微地震监测(MicroSeismic Monitoring)，也称被动地震(Passive Seismic)，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.在非常规油气地球物理中，指利用水力压裂等石油工程作业时引起地下应力场变化，致使岩层裂缝张开或错动而辐射出微地震波，通过对微地震波进行水力压裂裂缝成像达到对地下压裂裂缝分析的方法.微地震与天然地震具有许多差异(Seth and Michael，2003; Peter，2009)，如表 1所示，主要体现在：1)微地震信号频率往往比天然地震频率高1—3个数量级. 2)石油工程中微地震监测的仪器响应与天然地震仪器响应存在明显差异.例如，天然地震更注重对低频成分的保护，而微地震注重对中高频成分的保护； 3)天然地震接收台站采用地面散点分布的方式，能接收到震源不同传播方向振幅响应，而微地震井中监测采用多级检波器线性地布设于临井，且单口深井监测只能接收到单个方向的能量辐射响应； 4)微地震信号因压裂裂缝尺度小而频率高，信号在地层传播过程中的能量衰减机制复杂，常规的天然地震震级反演难以表征微地震传播能量、频率等信息的微观变化，无法判断微地震信号的衰减程度以及能否被检波器有效地接收.国内外部分学者就微地震监测反演震级进行了应用性分析(Shemeta and Anderson，2010; Eaton et al.，2011; Grob and Baan，2011)，对微地震震级随距离变化关系的正演并未提出有效的方法.尹陈(Yuan et al.，2006; Zhang et al.，2000; Zhang et al.，1999; 孙成禹等，2007; Rahul and Roger，1995; Zhang and Ulrych，2002; Valeri et al.，2004; 尹陈等，2009)等模拟了地震波传播的非弹性衰减特征，但国内外学者针对微地震信号均未从震源机制、传播特征等方面进行系统性研究和模拟，面对微地震有效传播距离区域性评判之类的实际生产问题，往往借鉴于区域经验数据而没有定量分析.经验数据存在地区或工区之间的差别，例如，1)长庆非常规油气藏勘探区域，微地震信号有效传播距离约200~300 m，使得深井监测也面临极大的挑战；2)四川威远—长宁地区的实际监测资料表明，该区激发的微地震信号有效传播距离可达到4000 m，从而使得微地震地面监测在该区存在可实施性，但相同接收线观测的微地震信号仍存在明显的能量变化特征表明微地震信号的模拟尤其复杂.为了保证信号在最大范围被接收，生产中以增加成本(如长排列多道的观测方式)达到降低微地震监测失效的风险.因此，如何合理地估算特定地质背景下微地震信号的最佳观测方位和有效传播距离成为我国压裂微地震监测观测系统设计的最大挑战和技术关键，避免因观测距离和方位估算信息缺失导致无法有效接收到微地震信号而影响压裂的实时指导和效果评估.

表1(Table 1)

表 1 微地震与天然地震的差异 Table 1 The differences of the microseismic and natural earthquake 属性 微地震 天然地震 裂缝尺度 <1 m >10 km 震源机制 张性震源、剪切震源共存 剪切震源为主 能量强弱 震级往往低于-1级 有感震级在3级以上 频率 主频30~200 Hz，甚至达到1000 Hz 低于30 Hz，甚至10-1 Hz的数量级 波型 体波 面波、体波共存 激发类型 人工累积应力的释放 板块间或板块内累积应力的释放 传播距离 往往低于5 km 几百上千公里 观测方式 地表或井中观测 几千公里范围的散点观测

表 1 微地震与天然地震的差异 Table 1 The differences of the microseismic and natural earthquake

基于上述难点和生产需求，本文提出了一种基于震源辐射模式和地层传播特征的微地震相对震级技术.该方法在里氏震级理论的基础上，结合区域储层应力特征、震源辐射模式、地层折射、非弹性衰减、球面扩散等波的传播特性，定量评估微地震波的相对震级与传播距离、传播方向的非线性关系.通过理论模拟及实际微地震监测资料验证，该方法能有效表征微地震信号有效传播距离、传播方位与相对震级的关系，将微地震监测最佳观测距离的经验值和观测方位定量化，为微地震监测观测系统的优化提供数值基础，提高微地震监测在压裂效果评估中的可靠性和成功率. 2 微地震事件震源辐射模式及传播特性

