尹陳， 賀振華, 李亞林， 巫芙蓉， 曹立斌， 劉鴻， 何光明

1 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059 2 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司山地物探試驗(yàn)基地， 成都 610213

?

基于微震特性的相對(duì)震級(jí)技術(shù)研究及應(yīng)用

尹陳1,2， 賀振華1, 李亞林2， 巫芙蓉2， 曹立斌2， 劉鴻2， 何光明2

1 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610059 2 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司山地物探試驗(yàn)基地， 成都 610213

隨著非常規(guī)氣藏的開采開發(fā)，微地震監(jiān)測(cè)成為壓裂效果評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù).四川盆地非常規(guī)油氣藏開采開發(fā)處于早期，井網(wǎng)密度極低導(dǎo)致在壓裂井附近難以找到匹配深井作為觀測(cè)井，而地面、淺井等替代觀測(cè)方式面臨無(wú)法有效探測(cè)微地震信號(hào)的風(fēng)險(xiǎn).微地震事件能量弱和輻射的方向性使得觀測(cè)方位預(yù)判及有效監(jiān)測(cè)距離的評(píng)估成為微地震監(jiān)測(cè)成敗的關(guān)鍵因素.本文提出一種基于壓裂微地震能量輻射模式和地層傳播特征的相對(duì)震級(jí)計(jì)算技術(shù)，模擬微地震事件能量輻射模式及在地層傳播過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特征，達(dá)到評(píng)估微地震相對(duì)震級(jí)與檢波器方位、地層傳播距離的非線性關(guān)系的目的.通過(guò)理論分析和實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)資料驗(yàn)證，該方法能有效地解決微地震監(jiān)測(cè)最佳觀測(cè)方位的優(yōu)選和有效傳播距離的評(píng)估問(wèn)題.

微地震監(jiān)測(cè)； 震源反演； 相對(duì)震級(jí)； 壓裂； 非常規(guī)油氣藏

1 引言

微地震監(jiān)測(cè)(MicroSeismic Monitoring),也稱被動(dòng)地震(Passive Seismic),是通過(guò)觀測(cè)、分析生產(chǎn)活動(dòng)中所產(chǎn)生的微小地震事件來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術(shù).在非常規(guī)油氣地球物理中，指利用水力壓裂等石油工程作業(yè)時(shí)引起地下應(yīng)力場(chǎng)變化，致使巖層裂縫張開或錯(cuò)動(dòng)而輻射出微地震波，通過(guò)對(duì)微地震波進(jìn)行水力壓裂裂縫成像達(dá)到對(duì)地下壓裂裂縫分析的方法.微地震與天然地震具有許多差異(Seth and Michael, 2003; Peter, 2009)，如表1所示，主要體現(xiàn)在：1) 微地震信號(hào)頻率往往比天然地震頻率高1—3個(gè)數(shù)量級(jí). 2) 石油工程中微地震監(jiān)測(cè)的儀器響應(yīng)與天然地震儀器響應(yīng)存在明顯差異.例如，天然地震更注重對(duì)低頻成分的保護(hù)，而微地震注重對(duì)中高頻成分的保護(hù)； 3) 天然地震接收臺(tái)站采用地面散點(diǎn)分布的方式，能接收到震源不同傳播方向振幅響應(yīng)，而微地震井中監(jiān)測(cè)采用多級(jí)檢波器線性地布設(shè)于臨井，且單口深井監(jiān)測(cè)只能接收到單個(gè)方向的能量輻射響應(yīng)； 4) 微地震信號(hào)因壓裂裂縫尺度小而頻率高，信號(hào)在地層傳播過(guò)程中的能量衰減機(jī)制復(fù)雜，常規(guī)的天然地震震級(jí)反演難以表征微地震傳播能量、頻率等信息的微觀變化，無(wú)法判斷微地震信號(hào)的衰減程度以及能否被檢波器有效地接收.國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者就微地震監(jiān)測(cè)反演震級(jí)進(jìn)行了應(yīng)用性分析(Shemeta and Anderson, 2010; Eaton et al., 2011; Grob and Baan, 2011)，對(duì)微地震震級(jí)隨距離變化關(guān)系的正演并未提出有效的方法.尹陳(Yuan et al., 2006; Zhang et al., 2000; Zhang et al., 1999; 孫成禹等，2007; Rahul and Roger, 1995; Zhang and Ulrych, 2002; Valeri et al., 2004; 尹陳等, 2009)等模擬了地震波傳播的非彈性衰減特征，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)微地震信號(hào)均未從震源機(jī)制、傳播特征等方面進(jìn)行系統(tǒng)性研究和模擬，面對(duì)微地震有效傳播距離區(qū)域性評(píng)判之類的實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題，往往借鑒于區(qū)域經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)而沒(méi)有定量分析.經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在地區(qū)或工區(qū)之間的差別，例如，1) 長(zhǎng)慶非常規(guī)油氣藏勘探區(qū)域，微地震信號(hào)有效傳播距離約200～300 m，使得深井監(jiān)測(cè)也面臨極大的挑戰(zhàn)；2) 四川威遠(yuǎn)—長(zhǎng)寧地區(qū)的實(shí)際監(jiān)測(cè)資料表明，該區(qū)激發(fā)的微地震信號(hào)有效傳播距離可達(dá)到4000 m，從而使得微地震地面監(jiān)測(cè)在該區(qū)存在可實(shí)施性，但相同接收線觀測(cè)的微地震信號(hào)仍存在明顯的能量變化特征表明微地震信號(hào)的模擬尤其復(fù)雜.為了保證信號(hào)在最大范圍被接收，生產(chǎn)中以增加成本(如長(zhǎng)排列多道的觀測(cè)方式)達(dá)到降低微地震監(jiān)測(cè)失效的風(fēng)險(xiǎn).因此，如何合理地估算特定地質(zhì)背景下微地震信號(hào)的最佳觀測(cè)方位和有效傳播距離成為我國(guó)壓裂微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)和技術(shù)關(guān)鍵，避免因觀測(cè)距離和方位估算信息缺失導(dǎo)致無(wú)法有效接收到微地震信號(hào)而影響壓裂的實(shí)時(shí)指導(dǎo)和效果評(píng)估.

