由于泥页岩、砂砾岩等致密油气储层具有低孔隙度、低渗透率的特征，决定了其开采难度较大^[1]。非常规油气储层的水力压裂改造具有十分重要的作用，是提高油气采收率的主要手段^[2]。国内外均陆续开展了微地震监测技术的研究与应用，并已取得了突飞猛进的发展^[3-4]。刘玉海等^[5]利用相邻道信号之间的相关性，提出了一种基于随机信号统计理论的互相关检测方法。赵翠霞等^[6]基于正余弦加权逼近法实现了工业电干扰的自动识别与压制。刁瑞等^[7]将时频分析方法引入到微地震监测数据的去噪处理中，实现了微地震信号与噪音干扰的有效分离。何惺华^[8]提出的基于三分量数据的微地震震源反演方法、沈琛等^[9]提出的微破裂向量扫描技术以及王维波等^[10]提出的微地震SET定位方法等，都是基于能量叠加成像原理，有效地解决了地面微地震事件旅行时拾取困难的问题。

Y井区位于济阳坳陷东营凹陷北部陡坡带东段，沙四段地层呈楔形分布，垂向上多期砂砾岩体相互叠置，岩性以砾岩、含砾砂岩和砂岩为主，为低孔、特低渗砂砾岩油藏，常规的单井压裂效果整体较差^[11]。为了获得最优压裂效果，拟设计整体压裂方案，近南北向分3层钻探9口水平井，并进行拉链式分段水力压裂，在地面进行阵列式微地震监测。要实现对致密储层水力压裂改造的有效监测，必须建立完善的地面阵列式微地震处理与解释技术系列。地面阵列式微地震监测技术采用多条测线排列和千道检波器，在地表进行微地震监测，具有监测范围广、数据量大等特点^[12]。相对于井中微地震监测数据而言，地面微地震监测数据噪音干扰严重、信噪比低且事件识别难度大，仅用单一的去噪方法难以有效提高数据品质。针对微地震数据中的噪音特征，将数字信号处理技术引入到微地震数据处理中，形成微地震数据联合去噪技术，可有效提高微地震数据的信噪比。地面阵列式微地震数据量大，而常规定位方法的运算效率较低，因此，利用能量统计及非线性反演理论，提出现场实时和室内精细定位2套技术方案，以便在确保定位精度的前提下大幅提高运算效率。

联合去噪和精确定位技术可有效提高微地震事件的定位精度，微地震事件裂缝解释、微地震数据与三维地震属性综合解释技术可提高人工压裂裂缝解释的可靠性，这些地面阵列式微地震监测关键技术的配套与完善，可为压裂过程监控和油藏开发提供指导，有助于最大程度地提高油气采收率。

致密储层水力压裂改造产生的震源能量相对较弱，且在地面又广泛分布噪音干扰，使得地面微地震数据信噪比较低，导致微地震事件淹没于噪音干扰之中，因此，有必要采用针对性的联合去噪技术，提高微地震数据的信噪比。地面微地震数据中存在大量的线性干扰、随机干扰和规则干扰等，仅用单一的去噪方法难以压制多种噪音，而根据噪音的波场特征，采用针对性的联合去噪技术，可有效提高微地震数据的信噪比，为后续处理提供高品质数据。

微地震数据中工业电干扰具有频带单一、振幅相对稳定的特点，利用时变余弦逼近压噪技术自动识别和逼近噪音，并在不同时窗内进行参数自动调整，最终可实现对工业电干扰的有效压制。工业电干扰的频率范围是相对固定的，在进行特定频率范围的滤波处理后，通过求取数据的能量值和波形过零点数量，可自动识别工业电干扰，有效提高微地震数据中工业电干扰的识别效率和准确性^[6]。针对存在工业电干扰的微地震数据进行去噪处理，并在压制噪音的同时最大限度地保护微地震事件，时变余弦逼近压噪方法十分有效。由于地面微地震监测数据中噪音广泛分布，噪音与微地震事件混杂在一起，仅仅从一维时间域或一维频率域无法对噪音进行有效识别，因此，将时频分析方法引入去噪处理中^[7]。改进S变换可获得较好的时频分析效果^[13]，该技术在二维时间-频率域内进行时空变的滤波处理，可实现微地震信号与噪音干扰的有效分离。二维时频域去噪方法适用于低信噪比的微地震数据，该技术充分利用噪音干扰与微地震事件在频率域和时间域的特征差异，实现了对噪音干扰的有效压制。在卡尔曼滤波理论中引入了状态变量和状态空间的概念，更适合于处理多变量系统和信号的估计问题^[14]。利用卡尔曼最佳状态空间理论对微地震数据进行滤波处理，能够更加全面地分析信号和噪音等多变量间的关系，从而获得更好的滤波效果。自适应滤波器以滤波器实际输出与期望输出误差的均方根值为目标函数，亦称为最小均方根自适应滤波器，由于在算法中加入了约束条件，使得迭代优化方法趋向于期望收敛方向，从而实现了噪音分量的自动压制，该项技术能够有效压制不相关的各类随机噪音。

