引言

对地下腔体的稳定性研究，目前国内外主流的技术是地表沉降监测和力学数值模拟^[1-6]，这两种技术都属于间接方式并且具有滞后性。国外曾经利用实时微地震提前3周预测了采卤盐腔的垮塌^[7]，这使得微地震技术在地下腔体监测方面名声鹊起。微地震技术起源于地热开发行业后，引入石油天然气行业进行地下原生裂缝、诱发裂缝几何特性分析及储层有效改造体积估算^[8]。目前雪伏龙(亚太)公司在印尼的Duri、壳牌美国公司在华盛顿、德士古公司在哈萨克斯坦都进行了储气库微地震技术应用研究。新疆呼图壁废弃油气藏储气库利用深浅井结合的井中监测方式连续监测2年进行注采运行过程中断层活化状态研究。金坛储气库前期的微地震监测研究中把检波器放到中心管(直径114.33 mm)中，结果显示三层套管对微地震信号衰减严重，特别是套管之间环空液阻碍了横波传播。研究中检波器直接置于生产套管(直径244.50 mm)中间，从而避免了中间管、中心管、环空液对微地震信号的影响。微地震监测的目的是实时预警盐穴储气库生产过程中天然裂缝活动、腔壁垮塌、顶板破裂信号，进而采取有效措施控制和防范盐腔垮塌^[9-15]，以及对盐穴储气库的生产运行技术参数进行安全稳定性评价。

1 微地震监测采集与处理 1.1 微地震野外采集

监测井A井为盐穴储气库新完钻井，完钻方式为二开裸眼完钻，盐顶埋深982.4 m，钻井生产套管下深998.4 m，为了防止盐层溶蚀，完钻后井筒灌满饱和卤水。目标井B1井为储气库造腔井，完钻采取二开裸眼完钻，盐顶埋深980.6 m，钻井生产套管下深996.8 m，造腔外管下深1 088.7 m，内管下深1 127.0 m，监测时腔顶位于1 087.7 m，腔体体积为2.1$\times 10^4$ m$^3$，距离监测井277.1 m，目标井B2井况类似。目标井C1井为盐穴储气库注采井，完钻采取二开裸眼完钻，盐顶埋深978.6 m，监测时腔体体积11.9$\times 10^4$ m$^3$，腔顶位于1 036.4 m，距离监测井475.4 m。目标井C2、C3、C4、C5、C6气腔情况类似，井位分布见图 2。

微地震监测采集方式分为井中观测、地表观测和设备埋置观测3种方式。地表监测观测系统布置快，水平方向定位分辨率高，利于震源机制研究，缺点是纵向分辨率差，金坛库区600 m埋深附近存在稳定发育的玄武岩屏蔽层，不适合地表观测方式。设备埋置具有丛式井成本低和较高的精度，不足之处是单井成本高，纵向分辨率差。井中观测可以获得高信噪比的微地震有效信号并且具有较高的垂向定位精度，缺点是监测井选取困难和平面监测范围有限。

根据现场条件采取井中观测方式(图 3)，选定12级Maxwave三分量检波器接收，级距10 m，检波器的位置尽量靠近观测目的层段深度，并且为了仪器安全考虑，检波器不能出生产套管进入裸眼段，所以，12级三分量检波器设计位置为870~980 m，仪器采样间隔0.5 ms，记录长度10 s，增益40 dB。

野外采集过程中利用28 t地面可控震源车确定井下三分量检波器的方向，接收地面8个不同位置的激发信号，采集到的可控震源信号波形清晰可见，初至起跳干脆，在震源位置已知的前提下运用地震波传播规律确定三分量检波器的方向。

1.2 微地震数据处理

利用射线追踪和Geiger算法联合定位微地震事件震源位置，采用如下技术路线进行震源定位：(1)利用声波测井和地震层位建立初始速度模型，对地面定位震源信号和地下微地震信号进行联合定位，调整速度模型，获取最终的速度场以满足定位误差在10 m误差内；(2)微地震事件自动筛选、噪声压制、检波器三分量定位及人机交互自动初至拾取；(3)利用P波的极化信息，P波S波的时差联合确定微地震事件位置^[16-20]。

