基于微地震监测方法的热干岩水库刺激效果评估：以苏北盆地为例

《Frontiers in Earth Science》：Evaluation of hot dry rock reservoir stimulation based on microseismic monitoring method: a case study of the Northern Jiangsu Basin

储层刺激评估方法基于微地震监测，通过定位事件、分析断层面机制和应力场反演，计算储层渗透率和体积。江苏某高温干燥岩石储层监测到5,449个事件，空间分布呈椭圆状（NW-SE主导），渗透率在NW方向较高，储层体积约7.73百万立方米。

　　热干岩作为一种替代传统化石能源的未来能源选择，因其巨大的资源潜力和环保特性而受到广泛关注。在热干岩的开发过程中，储层刺激是一项不可或缺的环节，而对储层刺激效果的评估对于后续增强地热系统（EGS）的实施具有极其重要的指导意义。本文提出了一种基于微震监测的热干岩储层刺激评估方法，并在江苏某热干岩开发现场建立了微震监测系统以实现实际应用。通过微震事件的定位分析、震源机制反演以及原位应力反演，结合离散裂缝网络模型和连续裂缝网络模型，对储层渗透性和受刺激储层体积进行了反演与评估。研究结果表明，共监测到5,449个微震事件，这些事件主要分布在距井口200米的范围内，且主要扩展方向为西北-东南方向。震源机制主要表现为走滑断层和正断层，而储层内的最大水平应力方向也与西北-东南方向一致。渗透性反演结果显示，西北方向的渗透性相对较高，而计算出的受刺激储层体积约为773万立方米。这些研究成果提高了储层刺激评估的准确性，并为热干岩的开发提供了基础依据。

### 1. 引言

热干岩被视为未来替代化石能源的重要能源形式，因其资源潜力巨大且开发过程对环境影响较小而备受关注。多个国家已经开展了超过50年的热干岩增强地热系统（EGS）研究与实践。目前，热干岩开发的主要方法是通过向储层中注入水作为热交换介质，从而实现高效地热能吸收与提取。在开发前，储层刺激（如水力压裂）是必要的步骤，其目的是在热干岩储层中形成一个连通的复杂裂缝网络，从而提升热交换介质的渗透性和传热能力，最终实现热干岩的高效开发。对储层刺激效果的评估对于揭示储层特征、优化开发策略以及确保开发安全具有关键作用。同时，这也是目前限制热干岩高效开发的重要技术挑战之一。

微震监测方法在常规油气储层开发中已被广泛应用。随着技术的不断进步与成熟，其在非常规储层刺激评估中的应用也日益广泛。在热干岩开发过程中，微震监测不仅作为实时监测诱导微震事件的重要手段，还成为评估储层刺激效果的关键技术工具。全球范围内，微震监测已被用于跟踪储层刺激过程中产生的微震事件的分布位置和强度，从而调整水力压裂的注水方案，降低诱发地震灾害的风险。在多个热干岩开发项目中，研究人员已经基于微震数据开展了大量储层评估工作，取得了显著成果。

在热干岩储层刺激过程中，由于岩体破裂释放弹性波信号，微震事件的发生具有明显的地质和力学特征。通过分析微震事件的波形、到达时间、振幅等信息，可以确定其空间位置、发生时间及强度，从而进一步评估裂缝流体的流动方向、震源机制、储层渗透性以及受刺激储层体积。例如，在澳大利亚的Paralana项目中，研究人员通过微震事件的空间分布分析，识别了裂缝结构和流体的主要流动路径。在瑞士的Basel项目中，通过大尺度微震事件的震源机制分析，研究人员推断了热干岩储层中的复杂裂缝网络结构，并评估了储层的渗透性，发现了高渗透性区域。在法国的Soultz项目中，研究人员基于数千个微震事件的空间分布，评估了受刺激储层体积。此外，美国的Newberry和Raft River等项目也通过综合分析微震监测数据，识别了裂缝分布特征，为后续井位布局和储层重构提供了重要依据。