表1 微地震與天然地震的差異

基于上述難點(diǎn)和生產(chǎn)需求，本文提出了一種基于震源輻射模式和地層傳播特征的微地震相對(duì)震級(jí)技術(shù).該方法在里氏震級(jí)理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域儲(chǔ)層應(yīng)力特征、震源輻射模式、地層折射、非彈性衰減、球面擴(kuò)散等波的傳播特性，定量評(píng)估微地震波的相對(duì)震級(jí)與傳播距離、傳播方向的非線性關(guān)系.通過(guò)理論模擬及實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)資料驗(yàn)證，該方法能有效表征微地震信號(hào)有效傳播距離、傳播方位與相對(duì)震級(jí)的關(guān)系，將微地震監(jiān)測(cè)最佳觀測(cè)距離的經(jīng)驗(yàn)值和觀測(cè)方位定量化，為微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化提供數(shù)值基礎(chǔ)，提高微地震監(jiān)測(cè)在壓裂效果評(píng)估中的可靠性和成功率.

2 微地震事件震源輻射模式及傳播特性

在地球介質(zhì)中傳播的地震波振幅隨距離的衰減主要包括兩部分：1)地震波傳播過(guò)程中，由于波陣面的擴(kuò)大引起單位面積波陣面上波動(dòng)能量的減小,稱為幾何擴(kuò)散,它與介質(zhì)結(jié)構(gòu)和傳播路徑有關(guān)(Keiiti and Paul, 2002; 何登焦,2011).2)介質(zhì)的非完全彈性和非均勻性,地震波因地殼介質(zhì)的非均勻性引起的散射及非彈性衰減(Mitchell, 1995; 劉杰等, 2003).

2.1 非彈性衰減

當(dāng)聲波在吸收介質(zhì)中傳播時(shí)，要經(jīng)受與頻率有關(guān)的衰減以及由頻散而引起的相位畸變(Futterman, 1962; Wang, 2006; Wang et al., 2014)，并最終影響波的頻譜分布特征，如式(1).

(1)

其中:Q為品質(zhì)因子，ω為角頻率，υ為地震波速度，U為地震波場(chǎng)，z為地層深度.微地震信號(hào)發(fā)震頻率在100～1500Hz,高頻成分將伴隨著強(qiáng)能量衰減.

2.2 球面擴(kuò)散

地震波在傳播過(guò)程中分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)(Keiiti and Paul, 2002)，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)P波，其位移可由式(2)表示：

(2)

其中：γ為波離開震源的傳播方向，ρ為地層密度，υP為P波速度，r為傳播距離.

2.3 透射效應(yīng)

微地震信號(hào)利用直達(dá)波進(jìn)行震源反演，垂直入射界面的地震波在界面處發(fā)生反射和透射，透射系數(shù)定義為

(3)

其中：ρ1、υ1分別為入射層的密度和速度，ρ2、υ2分別為出射層的密度和速度.

