在该井西北区域监测到大量浅层事件，浅井对于浅层事件的监测能力不如半深井，主要原因是各个浅井之间距离较远，微地震信号基本无法被两个浅井同时接收，且单井检波器较少，加之低速层和地面噪声的影响，导致浅井微地震信号较弱，可识别的有效信号数量较少。

3.4 综合分析解释

微地震监测技术除了实时提供微地震事件定位结果外，还可与多学科数据进行融合分析，一方面可验证微地震事件监测结果准确性，另一方面还可研究微地震事件诱发因素及活动规律，辅助优化地质模型、优化注采参数，进一步保障储气库安全运行。

在微地震监测过程中绝大多数微地震事件集中在浅地表(0~200 m)及中深层(1500 m)附近，与储气库相关性较弱。将浅层区域微地震事件位置坐标投影到地图上发现，微地震事件聚集区域为高新区，实地探查中发现工厂较多，进一步验证了浅层微地震事件主要由人类活动产生，也客观验证了微地震定位结果的准确性。深度1500 m附近的微地震事件在区域盖层安集海河组泥岩层之上，距储层(3500 m)较远，微地震事件与储气库运行无关，从分布及形态判断为微裂缝活动。

储气库地质体完整性是制约储气库安全运行的关键因素，将微地震事件与储层上、下界面及断层分布进行综合分析发现(图 8)，在储层附近产生的微地震事件主要集中在储层内部，少部分微地震事件发生在储层下部，监测期间储气库盖层较稳定，并未发现明显破裂活动，泄露风险较低；微地震事件与断层位置综合显示分析发现，微地震事件主要分布在主控断层呼图壁断裂与呼001井北断裂之间，部分微地震事件距离断层较近，但微地震事件能量、聚集程度并未明显增加，认为断层处于稳定状态。

综上所述，呼图壁储气库运行过程中地质体的完整性、密封性没有变化。

提取紫二段三维地震相干和曲率属性，对储层内部断层和天然裂缝发育情况进行研究，并结合监测结果分析微地震事件诱发因素。图 9为储层深度附近微地震事件与地震属性匹配分析结果，可看到大部分微地震事件发生在相干、曲率值较大区域即裂缝较发育区域，后续注采、气生产及观测系统优化时应对该区域进行重点监测。

本文监测到的地质体活动较少，并未对微地震事件与周边井注采参数、井底压力等动态数据进行综合分析。在长期监测过程中，可将微地震事件产生时间、震级与注采气量、注气速率、井口压力、井底压力等参数进行综合分析，研究注采施工及压力变化对储气库地质体完整性的影响，并总结分析规律，进一步优化储气库运行参数。

4 结论及建议

从呼图壁储气库微地震事件定位结果可以看出，在监测期间，储层深度附近监测到的微地震事件少、震级较小，且主要集中在储气库内部，表明在研究期间内呼图壁储气库地质体活动较少、较稳定。在与地震相干、曲率属性结合分析时发现，大部分微地震事件主要发生在相干、曲率较大的裂缝较发育区，在后续监测系统优化中应重点考虑。

浅井、半深井微地震数据处理结果表明：半深井微地震监测井在储层附近实际监测微地震最小震级为-2.23级，对于能量较强的断层活动具有较好的监测能力，对于溢出点、流体运移等能量较弱事件的监测能力较差，在后续若有更靠近目的层的监测井，考虑更换，以提高微地震监测能力；由于受浅地表低速层、地面噪声及监测距离的影响，浅井未监测到深度1500 m附近裂缝和储层附近的岩石破裂活动，对储气库地质体活动基本无监测能力，为节约成本，建议取消。

在微地震监测项目实施前，应对微地震部署方案进行系统论证、分析。根据地质条件和监测任务进行区域划分，对于重点监测区域适当增加检波器密度以提高监测能力，对于非重点监测区域可适当减少，在完成监测任务的同时，尽量降低成本。

短期监测只能实时了解监测期间地质体活动情况，但由于缺乏足够数据支撑，难以对微地震事件诱发因素分析、裂缝扩展过程、注采参数优化、地质模型精细刻画等方面进行全面、充分及精细的研究；在储气库长期运行过程中，无法预知风险何时发生。因此，储气库微地震长期动态监测十分必要。