低渗透油气藏微地震监测研究就是利用地下岩层错动或断裂而产生的声发射现象对微地震震源位置进行定位的一种技术方法。近年来,随着微地震监测理论不断发展成熟,基于微震监测的裂缝评价技术已成为低渗透油气藏开采过程中最直观而又可靠的技术。微地震监测方式主要有两种:井中监测与地面监测。与地面监测相比,井中监测具有微震事件能量比较强,数据信噪比较高,并且能够避免地面噪声干扰等优势,在国内外获得了广泛的认可。但井中监测对压裂现场条件要求较高,并且施工操作复杂,在没有监测井的情况下无法开展工作。而地面监测不受压裂现场井网条件及施工难度制约,将是今后主要发展方向之一,本课题针对地面监测,围绕微地震监测方法、理论、数值模拟以及野外实验等方面,对微震监测中的正演、速度模型构建、微地震定位以及三维微震监测可视化软件等关键技术进行了研究。以地震射线追踪为主的正演环节直接影响震源定位质量以及计算效率。因此,需要寻找一种计算灵活,高效而又准确的射线追踪算法。而地震勘探领域中广泛应用的最短路径法在地面检波器数量较少,地下震源较多的情况下,则存在处理射线不够灵活,提高精度的同时严重占用计算机内存且耗费大量计算时间等问题。针对三维层状结构,提出采用二分法对传统逐步迭代法进行改进,提高了射线追踪正演计算效率。针对三维低密度网格结构,将逐段迭代法与中垂线点搜索方式相结合,提出了一种新的两点间三维射线追踪方法,与最短路径法相比,该方法在保证精度的同时,能够大幅提高计算效率,为微地震监测引入较复杂的速度模型提供了可能。震源定位是微地震监测中的核心问题,传统定位算法是提取大量检波器所获微震信号的初至时间,并优化求解超定方程组以确定震源位置。但其主要缺陷在于该方法仅能采用均匀速度模型进行定位。本文采用基于网格搜索类的微地震定位技术对地下微地震事件进行定位,可引入更为精细的速度模型,以提高微地震定位可信度。但该方法存在计算效率与定位精度无法平衡的不足。因此,文中采用网格逐次剖分思想对常规网格搜索类微地震定位方法进行改进。该方法对目标区域进行首次剖分后,在最大能量聚焦的网格中心点附近进行进一步的细分搜索,寻找全局最大能量聚焦值,避免了为了提高定位精度而进行的全局化细分,以较小的计算代价获得了更高的定位精度。文中还对速度模型对该算法的影响进行了分析与讨论,最后,通过模型试算及野外实际数据处理验证了改进后的微地震定位算法在计算效率以及计算精度上的优势。速度模型是影响微地震定位精度主要因素。本文首先对基于初至时差地面微地震速度模型构建进行了研究,压裂射孔信号是速度模型校正的重要先验信息,而实际监测过程中射孔起震时刻无法准确获取。为解决此问题,提出基于初至时差的双差分均方根误差来描述理论速度模型与实际速度模型之间的差异,采用极快速模拟退火法尽可能的降低双差分均方根误差值,在双差分均方根误差最小值一定阈值范围内选取对应的速度模型,并依次对射孔点进行重定位,进而筛选出速度模型最优解。当储层较深时,射孔地面记录通常具有低信噪比的特征,很难准确拾取纵横波初至信息。本文基于偏移振幅叠加法,并结合极快速模拟退火方案,提出一种新的速度模型构建方案,该方案不需要拾取震相初至信息,通过监测射孔点处能量聚焦情况,并以射孔点重定位精度,判定速度模型是否可用于后续微地震定位。由于地震数据反演非唯一性,在利用该方法时将速度模型校正作为一种误差补偿方案以提高射孔重定位精度。合成数据试算结果表明:采用振幅叠加方法校正后的速度模型,对两种主要误差都有较好的补偿效果。在射孔记录信噪比S/N=0.1时,100次定位误差均在2m以内,而基于初至时差法则完全失效。鉴于目前国内适用于微地震监测三维可视化软件的匮乏,本课题采用Open GL绘图技术,将Qt Creator植入Visual Studio 2010作为Open GL开发环境,利用C++语言开发了微地震监测三维可视化模块,利用坐标变换将处理好的微地震数据导入到计算模块,通过分析处理,在输出设备上直观的显示微地震事件,为微地震监测工作提供了较为便利的人机交互工具。本文将震源识别,射线追踪,微地震定位,速度模型构建,及三维等模块嵌入,设计开发了三维微地震地面监测软件系统,并将该系统应用于山西省娄烦县宁武盆地野外压裂实验,实际应用表明该系统在地质条件简单的地区用于水力压裂裂缝监测是可行的,未来通过对速度模型校正方法的改进,可推广至地质条件较复杂的地区。创新之处在于文中在目前较为常用的射线追踪算法的基础上进行改进,在不影响计算精度的前提下,计算效率更高,更适用于微地震监测领域;在微地震地面监测速度模型构建方面,针对射孔记录信噪比较高的情况,提出了基于初至时差的微地震速度模型校正方法,避免了射孔信号起震时刻未知,测井曲线初值不准等问题,解决了速度模型反演非唯一性的问题。针对射孔信噪比较低的情况,本文提出采用振幅偏移叠加微地震速度模型校正方法,避免了在低信噪比情况下,地震波初至拾取不准确的问题;在微地震定位方面,提出了网格逐次剖分法对常规的基于网格搜索类微地震定位算法进行改进,平衡与兼顾了计算效率与计算精度,为微地震实时监测提供了可能;最后设计研制了微地震三维可视化模块,为微地震监测工作提供了便利的可视化工具。