2.4 輻射模式

由地震能量理論(Lynn and Joseph, 1968)得出：在遠(yuǎn)離震源的情況下，壓縮波的位移與運(yùn)動(dòng)方向可表示為

(4)

2.5 微地震波能量綜合特征

微地震信號(hào)從激發(fā)、經(jīng)地層傳播至檢波器，主要存在以上四項(xiàng)參數(shù)影響，檢波器接收的微地震波波形如下：

其中：A是微地震波傳播r距離處的振幅，f為檢波器所接收的微地震波主頻，A0為微地震波在距離震源一個(gè)波長(zhǎng)處的振幅，r0為激發(fā)的微地震波波長(zhǎng)，f0為震源激發(fā)微地震波的主頻，G為球面擴(kuò)散，U為非彈性衰減，P為震源激發(fā)的能量輻射模式.

3 微地震相對(duì)震級(jí)方法原理

對(duì)式(5)兩邊取對(duì)數(shù)，得到

lgA(r,f)= lgA0(r0,f0)+lgG(r)+lgU(f,r)

+lgP(θ,φ)+lgTr(r)，

(6)

(7)

1935年，CharlesRichter(Richter,1935)提出地震振幅與震級(jí)之間的關(guān)系：

M=lgA-lgA0,

(8)

其中：M為地震震級(jí)，A是由檢波器探測(cè)的地震波最大振幅值，A0是區(qū)域校正經(jīng)驗(yàn)值.公式(8)中，Richter做了如下假設(shè)：兩個(gè)不同震級(jí)的震動(dòng)發(fā)生在同一位置，當(dāng)所有外界環(huán)境(傳播環(huán)境、檢波器特性)等一致的情況下，在特定位置接收到兩次震動(dòng)的波形，其中一個(gè)與另一個(gè)相同，而唯一的差別是振幅不同.微地震事件在傳播過(guò)程中， 1)因非彈性衰減必然導(dǎo)致主頻向低頻方向移動(dòng)，且頻率越高移動(dòng)速度越快； 2)不同斷層激發(fā)的地震波頻率不同，直接用式(8)計(jì)算微地震震級(jí)必然導(dǎo)致較大的震級(jí)誤差.Gutenberg(GutenbergandRichter,1942,Gutenberg, 1945a,1945b,GutenbergandRichter,1956)提出了體波震級(jí)計(jì)算公式：

(9)

其中：mb是用周期為1s左右的地震體波對(duì)應(yīng)的最大振幅來(lái)量度地震的大小,mB是用周期為5s左右的地震體波對(duì)應(yīng)的最大振幅來(lái)量度地震的大小，Q(Δ,h)為震級(jí)的起算函數(shù)或路徑效應(yīng)，C為區(qū)域校正值.微地震波的周期往往小于10ms，利用式(9)無(wú)法做到對(duì)微地震震級(jí)可靠估算的目的，因此需將微地震波的頻率特征納入計(jì)算微地震相對(duì)震級(jí)，結(jié)合式(6)—(9)，得式(10)所示的微地震相對(duì)震級(jí)估算公式：

(10)

4 理論數(shù)值模擬

4.1 基于剪切源模型的相對(duì)震級(jí)理論模擬

式(10)表征了震源處微地震事件相對(duì)震級(jí)，通過(guò)該式可模擬震源輻射空間不同方位微地震波的能量特征.圖1a是Mechanism(strike, dip, rake)=(90,45,60)的震源機(jī)制圖，即方位角為90°、傾角為45°、滑動(dòng)角為60°的微裂縫活動(dòng)能量輻射特征.其中綠色、黑色三角形分別表示P波的正極性和負(fù)極性，三角形大小表征P波的振幅大小.

通過(guò)圖1的相對(duì)震級(jí)模擬： 1)在僅考慮微地震波傳播特性的VTI地層介質(zhì)模型下，微地震波能量的衰減以震源為中心的同心圓分布；在遠(yuǎn)離震源的過(guò)程中，因球面擴(kuò)散、非彈性衰減的影響，能量遞減率降低，如圖1b所示.2)若僅考慮輻射模式時(shí)，微地震波能量具有極強(qiáng)的方向性，如圖1d出現(xiàn)極強(qiáng)的北北東-南南西向強(qiáng)相對(duì)震級(jí)分布.3)若同時(shí)考慮地層傳播效應(yīng)及輻射模式，微地震波輻射模式的方向性得到一定的減弱，但北東-南西向的強(qiáng)震級(jí)趨勢(shì)仍然存在.盡管輻射模式具有較強(qiáng)的影響，但地層的傳播特征對(duì)振幅的衰減不容忽視，地層傳播特性隨著傳播距離的增加而明顯地影響微地震波的能量特征，如圖1f所示.在深度方向，與圖1(b)、(d)、(f)的趨勢(shì)類似，在遠(yuǎn)離震源的情況下微地震波的能量衰減率降低.圖1c中，在球面擴(kuò)散總體趨勢(shì)的影響下，相對(duì)震級(jí)的等值線在VTI地質(zhì)模型中因非彈性衰減和透射效應(yīng)而不以同心圓的形式出現(xiàn).圖1(d—g)中，在不考慮地層傳播距離的影響下，震源輻射模式在出射方向震級(jí)一致；反之，則出現(xiàn)花瓣式的能量輻射模式，且與傳播特性息息相關(guān).

