近些年来，水力压裂由于页岩气的勘探开发(常被称为“非常规”-unconventional)成为能源开发领域的一个热点，尽管它在水平井分段压裂等方面有所发展但却并不是一个新的技术.因而，压裂监测也成为当前研发和应用的一个重要方向.与常规勘探相同，地震学方法在压裂监测中成为了主角.由于压裂以及其它油气生产活动诱发的破裂震级一般小于0，故人们将压裂破裂归于微地震(microseismic)；又由于这些破裂是非人工爆炸并同地质构造相关的地下震源，微地震监测也被称为被动地震监测(passive seismic).

本文对近些年微地震压裂监测的主要方法的研发现状从地震学角度做简要的评论，讨论它们观测和处理手段的可行性与局限性.由于地震学是以观测为基础的学科，我们将依据已有观测事实，讨论在观测记录中，特别是在地表布设地震台网时，拾取压裂破裂弹性波到时的可能性.如果可能，从而能够实施震源定位，有哪些限制条件？如果限制条件苛刻，研发并应用微地震监测的途径何在？

欲讨论各种微震压裂监测方法的可行性、局限性、及研发方向，需明确观测的目标特性，即压裂破裂的特性，以及勘探生产的一般监测环境与对压裂监测的常规需求，使讨论评价有章可循.此外，由于各类方法大都涉及到震源定位，必须首先对此作简要说明.这些统称为微震压裂监测的基础知识或研发的背景和动因.

1 讨论微地震压裂监测的几个概念和准则

1.1 震源定位

震源是一个地震事件的发震初始位置和时刻(x₀，y₀，z₀，t₀).若在多个观测点(x_i，y_i，z_i)的振动记录中发现此震源引起的大于背景噪声的振幅，即发现有用信号大于背景噪声信号，或称较高的信噪比(Ratio of signal to noise-S/N)，可确定此震源到达观测点的时刻t_i，即拾取到地震的弹性波到时.据此可反推震源距观测点的距离L_i.若地震波的传播介质是分层均匀的，可以任一L_i为半径做出一个球面；否则，L_i是方向的函数.若有两个不同的观测点，可由两个球面的所有相交点在空间中得到一个圆，震源应在此圆上.当有3个观测点时，可能的震源就缩小到两个点.理论上，4个观测点可定出震源.加上如半空间、监测目标域概略方位和地下速度模型等已知条件，可能3个观测点即可实施震源定位(傅淑芳等，1980；孟晓春，2005).实际上，由于背景噪声及各种误差的干扰，所谓交汇点是一定范围的区域，如天然大地震的震源定位误差可达数千米，而微震监测的误差也有至少一二十米.观测点较多时，所得震源范围就较可靠.

因此，微震监测震源定位的条件是：对至少3个观测点在很接近的时间范围内，如几十至几百毫秒，同时发现S/N>1的较大振幅启动，并能够合理地确定每观测点的t_i和L_i.实际上，S/N通常要达到2或3以上才能够在较小误差范围内合理地确定t_i，因为真正的来震启动可能是非常微小的，可视部分是从背景噪声中逐渐显现出来的.例如，顾忌这种误差带来的不可靠性，Birkelo等(2012)仅用了S/N≥8的数据实施定位.

因其它微震监测数据处理手段的输出也是某种“定位”，我们称上述定义为传统或常规定位(traditional or conventional location)，而其它的“定位”则具体说明其物理意义.传统震源定位的完整概念应当是确定(x₀，y₀，z₀，t₀，M)，这里M是地震震级，或换成能量E；没有M的定位是不完整的，仅使用时空坐标对任何目标实施解释，意义有限.

1.2 压裂破裂的重要特性

压裂破裂至少有两个重要特性.首先，压裂裂缝是由千百个微小破裂组成的.这可以由破裂事件的E或M以及数量得知(梁兵和朱广生，2004；Shapiro，2008；Maxwell，2014).只要能够传统定位，M的测定原则上与观测距离无关(Kasahara，1981).图 1示意了小微地震的观测震级范围.

图 1

Fig. 1

图 1(a)压裂监测的震级大小示意;(b)单台地表观测压裂破裂信号淹没在背景噪声中示意.Fig. 1(a)The range of small- and micro-seismic magnitudes;(b)The seismic records of a 3C station with a S/N smaller than 1.

