(一)监测原理

　　根据最小周向应力理论、摩尔-库仑理论、断裂力学准则等，分析岩层破裂形成机理，无论压裂还是注水都会诱发微地震。监测前先将注水井停注10小时以上，使原来已有的微裂缝闭合，监测仪器设备布置好后，开始监测时再将注水井打开，注水井在注水过程中，会引起流动压力前缘移动和孔隙流体压力的变化，并产生微震波；同时，原来闭合的微裂缝会再次张开，并诱发产生新的微裂缝，从而引发微地震事件。在孔隙流体压力变化(即储层中喉道前后压力差)和微裂缝的再次张开与扩展时，必将产生一系列向四周传播的微震波，通过布置在被监测井周围的A、B、C、D……等监测分站接收到微震波的到时差，会形成一系列的方程组，反解这一系列方程组，就可确定微震震源位置，进而计算出水驱前缘、注入水波及范围、优势注水方向，注水波及区面积等资料。
　　 通过对裂缝成像和驱动前缘波及状况的分析，油藏工程师可以调整和优化开发设计方案，提高油气田采收率和油田整体开发效果。

（二）技术理论

（I）无源微地震

　　不用人工激发的震源观测方法，称为无源地震勘探（passive seismic）。油气藏自身的一些活动可以产生微地震（震级一般在里氏3级的级别范围内），如孔隙和裂隙内流体的流动、由于天然气的聚集和运移过程引起的周期性应力积累和释放、火驱采集过程中由加热诱发的岩石破裂、压力裂隙形成过程中岩石的破裂、流体排出时地层的下沉或自喷井气体的流动等产生的震动。
　 　微地震自动识别一般采用微地震波及其导波的波幅、包络、升起、衰减、拐点、频谱特征及不同地震道间的互相关等十三个判别标准。为了便于计算机操作和减少机时，采用评分方法，即每一个判别标准给定一个分值，重要性不同分值也可能有所不同。完全满足判别标准总分值为1，完全不满足判别标准总分值为0。系统对每一个微地震信号依据其与各个标准的复合程度进行评判得以识别。

（II）摩尔-库伦理论

　　根据摩尔-库伦准则，孔隙压力升高，必会产生微地震，记录这些微地震，并进行微震源定位为最终的地下渗流场描述奠定理论基础。摩尔-库伦准则是：<τ> =τ0+μ(S1+S2-2P0)/2+μ(S1-S2)COS(2φ)/2
其中：τ=(S1-S2)SIN(2φ)/2
上式表示若左侧不小于右侧时则发生微地震。
式中：τ是作用在裂缝面上的剪切应力；
τ0是岩石的固有法向应力抗剪断强度，数值由几兆帕到几十兆帕，若沿已有裂缝面错断，τ0数值为0；S1、S2分别是最大、最小主应力；P0是地层压力；φ是最大主应力与裂缝面法向的夹角。
　　由上式可以看出，微震易沿已有裂缝面发生，这时τ0为0，左侧易不小于右侧。P0增大，右侧减小，也会使右侧小于左侧，从而诱发沿裂缝面的破裂发生，产生微地震，为我们描述地下渗流场提供了理论依据。

（III）断裂力学准则
断裂力学理论认为，当应力强度因子大于断裂韧性时，裂缝发生扩展，即： [(P0-Sn)Y/sqr(πl)]∫01 sqr[(1+x)/(1-x)]dx>=kic

　　当上式成立时，裂缝发生张性扩展。上式左侧是应力强度因子，kic是断裂韧性，P0是井底注水压力，Sn是裂缝面上的法向应力，Y是裂缝形状因子，l是裂缝长度，x是自裂缝端点沿裂缝面走向的坐标。由以上破裂形成理论可知，注水会诱发微地震，这就为微地震方法监测水驱前缘提供了理论依据。

（IV）微震波的识别

　　微地震信号识别技术是本技术成败的关键，识别不出可用的信号，微震监测就是一句空话。只有微地震信号大于折算到仪器前端的仪器噪音,信号才是可以检测的。由于低噪音运算器件的广泛使用，及我们对仪器电路结构的独到改进，目前，折算到仪器前端的仪器噪音低于2μv。微地震信号是可以被检测到的。

　　微地震信号是与大地噪音同时进入检波器的，在噪音背景环境中检测出微震信号是本系统监测软件编制的主要内容。我们根据计算机智能理论，编制了计算机自学习软件，输入多年微震观测结果，由计算机进行训练，提取出注水时微震的普遍信号特征。