在地球介质中传播的地震波振幅随距离的衰减主要包括两部分：1)地震波传播过程中，由于波阵面的扩大引起单位面积波阵面上波动能量的减小，称为几何扩散，它与介质结构和传播路径有关(Keiiti and Paul，2002; 何登焦，2011).2)介质的非完全弹性和非均匀性，地震波因地壳介质的非均匀性引起的 散射及非弹性衰减(Mitchell，1995; 刘杰等，2003). 2.1 非弹性衰减

当声波在吸收介质中传播时，要经受与频率有 关的衰减以及由频散而引起的相位畸变(Futterman，1962; Wang，2006; Wang et al.，2014)，并最终影响波的频谱分布特征，如式(1).

地震波在传播过程中分为近场和远场(Keiiti and Paul，2002)，对于远场P波，其位移可由式(2)表示：

微地震信号利用直达波进行震源反演，垂直入射界面的地震波在界面处发生反射和透射，透射系数定义为

由地震能量理论(Lynn and Joseph，1968)得出：在远离震源的情况下，压缩波的位移与运动方向可表示为

微地震信号从激发、经地层传播至检波器，主要存在以上四项参数影响，检波器接收的微地震波波形如下：

对式(5)两边取对数，得到

1935年，Charles Richter(Richter，1935)提出地震振幅与震级之间的关系：

式(10)表征了震源处微地震事件相对震级，通过该式可模拟震源辐射空间不同方位微地震波的能量特征.图 1a是Mechanism(strike，dip，rake)=(90，45，60)的震源机制图，即方位角为90°、倾角为45°、滑动角为60°的微裂缝活动能量辐射特征.其中绿色、黑色三角形分别表示P波的正极性和负极性，三角形大小表征P波的振幅大小.

通过图 1的相对震级模拟： 1)在仅考虑微地震波传播特性的VTI地层介质模型下，微地震波能量的衰减以震源为中心的同心圆分布；在远离震源的过程中，因球面扩散、非弹性衰减的影响，能量递减率降低，如图 1b所示.2)若仅考虑辐射模式时，微地震波能量具有极强的方向性，如图 1d出现极强的北北东-南南西向强相对震级分布.3)若同时考虑地层传播效应及辐射模式，微地震波辐射模式的方向性得到一定的减弱，但北东-南西向的强震级趋势仍然存在.尽管辐射模式具有较强的影响，但地层的传播特征对振幅的衰减不容忽视，地层传播特性随着传播距离的增加而明显地影响微地震波的能量特征，如图 1f所示.在深度方向，与图 1(b)、(d)、(f)的趋势类似，在远离震源的情况下微地震波的能量衰减率降低.图 1c中，在球面扩散总体趋势的影响下，相对震级的等值线在VTI地质模型中因非弹性衰减和透射效应而不以同心圆的形式出现.图 1(d—g)中，在不考虑地层传播距离的影响下，震源辐射模式在出射方向震级一致；反之，则出现花瓣式的能量辐射模式，且与传播特性息息相关.

图1

Fig. 1

图 1 既定震源机制的微地震相对震级理论模拟 Fig. 1 The relative magnitude simulation of the specific mechanism

微地震波的相对震级在空间近连续变化，可根据相对震级衰减速率或等值线宽度进行区域的划分.如图 1(f和g)所示：1)在远离震源的过程中，微地震波能量衰减变慢，如相对震级在[-4.5，-4]，等值线宽度约为200 m；在[-5，-4.5]区间，等值线宽度大于500 m，距离震源越远的区域具有更多的优选空间布设检波器.2)震源辐射的方向性使得检波器的布设极其关键，相对震级值大的区域是检波器布设的优选区域，反之则为规避区域，在最大和最小值的区域，相对震级值出现5的差异而导致约10⁵的振幅级差，不合理的检波器布设区域将严重影响微地震监测.3)微地震波在近场的传播过程中，震源的辐射模式和球面扩散对微地震波的能量呈现绝对性优势，层间透射、非弹性衰减在近震源的传播过程中影响较弱；在中远场的传播阶段，微地震波近似地以平面波传播时，透射、散射、非弹性衰减对能量的区域影响则更加明显. 4.2 基于任意震源模型的相对震级理论模拟

上节主要介绍基于剪切源的微地震震源机制模拟，通过输入断层的Mechanism(strike，dip，rake)三个角度达到对剪切源激发的微地震信号模拟的目的.而在实际工程中可能面临多种源，比如膨胀源、压缩源等，对这种复杂震源，虽不能用断层的三个角度进行模拟，但可通过矩张量的9个分量值表征从而达到对激发波相对震级模拟的目的，如图 2所示，彩色等值线图为不同矩张量对应的源在空间的相对震级变化关系俯视图.可见，不同震源类型在空间的能量辐射模式不同，因震源机制是振幅的绝对值，因此，某些源在空间的相对震级变化趋势存在相似性.