例如，梁兵与朱广生(2004)总结了2004年前很多井下邻近观测的压裂破裂事件的震级，结论为一般情况下，M≤0；Baig等(2012)则在一个大型水平井的几周内分段压裂观测中，同时使用地面大规模检波器阵列和井下邻近观测，总结分析了约1400个经传统定位得到的震源，这些事件的震级很明显的分裂为M=0的上下两组：M<0的均为压裂点附近可能同压裂裂缝相关的事件，均由井中邻近观测定位；而M>0的很可能均为压裂等生产触发的同压裂裂缝不连通的较远处的事件，由地面大规模检波器阵列定位.我们调研得到的观测证据是，在地表布设台站，一般不能直接看到凸显的压裂破裂的波形(S/N≤1)；即使一些人在地表使用了几万个检波器，经复杂处理，也仅有不足一成的压裂监测 使用部分观测点可实施传统定位，且压裂深度均小于2700 m(2011年SEG[The Society of Exploration Geophysicists]年会；2013年1月SEG 微震监测技术论坛[Microseismic Technology Forum]).我们在近些年使用地表地震台阵对约200口井的压裂监测中，能在几个台看到凸显的到时波形的最小地下微震也是M>0，经传统定位后，知道它们很可能是与压裂裂缝不连通的较远处的地震.

有人报告了压裂破裂的最大M=0.5(Warpinski，2014 )，甚至压裂诱发的地震M=2.8(Holl and A，2012)，这应属极个别现象；此外，在定位过程中使用不同的M定义可能造成直至一级的差别.但这些均不能改变压裂裂缝是由千百个微小破裂组成的结论.

压裂破裂的第二个特性是，绝大多数压裂破裂是剪切破裂或具有剪切破裂成分.在井下邻近观测中，可以很清楚地看到横波(S)信号(梁兵和朱广生，2004；Shapiro，2008；Maxwell，2014)；与纵波(P)相比，它们振幅大，频率低，这是典型的剪切特性的记录(Aki and Richards， 1980；Bullen and Bolt，1985；孟晓春，2005).

第一个特性的原因是明显的.因为压裂过程是在几十分钟到几个小时内，自裂缝开裂，将总液量逐步地压入井筒中；而泵入的总能量却不是一次释放的，压裂裂缝的形成总是一个不断积累能量并间歇释放或破裂间歇地扩展连通的过程，加之滤失和原有断层裂隙的负功作用，一般较多能量不大可能积累起来形成少数较大破裂.对于第二个特性的原因，简单地说，只要应力场的三个主压应力大小不等，例如简单的重力作用下引起的应力场，就存在非0剪应力(Jaeger and Cook，1979)，从而剪切破裂就是不可避免的；特别是在脱离压裂点半米至几米的短距离外，剪切破裂或具有剪切破裂成分就一定存在，甚至可能超过张破裂占主导地位.

不明确压裂破裂的特性，任何监测原理、方法、及数据处理解释就可能得到错误的结果.

1.3 对压裂监测的其它要求

除了明确压裂破裂的特性外，任何地震压裂监测方法也 应满足生产服务或应用的要求，至少应满足一定条件下的基本要求.否则，这个方法就是不可行、或有限可行的.根据我们近些年来的监测实践和调研，油田和监测环境通常要求：

1)原理正确且可行可靠.监测原理应考虑到上述压裂破裂特性.原理正确也不一定可行，如：由于背景噪声强造成S/N≤1，从而传统定位方法失效；在地表监测距离井口较近，如小于1 km，观测到的实为压裂泵车群的强大振动或受其影响较大；井中邻近监测时，监测井距压裂点太远，以至于不得不放弃很多小微震的定位.即使原理正确且可行，若在数据采集、处理、或解释任一环节缺乏技术保障和监管，亦可能是不可靠的.

2)可接受的精度.若一个压裂总效应裂缝长度为百米至数百米，监测到的每一破裂点或破裂能量释放点的空间误差范围应比裂缝总长度至少小一个数量级.使用所谓相对真实裂缝的方位和长度的百分比来描述监测误差(悖论)，或要求精度达到几米内或更小等，是不现实的.

3)适合复杂地貌.此点单独列出，是因为很多监测文献和报告从不给出当地地貌环境，也不知道他们在布台和处理中是否考虑了此点，而处理结果有时受此影响极大；比如山区高差可达数百米.

4)性价比高.如监测费用较压裂的应至少小1个数量级.

5)无或较少特殊条件限制.如停产、需额外的一到几口监测井、大规模占地等等，均为特殊条件.

6)可随压裂迅速施工，成为日常手段.如监测台网布设时间不应高于压裂的1~2小时的一个数量级.

7)实时或近实时处理解释，特别对分段压裂.