因此，微震监测方法在热干岩储层评估中发挥着重要作用。然而，大多数以往基于微震监测的储层评估研究主要集中在单一方向，如震源机制分析或渗透性评估，缺乏对热干岩储层评估多方面参数的系统性研究。此外，该技术在中国热干岩开发中的应用案例相对较少，尚未形成成熟的评估体系。本文提出了一种基于微震监测的热干岩储层评估方法，并将其应用于江苏某热干岩开发项目，通过获取的微震数据，对储层刺激效果进行了全面评估。首先，在热干岩开发现场周围建立了微震监测系统，利用微震信号进行事件定位，分析其空间分布特征。随后，对具有明显波形特征的微震事件进行震源机制反演和原位应力反演。在震源机制的约束下，建立了离散裂缝网络模型和连续裂缝网络模型，用于反演储层渗透性和评估受刺激储层体积。这些评估结果为热干岩增强地热系统的发展提供了基础依据。

### 2. 材料与方法

#### 2.1 研究区域

本文的研究区域位于中国江苏省北部坳陷盆地。该盆地位于扬子地块的东北缘，属于北部江苏-南黄海盆地陆上区域的西部部分。该盆地东侧受到太平洋俯冲带的影响，西侧与郯庐断裂带相邻；其南侧边界与江南变形带相连，北侧边界则与苏锡褶皱带中的嘉善-相山断裂带相接。北部江苏盆地经历了多阶段地质演化，主要是在太平洋板块和印度板块交替俯冲的动态条件下形成的。自白垩纪以来，该地区经历了义宁、武备、三都等构造阶段以及新生代的构造活动，最终形成了当前“一隆起、两坳陷”的地质结构，即从南向北依次为东台坳陷、建湖隆起和盐城坳陷。

该盆地的热干岩储层主要由寒武纪至奥陶纪的碳酸盐岩构成，具有低孔隙度、低渗透性和低含水率的特点。此外，这些碳酸盐岩在不整合面附近发育次生孔隙、孔洞和裂缝，为热干岩资源的开发提供了良好的地质条件。储层的覆盖层主要包括石炭纪至三叠纪的碳酸盐岩和白垩纪至第四纪的陆源碎屑岩。该储层埋深较浅，最浅处不足1,000米，最深处超过6,000米，最大厚度超过2,000米，但局部地区缺失。储层岩石类型主要为白云岩、灰白云岩和白云岩灰岩。根据测井数据，储层孔隙度范围为3.1%至4.9%，渗透性在0.1至0.14 mD之间。基于测井数据，计算了岩石力学参数：平均杨氏模量在73至91.4 GPa之间，体积模量在66.9至76.4 GPa之间，剪切模量在27.8至35.2 GPa之间，泊松比约为0.3至0.32。

#### 2.2 数据采集

本研究采用了浅层与井下相结合的微震监测方法。在热干岩开发现场周围，布置了46个监测站，形成一个以裂缝井为中心、半径为5公里的监测网络。每个监测站安装了三向微震检波器，深度从地表以下0.5米至30米，用于浅层微震监测。检波器具有240 V/m/s的灵敏度、4.5 Hz的自然频率、120 dB的动态范围以及-40 °C至85 °C的工作温度范围。数据通过4G全网实时传输。在裂缝井的南北两侧，沿NNW-SSE方向各钻了一口深度为1,500米的深井，用于井下微震监测。每口深井内安装了十五级检波器，间距为15米，动态范围为120 dB，级间传输速率为10 Mbps，工作温度范围同样为-40 °C至85 °C。大量浅层监测站的布置提高了平面覆盖密度，从而提升了微震事件的定位精度。同时，井下检波器的布置增强了垂直监测视角，提高了微震事件的垂直定位精度。由于井下检波器埋深较大，其受到的背景噪声远低于浅层检波器，从而能够更敏感地捕捉到裂缝井附近的微震信号。因此，井下检波器监测到的微震事件数量显著高于浅层检波器。