联合应用时变余弦逼近压噪技术、二维时频域压噪技术、卡尔曼滤波技术和自适应滤波技术等，可实现对各类噪音的针对性压制，并有效提高微地震数据的信噪比。图 1为Y井区微地震数据噪音压制前、后的二维时频谱对比。从图 1可以看出，噪音压制后微地震事件的能量明显增强，信噪比明显提高，且微地震事件能够自动识别。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 Y井区微地震数据噪音压制前（a）、后（b）二维时频谱对比 Fig. 1 The contrast of time-frequency spectrum before (a) and after (b) microseismic data de-noising in Y well area

微地震事件定位技术是微地震数据处理的关键技术。针对不同的适应条件，研究了走时读取互相关定位法和扫描叠加能量聚焦定位法。线性反演定位技术具有算法稳定、精度较高的特点，但运算效率较低；非线性反演定位技术具有运算效率高、抗噪性强的特点，适用于较低信噪比的地面微地震数据^[15]。在地面阵列式微地震监测过程中，采用千道检波器，能够有效提高微地震数据的品质，但监测数据量会大幅增加，从而使现场处理效率大幅降低。针对数据量与计算效率的矛盾，研究并开发了具有现场实时处理功能的走时读取互相关定位技术，在保证定位相对精确的前提下，可大幅提高运算效率。该项技术采用线性的网格搜索法，在压裂前就根据观测系统完成压裂区域网格的走时计算，并在应用时直接读取文件中的走时量，避免了网格走时的重复计算，使大数据量微地震数据的现场处理效率明显提高。

在室内精细处理过程中，针对地面阵列式微地震数据信噪比相对较低以及监测台站数量多的特点，采用扫描叠加能量聚焦定位方法进行震源定位，避免了微地震事件初至时间的拾取。扫描叠加能量聚焦定位方法的主要思路为：以射孔点为中心，将一定范围内的空间进行网格剖分，考虑地面观测系统和速度模型，利用射线追踪方法求取所有剖分网格的旅行时，再根据旅行时对微地震数据进行正常时差校正，并计算叠加能量，在所有剖分网格中叠加能量最大的网格点便为震源点位置。为了消除噪音干扰的影响，对所有微地震事件的定位能量谱进行人工监控，若能量谱聚焦较好，则为微地震事件；若能量谱聚焦较差，则为噪音干扰，并将其剔除。图 2为正演模拟微地震数据的定位能量谱，该定位能量谱聚焦较好，定位结果与模拟震源点位置相一致，验证了扫描叠加能量聚焦定位方法的有效性。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 微地震事件定位能量谱 Fig. 2 The location energy spectrum of a microseismic event

图 3（a）是Y井区精细处理前的微地震事件定位结果，由于精细处理前的微地震数据存在品质差、事件不易识别和严重的静校正等问题，只能从中识别少量能量较强的微地震事件；图 3（b）是Y井区精细处理后的微地震事件定位结果，其中弱能量的微地震事件更容易识别，并且能够有效定位的微地震事件数量也明显增加。较高的微地震数据品质是精确定位的基础，在进行微地震数据预处理、联合去噪、静校正及速度模型优化等处理后，微地震事件的定位精度大幅提高。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 Y井区微地震事件定位结果对比 Fig. 3 The contrast of microseismic enevts locating results in Y well area

经过微地震数据的野外采集和精细处理，可以获得微地震事件的定位结果，而只有通过对定位结果进行合理解释，才能发挥微地震监测的指导作用。裂缝的长度即压裂段两侧方向上的裂缝长度之和，裂缝的高度即最高微地震事件点与最低微地震事件点的高度差。在侧面投影图上，微地震事件点的分布不一定是水平的，为了准确计算压裂裂缝的长度或高度，需要对定位结果进行坐标旋转变换，从而沿着主裂缝方向进行长度或高度的计算。裂缝方位是微地震事件点在水平面投影所形成的主裂缝方位，能够反映压裂裂缝的走向，且受压裂井区地应力和天然裂缝的影响均较大。

图 4（a）是利用微地震事件直接解释的裂缝长度，在压裂的前半段时间范围内，震源点主要分布在射孔点周围，裂缝长度约为100 m，随着压裂的不断进行，裂缝长度不断延伸，逐渐增大为200 m左右；图 4（b）是利用微地震事件直接解释的裂缝方向，主裂缝方向为北西向。利用微地震定位结果直接解释裂缝的长度、宽度、高度及方位等，有助于更好地描述压裂后裂缝的空间几何形态。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 Y井区微地震事件解释结果 Fig. 4 The interpretation results of microseismic enevts in Y well area