圖1 既定震源機(jī)制的微地震相對(duì)震級(jí)理論模擬Fig.1 The relative magnitude simulation of the specific mechanism

微地震波的相對(duì)震級(jí)在空間近連續(xù)變化，可根據(jù)相對(duì)震級(jí)衰減速率或等值線寬度進(jìn)行區(qū)域的劃分.如圖1(f和g)所示：1)在遠(yuǎn)離震源的過(guò)程中，微地震波能量衰減變慢，如相對(duì)震級(jí)在[-4.5,-4],等值線寬度約為200 m；在[-5,-4.5]區(qū)間，等值線寬度大于500 m，距離震源越遠(yuǎn)的區(qū)域具有更多的優(yōu)選空間布設(shè)檢波器.2)震源輻射的方向性使得檢波器的布設(shè)極其關(guān)鍵，相對(duì)震級(jí)值大的區(qū)域是檢波器布設(shè)的優(yōu)選區(qū)域，反之則為規(guī)避區(qū)域，在最大和最小值的區(qū)域，相對(duì)震級(jí)值出現(xiàn)5的差異而導(dǎo)致約105的振幅級(jí)差，不合理的檢波器布設(shè)區(qū)域?qū)?yán)重影響微地震監(jiān)測(cè).3)微地震波在近場(chǎng)的傳播過(guò)程中，震源的輻射模式和球面擴(kuò)散對(duì)微地震波的能量呈現(xiàn)絕對(duì)性優(yōu)勢(shì)，層間透射、非彈性衰減在近震源的傳播過(guò)程中影響較弱；在中遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播階段，微地震波近似地以平面波傳播時(shí)，透射、散射、非彈性衰減對(duì)能量的區(qū)域影響則更加明顯.

4.2 基于任意震源模型的相對(duì)震級(jí)理論模擬

上節(jié)主要介紹基于剪切源的微地震震源機(jī)制模擬，通過(guò)輸入斷層的Mechanism(strike, dip, rake)三個(gè)角度達(dá)到對(duì)剪切源激發(fā)的微地震信號(hào)模擬的目的.而在實(shí)際工程中可能面臨多種源，比如膨脹源、壓縮源等，對(duì)這種復(fù)雜震源，雖不能用斷層的三個(gè)角度進(jìn)行模擬，但可通過(guò)矩張量的9個(gè)分量值表征從而達(dá)到對(duì)激發(fā)波相對(duì)震級(jí)模擬的目的，如圖2所示，彩色等值線圖為不同矩張量對(duì)應(yīng)的源在空間的相對(duì)震級(jí)變化關(guān)系俯視圖.可見，不同震源類型在空間的能量輻射模式不同，因震源機(jī)制是振幅的絕對(duì)值，因此，某些源在空間的相對(duì)震級(jí)變化趨勢(shì)存在相似性.

5 相對(duì)震級(jí)在微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的應(yīng)用

四川盆地頁(yè)巖氣處于開采開發(fā)的初級(jí)階段，探井或開發(fā)井井距大，大部分壓裂井附近1 km甚至5 km的范圍內(nèi)沒(méi)有深井用于微地震監(jiān)測(cè).在壓裂作業(yè)中，由于壓裂液在裂縫或孔隙中的填充，裂縫或孔隙中的應(yīng)力增加以及液體潤(rùn)滑作用使得微裂縫間的摩擦系數(shù)減小而導(dǎo)致微裂縫的破裂或滑動(dòng)，主要用三個(gè)參數(shù)表征： 1)滑動(dòng)角：上覆地層壓力大使得地層的垂直應(yīng)力較大，受壓裂液的作用，微裂縫往往沿著微裂縫走向的方向發(fā)生滑動(dòng)，即微裂縫的滑動(dòng)角通常約為0°.2)方位角：微裂縫的方位角與區(qū)域應(yīng)力有關(guān)，往往垂直于地層最小主應(yīng)力.3)傾角：對(duì)于壓裂裂縫，受上覆地層壓力影響，往往認(rèn)為壓裂裂縫是高角度裂縫，即裂縫的傾角近似為90°.

