朱海波,楊心超,廖如剛,高東偉

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國石油化工股份有限公司重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶408000)

基于微地震裂縫參數(shù)反演的解釋與應(yīng)用研究

朱海波1,楊心超1,廖如剛2,高東偉2

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院,江蘇南京211103;2.中國石油化工股份有限公司重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶408000)

微地震監(jiān)測技術(shù)是水力壓裂中監(jiān)測裂縫發(fā)育情況的有效地震方法,但在實際應(yīng)用中仍存在諸多問題。為此,開展了地面微地震震源機制反演及裂縫解釋技術(shù)在四川盆地頁巖氣藏勘探中的應(yīng)用研究。根據(jù)地面觀測的微地震數(shù)據(jù),采用矩張量反演獲得微地震事件的震源機制;基于震源機制結(jié)果計算微地震事件震級以及裂縫的地質(zhì)參數(shù);在統(tǒng)計的裂縫地質(zhì)參數(shù)上解釋裂縫發(fā)育情況,為油藏描述提供有效的信息。四川盆地頁巖氣實際資料的應(yīng)用結(jié)果表明,研究區(qū)水平井的壓裂設(shè)計合理,發(fā)育裂縫為高角度縫;根據(jù)統(tǒng)計的裂縫方位角度和實際的地下應(yīng)力狀況,建立了走滑型剪切裂縫模型;在裂縫模型上了解局部最大、最小水平應(yīng)力方向,建議井布置方位在現(xiàn)有方位上調(diào)整為北偏西約10°。

微地震;裂縫反演;地質(zhì)應(yīng)力;震源機制;頁巖氣

隨著水平井技術(shù)的不斷突破與完善,在頁巖氣、煤層氣等非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)中,壓裂技術(shù)被大量應(yīng)用,如水力壓裂和裂縫發(fā)育增長[1]、監(jiān)控斷層[2]、跟蹤注射液體或蒸汽生產(chǎn)的構(gòu)造形態(tài)變化[3]、裂縫網(wǎng)絡(luò)成像和巖石地層與儲層的壓實[4]等。

微地震是目前水力壓裂監(jiān)測技術(shù)的主要方式。水力壓裂過程導(dǎo)致地下的微破裂事件活動非常復(fù)雜。隨著壓裂液的不斷注入,其在地層裂縫延伸過程中,打破地層原有應(yīng)力平衡,應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。ITO等[5]的研究結(jié)果表明,水力剪切作用使天然裂縫面發(fā)生剪切滑動,產(chǎn)生微地震事件。BAIG等[6]研究指出,地震事件頻帶范圍從幾赫茲到上千赫茲,破裂半徑(數(shù)十米)較大的斷層面產(chǎn)生一個波長較大和頻率較低的信號,而破裂半徑小(幾十厘米至幾米)的斷層會產(chǎn)生更高的頻率信號。壓裂微地震事件震級一般為-3～0級,產(chǎn)生的破裂面半徑約為數(shù)十厘米至幾米,頻率范圍為50～500Hz。壓裂液在地層延伸過程中產(chǎn)生張性破裂,為低頻信號,受監(jiān)測設(shè)備頻帶范圍的限制,這種張型形變無法被監(jiān)測到[7]。地震b值理論表明,微地震事件數(shù)量隨震級減少而大幅增加(由b值確定),大量的弱小事件受監(jiān)測條件影響無法被監(jiān)測到；監(jiān)測到的微地震事件是地下應(yīng)力狀況受壓裂影響而發(fā)生地質(zhì)力學(xué)形變中的一部分[8],主要以張剪型裂縫破裂為主。在我國西部,壓裂目標(biāo)區(qū)域埋藏較深,傳播至地面的微地震事件能量較弱,加之信噪比較低(地面監(jiān)測方式),被有效檢測和識別出來的微地震事件較少。

本文研究在壓裂目標(biāo)區(qū)域布置地面接收檢波器,采用矩張量反演獲得裂縫不同破裂類型對應(yīng)的地震矩,與巖石破裂力學(xué)分析相結(jié)合,獲得裂縫破裂面的尺寸、位移和微震事件的震級等參數(shù),實現(xiàn)裂縫規(guī)模的定量反演,結(jié)合微震事件發(fā)生的時間順序,解釋裂縫的幾何形狀和發(fā)育過程。