上述要求中，前三个条件为一个方法是否可行的必要条件.条件(4)~(7)是油田或任何方法的常规需求，这些对于一个方法的可应用性也很重要. 2 微地震压裂监测的主要文献

微震监测文献最集中的刊物当属SEG的协会期刊—The Leading Edge.除分散的有关文章外，最近几年仅每次密集集中发表 8-12篇文章的专栏就有3次：

Special Section：Microseismic， 2010，Vol.29，No.3;

Special Section：Passive seismic and microseismic—Part 1，2012，Vol.31，No.11;

Special Section：Passive seismic and microseismic—Part 2，2012，Vol.31，No.12.

其次，EAGE(European Association of Geoscientists and Engineers)的会刊—First Break，也有类似的专栏，每次4~6篇文章不等：

Special Topic：Passiveseismic， 2012，Vol.30，Issue 7;

Special Topic：Passive seismic， 2013，Vol.31，Issue 7;

Special Topic：Passiveseismic， 2014，Vol.32，Issue 7.

此外，在近些年各种国际石油勘探、工程、及地质会议中，有关微震监测的演讲和展示的数量越来越多，相应的，它们占总的演讲展示数量的比重也越来越大，有的可达近1/10.读者可从重要国际会议文献中查阅.

2014年8月，SEG在美北卡莱罗纳州举办第1届国际微震监测技术研讨会(SEG 1st International Microseismic Technology Workshop)，由于参会人数较多，首次以数据采集、数据处理、解释、应用实例、环境等分类形式征集发言.事实上，SEG的此类研讨会近些年每年均有一二次，仅是未正式标明届数而已.EAGE的被动地震监测研讨会2014年将举办到第5届.这类研讨会的缺憾是没有任何正式纸质或电子版的记录供参阅(但有些期刊允许引用标题)，全靠参会人的记录和研讨记忆，但可反映最新的研发动态.由此形成了微震监测的专门技术分支和一批微地震学家.

在国内外出版的微震监测的综述文献中，最好的是《油气田勘探开发中的微震监测方法》(梁兵和朱广生，2004)，和《Microseismic imaging of hydroaulic fracturing:Improved Engineering of unconventional shale reservoirs》(Maxwell，2014).它们详细地回顾总结了直到出版年份，主要是井中邻近微震监测的研究和应用情况.限于篇幅，本文就某种方法或结论引用的一般为代表性文献，读者可扩大范围查阅.

国外文献的作者较多的是地震学家，包括勘探和天然地震学家，不仅研究应用，不少人也在研发观测和处理方法，细致到各种微震参数的确定、对同一事件的不同观测手段的记录比较、误差或不确定性的分析，并同压裂工程、地质学、力学、统计学等紧密结合，等等.国内外部分人的工作仅围绕着应用过程，对方法本身与可行性交代不够，或虽然交代了方法，但简单照搬勘探或天然地震学的已有方法，有时不清楚他们的结果的可靠性.

3 当前微地震压裂监测的方法

目前微地震监测目标多为压裂破裂，也有日常生产的注气注水等诱发的地震，但通常均是微破裂.可以按野外数据采集或监测台网、处理输出、以及优缺点(局限性)等分类简列出各种微震监测方法如表 1.

表 1(Table 1)

表 1 微地震压裂监测的方法 Table 1 Basic List of microseismic detections for hydro-fracturing 方法名称或主要代表 监测台网 处理输出 优缺点 Shapiro，2008; Maxwell，2014 1或3分量检波器井中阵 传统定位(x0，y0，z0，t0，M) 精度较高.成本高，限制条件多 Eisner et al., 2010 地表大规模阵列，垂直单分量检波器 传统定位(x0，y0，z0，t0，M，m)偏移或叠加-破裂释放能量分布(x0，y0，z0，t0，E，m) 精度可接受.成本高，限制条件多 “人工裂缝监测” 4~6个垂直单分量检波器地表分布 传统定位(x0，y0，z0，t0) (见文内讨论) 微破裂向量扫描.沈琛等，2009 ≥25个3分量地表离散安静点分布 偏移或叠加-破裂释放能量分布(x0，y0，z0，t0，E，m) 精度可接受.成本低，施工简单

表 1 微地震压裂监测的方法 Table 1 List of microseismic detections for hydro-fracturing

表 1中，(x₀，y₀，z₀，t₀)为震源；M为震级；m为震源机制，即破裂或破裂域是走滑断层、正断层、还是逆断层的破裂机制；E为破裂能量.需要说明的是：

1)传统定位的震源实为初始破裂点，原则上不能代表一个地震的全部破裂面积或体积；但对压裂监测的微小地震而言，若其破裂面积或体积仅在几到几十米内(Maxwell，2014)，和震源定位误差相当，可认为此时的(x₀，y₀，z₀，t₀)、E、与M为描述破裂的位置及规模的参数.

2)发震时刻t₀在偏移或叠加中表示一个小的时段，依计算能力和方法而定，如可以小到秒.