5.1 相對(duì)震級(jí)在微地震井中監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化中的應(yīng)用

本項(xiàng)目采用“3口淺井+1口深井”的微地震聯(lián)合監(jiān)測(cè)方式以評(píng)判該水平井的壓裂效果，如圖3所示，三口淺井分別標(biāo)示為Well A, Well B和Well C，位于壓裂井水平段上方，每口井深約300 m并布置19級(jí)三分量檢波器；深井標(biāo)示為Well D并布置40級(jí)三分量檢波器.本次監(jiān)測(cè)，深井Well D微地震事件能量最強(qiáng)，資料信噪比最高；A,B,C三口淺井能量較弱，但A井微地震事件能量最弱.根據(jù)鉆井及成像測(cè)井信息，儲(chǔ)層內(nèi)部裂縫走向?yàn)镹20°W，水力壓裂裂縫滑動(dòng)模式主要為走滑模式，主震源機(jī)制約為Mechanism(strike,dip,rake)=(314, 90, 0).

在Mechanism(strike,dip,rake)=(314, 90, 0)的震源模式下，震源位置X(x,y,z)=(6500,300,-3060)，圖4a是震源上方10 m處X-Y水平方向的相對(duì)震級(jí)切片，紅色三角形為監(jiān)測(cè)井的水平投影，相對(duì)震級(jí)隨傳播距離增加而急劇降低，并呈現(xiàn)對(duì)稱分布.圖4b是過(guò)震源坐標(biāo)在X-Z方向相對(duì)震級(jí)，紅色三角形為監(jiān)測(cè)井在該剖面的投影.由于受震源輻射模式和傳播距離的共同影響，相對(duì)震級(jí)在震源正上方附近出現(xiàn)強(qiáng)低值區(qū).Well D因處于震源輻射強(qiáng)能量區(qū)及更近的傳播距離，相對(duì)震級(jí)明顯高于A,B,C處.為了更加精細(xì)的對(duì)比，取A,B,C和D井的檢波器所在空間位置的相對(duì)震級(jí)值Magnitude(A,B,C,D)=(-8.8, -8.2,-8.5,-6.2)，其相對(duì)震級(jí)差為2.6，值得注意的是0.5的相對(duì)震級(jí)差將導(dǎo)致約3倍的振幅差異，2倍的相對(duì)震級(jí)差將導(dǎo)致約100倍的振幅差異，因此，D井記錄的微地震事件振幅必然明顯強(qiáng)于A,B,C淺井的事件.

為了與實(shí)際監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行精細(xì)對(duì)比，以某一微地震事件為例.該事件的震源位置X(x,y,z)=(6100,400,-3066)，通過(guò)相對(duì)震級(jí)正演模擬得該事件的相對(duì)震級(jí)為Magnitude(A,B,C,D)=(-7.849, -7.985,-8.03,-5.96)，相對(duì)震級(jí)在D井與三口淺井的差異將導(dǎo)致接近2個(gè)數(shù)量級(jí)的振幅差異；A, B ,C三口淺井中，A井相對(duì)震級(jí)最大，但與B,C井不成數(shù)量級(jí)的差異.該事件的波形如圖5所示，D井監(jiān)測(cè)的波形能量極強(qiáng)，振幅在X,Y,Z分量與淺井監(jiān)測(cè)呈現(xiàn)出幾十上百倍的差異.A,B,C三口淺井振幅差異相對(duì)較小，但仍可直觀地看出A井較強(qiáng)，B井次之，C井最弱.實(shí)際波形振幅與相對(duì)震級(jí)模擬結(jié)果吻合并印證了該方法的有效性.

盡管三口淺井均接收到微弱的微地震信號(hào)，但針對(duì)該次微地震監(jiān)測(cè)仍存在如下優(yōu)化措施：結(jié)合圖4箭頭所示，將A,C兩口淺井位置向外拓，將更有利于接收到較強(qiáng)的微地震信號(hào)和提高微地震監(jiān)測(cè)的定位精度，降低監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn).總之，通過(guò)本次監(jiān)測(cè)資料及相對(duì)震級(jí)技術(shù)的論證，將為該區(qū)后期微地震監(jiān)測(cè)的實(shí)施提供更加合理的觀測(cè)系統(tǒng).