1 方法原理及技術(shù)流程

微地震事件是伴隨巖石破裂或錯動而產(chǎn)生的強度較弱的地震波,通常發(fā)生在裂縫斷裂面上。微地震資料處理首先要有可有效識別的微地震事件,并拾取其準(zhǔn)確的到達時間,用于微地震精確定位。地面微地震資料由于背景噪聲大,在壓裂深度較深區(qū)域,弱的微地震事件往往淹沒在噪聲中,難以有效識別。在我國西部,地表條件和表層速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地表落差大,導(dǎo)致校正量計算不準(zhǔn)確,微地震事件同相軸難以有效校平,導(dǎo)致定位誤差明顯增大,嚴(yán)重影響后續(xù)處理與解釋。

地面微地震資料的處理流程主要包括道集資料去噪、速度模型建立、震源定位和震源機制反演4個步驟(圖1),本文重點闡述震源機制反演及結(jié)果的解釋,下面對處理的幾個步驟進行簡要介紹。

圖1 微地震資料處理流程

微地震資料去噪的目的是從噪聲背景中準(zhǔn)確識別出有效信號,主要利用信號與噪聲在傳播方向(視速度)、頻率特性、相關(guān)性等方面的差異來區(qū)分。常用的去噪方法有F-K濾波、拉東變換和互相關(guān)去噪等,可有效去除噪聲,為后續(xù)處理奠定基礎(chǔ)。

速度建模的主要目的是為震源定位提供高精度的速度模型。壓裂施工通常產(chǎn)生多個射孔事件,射孔資料能量較強,射孔位置已知,且震源為爆炸源(無方向性差異),其到達各個檢波器的波形具有很好的相似性和識別度,易獲得可靠的旅行時。采用聲波測井曲線建立初始速度模型,通過多個射孔事件的旅行時反演,獲得較為準(zhǔn)確的地震波層速度模型,合理的剩余校正量有利于消除微地震事件同相軸的不連續(xù)性。

震源定位的方法較多,主要利用信號的旅行時與振幅信息。當(dāng)信噪比不高時,通常采用掃描定位方法。掃描定位的基本原理是通過多次覆蓋疊加,并對地下所有可能的震源位置進行掃描,能量最大的點即為定位結(jié)果。即當(dāng)兩道數(shù)據(jù)的信號具有相同的到時(相位),如果將它們疊加,則信號得到加強;在相位不同時進行疊加,則信號減弱;多道信號疊加也是如此。實際資料中,非爆炸震源事件的相位變化可能導(dǎo)致掃描定位錯誤,因此,在疊加時需要先消除震源相位變化再進行疊加定位。

震源機制是描述地下裂縫破裂的重要參數(shù),是裂縫解釋的重要依據(jù)。不同的觀測方式一般采用不同的震源機制反演方法(表1)。井中觀測信噪比高、數(shù)據(jù)量小、觀測角度偏窄,通常采用矩張量反演方法;而地面資料信噪比低、數(shù)據(jù)量大、觀測范圍大,常采用P波初動反演方法[9]。震源機制的矩張量反演是采用觀測到的地面位移推斷震源屬性,震源屬性用矩張量描述,根據(jù)AKI等[10]的理論公式有：

(1)

式中：U為地面觀測到的地震數(shù)據(jù);M為描述震源的二階矩張量;G為地震波傳播過程的格林函數(shù)。已知地震數(shù)據(jù)和格林函數(shù)的情況下,通過求解線性方程組反演得到矩張量[11]。采用地面資料進行矩張量反演存在兩個主要問題：①資料品質(zhì)較低,噪聲干擾大;②傳播函數(shù)計算成本高,反演對內(nèi)存需求非常大。通過對地面微地震數(shù)據(jù)的有效處理,對于信噪比較高的資料,矩張量反演也可以獲得較理想的結(jié)果,主要包括以下4個方面。