3)“人工裂缝监测”的优缺点留空，待后续文章.以下按方法分别讨论.

值得一提的是，有些研发者将类似扫描或偏移成像同传 统定位相结合，例如王晨龙等人(2013)的工作，用以应对S/N较低时的情形.这无疑拓延了传统定位的应用范围，但归根到底是属于传统定位，且一般在处理时附加了诸多限制或选择参数.

3.1 井中邻近压裂点观测

井中邻近压裂点观测是将一列(通常数个至数十个)检波器置于邻近压裂点附近的观测井中，通常使用传统定位，基于M大小和震源分布解释压裂裂缝4D分布(图 2).因检波器阵距压裂点距离近，信噪比高，这应是目前最可靠的方法.若处理方法得当，处理人员水平高和经验丰富，据称最好精度可达4±2 m(Rutledge and Phillips， 2003).

图 2

Fig. 2

图 2 井中邻近压裂点观测示意Fig. 2 Down-hole detection for hydro-fracturing

此法的局限性分列如下：

1)检波器阵的几何分布被限制在监测井轨迹的线段范围内.按照对传统定位的描述，这种阵列堆在一起或在一条线上，显然是一个通常在平面上也不能包围覆盖目标区的观测网.故台网几何会引起一定误差(Havskov and Alguacil， 2007).当然，这种观测台站的分布不大可能获得震源机制解，因要获得此解需确定弹性波自震源向各个方向传播的初动极性(Kasahara，1981).

2)传统定位要求较高的S/N值.由于邻近压裂井，高压流体通过压裂井可能是一个噪声源;另外，压裂通常会触发周边甚至几百至几千米远处的地震(Baig et al., 2012)，这些与压裂裂缝不连通的地震成为一强噪声源.一些文献研究了使用单观测井定位的误差，很明显，此时定位误差随震源距检波器阵列的距离渐远而逐渐增大(Kidney et al., 2010；Maxwell，2014).因而，必定有一个距离，在此之外使得S/N小到拾取有用的弹性波到时成为不可能.由于应用者大都不谈此局限性，据Kidney 等(2010)、Maxwell(2014)、从井中监测文献中震源定位的分布、和我们的调研询问，这个距离大 致是300~500 m.有人表示他的记录显示过此距离可达1 km(SEG 1st International Microseismic Technology Workshop，2014)，若属实应为极个别现象.这是由特殊噪声源和井距引起的局限性.

3)必须有邻近监测井的存在.

4)成本高昂.这是由于可能涉及监测井的停产、安放检波器阵施工复杂且时间长、井下设备昂贵、处理数据时需事先调整检波器记录方位使之对准北、东、和垂直3个方向，等等.故一个压裂段的监测成本可能同压裂本身的相当.此类文献作者大都不谈成本问题(Maxwell and Deere. 2010，专题评述).使用两口以上的监测井会改善监测条件，当然成本更高.

故此法只能被使用于非常重要的极个别的压裂井监测、作为科研项目、和检验其它方法的手段，一般不大可能用作为日常应用.

3.2 地表大规模阵列

简单地说，此法就是将地震勘探中的大规模阵列式布设台站与基本数据处理手段移植到压裂监测中来(图 3).布设点常达到几百个，每点又由十几到几十个单垂直向子检波器阵组成，故检波器总数可以万至数万计(Eisner et al., 2010; Chambers et al., 2008).此时，使用3分量检波器的情形极少.与其它微震监测方法比，检波器数量巨大是明显优势；与地震勘探相比，一个重要的差别是观测目标由反射点(2倍传播路径)变为了辐射直达波或绕射波的压裂破裂点.

图 3

Fig. 3

图 3 地表大规模阵列观测示意Fig. 3 Detection of large scale array like exploration for hydro-fracturing