　　这些特征包括:幅度谱、频率谱、信号段的频谱分布、包络前递增及后递减特征、包络的拐点特征、导波特征、信号的升起特征、尾波特征等13个特征。

　　在现场识别微震信号前训练5分钟，可以与计算机中已有的信号特征对比，对监测地点的噪音及信号特征予以鉴别及留存，提取频率谱，幅度谱，导波，包络特征，拐点特征等标志去区分当地的信号与噪音。

（V）微地震信号强度

　　拾震器能否记录到微震信号的关键在于，只有微震信号大于仪器前端分辨率，微地震拾震器才可以把微震信号检测出来。注水诱发的微地震多为张性震源，但也存在剪切震源，由于同等条件下张性震源的张开位移远小于剪切震源的剪切错位，且信号弱得多，故本文仅以张性震源产生的信号强度加以分析。

　　仪器设置及分析识别理论以记录分析P波为依据，不记录分析S波震相。对张性震源P波位移震幅可以写为：

Aɑ=[ AD (Φ,θ)/(4πρrɑ3 )]·u′3(t–r/ɑ)·S

A2D(Φ,θ)=λCOS4θ+λ2 SIN4θCOS4Φ+(λ+2μ)2 SIN4θSIN4Φ+2λ2 COS2θSIN2θCOS2Φ+2λ(λ+2μ) SIN2θCOS2θSIN2Φ+2λ(λ+2μ)2 SIN4θCOS2ΦSIN2Φ

式中：θ,Φ分别是观测站相对于震源面的仰角和方位角，ɑ是P波波速，λ，μ是拉梅常数，r是传播途径，ρ是传播介质密度。

在地面监测时，则可以假定θ=0，P波位移为：

Aɑ=[λ/(4πρrɑ3 )]·u′3(t–r/ɑ)·S

在实际监测过程中，信号到达仪器前端的电压强度则需考虑非弹性衰减，则上式改写为：

A1=λ0ω0/(4πρ1r1ɑ13 )]·u′3(t–r/ɑ)·S0K1F1H1

式中：下标为“0”的参数是与震源有关的参数，与传播途径无关；下标为“1”的参数是地面接收的途径参数，与震源无关。A是地面接收的信号幅值，λ，μ是入射衰减，F是途径衰减，u′(t–r/ɑ)是张开位移u3(t–r/ɑ)的导数，是震源面张开或闭合的速度，ω是震源的角频率。

　　在实际应用中，根据野外实际条件及上覆疏松层非弹性强度等对参数进行一系列设置：u′(t–r/ɑ)代表裂缝张开的速度，其平均值可以用u3/T求取u3裂缝张开宽度，T是微地震周期，F是微地震频率，由于所使用拾震器是速度型检波器，故分子上要乘以ω0；K1是拾震器的换能系数，S0是震源面积，H1是地面接收的入射衰减（从高速层进入低速层入射衰减很小），F1是路径衰减也称非弹性衰减。

经过多年在国内多个油田的实际实践，地面接收所获得的电压值一般在5.8微伏以上，只要到达仪器输入端的电信号大于1微伏，信号就可以被检测到。

（VI）微地震震源定位理论

有的油田油层松软，S波不稳定，本系统拾震器垂直置放，横向衰减大，只记录分析P波。

震源定位过程采用矩阵分析理论，来判别微地震震源坐标。

SQR（（T1- T0）2 V2P -（X1- X0）2 -（Y1- Y0）2））-H

SQR（（T2- T0）2 V2P -（X2- X0）2 -（Y2- Y0）2））-H

SQR（（T3- T0）2 V2P -（X3- X0）2 -（Y3- Y0）2））-H

SQR（（T4- T0）2 V2P -（X4- X0）2 -（Y4- Y0）2））-H

SQR（（T5- T0）2 V2P -（X5- X0）2 -（Y5- Y0）2））-H

SQR（（T6- T0）2 V2P -（X6- X0）2 -（Y6- Y0）2））-H

式中：T1— T6是个分站的P波到时差，T0是发震时刻，（X0，Y0，Z0）是微震震源的空间坐标,（X1，Y1，0）...（X6，Y6，0）是分站坐标, VP是P波波速。 T0,X0，Y0，Z0是待求的未知数。

