0 引言
随着国内天然气需求量的快速攀升以及西气东输、中俄东线长输管道的陆续投产运行，储气库作为长输管道的配套工程，具有储存量大、机动性强、调峰范围广等突出优势，在季节调峰和保障供气安全上具有不可替代的作用，但也因其高压力强注强采、多周期应力交变等特点，可能导致各种类型的安全事故［1］，因此，储气库的安全问题至关重要。
微地震监测技术是一种以地震学、声发射学为基础，通过观测和分析生产活动中所产生的一些微小的地震事件，来监测对生产活动的地层状态、影响以及效果等的一门地球物理技术［2］。一般来讲，由于长期的地质勘探和生产活动对断裂、储层及围岩结构的破坏而产生的频率、能级较低（频率一般在2 000 Hz以下，能级介于-3~1级之间）的岩石声发射被称为微地震，也被称为小震级事件。
近年来，雪伏龙（亚太）公司在印度尼西亚的Duri、壳牌美国公司在美国的华盛顿、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［5］。
新疆H储气库是国内外大型边底水储气库之一，断裂较多，砂体变化较快，为了保证储气库在注采运行过程中的圈闭动态密封性与安全性，必须建立完善的监测系统。除利用常规监测系统定期对储气库开展压力、温度、流体分布等监测外，微地震监测技术因具有覆盖区域广、灵敏度高、反馈速度快、定位精度高等优势，可作为常规监测手段的有效补充。国内新疆H储气库、江苏某穴储气库利用微地震监测，实时预警储气库生产过程中所产生的微地震信号，指导优化注采运行，以保障储气库生产安全。
1 微地震监测的原理及其观测方法
1.1 微地震监测原理
地层中存在呈各向异性分布的地应力，一般情况下，聚集了剪切应力的断裂面（岩石裂隙等）是相对稳定的，但当生产活动干扰到了地层内的原有的应力系统后，地层中的应变能会增高，因为应力会在岩石中原来存在的或者新的裂缝周围集中［6］。当干扰活动持续增强，应力值增大、并突破某临界值时，岩石就会发生微观变形、产生应力释放，即微地震。据统计，微地震事件频率范围介于200~1 500 Hz之间，持续时间小于15 s。这种微地震事件在地震记录上表现为清晰的脉冲，岩石破裂的长度受到其频率、持续时间以及震级的影响，微地震事件越弱（频率高、持续时间短、震级小），长度就越短［2］。微地震波周围的噪音、其在不同岩石介质中的传播以及其所在的不同地质环境都会对微地震波的能量产生影响。
1.2 微地震监测方法
微地震监测包括野外现场数据采集、微地震波的数据处理、微地震事件分析和微地震成果数据显示4项关键工序。微地震数据的采集方式分为井筒采集、地表采集和设备埋置采集3种方式。
表1 微地震数据采集方式优缺点对比Table1 Comparison of advantages and disadvantages of microseismic data acquisition methods |
| 对比指标 | 监测数据采集方式 | ||
|---|---|---|---|
| 井筒采集 | 地表采集 | 浅井长期埋置采集 | |
| 干扰波 | 弱 | 强 | 中等 |
| 水平精度 | 随距离而降低 | 较高 | 高 |
| 水平距离 | 100~2 000 m | 不受限 | 不受限 |
| 垂直精度 | 高 | 较低 | 中等 |
| 垂直深度 | 不受限 | >3 000 m | >4 000 m |
| 采集效率 | 高 | 低 | 中等 |
| 局限性 | 需利用邻井 | 弱微地震事件检测能力低 | 投资成本高 |
微地震波的数据处理是利用相关处理解释软件，对所采集的微地震数据进行信号识别、噪声压制、三分量定位、初至拾取、极化分析、速度建模和震源定位等，判断微地震事件的发生时刻、发生位置和能级大小，如图1所示。
微地震事件分析是利用数据处理结果，将相关的微地震事件与储气库地质情况、生产运行情况紧密结合，综合判断微地震事件产生的原因，及其可能对储气库断层、盖层、储层及井筒完整性等造成的损坏，进而对储气库整体圈闭动态密封性做出分析评价，并采取有效措施，控制天然气漏失风险。
微地震成果数据显示是利用数据显示软件，结合储气库地质建模结果，将工区内所发生的全部微地震事件，按震源位置（平面、剖面及立体空间位置）、能级大小予以实时显示。
2 微地震监测方案的设计
针对储气库微地震监测不同观测系统，论证监测范围、可监测最小震级、定位精度等，评价观测系统监测能力，论证储气库最优微地震监测方案。
微地震监测方案的适应性与可靠性主要体现在2个方面：①微地震信号的监测灵敏度；②微地震事件的监测定位精度。