一种数据处理手段是传统定位，以便得到震源点的分布，为解释压裂裂缝的几何提供基础.另一种处理手段见Semblance叠加(Sheriff，1991)公式

这样大规模地在地表使用地震台阵实施观测，当然是地震学家求之不得的.但我们不得不对这两种数据处理方法的合理与可行与否进行讨论.首先，使用传统定位，由上节的井中邻近观测讨论知道，对于单个检波器，一般超过几百米拾取震源的弹性波到时就不可能.在地表使用地震台阵实施观测时，由于压裂点位于地下几百到几千米，通常单个检波器是无法拾取这个到时的.每个观测点子阵的叠加不大可能改变这一结论，因为增强有用信号的同时，由于子阵的范围很小，环境背景随机噪声也类似的得到增强.故不得不在一定的较大范围内实施叠加，以压制背景噪声，凸显出有用的到时信号.例如，Jánsky等(2013)的调研指出，要达到可靠拾取到时的目的，常要使用千到万个检波器的记录实施叠加.然而，即使如此，也只有不足一成的的压裂监测中使用部分台点可实施传统定位，且压裂深度在2700 m内(2011年SEG年会；2013年1月SEG 微震监测技术论坛[Microseismic Technology Forum]).个别人显示他发现过未经叠加即可拾取到时的地表记录(SEG 1st International Microseismic Technology Workshop，2014)，但未经定位，无法说明这是压裂破裂.事实上，只要观测域非常安静，单台也能观测到0级以下微震(Archambeau，路易安娜油田地震监测报告.TRAC，1994)，但这不是一般的勘探生产观测环境.

其次，公式(1)的使用仅对人工爆破震源是有效的.Chambers等(2008)对射孔监测的工作是一个典型的成功实验；其中有两个重要结论：一是爆炸与井壁耦合好坏对能否观测到震源可能影响极大，当然我们可以联想到检波器与大地耦合的好坏有同样作用；二是他们的输出分析对地面观测的水平与垂直向误差的定量确定亦有重要贡献.然而，对于具有剪切性质成分的压裂破裂，公式(1)原则上无效，不要说3分量的记录，即使是垂直单分量，由于剪切错动导致地面的各观测点可能受到向上推或向下拉的不同极性记录(Aki and Richards， 1980； Kasahara，1981)，如对走滑破裂，这样的叠加原则上可能导致近于0的能量分布.

现将此法的目前应用的局限性归纳如下：

1)只有不足一成的此类压裂监测中可对部分台点实施传统定位，且压裂深度在3000 m内.

2)即使使用叠加公式(1)，目前一般这类不考虑压裂破裂的剪切性质的处理，可能导致错误的能量分布.

3)无论是否考虑剪切特性，这种叠加或偏移的计算量极大.

4)由于简单机械地移植勘探大规模布设阵列，无论如何处理，实际上受油田地面噪声干扰极大，从而导致大批的台点作废(Eisner et al., 2010).事实上，有少数人已注意到这一局限性，开始改变均匀布设为在一定地域有选择的布设大规模台阵(SEG 1st International Microseismic Technology Workshop，2014).如同井中邻近观测一样，此法的成本也是同压裂本身相当的，且施工时间很长，或需投入很大的施工力量.

5)简单地使用常规勘探中的检波器而不是研发宽频微震监测专用仪器也是一个缺陷.因一般常规勘探的检波器的低频端是10 Hz，而压裂微破裂能量到达地表时，高频成分已基本被地层吸收殆尽.据我们的经验，地表记录的高频(如>35 Hz)能量，基本上来自地面噪声.在较安静的观测点，随机噪声加上可能的有用信号的主频范围约在7~35 Hz之间.

因此，如同井中邻近观测，此法只能被使用于非常重要的极个别的压裂井监测，或作为少数科研项目，一般人不可能用其作为日常手段.当然，实施压裂监测时，若使用公式(1)，应当纠正叠加原理中不考虑剪切特性以及检波器的低频端缺陷.

3.3 “人工裂缝监测”

“人工裂缝监测”为仅使用几个单分量检波器在地表监测、又实施传统定位手段的一类方法的代名词.无论有人将检波器数扩展到几十到几百，或将台站固定在压裂井附近的几个井口，或将这些检波器埋入地下十几米，或对数据如何进行复杂处理，还是使用3分量的仪器，均不可能改变其本质.在表 1中没有列出其优缺点，这是由于它的原理和可行性的问题，原本不应成为一种可能应用的独立方法.然而，由于其在国内业界内(国外多年来未发现类似方法)长期且广泛地被应用，我们不得不单列一节讨论它.读者使用“人工裂缝监测”可查阅到此类文献.

此法的原理是

根据下列事实和理由，我们来判断这个方法的可行性：

1)在上文中，我们已知压裂破裂是由千百个微小破裂组成的.由井中邻近观测的大量事实知道，传统定位误差随震源距井中的检波器阵列的距离逐渐增大，当此距离达到300~500 m时，使得信噪比小到拾取震源的弹性波到时成为不可能；而压裂点距地表通常为几百到几千米；

2)由地表大规模阵列监测的观测事实知道，只有不足一成的的此类压裂监测经对部分台点以千至万计的点记录叠加处理可实施传统定位，且压裂深度在3000 m内，千以内的检波器阵一般不可能拾取压裂破裂的到时，从而实施传统定位；

3)我们在地表使用几十个台点监测的多年实践中，没有发现经传统定位确定与压裂裂缝可能连通的微震事件.