（VII）地下渗流场的分布

在一个较小区域里，波速主要受传输介质的围压和传输介质本身的影响，在小范围内介质对波速的影响可认为仅受孔隙中流体物性的影响。

从水井到油井地层压力是逐渐下降的，而围压越高，波速越高，故从水井向外波速是逐渐减小的，如华山岩：在20Mp时，v=3400m/s，在40Mp时，v=6780m/s。

　　对一个注采井组而言，纯水区地层压力（P1）大于油水混合区地层压力（P2）大于纯油区地层压力（P3），因此，纯水区波速（V1）大于油水混合区波速（V2）大于纯油区波速（V3）。

　　另一方面，从水井到油井随着含水的降低，流体密度也逐渐降低；同时，随着地层压力的下降，原油中气体会逐渐析出，从而越接近油井混合流体的密度越小，而波在不同密度介质中的传播速度是不一样的。也就是说从水井到油井，孔隙中流体的密度是逐渐降低的，而波在含水饱和度为100％的水中传播速度最大，含水95％左右时速度会降低20％~30％以上。所以，从水井到油井随着流体密度的逐渐减小，波速也逐渐降低。

综上所述，从水井向外波速是逐渐降低的，用波速场分布来描述渗流场分布是有科学依据的。

（三）工艺流程

（四）成果解释

　　现场监测结束后，根据监测数据，经过数据分析与处理，提供详尽的解释报告，包括水驱前缘、注入水的波及范围和波及面积、优势注水方向、区块的注水波及区等资料及相关图件。

（五）技术特点

　　注水井微地震水驱前缘监测技术的关键和特点主要体现在拾震器的精度和置放位置、信号的判别标准、信号的解释处理、全过程的自动化，以及简单性、安全性和环保性等方面。

1、高精度自动调节拾震器

　　拾震器是整个系统拾取信号最关键、最重要的部分，为了能可靠地将地下数十米深的信号安全、可靠地传输到地面，特委托拾震器生产厂家为我们研制开发了较传统拾震器精度和可靠性更高的带有自动调节前置运放功能的拾震器，它可以根据背景噪音的大小自动调整微震信号的放大倍数，可以拾取相当于-2级地震的微震波，为拾取高质量的微震信号奠定了坚实的基础。

2、科学的拾震器置放

　　该系统是用静力触探设备将拾震器置入数米到数十米深的地下（置入深度视地表疏松层厚度而定），这样不仅避免了由车辆、电磁波、风、人走动等引起的震动干扰和电磁干扰，而且避免了地表疏松地层对微震波的衰减，提高了有用信号的采集数量和质量。

3、严谨的微震信号判别标准

　　系统对每一个接收到的微震信号，均采用该微地震波及其导波的波幅、包络、升起、衰减、拐点、频谱特征及不同微地震道间的互相关等十三个判别标准对其进行严格判别，这样就可保证每一个接收到的微震信号的真实性，避免伪信号的进入。

4、信号采集及解释的计算机自动化处理

　　系统从背景噪音确定、信号采集、信号处理、各分站指令传输、信号前端放大倍数等均由计算机自动控制和完成。这样就大大提高了整个监测系统的一致性和可靠性。

（六）主要用途

（I）评价单个注采井组水驱效果
　　 对注水井主力注水层段进行微地震水驱监测，可以直观体现注水井水驱前缘、注入水的波及范围和优势注水方向。如*625-12-24井，该井基本数据如下表所示：

*625-12-24井水驱前缘监测成果表

（II）评价小层水驱效果

    根据注水井射孔资料，可对主力吸水小层进行分层监测，获得各小层的水驱前缘、注入水的波及范围和优势注水方向。如*18-7井，该井属某坳陷西部斜坡带*城构造北部**断块区的一口注水井，注水层位为S3下1-5+7，注水井段2649.0—2879.0米，共21层64.0米。第一主力吸水层为电测解释序号74号层的沙三下2，井段2710.2-2713.6米，3.4米/1层，相对吸水量39.9%；第二主力吸水层为电测解释序号77-78号层的沙三下3，井段2732.0-2739.8米，7米/2层，相对吸水量33.1％。2004年1月13日对该井进行了水驱前缘监测，监测结果如下：