1) 數(shù)據(jù)優(yōu)選。地面觀測數(shù)據(jù)通常在千道以上,為了保證矩張量反演的可靠性,同時有效降低內(nèi)存需求和計算量,需要剔除噪聲污染較大的地震道數(shù)據(jù)。其優(yōu)選原則是,所選道既具有高信噪比,又能有效反映微地震事件相位與振幅變化。另外由于微地震震源在節(jié)面上輻射的能量非常弱,因此,優(yōu)先選取在觀測系統(tǒng)上極性變化的道數(shù)據(jù)。

表1 P波初動與矩張量反演方法適用性對比

2) 多道疊加。由于地面微地震資料信噪比相對于井中資料低得多,采用多道疊加能夠有效壓制噪聲,提高波形質(zhì)量,保證波形反演結(jié)果的穩(wěn)定、可靠。

3) 時差校正。時差校正包括兩部分,即微地震事件的動校正和剩余校正。常規(guī)處理流程中建立的速度模型能夠有效地校平射孔事件同相軸,而離射孔點位置較遠的微地震事件同相軸存在較大低頻的動校正量。根據(jù)掃描定位結(jié)果可以計算其低頻校正量,使微地震事件同相軸拉平。但是通常不同事件的剩余校正量存在差異,根據(jù)林伯香等[12]提出的高頻靜校正計算思想,以疊加能量為目標(biāo)函數(shù),求取其剩余校正量,最終獲得校平后的微地震事件同相軸。

4) 子波選取。矩張量反演中需要選取合適的地震子波與實際數(shù)據(jù)進行匹配,通常采用經(jīng)過時差校正疊加后的數(shù)據(jù)作為輸入子波。由于疊加會降低子波的頻率,因此,在實際反演中需要進行頻率匹配處理,即反演的子波主頻參數(shù)要與疊加后的數(shù)據(jù)主頻一致。

下面通過一個應(yīng)用實例進行說明。所選資料為地面觀測的一個微地震事件,共1250道接收。經(jīng)過常規(guī)的微地震前期處理(如去噪、校正等)后,微地震信號具有較高的信噪比,見圖2(約1300ms處)。圖2右上角為反演該微地震事件得到的震源機制解?？紤]到計算成本,我們從1250道微地震數(shù)據(jù)中選取了173道,經(jīng)過校正、多道疊加和時差校正后,獲得反演的輸入數(shù)據(jù)如圖3a所示。從圖3a 中可以看出,處理后的數(shù)據(jù)有效反映原始微地震數(shù)據(jù)振幅與相位變化,同時在波形上具有很好的一致性。為了檢驗反演結(jié)果的可靠性,應(yīng)用反演結(jié)果進行正演模擬,正演合成記錄結(jié)果如圖3b所示。對比圖3a和圖3b發(fā)現(xiàn),除了正演合成數(shù)據(jù)頻率略低外,兩者在振幅和相位上具有非常好的相似性。因此,反演結(jié)果是可靠的。

圖2 地面觀測的微地震事件與震源機制解

圖3 處理后的微地震數(shù)據(jù)(a)與矩張量反演結(jié)果的正演合成記錄(b)

2 實際資料的應(yīng)用與解釋

2.1 研究區(qū)信息

選取的壓裂井位于四川盆地和盆邊山地過渡地帶,研究區(qū)地勢以低山、丘陵為主,橫跨長江南、北兩岸,地勢大致東南高、西北低,西北—東南斷面呈向中部長江河谷傾斜的對稱馬鞍狀。海拔最高1977m,最低138m,多在200～800m,采用水平井壓裂,觀測系統(tǒng)如圖4所示,紅色線為水平井軌跡(彩色部分為壓裂段),壓裂垂直深度在2600m左右,青色線為檢波器分布,呈放射狀布設(shè),共11條測線,測線總長度約37km;道距為20m;觀測道數(shù)共1864道,每道24只檢波器堆埋組合。