2 微地震事件解释

为期23 d的监测过程中，共监测到419个微地震事件，震级范围为-2.64~-0.35。其中微地震事件主要集中C5、C6两井之间，造腔井B1、B2井也监测到少量微地震信号，6口注采井中没有监测到明显微地震信号。在造腔井B1和B2各监测到16个微地震事件，C5、C6两井之间监测到387个微地震事件，从时间上看微地震事件主要集中在2016年12月17~20日，在19日微地震事件产生最多。

2.1 造腔井微地震信号

造腔井B1井共监测到16个微地震信号(图 6)，震级范围在-2.63~-2.10。微地震事件距离造腔井最远水平距离为40 m，深度在1 038~1 107 m。相关研究表明，微地震震源的辐射模式与横波和纵波振幅比值以及纵波和横波转角频率比值有关(图 7)。造腔井B1的活动产生的破裂大多是剪应力和张应力共同作用的裂缝，其中张应力占主要作用的裂缝较多，一般为张开缝。

微地震事件基本平均出现在各个施工阶段，在12、13日出现较集中，在造腔结束后也有少量微地震事件(图 8)。分析发现，生产工艺参数压力剧烈变化时，微地震事件数量明显增多。

$b$值估计来源于经典地震学。这个方法的基础来源于这些事实：任何一个地震序列的事件发生频率和它们的震级都不是完全杂乱无章、无迹可寻的。与之相反，它们遵循着一个幂定律关系，即古登堡-里克特公式。任何一个地震序列的频率-震级关系可以用式(1)表示^[21]。

$ \lg{{N}}=a-bM $

(1)

式中：$M$—地震震级，无因次；

$N$—大于震级$M$的事件数，个；

$a$—$\lg{N}$与$M$交会图的截距，无因次；

$b$—$\lg{N}$与$M$交会图的线性拟合斜率，无因次。

$b$值分析被应用到微地震监测及描述破裂过程中来，研究显示，人工活动相关事件对应$b$值大约为2或者更高，相关断层事件的$b$值大约为1。更高的$b$值对应更低的应力，$b$值估计可以帮助确定哪些裂缝开启或者闭合。$b$值的增加意味着裂缝开启，下降对应着裂缝闭合。在造腔B1井附近的微地震事件$b$值约为2.8，认为是人工活动产生的微地震事件(图 9)。

2.2 天然裂缝微地震信号

监测过程中在注采井C5井和注采C6井之间监测到大量微地震事件(图 10)，共387个，震级范围在-2.500~-0.585。近天然裂缝区域的活动产生的破裂大多是剪应力和张应力共同作用的裂缝，其中张应力占主要作用的裂缝较多，盐穴注采井之间微地震震源辐射模式见图 11。

该区域微地震事件产生较集中，在16日之后开始出现，主要集中在17~20日(图 12)，其中19日最多，达到83个。微地震事件在井口压力达到最大值时开始出现，并且当井口压力保持在一定数值之上时，微地震事件持续大量出现。盐穴注采井之间微地震事件$b$值为1.2(图 13)。$b$值在1附近，过C5、C6的连井地震剖面显示，目标层段同相轴连续性不好^[22]，推断为小断层或者裂缝导致，综合认为微地震事件是天然裂缝或者断层活动引起的。

3 结语

(1) 在造腔井B1、B2中监测到少量微地震信号，震级范围在-2.630~-2.100，微地震事件基本平均分布在整个监测过程中，在压力变化处和压力达到最大值之后产生较多，由于监测时间较短，造腔井附近接收到微地震事件较少，统计规律并不明显，通过$b$值分析认为微地震事件由人工活动产生。在注采井中并未监测到明显信号，说明造腔阶段井内活动要大于注采气阶段。

(2) 监测过程中注采井C5与C6井之间接收到大量微地震信号，震级范围在-2.500~-0.585，综合三维地震数据和$b$值分析认为是天然裂缝或断层活动所致。

(3) 造腔井造腔层段围岩及注采井之间矿柱的岩体破裂大多是剪应力和张应力共同作用，其中张应力占主要作用的震源辐射较多。

(4) 盐穴储气库造腔井和注采井在监测期内微地震事件较少，说明目前的生产工艺参数满足腔体稳定性要求，建议后续研究中增加监测时间以提高生产参数与微地震事件数量的统计规律；对于注采井之间天然裂缝活动需加强认识，建议增加监测时间以研究天然裂缝活动规律以及其与周围气腔注采气生产活动是否存在内在联系。