4)公式(2)设整个地下速度值分布为常数V，来代替自地表约1 km/s到几千米深度的3~5 km/s的速度分布，表明假设地震射线是直线，而不去做常规地震数据处理必做的构造3D速度模型和每对台站-震源的高度非线性的射线追踪.这已不是简单的可允许的误差了.

5)这几个台站的位置未经定量地确保是处在安静点上，很难说它们主要记录的是压裂泵车的振动还是油田浅近地表的其它什么噪声.

因而可以结论，“人工裂缝监测”一般是不可能或不可行的.

3.4 微破裂向量扫描

在以上章节中，我们根据观测事实及调研，说明了压裂破裂的特性和研发监测方法的条件，讨论了表 1中，除微破裂向量扫描(VS)外，列出的各种方法的可行性和局限性.似乎没有哪种方法能够满足所列全部要求.对此，我们不得不依据这些特性及要求，首先改变传统定位的思路，并综合勘探地震学和天然地震学中各种手段的优点，通过大量的试验，逐一克服观测仪器、野外台网布设、数据处理、和解释中的各个难点，寻找可行性的规律.这就导致了VS的产生.

目前较有代表性的有几家：沈琛等，2009；Duncan，2005；与Geiser et al., 2012.没有发现Duncan等的初期扫描方法在近几年有所发展，而是转向大规模阵列和井中邻近监测；Geiser等的工作要使用根据破裂面积等不确定性较大的地震参数实施叠加，且无法从其文章内肯定他们的台网是否使用了3分量的地震仪及其数量；即目前不能确定他们是否使用了向量叠加.有一些人也宣布是使用向量扫描方法，但仅从野外数据采集即可知他们的台站分布和数据质量远远不可能达到获得有效裂缝影像的要求，更不用说讨论其数据处理和解释了(见下文).我们在本节中仅简要介绍前者.对微破裂向量扫描详细的研发和应用，特别是近两年的进展，本节以下若非特殊情形，请见文献：沈琛等，2009；Ma et al., 2012;王磊等，2012；Ren et al., 2014.

3.4.1 研发目标和原理

研发目标是：微破裂向量扫描技术是一种专门针对微小破裂、三分量地表观测、稀疏布设台网、实时监测并4D处理解释、且考虑了压裂破裂多有剪切破裂特性的地震学监测方法.它扩展了传统定位方法，能够在地表快速施工并“看到”(定位)压裂破裂，性价比高，可成为伴随压裂的日常监测手段.

适合地表观测的低S/N的数据处理公式(1)被改造发展为

一般的扫描包括P、S、S_v、和S_h等四种波型的分别输出.其中，S_v和S_h均为垂直于射线方向的S波振动；S_v在射线所在平面内；S_h在垂直于射线平面的平面内；S为S_v和S_h两种波型的合成(Aki and Richards， 1980).因S波振幅较大，一般从三种S波中选择优者.所谓选择“优者”、(3)式中W_i的贡献、以及各台记录相关性的物理意义，均是对叠加效应在稳定压裂点附近的高能量分布图形和压制残余干扰而言.

3.4.2 野外数据采集

野外数据采集(图 4)涉及到专用微震台站、台网布设原则、台站数量的估计、以及台站是否置于“安静”点的标准等一系列细节.

图 4

Fig. 4

图 4 微破裂向量扫描观测系统示意(Ren et al., 2014)Fig. 4 Special instruments，seismic network，survey design， and people for data acquisition in the vector scanning(Ren et al., 2014)

专用微震台站应且已达到下列要求(Ren et al., 2014)：

1)台站质量：三分量;布设不受地形限制，各台独立地直接受GPS授时定位指挥;使用螺旋状的检波器，以便同大地高度耦合；在十几平方千米的面积内使用背景噪声探测仪定出安静点后，能在地表浅层几小时内快速稀疏布设至少25台微震仪；记录仪和检波器参数，包括小样点间隔和宽频，适合微震监测；能够迅速大批量地不受地形限制地将数据通过无线传输到异地处理解释中心，等等.

2)台网布设：尽量覆盖观测目标，并确实避开地上地下管线、道路、村庄、农田生产、生产(钻)井、压裂时泵车群和高压高速流体泵入时的噪声源，使各台处于仪器定量测量的安静点.

3)台站数量：必须满足公式(3)中具有统计意义的叠加要求，如实验确定至少8~10个台；据我们的监测经验，为安全地保证较深的压裂点、和/或有时较弱的有用弹性波信号的接收时的监测质量，再考虑总有部分台站临时受地面噪声源干扰以及故障等因素，应至少携行布设25台.就分量而言，3分量仪器台网就有至少75个分量.