微地震震级的大小和微地震信号传播的距离这2个因素是微地震信号监测灵敏度的2个重要因素。由于受地层吸收的影响，微地震事件产生的微地震波在传播过程中能量会衰减，微地震震级越大、传播距离越短，地震波受地层吸收影响后的能量则越强。同时，微地震感应器是一套物理装置，其感应器所接收和记录的微地震能量有门槛值，事件信号要想被有效记录，其能量级别必须超过这个门槛值［19］。
微地震事件监测需定位精度。微地震信号能量的大小以及速度模型的精度对参与反演的已接收的微地震信号所得到的微地震事件的定位精度有重要影响。业界经过统计分析和研究，微地震地震矩、压力、地震能级、拐角频率及震源半径间的相互关系以双对数坐标的方式展示，形成了规范的关系量图版，如图2所示。
2.1 微地震信号监测灵敏度
微地震震级的大小和微地震事件传播的距离是微地震信号监测灵敏度重要因素。若微地震事件在某位置上发生的震级超过某门槛值，在一定距离内，考虑微地震波能量在传播过程中被地层介质的吸收效应后，感应器仍可接收到有效信号，就认为该微地震事件可以被监测。
地震震级可用以下公式计算：
式中：M w为地震震级；M 0 为地震矩，系地震标准能级，N·m；ρ 0为震源介质密度，kg/m3；C 0为震源处波速，m/s；R为震源和接收点间的距离，m；Ω 0为地震波远震位移谱的低频幅值；F c为地震波的辐射系数；R c为地震波的自由表面放大系数；S c为地震波的场地校正系数。
地震震级与拐角频率（f c）有关，而应力变化与地震震级、拐角频率的关系为Δσ—M w·f c 3。通过修改Δσ，即可得到地震震级的相关数据［20］。
世界各地区监测数据显示，区域地震事件发生时，应力变化为1~10 MPa，地震震级在4级以上；矿山事件发生时，应力变化在0.1~1 MPa之间，地震震级为3~4级；而地层状况改变时，应力变化小于0.1 MPa，地震震级在3级以下；在注气驱动或有套管破损时，其应力变化可以相当于矿山事件。因此，储气库微地震监测方案的设计必须能满足接收到应力变化为0.1 MPa（地震震级在3级）时所产生的微地震事件。
经过对新疆H储气库微地震监测方案的多次模拟论证，选取Δσ = 0.5时，可接收到应力变化为0.1 MPa（地震震级在3级）所产生的微地震事件，满足微地震信号监测灵敏度要求。
2.2 微地震事件定位精度
新疆H储气库是建在一个构造完整、断层盖层的密封性较为完好的天然气田上，参照精细地震勘探的纵横向分辨率的成果，定位精度即实际微地震事件发生点与反演微地震事件发生点位置间的距离在30 m之间即可。考虑到储气库强注强采的特点，在数据采集上采取了连续采集和降低采样间隔的措施，以提高反演精度。这里采用每天24 h不停息、采样间隔为0.125 ms的方法连续采集。
B与S间距离为弦长b，则：
定位精度m可用以下公式计算：
以观测时间与理论时间的时差作为基础，构建相似函数，进行Fisher矩阵反演，计算定位精度。在反演过程中，需考虑以下条件：
（1）微地震震源位置及理论时间设为未知。
（2）相似函数中所需要的方向信息从地震波的偏振数据中求取，同时添加了部分噪音信息。
（3）定位信息的误差大小与微地震波初至拾取精度、速度模型精度以及方位精度有关；初至误差设为随机高斯噪音分布，P波在±1 ms，S波在 ±2 ms范围内变化，速度变化范围为1%，方位误差设为±3°。
（4）另外，还有2个约束条件：一是检波器将按照炮检距分选，只有在预设门槛值内的检波器信息才参与反演；二是参与反演运算的数据只选那些实际接收到信息的检波点，需预设一个能级大小门槛值。
2.3 新疆H储气库微地震监测系统设计
储气库含气面积范围内主要发育有3条北西—南东向展布、向南倾的逆断裂，断层断距为60~200 m，如图5所示。研究区的断层是储层的遮挡体，同时又对天然气的存储和运移起着关键的作用，且区内发育的盖层被断层断开，其密封性和活动性直接受断层活动的影响。常规监测方案主要是利用示踪剂监测断层密封性，局限性很多，监测井少，监测范围有限，需要应用微地震监测系统更加科学、有效的监测断层动态密封性。
2.3.1 微地震监测井方案部署及优选
针对新疆H储气库的地质特征（如断层断距、盖层埋深以及本研究区地应力等），采用式（1） —式（4） ，利用反演模型计算该地区微地震信号监测灵敏度和定位精度。研究成果显示，该地区设计微地震监测系统需接收的微地震事件在0.5级以上、定位精度为30 m，这样便可满足本区对盖层及断层活动性监测的要求。
表2 新疆H储气库微地震监测模型正演模拟结果[20]Table 2 Forward simulation results of microseismic monitoring model for Xinjiang H gas storage |