#### 2.3 评估方法

##### 2.3.1 评估流程

微震监测数据的处理流程如图3所示。在储层刺激期间，一旦检波器检测到微震事件信号，即可通过波形数据的汇聚与格式转换，完成微震事件的初步定位。随后，基于所有检测到的微震事件的位置信息，对其空间分布特征进行分析。接着，对具有明显波形特征的微震事件进行震源机制反演和原位应力反演。最后，在震源机制的约束下，建立离散裂缝网络模型和连续裂缝网络模型，用于反演储层渗透性并评估受刺激储层体积。上述分析结果为热干岩增强地热系统的发展提供了基础支持。

##### 2.3.2 微震事件定位

微震事件的定位是储层评估的关键环节之一。在本研究中，采用了振幅叠加定位法。该方法通过对地震波到达时间的偏移叠加，增强了原本较弱的微震信号，从而提高了定位的可靠性。在定位过程中，微震事件的定位不可避免地存在误差。为此，研究团队在储层压裂前进行了穿透试验，验证了监测系统的定位精度。结果表明，定位误差在X、Y和Z三个方向上均控制在10-15米范围内。微震事件的空间分布特征不仅揭示了压裂流体的主要流动方向和影响范围，还能够指示水力裂缝的扩展方向和形成范围，从而识别出刺激效果较好的区域。通过分析这些微震事件的空间分布特征，可以判断储层刺激主要集中在井口附近200米范围内，且水力裂缝的扩展方向主要为西北-东南方向，形成了有效的流体通道，为后续井位布局和目标设计提供了依据。

##### 2.3.3 震源机制与原位应力反演

震源机制反演能够获取每个微震事件对应的震源球和断层杆，从而揭示裂缝形成过程中的力学特征。在本研究中，通过微震事件的震源机制反演，发现约47.5%的微震事件属于走滑断层，约35.6%属于正断层。这表明水力压裂过程中主要表现为走滑和正断机制。对这些微震事件的断层走向和倾角进行分析发现，断层走向主要为西北方向，其次是北西北和北西西方向。断层倾角普遍超过40°，表明断层主要为中高角度。这种分布特征有助于判断裂缝的扩展方向和储层的应力状态，从而为后续压裂参数的优化提供依据。

原位应力反演是揭示储层应力状态的重要手段。通过处理所有微震事件的三维应力数据，获得了储层的应力状态。图9展示了原位应力的分布情况，其中红色、绿色和蓝色分别代表最大主应力、中间主应力和最小主应力。结果显示，最大主应力主要为垂直应力，其方位角约为0.36°，即接近正北方向，倾角在20°-35°之间。最大水平主应力方向为西北-东南方向，其方位角在115°-140°之间，平均方位角为131.29°，倾角约为65°-80°。最小水平主应力方向为210°-240°，平均方位角为228.28°，倾角也约为65°-80°。值得注意的是，最大水平主应力方向与微震事件的空间分布方向一致，均为西北-东南方向。这表明，原位应力的分布与裂缝的扩展方向密切相关，为后续压裂作业提供了重要的参考。

##### 2.3.4 渗透性反演

基于微震事件的分布范围，建立了一个以裂缝井为中心的离散裂缝网络模型，用于计算水力裂缝的渗透性。结果显示，水力裂缝的渗透性主要分布在0-50 mD范围内，其中渗透性在0-10 md的裂缝数量最多。随着渗透性的增加，裂缝数量显著减少。渗透性最大值超过300 mD，出现在距裂缝井约200米的西北方向。在4,619米深度的渗透性剖面图中，可以看出西北方向的渗透性显著高于其他区域，这与微震事件的分布趋势一致。渗透性反演不仅定量描述了储层渗透性的分布特征，还能够评估储层刺激的效果，为后续井位布局和储层重构提供了基础依据。

根据国际经验，储层渗透性通常需要超过100 mD才能实现热干岩的高效开发。然而，本研究中裂缝井的渗透性主要集中在0-50 mD范围内，西北方向的渗透性相对较高，但仍需进一步的人工刺激以提高储层渗透性。因此，后续的储层刺激应重点考虑西北方向，以提高热干岩资源的开发效率。