携行和投入扫描的最小台站数目前仍是由观测、处理、解释实践确定的.最重要的标准是：在确保布点安静的条件下，大于等于此数使得能量输出图像，特别是压裂点附近的高破裂释放能量(如果存在弹性破裂的话)的显示是稳定的，高低破裂能量的差别是足够的，而残余噪声干扰和伪影不占主导地位(沈琛等，2009；王磊等，2012).

3.4.3 数据处理和解释原则

所有台站记录应当具有低随机噪声的背景，任何地面的或目标区内外与压裂裂缝无关的振动源的记录被视为外来 能量，应去除或压制.具体措施包括：带通滤波(如1~45 Hz，甚至1~25 Hz，随井周围环境确定)；即使原因不明，去除那些振幅为所有台站中最小平均振幅若干倍的台站；为保证扫描的正确，通过使用声波测井和勘探解释数据，甚至必要的实验和反演，插值出接近目标区实际的速度模型，从而计算出每个台站相对于扫描体积网点的走时表和入射几何，为向量的叠加提供基础；创造速度模型应考虑平原或高原、山区、以及黄土塬等特殊情形；等等.

经上述数据处理，并使用公式(3)实施扫描后，就得到4D能量分布输出，从而为解释压裂裂缝的时空分布确定了基础.在解释中常遇到的一系列问题包括：

1)高破裂释放能量与确定裂缝(带)几何；

2)残余干扰的扫描叠加特性；

3)周期性数据叠加的特性和伪影的辨别与压制；

4)压裂段附近和较远处的破裂活动特性；

5)主裂缝形状位置和多次多段压裂特性；

6)主裂缝各子段随时间发展的顺序；

7)压裂裂缝4D分布同压裂施工参数的关联；以及

8)破裂几何的多解可能性；等等.

这些问题已经但需进一步逐一积累经验，并从力学、地震学、地质学、压裂工程、数值统计、误差规律等各方面给与合理的解释.

3.4.4 局限性和进一步的研发

任何方法手段均有局限性.一方面，VS需不断研发完善，提高观测和处理解释质量；另一方面，必须认清其本身固有的或监测方无法控制的局限性.对于后者，最主要的局限性有下列几个方面：

1)信噪比较低，总体误差水平可能较井下邻近观测并能够传统定位时高，尽管误差仍在前文谈到的可接受范围之内(沈琛等，2009)；由此可以推论，可能压裂微震中较弱释放能量部分无法显示出来.这是所有距离观测目标较远的地表观测的代价.

2)垂向误差为水平误差的两倍以上，故对裂缝高度或较小层差难以判断，对垂直方向上的细节分辨率低.这也是所有地表观测的代价.如何弥补此缺陷是一个研究的课题.

3)监测人员无法控制随机的地表干扰噪声，使得目前测选20余安静点和压裂间歇调整台点位置有时显得繁琐，平均测定一个安静点和试测点之比为12到14，甚至在极个别的地区无法实施监测；而观测质量，以及随后的处理解释质量完全建立在测定安静点上.这是放弃大规模阵列，提高性价比的代价.改变此状态或可发展无人直升机、机器人、和专用微震仪的结合，加快测定安静点和布撤台的速度及确保台站安全，届时或可再增加台点.

现有的很多定量指标均是根据观测、处理、和解释的经验得出的.因此，对于由科研转化为应用的技术，需要加强理论基础工作.比如，最重要的一个理论问题是：S/N在地表压裂监测记录中到底范围是多少，和震级或释放能量、距离、地震波物理衰减系数Q(Bullen and Bolt， 1985)等有何关系？由此才能更可靠地定量确定最小携行和扫描计算台站数.

4 监测方法的检验

所有地震学家和应用方均面对一个巨大挑战，那就是如何判断一个微地震压裂监测方法的正确与否和可行性程度，及其应用效果是否可靠.毕竟像Branagan等(1996)那样在起裂点拍照并在100 m远处水平钻芯取样对照出两处均有11条子裂缝的机会是极少且极昂贵的.换句话说，对压裂裂缝监测这样地下深处的工程监测的质量评估极为困难.但在一定条件下，验证检查监测方法与应用的某些功能或结果是可能的.

例如：

1)较可靠的井中邻近监测与地面监测对比.若前者S/N较高，经传统定位得到的震源分布，可用于对后者的输出进行检验(王磊等，2012；Baig et al., 2012).但类似观测方法不应作为互验标准.如所有地面观测，若其他条件类似，接收到的信号中所含主频(固有分辨率)是类似的，不可能因人为处理解释改变分辨精度，仅能在压制背景噪声效应上有所区别.比较次数最好有一定的统计意义，如Baig等(2012)所做的多段压裂监测.