（III）评价区块水驱效果

　　对一个开发区块的注水井全部进行分层监测，就可以获得该区块各主力油层的水驱前缘、注入水的波及范围和优势注水方向，了解各油井的主力受效方向、各主力油层的水淹状况和剩余油的平面分布状况。如塔里木油田某块，该区块共有油水井20口，其中油井13口，注水井7口，2004年4~6月进行了整体监测，监测成果为该区油藏描述及治理调整提供了可靠资料。

（IV）评价注水井调驱效果

    应用水驱前缘监测资料，可以对注水井的调驱效果进行评价。如*15-104井，水驱前缘监测资料显示调驱前后水驱主力方向改变非常明显。

（V）微地震水驱监测在古潜山油藏应用更为广泛

　　东北某潜山油藏按其圈闭成因分类属于潜伏剥蚀向斜构造地层不整合油藏，具有层状结构的块状油藏，虽然该潜山具有较好的隔层条件，但由于断层切割，断层的不封闭性造成不同断块相互窜通，改变了储集体的层状结构。

　　该断块区属于双孔隙类油藏，裂缝对油气运移起着重要作用。为该区下步完善注采井网及综合治理取得可靠资料。本次对****断块西部的5口注水井进行微地震水驱前缘监测，各监测井基础数据如下表。

****块注水井水驱前缘监测成果表

　　1．*229-625块本次进行微地震水驱监测5个井组，从监测成果可以看出，5个井组水驱前缘推进面积均比较小，周围油井见效程度均比较低，目前水驱效果不明显。但相对来说,前二个井组(*625-12-24、*625-12-20井)水驱面积比较大，周围油井见效程度比较高；后三个井组油井见效程度比较低。

　　2．从监测成果进行分析，*229-625古潜山油藏微裂缝应该十分发育；平面上不同区域微裂缝的发育程度、密度及微裂缝的发育方向有明显的差别。具体表现在，*625-12-24、*625-16-20、*625-12-32井区域储层微裂缝比较发育，微裂缝分布的方向主要呈NE向45.5°；而在*625-14-34、*229井区域微裂缝发育程度比较低。

　　3．该监测区块微裂缝的发育在纵向上非均质性也比较明显。不同区域在纵向上微裂缝的发育程度及密度有明显差别。微裂缝发育比较好的层段随平面上监测区域的不同而改变。比如*229井监测层段的顶、底部微裂缝发育比较好。

　　而在*625-12-32井区域，监测层段的中部及底部微裂缝发育比较好，顶部比较差；在*625-16-20井区域，监测层段的顶部及中部微裂缝发育比较好，底部比较差。

从原始微震点分布图对比可知，在不同监测区域，无论在纵向上或是平面上，裂缝分布非均质性比较明显；在*625-16-20井组，微裂缝上部层段发育程度较高，下部发育程度较低。在平面上也具有不稳定性。

　　4．微裂缝的发育及分布对注入水的推进起至关重要作用。微裂缝的发育程度的高低，尤其是微裂缝发育的方向决定了周围油井注水受效的与否及快慢。例如*625-12-24井组中位于主次流方向上的油井（*625-H2、*625-H6）早已见效，而不在主次流方向上的油井（*625-H7井等），虽距离注水井比较近但目前还无受效迹象。

　　5．从监测成果图分析可知，*229-625古潜山油藏5个监测井组周围油井注水受效程度低，见效油井比较少。5个监测井组周围分布油井35口油井，其中见效井6口，占总油井数的17.1%；见效不明显或未见效井29口，占82.9%。

*229-625块水驱前缘监测油井见效分类表

（VI）与油藏描述相结合，提高描述精度

　　水驱前缘监测资料可以直观真实地反映油藏水驱状况，在一定程度上也反映了油藏平面非均质性的变化情况，该资料与油藏描述相结合，可以更准确地描述油藏的水驱状况，为修正数模结果提供了直接的依据，从而提高描述精度。

　　1．**油田白于山区长4+5油藏，本次进行微地震水驱监测4个井组，从4口注水井监测成果显示，4个井组水驱效果差别比较大，从水驱控制及见效程度方面可分二类：

　　①于39-28井、于43-26井水驱前缘推进相对较大，周围油井见效程度比较高；水驱主流方向明显，而且呈多向“指状”发展，说明被监测注水井区域储层微裂缝十分发育，平面矛盾突出，在生产中表现出周围油井见效程度差别明显，见效后含水上升及水淹快，水驱效果不好。

　　②于43-24井、于47-30井水驱推进相对较小，前缘展布形状比较均匀，说明平面上非均质比明显，平面矛盾不突出，周围油井见效程度相对较低，周围油井能量恢复相对比较缓慢。