##### 2.3.5 受刺激储层体积评估

基于本研究中监测到的5,449个微震事件，建立了连续裂缝网络模型（如图12所示）。模型显示，裂缝呈近似椭圆形分布，其主轴方向为西北-东南方向，与微震事件的空间分布特征以及震源机制和原位应力分析结果一致。结合岩石物理实验数据，本研究采用平均值作为裂缝高度和影响半径的参数，并建立了三维空间裂缝网络模型（如图13所示）。根据该模型，计算出的受刺激储层体积约为773万立方米，表明储层重构的效果较为理想，确认了人工压裂在储层刺激中的有效性。

受刺激储层体积是评估压裂效果的重要指标之一。通过建立连续裂缝网络模型，可以进一步提高储层刺激评估的准确性。本研究参考了Alexandre等人（2015）提出的时空连通性分析方法，对微震事件的发生点进行按时间顺序的迭代扩展，连接离散事件点，并进行连续水力裂缝网络建模。裂缝高度和热传导半径是评估受刺激储层体积的关键参数。为了避免参数的随意性，本研究采用实验数据的平均值进行赋值，并构建了三维空间裂缝网络模型。评估结果表明，该区域的受刺激储层体积约为773万立方米，基本满足热干岩开发的需求，验证了人工压裂在储层刺激中的有效性。然而，由于当前储层的渗透性水平仍较低，建议后续的储层刺激应进一步提升储层的渗透性，以提高热干岩资源的开发效率。

### 3. 结果与讨论

#### 3.1 微震事件的空间分布

在本次研究中，利用裂缝井深度4,645至4,680米范围内的微震监测数据作为案例分析。压裂过程持续了7天，注入流量维持在2.5至5立方米/分钟，注入压力在40至80 MPa之间，总注入量约为10,000立方米。图4展示了压裂期间每日微震事件的数量统计，可以看出，微震事件的数量在压裂过程中呈现出逐渐上升的趋势，而在压裂结束后迅速下降，基本在第10天无事件发生。总体而言，共监测到5,449个微震事件，表明储层刺激过程对微震事件的激发具有显著影响。

图5展示了微震事件的空间分布情况。其中，X轴代表东向，Y轴代表北向，Z轴代表垂直深度，原点为裂缝井的位置。结果表明，微震事件的影响范围在水平面上约为550米，呈现出近似椭圆形的分布，其主轴方向为西北-东南方向。微震事件的密度图（如图6所示）显示，高密度区域集中在裂缝井周围200米范围内，其中西北和东南方向的高密度区尤为明显。这一发现表明，水力裂缝的扩展方向主要为西北-东南方向，且在井口附近形成了较强的刺激效果。从工程角度来看，这些分布特征表明，刺激过程已经建立了有效的流体通道，为热干岩的高效开发提供了基础。

#### 3.2 震源机制与原位应力反演

通过震源机制反演，研究人员获得了每个微震事件对应的震源球和断层杆（如图7所示）。在裂缝机制方面，约47.5%的微震事件属于走滑断层，约35.6%属于正断层，表明水力压裂过程中主要表现为这两种裂缝机制。通过对这些微震事件的断层走向和倾角进行分析，发现断层走向主要为西北方向，其次是北西北和北西西方向。断层倾角普遍超过40°，表明这些断层主要为中高角度裂缝。这种分布特征有助于判断裂缝的扩展方向和储层的应力状态，从而为后续压裂作业提供重要参考。

原位应力反演结果如图9所示，其中红色、绿色和蓝色分别代表最大主应力、中间主应力和最小主应力。结果显示，最大主应力主要为垂直应力，其方位角约为0.36°，即接近正北方向，倾角在20°-35°之间。最大水平主应力方向为西北-东南方向，其方位角在115°-140°之间，平均方位角为131.29°，倾角约为65°-80°。最小水平主应力方向为210°-240°，平均方位角为228.28°，倾角同样约为65°-80°。值得注意的是，最大水平主应力方向与微震事件的空间分布方向一致，均为西北-东南方向。这表明，原位应力的分布与裂缝的扩展方向密切相关，为后续压裂参数的优化提供了重要依据。