2)使用已知生产数据实施验证(Branagan et al., 1996; Chambers et al., 2008; 王磊等，2012；Ma et al., 2012).如Ma等(2012)在监测中提到的两次砂液从压裂井附近100 m和300 m的其它井口冒喷的情形，这表明压裂裂缝(带)应当与冒喷井连通.这对裂缝总走向的解释是一定程度上的检验.又如，Chamber等(2008)对已知不同药量的射孔炸点使用大规模阵列叠加处理，检验观测能力.

3)检查原理和观测手段是否考虑了监测目标特性和压裂监测的基本要求，如同本文所做的一样.就监测在科学技术上的可靠性而言，文献和报告应公布或引用详细的原理和重要手段，以便他人可以重复，或严格检查它们是否有重大缺陷，也是检查评判的重要一环.

4)检查原始观测数据.如使用传统定位，应提供震源定位记录：至少3个不同观测点在很接近的时间范围内同时发现S/N>1的较大振幅启动.注意，绝不是一两个台，那将总能看到“事件”发生.地面观测时，可检查台网与台站位置及数量，服务方应提供所有台点的定量安静程度，包括原始数据和绘图证据，等等.

5 讨论和结论

5.1 研发与应用微地震监测的几个问题的讨论

根据我们的调研和研发应用实践，下列几个问题值得讨论：

1)研发者必须首先明确压裂破裂的微震和具有剪切成分等特性.否则，就等于失去了监测目标；如，盲目地搬用单分量观测或处理方法，一味地大规模布阵使用微小S/N的P波实施叠加；又如，地表观测当地震台(检波器)数少于千时，很难传统定位，但却坚持试图寻找拾取到时的方法而不更换思路.

2)必须考虑监测环境.压裂监测的背景噪声环境常常是较恶劣的，当S/N小时，不论如何处理数据，总有甚至是较强的噪声效应干扰拾取到时或扫描，复杂处理也有可能损伤有用信号.这是当前微震监测的最大问题.不解决监测的数据质量，即最大可能的避开噪声源离散布设台网，妄谈其它数据处理和解释，以及随后的统计、分析、规律等.这也应是应用方监察监测方法的首要和重点.

3)应当顾及生产应用的需求.在微震监测专业会议上，许多地震学家抱怨应用方不理解或不应用他们的方法，而他们自己不顾及生产应用的需求、照搬自己已有的手段而不变换或完善它们、不顾成本等是重要原因.最好使用简单方法和过程解决复杂难题.

4)应用方最好明确各种方法的可行性和局限性，哪怕是几条关键特性，并(使用第三方抽查式地)对监测实施监察，要求服务方提供可靠证据.不应当用简单的分数多少判断方法好坏.

5)应有数据统计和误差的概念.研发方和服务方提供不切实际的分辨精度，或应用方要求此类精度，如，可以分辨压裂裂缝的几米内的差别，使用少量监测的结果推论到区块总体规律；又如，使用天然大震的误差概念到微震监测中等；均是缺乏微震监测的基础知识，包括数据统计和误差的概念.

5.2 结 论

研发和评价任何微震压裂监测方法，应当明确压裂破裂的微震和具有剪切成分的特性，必须考虑监测环境，也要顾及生产应用的需求.目前已知的三种主要微地震压裂监测方法(见表 1中第1、2、4行)，各有其优点和局限性.

井中邻近监测和实施传统定位处理，在检波器阵距压裂点几百米内，信噪比高，应是目前精度较高的最可靠的方法.若数据处理得好，它虽然不大可能作为日常手段，但可用于科研和检验其它方法.如果对较远处的压裂点加入叠加或偏移处理，尽管它的检波器阵列几何不太理想，仍可将其监测范围大大扩充，比如对较长的水平井分段压裂、或监测井距压裂井较远的监测.对地表大规模阵列式监测，传统定位处理因成功率较低似乎不能用作日常手段.若实施叠加或偏移处理，则应考虑：即使使用单分量阵也要顾及初动极性；以及避免大批量的非安静点的设置.微破裂向量扫描应当是可行的，但仍然需要进一步完善以克服其局限性.

因某个局限性或缺陷，人们就可能否定一个方法.因而最好首先明确这个局限性是原理或观测手段固有的，还是可以弥补或改善的.比如，勘探地震学和天然地震学的观测处理手段各有其针对性，可以利用它们的优势，摈弃或改善它们对于微震压裂监测的缺陷.当然，我们应当也可以广泛地利用其它各学科的先进技术成果，如电信网、其它学科的阵列理念、云计算等等.科研成果转化为日常应用有时是一个漫长细致的过程，必须对每一细节严格地研究、检验、和完善.