圖4 A區(qū)域的微地震監(jiān)測(cè)相對(duì)震級(jí)分布(a)相對(duì)震級(jí)X-Y視圖；(b)相對(duì)震級(jí)X-Z視圖.Fig.4 The relative magnitude distribution of the microseismic in A site(a) The X-Z view of the relative magnitude；(b) The X-Y view of the relative magnitude.

圖5 A區(qū)域的某微地震事件波形振幅Fig.5 The waveform of the MSI event in A area

圖6 長(zhǎng)寧某頁(yè)巖氣井壓裂微地震地面排列監(jiān)測(cè)相對(duì)震級(jí)等值線圖Fig.6 The relative magnitude contour map of the surface MSM in Changning area

圖7 某微地震事件記錄波形Fig.7 The recording waveform of theMSI event

5.2 壓裂裂縫輻射模式對(duì)微地震地面監(jiān)測(cè)能量分布的影響

該區(qū)井網(wǎng)較稀使得微地震深井監(jiān)測(cè)難以實(shí)施，為保證該項(xiàng)目壓裂作業(yè)的有效評(píng)價(jià)而采用微地震地面排列的監(jiān)測(cè)方式.通過(guò)地應(yīng)力、鉆井等信息，該區(qū)的微裂縫破裂主要以Mechanism(strike,dip,rake)=(252, 90, 0)的震源機(jī)制.如圖6，紅色線L1—L17為地面檢波器接收排列，1)80%檢波器所在位置的相對(duì)震級(jí)差異在1.5的數(shù)值范圍內(nèi)(如紅色—黃色色標(biāo)區(qū)域所示)，整體分布趨勢(shì)較為均衡；2)L6—L10線，近排列段相對(duì)震級(jí)主要分布在紅色區(qū)域，遠(yuǎn)排列段相對(duì)震級(jí)陡降至藍(lán)色區(qū)域，與紅色區(qū)域的相對(duì)震級(jí)差約為4，必然存在約104的振幅差異；圖7的L6—L10線的監(jiān)測(cè)記錄可見，在近排列段微地震事件波形能量明顯，而遠(yuǎn)排列段基本無(wú)法探測(cè)到微地震事件，與圖6相對(duì)震級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果完全吻合，例如，圖6的L6對(duì)應(yīng)的相對(duì)震級(jí)以強(qiáng)-弱的趨勢(shì)發(fā)展，圖7的L6波形顯示，從近排列至遠(yuǎn)排列振幅同樣以強(qiáng)-弱的趨勢(shì)變化，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際資料高度吻合.3)結(jié)合圖7的微地震事件波形，L1—L5和L11—L17線，在整個(gè)監(jiān)測(cè)排列段均能看到明顯的微地震事件波形，但每條線的不同段呈現(xiàn)出波形振幅的弱小差異，與圖6預(yù)測(cè)的相對(duì)震級(jí)值在每條線的變化趨勢(shì)一致.

該資料表明：用相對(duì)震級(jí)預(yù)測(cè)的地表能量分布

特征與實(shí)際監(jiān)測(cè)資料的能量分布特征基本一致.然而，通過(guò)相對(duì)震級(jí)資料模擬可見，本次觀測(cè)方式仍存在有待優(yōu)化之處：1)L6—L10線的遠(yuǎn)排列段位于相對(duì)震級(jí)特低值區(qū)，該區(qū)域的檢波器無(wú)法接收到有效的微地震信號(hào)，因此，放棄在該區(qū)域的檢波器布設(shè)可節(jié)約大量成本；2)在L15—L17—L1的區(qū)域中，相對(duì)震級(jí)值位于紅色區(qū)域，而實(shí)際資料表明該區(qū)域能接收到可靠的微地震事件，因此，可在該區(qū)域以相同的密度布設(shè)檢波器測(cè)線將更有利于微地震地面監(jiān)測(cè)定位精度的提高，尤其是井場(chǎng)下方壓裂區(qū)域激發(fā)的微地震事件.

6 結(jié)論

1)針對(duì)我國(guó)非常規(guī)油氣藏開采開發(fā)初期，不同區(qū)域儲(chǔ)層體現(xiàn)出完全不同的地質(zhì)和巖石物理特征，基于其他工區(qū)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)距離必然存在較大差異.本文提出的基于微震特性的相對(duì)震級(jí)技術(shù)，將對(duì)壓裂裂縫破裂機(jī)制、地層物性特征等因素制約的微地震觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供定性和定量的指導(dǎo)，將為高精度微地震地面、淺井、深井等多種監(jiān)測(cè)方式檢波器布設(shè)方位和范圍提供優(yōu)選方案.