圖4 觀測系統(tǒng)分布

2.2 反演處理

根據(jù)聲波測井曲線建立初始速度模型,結(jié)果如圖5所示。圖5中,藍線為聲波測井曲線,紅線為劃分的地層模型,共9層,頁巖壓裂段位于第8層,可以看出,頁巖層位于兩個高速層之間,上層速度相對于頁巖層差異不是特別大,而下層速度則明顯較高,這樣的速度結(jié)構(gòu)容易引起層間多次波或底層的多次反射。微地震處理主要采用的是直達波信號,對于井中觀測而言,容易產(chǎn)生直達波和多次反射的疊加(影響程度與實際微地震事件、觀測井位置有關(guān)),導(dǎo)致無法正確拾取初至旅行時,而這對于地面觀測影響則較小。

圖5 聲波測井與層速度

經(jīng)過去噪、時差校正等處理獲得微地震事件如圖6所示。從圖6中可以看出,微地震事件位于剖面中1400ms處。同相軸存在著較大的道間時差,分析其原因主要有兩種：①地形高程變化大,地表速度模型復(fù)雜;②信噪比低,射孔信號中有效識別旅行時的道數(shù)據(jù)少,基于射孔數(shù)據(jù)的校正存在誤差。這兩個原因直接導(dǎo)致校正量計算存在一定誤差,微地震事件同相軸無法充分校平,基于數(shù)據(jù)分析的認(rèn)識,采用文獻[9]中的方法進行震源機制反演。水力壓裂監(jiān)測相對于天然地震其觀測角度要小,通常單邊排列長度小于或約等于目標(biāo)檢測點垂直深度,因此,最大觀測仰角角度小于45°。當(dāng)震源斷層面的地震波在地面出射的位置不能有效被觀測系統(tǒng)所覆蓋時,采用P波極性的反演難以獲得準(zhǔn)確的震源機制,沒有足夠的極性變化數(shù)據(jù)進行控制。因此,楊心超等[13]在文獻[9]的基礎(chǔ)上進行了改進,主要在反演中引入震源振幅信息,以極性與振幅同時與實際資料匹配為目標(biāo)函數(shù),消除反演中由于觀測系統(tǒng)的不充分引起的多解性問題,增強了反演結(jié)果的可靠性。圖6所示的微地震事件反演的結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出,除了在節(jié)面上由于能量較弱,存在一定誤差(圖中由藍變紅的過渡帶),其它道數(shù)據(jù)的振幅與極性均匹配很好,這說明反演結(jié)果是可靠的。

圖6 微地震事件

圖7 震源機制解 圖中,方形代表實際數(shù)據(jù),圓形為理論計算結(jié)果,紅色表示正極性,藍色表示負極性,方形與圓形的大小代表振幅值。

根據(jù)BAIG公式[6]計算微地震事件的震級：

(2)

式中：Mw為矩震級;M0為反演的標(biāo)量地震矩,單位為N·m。圖8為整個壓裂中所有事件的矩震級,可以看出,微地震事件主要分布在-3～0級。圖9展示了不同震級段的微地震事件個數(shù)分布,由于地面監(jiān)測中微地震事件樣本個數(shù)相對少,從統(tǒng)計角度考慮,采用0.1級作為震級的變化,隨著震級減少,微地震事件個數(shù)增加,在震級為-2.2級處,微地震事件個數(shù)達到最大,隨微地震事件個數(shù)減少,這是由于微地震信號變?nèi)?能有效檢測出的微地震信號變少,小于-3級的微地震數(shù)據(jù)已經(jīng)無法被監(jiān)測到。因此,結(jié)合本次壓裂的實際情況認(rèn)為,在埋深約為2600m處,-2.2級微地震為地面觀測的主要監(jiān)測事件。

圖8 微地震事件矩震級

圖9 震級與數(shù)量的分布

利用反演的標(biāo)量地震矩M0與頁巖剪切模量μ,根據(jù)公式(3)計算微地震事件體積：

(3)

式中：A為斷層滑移面積;d為滑移位移。

圖10顯示不同壓裂段計算的微地震事件體積統(tǒng)計結(jié)果,微地震事件體積與微地震事件能量成正比,與實際注入地下壓裂液相比(數(shù)千方),其數(shù)值非常小,可能的解釋是壓裂液在地層中的滲透和耐震(aseismic)現(xiàn)象[14],即水力壓裂中大量的裂縫張開和裂縫延伸過程所輻射的能量為低頻信號,而不是所監(jiān)測到的微地震事件。