　　2．从监测成果分析可知, **油田白于山区长4+5油藏平面矛盾非常突出，主要表现在：①平面上微裂缝发育程度及分布极不均匀，无一定的规律性。②**油田白于山区长4+5油藏，从监测成果分析是一个低渗透油藏，微裂缝的发育及分布对注入水的推进起至关重要作用，在微裂缝不发育的区域，注入水推进比较均匀但从成果分析，水驱前缘推进比较缓慢，水驱面积比较小。

　　3．从监测成果微震点叠加分析,靖安油田白于山区长4+5油藏微裂缝发育具有以下特征：

　　①平面上微裂缝发育程度及分布不均匀，发育程度差别较大。

　　②纵向上不同的储层及相同储层不同区域，其微裂缝发育程度差别比较明显，比如于43-24、于47-30井纵向上长4+5注水层微震点特别少。

　　③微裂缝带的发育方向无规律性，不同区域微裂缝带的发育程度及方位也不一样。但从4个监测井组微震点拟合出的方位统计，4个监测井组发育裂缝带11条。其中比较突出的为NE-SW向4条，占36.4%，而且每个井组均有发育，分布方向差别不大；其次为，近东西向3条，占27.3%；NW-SE向2条，近南北向2条，各占18.2%。

　　4．从监测成果分析可知，4个监测井水驱控制程度差别比较明显，周围油井注水受效程度差别也比较大。4个监测井组周围分布油井26口油井，其中明显见效（高含水）井6口，占23.1%；见效井9口，占34.6%；目前见效不明显或未见效井11口，占22.3%。

白于山区水驱前缘监测油井见效分类表 

（VII）为井组或区块的下步措施提供指导

运用水驱前缘监测资料可以从平面上直观地了解各小层的水驱和剩余油分布状况，为研究、挖潜及注采井网的调整提供科学的依据。

㈠新疆某油田**块

1．从监测成果可以看出，**块本次监测2口井4层次，水驱前缘推进相对较大，说明水驱效果较好，周围油井见效程度较高，油井采出程度高。

新疆某油田**块注水井水驱前缘监测成果表

新疆某油田**块水驱前缘监测油井见效分类表

2．从监测成果表可以看出, 平面上水驱前缘优势水驱方向大多呈NE向,但也存在SE方向（S12-3层）,这可能与沉积环境、地质构造及周围油井生产有关。

3．从监测成果表可以看出，对比分析**块S31-3层比上部注水层（S12-3、S21层）吸水强度大，周围油井注水受控程度较高。从立体图分析，每个监测层其上部微震点密度大于下部，说明上部吸水强度大于下部。

㈡新疆某油田**断块

1．从监测成果可以看出，**块本次注水井监测2口井，水驱前缘推进相对较小，周围油井见效程度相对较低，油井采出程度低。

2．从监测成果表可以看出, 平面上水驱前缘优势水驱方向均呈NE向。从立体图分析，**块监测层纵向上吸水相对均匀，平面上则非均质性相对较强。

3.本次监测的2口注水井周围共有10口生产井次,从水驱前缘图分析,受控油井6井次。不受效井4口, 受效率60.0%。

新疆某油田**块注水井水驱前缘监测成果表

（VIII）特殊油藏微地震水驱监测应用

• 某油藏为双台阶水平注水井，本次水驱前缘监测共7口13井次，从水驱前缘图可知，水驱前缘面积均比较小，周围对应油井大多处弱见效状态；只有**1-5H、**1-11H井水驱前缘面积相对较大，周围对应油井见效明显一些。

2．从6口井12个层段的水驱前缘结果对比分析，①同一口井两个注水层段水驱前缘形状基本相似，优势水驱方向接近（**1-17H除外）。② CII段水驱前缘大于CI段，说明下段（CII）吸水稍好，**薄砂层油藏的CII层段比CI层段的物性好。

3．从所监测的13个层段的水驱前缘来看，优势注水方向规律性不强，13个层朝各方向均有发展，但统计对比朝NE-SE向比较多，NW-SW向较少。

4．从周围油井注水见效情况看，油井生产井段垂直于水驱前缘主流方向的油井则更容易见效。

本次7口注水井水驱前缘监测，周围共有15口油井，其中受效井14口；受效不明显井1口(**1-17H)。

新疆某油藏水驱前缘监测成果表