图 5（a）为Y-3HF井微地震事件定位结果的俯视图，从井底到井口共压裂了11段，其中第2~8段微地震事件点较多，第9~11段微地震事件点较少，主裂缝方向主要为北东向和北西向，裂缝高度为30~50 m。图 5（b）是Y-3HF井微地震定位结果与三维地震数据的联合解释结果，结合地震资料特征和地质认识可知，第2~8段位于砂砾岩体的扇中或扇缘，前期抗压实能力强，后期经多期溶蚀作用改造，相对较易压裂，储层压裂改造效果较好；第9~11段位于砂砾岩体的扇根，由于岩石分选差、杂基含量高，经历了强压实作用及后期泥质杂基重结晶作用后，储层压裂改造效果相对较差。Y井区发育南北向裂缝，根据地震数据和多极子声波测井结果预测地应力主要为北东向和北西向，微地震事件定位结果显示微地震事件沿天然微断层分布，压裂裂缝方向主要有北东向和北西向2组，呈网状分布，故微地震事件定位结果的主裂缝走向符合地应力场走向。通过微地震定位结果与地震、测井预测地应力结果的联合解释，证实了微地震监测结果的可靠性和准确性。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 Y-3HF井微地震联合解释结果 Fig. 5 The microseismic integrated interpretation results in Y-3HF well area

Y-3HF井是Y井区的一口水平井，该井区发育常温常压稀油低孔、特低渗砂砾岩油藏，储层致密，无法有效开发，因此需进行储层压裂改造。在地面进行阵列式微地震监测，利用联合去噪、精确定位和综合解释等技术，完成了Y-3HF井微地震事件的精确定位及监测结果可靠性的判识。为了进一步验证监测结果的可靠性和准确性，将定位结果与压裂工程曲线、储层压裂改造体积（SRV）、储层压裂前缘面积（SRF）等联合应用。压裂曲线包括油压、套压、混砂比和排出总量等4条曲线，能够反映储层压裂的过程，结合微地震事件与压裂施工阶段的对应关系分析，可评估压裂施工的有效性。微地震事件SRV是压裂段中所有微地震事件的三维包络体，表示储层压裂触发的裂缝所波及产能区的体积；SRF表示压裂裂缝波及产能区的面积，可直观地反映出复杂形态压裂裂缝。根据SRV和SRF计算结果可以进行压裂裂缝优势区域的识别，评估储层压裂改造效果。

在储层性质基本相同的前提下，压裂段的加砂量越大，微地震事件数量及SRV和SRF数值越大，说明致密储层的压裂改造效果较好，往往具有较高的油气产能。表 1是Y井区2口压裂井微地震监测结果与油井产能的对比。Y-3HF井的微地震事件点数量、加砂量及SRV和SRF计算结果均大于Y-8HF井，说明Y-3HF井压裂效果优于Y-8HF井，与油气产能具有较好的一致性，进一步验证了微地震监测效果的可靠性。

表 1(Table 1)

表 1 Y-3HF井、Y-8HF井压裂效果 Table 1 The hydraulic fracturing results in Y-3HF and Y-8HF wells 井名 微地震事件/个 加砂量/ m3 SRV/万m3 SRF/万m2 累计产油量/m3 Y-3HF 563 625 425 21.3 9 124 Y-8HF 382 365 182 17.2 2 035

下载CSV 表 1 Y-3HF井、Y-8HF井压裂效果 Table 1 The hydraulic fracturing results in Y-3HF and Y-8HF wells

（1）联合去噪技术可有效提高地面微地震数据的信噪比，为后续处理提供高品质数据。针对地面阵列式微地震监测数据量与计算效率的矛盾，研究并开发了具有现场实时处理功能的走时读取互相关定位技术，可使大数据量微地震数据的现场处理效率明显提高。在室内精细处理过程中，采用扫描叠加能量聚焦定位方法可进一步提高定位精度，为储层压裂改造提供依据。

（2）利用微地震定位结果直接进行裂缝解释，并结合三维地震资料、预测地应力和多极子声波测井资料进行综合解释，有效提高了微地震事件定位的精度和压裂裂缝解释的可靠性。微地震监测结果与油藏开发产能相吻合，实际应用效果良好。

（3）随着页岩油气等非常规资源的不断开发，对微地震监测技术的需求越来越大。国内外微地震监测技术发展迅速，但在观测系统设计、微地震数据波场特征分析、震源机制反演、三维速度模型优化、精确定位方法、联合解释等方面，还需要不断地深入研究和探索。微地震监测技术仍将是一个研究热点，在非常规油藏压裂、热采与水驱前缘监测及二氧化碳封存等方面均具有广阔的应用前景。

感谢中国石化胜利油田分公司物探研究院微地震项目组的鼎力支持！