图2

Fig. 2

图 2 基于任意源模型的相对震级模拟 Fig. 2 The relative magnitude simulation of the arbitrary source

四川盆地页岩气处于开采开发的初级阶段，探井或开发井井距大，大部分压裂井附近1 km甚至5 km的范围内没有深井用于微地震监测.在压裂作业中，由于压裂液在裂缝或孔隙中的填充，裂缝或孔隙中的应力增加以及液体润滑作用使得微裂缝间的摩擦系数减小而导致微裂缝的破裂或滑动，主要用三个参数表征： 1)滑动角：上覆地层压力大使得地层的垂直应力较大，受压裂液的作用，微裂缝往往沿着微裂缝走向的方向发生滑动，即微裂缝的滑动角通常约为0°.2)方位角：微裂缝的方位角与区域应力有关，往往垂直于地层最小主应力.3)倾角：对于压裂裂缝，受上覆地层压力影响，往往认为压裂裂缝是高角度裂缝，即裂缝的倾角近似为90°. 5.1 相对震级在微地震井中监测观测系统设计及优化中的应用

本项目采用“3口浅井+1口深井”的微地震联合监测方式以评判该水平井的压裂效果，如图 3所示，三口浅井分别标示为Well A，Well B和Well C，位于压裂井水平段上方，每口井深约300 m并布置19级三分量检波器；深井标示为Well D并布置40级三分量检波器.本次监测，深井Well D微地震事件能量最强，资料信噪比最高；A，B，C三口浅井能量较弱，但A井微地震事件能量最弱.根据钻井及成像测井信息，储层内部裂缝走向为N20°W，水力压裂裂缝滑动模式主要为走滑模式，主震源机制约为Mechanism(strike，dip，rake)=(314，90，0).

图3

Fig. 3

图 3 四川某井压裂微地震监测观测系统 (a)俯视图：(b)侧视图. 蓝色三角形为检波器布置位置，红色虚线为作业井 Fig. 3 The MSM observation geometry in Sichuan Shale gas area (a)Plain view; (b)Side view. The blue triangle reprents the sensors and the red dotted line reprents the treatment well

在Mechanism(strike，dip，rake)=(314，90，0)的震源模式下，震源位置X(x，y，z)=(6500，300，-3060)，图 4a是震源上方10 m处X-Y水平方向的相对震级切片，红色三角形为监测井的水平投影，相对震级随传播距离增加而急剧降低，并呈现对称分布.图 4b是过震源坐标在X-Z方向相对震级，红色三角形为监测井在该剖面的投影.由于受震源辐射模式和传播距离的共同影响，相对震级在震源正上方附近出现强低值区.Well D因处于震源辐射强能量区及更近的传播距离，相对震级明显高于A，B，C处.为了更加精细的对比，取A，B，C和D井的检波器所在空间位置的相对震级值Magnitude(A，B，C，D)=(-8.8，-8.2，-8.5，-6.2)，其相对震级差为2.6，值得注意的是0.5的相对震级差将导致约3倍的振幅差异，2倍的相对震级差将导致约100倍的振幅差异，因此，D井记录的微地震事件振幅必然明显强于A，B，C浅井的事件.

图4

Fig. 4

图 4 A区域的微地震监测相对震级分布 (a)相对震级X-Y视图；(b)相对震级X-Z视图. Fig. 4 The relative magnitude distribution of the microseismic in A site (a) The X-Z view of the relative magnitude；(b) The X-Y view of the relative magnitude.