2)本文的相對(duì)震級(jí)計(jì)算方法，在距離微地震事件位置較近的區(qū)域，輻射模式和球面擴(kuò)散將對(duì)能量分布起著決定性作用，輻射模式影響相對(duì)震級(jí)衰減的方向，球面擴(kuò)散影響相對(duì)震級(jí)的徑向衰減梯度.在遠(yuǎn)離震源區(qū)域，球面擴(kuò)散效應(yīng)減弱，非彈性衰減、透射等效應(yīng)突顯.因此，距離震源位置越遠(yuǎn)的地方，相對(duì)震級(jí)衰減梯度更小，而對(duì)于地面和淺井監(jiān)測(cè)卻具有更為廣闊的選址空間.

致謝 論文研究得到了中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科技部，川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司的大力支持，在此對(duì)其表示衷心地感謝.

Eaton D W. 2011.Qdetermination, corner frequency and spectral characteristics of microseismicity induced by hydraulic fracturing. ∥ San Antonio 2011 Annual Meeting, 1555-1559.Futterman W I. 1962. Dispersive body waves.JournalofGeophysicalResearch, 67(13): 5279-5291.

Grob M, van der Baan M. 2011. Statistical analysis of microseismic event locations and magnitudes, and their geomechanical implications. ∥ SEG San Antonio 2011 Annual Meeting, 1570-1575.

Gutenberg B, Richter C F.1942. Earthquake magnitude, intensity, energy and acceleration.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica, 32(3): 163-191.

Gutenberg B. 1945a. Amplitudes of P, PP, and S and magnitude of shallow earthquakes.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica, 35: 57-69.

Gutenberg B.1945b. Magnitude determination for deep-focus earthquakes.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica, 35: 117-130.Gutenberg B, Richter C F. 1956. Magnitude and energy of earthquakes.Ann.Geofis., 9: 1-5.

He D J. 2011. The Principle of Seismic Exploration(in Chinese). Beijing: Geological Publishing House.

Keiiti A, Paul G R. 2002. Quantitative Seismology. New York: U.S., University Science Books.

Korneev V A, Goloshubin G M, Daley T M, et al. 2004. Seismic low-frequency effects in monitoring fluid-saturated reservoirs.Geophysics, 69(2): 522-532.

Liu J, Zheng S H, Huang Y L. 2003. The inversion of Non-elasticity coefficient, source parameters, site response using genetic algorithms.ActaSeismologicaSinica(in Chinese), 25(2): 211-218.

Lynn D T, Joseph W B Jr. 1968. Seismic source characteristics from explosion-generated P waves.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica, 58(6): 1833-1848.

Mitchell B J. 1995. Anelastic structure and evolution of the continental crust and upper mantle from seismic surface wave attenuation.ReviewsofGeophysics, 33(4): 441-462.Peter M S. 2009. Introduction to Seismology. San Diego: University of California.Rahul D, Roger A C. 1995. Estimation ofQfrom surface seismic reflection data.Geophysics, 63(6): 2120-2128.

Richter C F. 1935. An instrumental earthquake magnitude scale.BulletinoftheSeismologicalSocietyofAmerica, 25(1-2): 1-32.Seth S, Michael W. 2003. An Introduction to Seismology Earthquakes, and Earth Structure. UK: Blackwell Publishing.Shemeta J, Anderson P. 2010. It′s a matter of size: Magnitude and moment estimates for microseismic data.TheLeadingEdge, 29(3): 296-302.

Sun C Y, Zhang Y L, Wan X J. 2007. Reflection features of planar waves from Visco-interfaces.ProgressinGeophysics(in Chinese), 22(4): 609-616, doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2007.02.040.Wang B F, Chen X H, Li J Y. 2014. Inversion based data-driven attenuation compensation method. ∥ SEG Denver 2014 Annual Meeting, 3267-3270.

Wang Y H. 2006. Inverse-filter for seismic resolution enhancement.Geophysics, 71(3): V51-V60.

Yin C, He Z H, Huang D J. 2009. The analysis of seismic attenuation and time delay based on the Diffusivity-Viscosity wave equation.ChineseJournalGeophysics(in Chinese), 52(1): 187-192.

Yuan C F, Peng S P, Zhang Z J, et al. 2006. Seismic wave propagating in Kelvin-Voigt homogeneous visco-elastic media.ScienceinChina(SeriesD), 49(2): 147-153.

Zhang C J, Ulrych T J. 2002. Estimation of quality factors from CMP records.Geophysics, 67(5): 1542-1547.