#### 3.3 渗透性反演

基于微震事件的分布范围，建立了一个以裂缝井为中心的离散裂缝网络模型，用于计算水力裂缝的渗透性。结果表明，水力裂缝的渗透性主要分布在0-50 mD范围内，其中渗透性在0-10 md的裂缝数量最多。随着渗透性的增加，裂缝数量显著减少。渗透性最大值超过300 mD，出现在距裂缝井约200米的西北方向。在4,619米深度的渗透性剖面图中，可以看出西北方向的渗透性显著高于其他区域，这与微震事件的分布趋势一致。渗透性反演不仅定量描述了储层渗透性的分布特征，还能够评估储层刺激的效果，为后续井位布局和储层重构提供了基础依据。

#### 3.4 受刺激储层体积评估

基于本研究中监测到的5,449个微震事件，建立了连续裂缝网络模型（如图12所示）。模型显示，裂缝呈近似椭圆形分布，其主轴方向为西北-东南方向，与微震事件的空间分布特征以及震源机制和原位应力分析结果一致。结合岩石物理实验数据，本研究采用平均值作为裂缝高度和影响半径的参数，并建立了三维空间裂缝网络模型（如图13所示）。根据该模型，计算出的受刺激储层体积约为773万立方米，表明储层重构的效果较为理想，确认了人工压裂在储层刺激中的有效性。

受刺激储层体积是评估压裂效果的重要指标之一。通过建立连续裂缝网络模型，可以进一步提高储层刺激评估的准确性。本研究参考了Alexandre等人（2015）提出的时空连通性分析方法，对微震事件的发生点进行按时间顺序的迭代扩展，连接离散事件点，并进行连续水力裂缝网络建模。裂缝高度和热传导半径是评估受刺激储层体积的关键参数。为了避免参数的随意性，本研究采用实验数据的平均值进行赋值，并构建了三维空间裂缝网络模型。评估结果表明，该区域的受刺激储层体积约为773万立方米，基本满足热干岩开发的需求，验证了人工压裂在储层刺激中的有效性。然而，由于当前储层的渗透性水平仍较低，建议后续的储层刺激应进一步提升储层的渗透性，以提高热干岩资源的开发效率。

### 4. 结论

本文提出了一种基于微震监测的热干岩储层刺激评估方法，并将其应用于江苏某热干岩开发现场。研究的主要结论如下：

1. 在热干岩开发现场周围建立了浅层与井下结合的微震监测系统，成功记录了5,449个微震事件。这些事件在水平面上的影响范围可达550米，形成了以裂缝井为中心、西北-东南方向为主轴的近似椭圆形分布。等密度图显示，微震事件主要集中在井口附近200米范围内，其中西北和东南方向的高密度区尤为显著。这一发现表明，水力裂缝的扩展方向主要为西北-东南方向，且在井口附近形成了较强的刺激效果，为后续井位布局和目标设计提供了依据。

2. 储层水力裂缝的破裂机制主要表现为走滑断层和正断层，其中断层走向主要为西北方向，倾角普遍为中高角度。原位应力的反演结果表明，最大主应力主要为垂直应力，其方向接近正北，倾角在20°-35°之间。最大水平主应力方向为西北-东南方向，与微震事件的空间分布方向一致。这些分析结果为后续压裂作业和工程开发提供了重要参考。

3. 渗透性反演结果表明，储层水力裂缝的渗透性主要分布在0-50 mD范围内，其中西北方向的渗透性相对较高，这与微震事件的分布趋势一致。受刺激储层体积评估结果约为773万立方米，表明储层重构的效果较为理想，验证了人工压裂在储层刺激中的有效性。然而，由于当前储层的渗透性水平仍较低，建议后续的储层刺激应进一步提升储层的渗透性，以提高热干岩资源的开发效率。

综上所述，本文提出的方法在热干岩储层刺激评估中具有重要意义。通过微震监测数据，研究人员能够准确评估裂缝扩展方向、应力状态和渗透性分布，为后续井位布局和压裂参数优化提供了科学依据。此外，该方法还提高了储层刺激评估的准确性，为热干岩增强地热系统的实施提供了重要参考。未来，随着微震监测技术的不断进步，该方法有望在更多热干岩开发项目中得到应用，推动热干岩资源的高效开发与可持续利用。