为了与实际监测资料进行精细对比，以某一微地震事件为例.该事件的震源位置X(x，y，z)=(6100，400，-3066)，通过相对震级正演模拟得该事 件的相对震级为Magnitude(A，B，C，D)=(-7.849，-7.985，-8.03，-5.96)，相对震级在D井与三口浅井的差异将导致接近2个数量级的振幅差异；A，B，C三口浅井中，A井相对震级最大，但与B，C井不成数量级的差异.该事件的波形如图 5所示，D井监测的波形能量极强，振幅在X，Y，Z分量与浅井监测呈现出几十上百倍的差异.A，B，C三口浅井振幅差异相对较小，但仍可直观地看出A井较强，B井次之，C井最弱.实际波形振幅与相对震级模拟结果吻合并印证了该方法的有效性.

图5

Fig. 5

图 5 A区域的某微地震事件波形振幅 Fig. 5 The waveform of the MSI event in A area

尽管三口浅井均接收到微弱的微地震信号，但针对该次微地震监测仍存在如下优化措施：结合图 4箭头所示，将A，C两口浅井位置向外拓，将更有利于接收到较强的微地震信号和提高微地震监测的定位精度，降低监测风险.总之，通过本次监测资料及相对震级技术的论证，将为该区后期微地震监测的实施提供更加合理的观测系统. 5.2 压裂裂缝辐射模式对微地震地面监测能量分布的影响

该区井网较稀使得微地震深井监测难以实施，为保证该项目压裂作业的有效评价而采用微地震地面排列的监测方式.通过地应力、钻井等信息，该区的微裂缝破裂主要以Mechanism(strike，dip，rake)=(252，90，0)的震源机制.如图 6，红色线L1—L17为地面检波器接收排列，1)80%检波器所在位置的相对震级差异在1.5的数值范围内(如红色—黄色色标区域所示)，整体分布趋势较为均衡；2)L6—L10线，近排列段相对震级主要分布在红色区域，远排列段相对震级陡降至蓝色区域，与红色区域的相对震级差约为4，必然存在约10⁴的振幅差异；图 7的L6—L10线的监测记录可见，在近排列段微地震事件波形能量明显，而远排列段基本无法探测到微地震事件，与图 6相对震级预测结果完全吻合，例如，图 6的L6对应的相对震级以强-弱的趋势发展，图 7的L6波形显示，从近排列至远排列振幅同样以强-弱的趋势变化，预测结果与实际资料高度吻合.3)结合图 7的微地震事件波形，L1—L5和L11—L17线，在整个监测排列段均能看到明显的微地震事件波形，但每条线的不同段呈现出波形振幅的弱小差异，与图 6预测的相对震级值在每条线的变化趋势一致.

图6

Fig. 6

图 6 长宁某页岩气井压裂微地震地面排列监测相对震级等值线图 Fig. 6 The relative magnitude contour map of the surface MSM in Changning area

图7

Fig. 7

图 7 某微地震事件记录波形 Fig. 17 The recording waveform of theMSI event

该资料表明：用相对震级预测的地表能量分布 特征与实际监测资料的能量分布特征基本一致.然而，通过相对震级资料模拟可见，本次观测方式仍存在有待优化之处：1)L6—L10线的远排列段位于相对震级特低值区，该区域的检波器无法接收到有效的微地震信号，因此，放弃在该区域的检波器布设可节约大量成本；2)在L15—L17—L1的区域中，相对震级值位于红色区域，而实际资料表明该区域能接收到可靠的微地震事件，因此，可在该区域以相同的密度布设检波器测线将更有利于微地震地面监测定位精度的提高，尤其是井场下方压裂区域激发的微地震事件.

1)针对我国非常规油气藏开采开发初期，不同区域储层体现出完全不同的地质和岩石物理特征，基于其他工区统计经验的微地震监测观测距离必然存在较大差异.本文提出的基于微震特性的相对震级技术，将对压裂裂缝破裂机制、地层物性特征等因素制约的微地震观测系统设计提供定性和定量的指导，将为高精度微地震地面、浅井、深井等多种监测方式检波器布设方位和范围提供优选方案.

2)本文的相对震级计算方法，在距离微地震事件位置较近的区域，辐射模式和球面扩散将对能量分布起着决定性作用，辐射模式影响相对震级衰减的方向，球面扩散影响相对震级的径向衰减梯度.在远离震源区域，球面扩散效应减弱，非弹性衰减、透射等效应突显.因此，距离震源位置越远的地方，相对震级衰减梯度更小，而对于地面和浅井监测却具有更为广阔的选址空间.