Zhang Z J, Wang G J, Harris J M. 1999. Multi-component wavefield simulation in viscous extensively dilatancy anisotropic media.PhysicsoftheEarthandPlanetaryInteriors, 114(1-2): 25-38.

Zhang Z J, Teng J W, He Z H. 2000. Azimuthal anisotropy of seismic velocity, attenuation andQvalue in viscous EDA media.ScienceinChina(SeriesE), 43(1): 17-22.

附中文參考文獻(xiàn)

何登焦. 2011. 地震勘探原理. 北京: 地質(zhì)出版社. (請(qǐng)補(bǔ)充本條文獻(xiàn)的英文信息)

劉杰, 鄭斯華, 黃玉龍. 2003. 利用遺傳算法反演非彈性衰減系數(shù)、震源參數(shù)和場(chǎng)地響應(yīng). 地震學(xué)報(bào), 25(2): 211-218.

孫成禹, 張玉亮, 萬(wàn)學(xué)娟. 2007. 平面波在粘滯性界面上的反射特征研究. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 22(4): 609-616, doi: 10.3969/j.issn.1004-2903.2007.02.040.

尹陳, 賀振華, 黃德濟(jì). 2009. 基于彌散-黏滯型波動(dòng)方程的地震波衰減及延遲分析. 地球物理學(xué)報(bào), 52(1): 187-192.

(本文編輯 汪海英)

Research and application of the relative magnitude technique based on microseism

YIN Chen1,2, HE Zhen-Hua1, LI Ya-Lin2, WU Fu-Rong2,CAO Li-Bin2, LIU Hong2, HE Guang-Ming2

1StateKeyLab.ofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China2SichuanGeophysicalCompanyofChuanqingDrillingEngineeringCompanyLimited，CNPC,Chengdu610213,China

With the development of the unconventional exploration, the microseismic monitoring (MSM) has been the key technique for assessment of the fracturing effect. In the Sichuan basin, exploitation of unconventional reservoirs remains in the early stage, where the very sparse wells lead to difficulty to find a suitable deep well nearby the fracturing well as the monitoring borehole. While other alternative wells such as those on the ground or shallow ones cannot detect microseismo event effectively. Because of the weak energy and strong orientation of microseismic radiation, pre-determination of observational azimuths and estimation of effective monitoring distances are critical for MSM. The objective of this work is to study how to deploy the observational system of MSM based on microseismic mechanism and propagation features. Methods: This paper proposes a calculation method for relative magnitude based on the microseimic event radiation pattern and propagation characters in strata, and simulates the kinetic parameters to assess the non-linear relationship among the relative magnitude, sensor azimuth and the propagation distance. This method takes the source mechanism, spherical spreading, attenuation and refraction into consideration to reveal the energy attenuation in different directions and locations of the MSM signal.With the detailed theoretical analysis of different effects of the source mechanism, spherical spreading, attenuation and refraction and the relative magnitude relationships of different source mechanisms, this method is able to reveal the energy attenuation of MSM signal at varied locations of the layer. The relative magnitude has applied in two different MSM projects. One is the downhole MSM observation geometry that the simulated relative magnitude accorded with the actual recording data both in shallow and deep observational wells. The other is the surface MSM observation geometry with 17 receiving arrays, and the simulated relative magnitude keeps consistent with the actual recording data. The theoretical and actual data show this technique can effectively resolve the optimum observation azimuth and distance of the MSM.Because of different geology and rock-physics properties in the early stage of the unconventional exploitation, the statistics-based detection distances of MSM must have big differences in different areas. The relative magnitude technique based on the microseismic characteristics can provide the qualitative and quantitative guidance for MSM observation geometry with the consideration of the fractured source mechanism and property of the layer, and also provides the optimum scheme for the receiving azimuth and distance for the surface, deep well and shallow well observation design. The source mechanism and spherical spreading play a dominant role in energy attenuation at the nearer location to the source, the former affects the relative magnitude direction and the latter affects the energy gradient in the radial direction. At the farther distance to the source, the attenuation and refraction have bigger effects on the energy. Therefore, the farther distance to the source, the smaller relative magnitude decrease gradient, which means the wider optimum space for surface and shallow well MSM.

Microseismic monitoring(MSM); Hypocentral inversion; Relative magnitude; Fracturing; Unconventional reservoir

中國(guó)石油集團(tuán)公司項(xiàng)目(2013A-3608).

尹陳，女，1982年生，從事微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究及軟件開發(fā)工作.E-mail: yinch_wt@cnpc.com.cn

10.6038/cjg20150633

P631

2014-09-24，2015-06-05收修定稿