| 实验类型 | 井数 /口 | 感应器数 （单井） | 井深 /m | 感应器间距 /m | 灵敏度 （储层深度2 000 m） | 定位精度 /m | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 浅井 | 6 | 4 | 70 | 15 | -0.20 | -0.50 | 50 |
| 6 | 4 | 70 | 15 | -0.40 | -0.50 | 70 | |
| 10 | 4 | 70 | 15 | -0.20 | -0.50 | 30 | |
| 6 | 4 | 150 | 15 | -0.20 | -0.50 | 50 | |
| 6 | 4 | 300 | 100 | -0.30 | -0.50 | 60 | |
| 6 | 4 | 150 | 50 | -0.10 | -0.50 | 50 | |
| 4 | 4 | 70 | 15 | -0.10 | -0.40 | 60 | |
| 8 | 4 | 70 | 15 | -0.20 | -0.50 | 40 | |
| 半深井 | 3 | 12 | 1 200 | 50 | -0.60 | -0.50 | 50 |
| 2 | 12 | 1 200 | 50 | -0.50 | -0.50 | 50 | |
| 3 | 15 | 1 200 | 40 | -0.50 | -0.50 | 50 | |
| 3 | 15 | 1 200 | 50 | -0.50 | -0.50 | 50 | |
| 3 | 8 | 1 200 | 75 | -0.50 | -0.50 | 60 | |
| 3 | 12 | 1 000 | 50 | -0.40 | -0.50 | 50 | |
| 3 | 12 | 1 500 | 50 | -0.60 | -0.50 | 50 | |
| 深井 | 3 | 12 | 3 500 | 50 | -1.20 | -0.50 | 20 |
| 3 | 12 | 2 800 | 50 | -1.00 | -0.50 | 30 | |
| 3 | 12 | 3 000 | 50 | -1.10 | -0.50 | 20 | |
| 组合井 （浅井+半深井） | 6+3 | 4+12 | 70/1 200 | 15/50 | -0.60 | -0.50 | 30 |
| 6+2 | 4+12 | 70/1 200 | 15/50 | -0.60 | -0.50 | 30 | |
| 10+3 | 4+12 | 70/1 200 | 15/50 | -0.60 | -0.50 | 30 | |
经过监测灵敏度、定位精度及工程造价多方案比选，优选“6口浅井、3口半深井”的组合井监测方式，实现新疆H储气库的微地震监测，监测能级为-0.6~-0.5级可满足灵敏度要求，定位精度30 m可满足断层活动性监测要求，将方案结果投影到构造平面图上，得到微地震监测方案的监测井位平面分布图，如上图6所示。
2.3.2 微地震监测地面工程设计
地面工程设计包括每个观测井口信息采集系统设计及微地震监测数据传输系统设计。微地震监测信息采集系统采用专用的数据采集仪、加速度型传感器、软件运行监视器、GPS时间同步系统、连接盒（包括传感器终端、交直流转化设备、不间断电源等）、地面数据处理主机（包括处理软件与配置）、远程无线传输系统等；信息采集供电系统采用绿色电源太阳能供电；数据传输采用无线传输的方式，将各井采集的微地震数据传输到中央计算机系统，供后续处理解释，如图6所示。
3 微地震监测系统的应用效果
当储气库注采参数（井口压力、注采气量等）在一定安全范围之内变化时，不会诱发微地震活动，当储气库注采参数超过一定阈值并持续一段时间后，会诱发大量微地震活动。
4 结论与建议
（1）微地震监测系统对储气库安全平稳运行起重要的监测作用，微地震监测系统可直接确定储气库地层内部应力变化的位置和性质，监测结果现场应用方便，灵敏度高，监测反馈速度快，能够识别生产活动可能引起的地震活动现象，可实现对储气库盖层、断层和井筒动态密封性的实时监测与分析。
（2）实时监测储气库注采过程中的微地震事件，可辅助优化储气库注采运行参数，指导注采气生产，避免储气库动态密封性破坏，对储气库周围环境和安全造成不良后果。
（3）新疆H储气库多注采运行周期微地震监测结果显示，微地震事件少、能级小，说明目前的注采生产状态满足地下储气库圈闭动态密封性要求，但建议后续需加强注采生产参数与微地震事件发生的规律性研究，指导储气库注采生产参数的优化调整，保障安全生产运行。
甘公网安备 62010202000678号