圖10 不同壓裂段的微地震事件體積(1bbl≈158.987×10-3m3)

2.3 解釋與分析

水力壓裂中,地層巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生的形變主要為張形變和剪切形變,產(chǎn)生張開型裂縫、剪切型裂縫或兩者混合型裂縫。其中,純張開型裂縫由于作用時間長(相對于微地震監(jiān)測而言),輻射的波場較強,還有儀器參數(shù)因素的影響,在地面觀測中無法監(jiān)測接收[6],且不產(chǎn)生極性的變化。大量的實際壓裂監(jiān)測顯示,微地震事件中大部分都存在極性變化,由此說明,微地震事件主要是剪切為主的裂縫破裂產(chǎn)生,P波初動反演正是基于斷層面錯動在地面不同接收點的P波初動極性不同[9]來求解的。

根據(jù)反演出的剪切裂縫走向,并基于剪切形變的應(yīng)力分析,解釋區(qū)域最大、最小應(yīng)力場分布,為井位部署提供建議。對整個壓裂段(共800多個微地震事件)進行反演,結(jié)果如圖11所示。震源機制確定結(jié)果是兩個相互垂直的平面,理論上,這兩個平面均有可能是裂縫面,因此,如何確定其中的一個面為裂縫破裂面非常重要。目前采取的主要方法是結(jié)合實際壓裂情況與地質(zhì)認(rèn)識進行判定。FISHER等[14]對大量實際的微地震壓裂進行了統(tǒng)計,結(jié)果顯示,在深度大于4000ft(1ft≈0.3048m),主要發(fā)育高角度裂縫?；诋a(chǎn)生垂直裂縫的解釋,對反演結(jié)果的方位角和傾角進行了統(tǒng)計,結(jié)果如圖12 所示,方位角主要集中在250°～270°,裂縫傾角大部分為大于60°的高角度裂縫。

根據(jù)文獻[15]描述,該地區(qū)目標(biāo)層的垂向應(yīng)力在49.2～53.7MPa,最大水平應(yīng)力在52.2～55.5MPa,最小水平主應(yīng)力在48.6～49.9MPa,水平應(yīng)力差系數(shù)為0.06～0.14。根據(jù)應(yīng)力系數(shù)小于0.30的標(biāo)準(zhǔn),在該區(qū)域可壓裂形成充分的裂縫網(wǎng)絡(luò)。區(qū)域內(nèi)垂向應(yīng)力介于最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之間,基于此認(rèn)識建立該區(qū)域裂縫發(fā)育模型如圖13所示,其中SHx為東西方向應(yīng)力,SHy為南北方向應(yīng)力,Sv為垂直方向應(yīng)力,圖中虛框為剪切破裂的裂縫面。根據(jù)反演的剪切裂縫方位角統(tǒng)計(圖12),其剪切方位集中于260°左右,即裂縫沿近似東西方向發(fā)育,裂縫首先沿最小水平主應(yīng)力方向張開,隨著壓裂液注入和應(yīng)力狀況的改變,裂縫在張開面發(fā)生剪切錯動,裂縫斷層為走滑型。

圖11 微地震事件與震源機制解

圖12 微地震事件方位角(a)與傾角(b)分布

基于圖13的裂縫模型分析與解釋,產(chǎn)生260°的剪切裂縫的最大水平主應(yīng)力為圖14中黃色箭頭所示,最小水平主應(yīng)力為白色箭頭(北偏西10°),藍色線為剪切裂縫,角度A為10°。通常,水力壓裂設(shè)計中壓裂井沿最小水平主應(yīng)力方向(即垂直于最大水平主應(yīng)力方向)布置,基于上述分析與認(rèn)識,建議水平井在現(xiàn)有方位(正北向)調(diào)整為北偏西10°,更有利于壓裂與造縫。

圖13 裂縫模型與應(yīng)力分布

圖14 剪切裂縫與應(yīng)力分析

3 結(jié)束語

對我國四川盆地某壓裂井的頁巖氣水力壓裂地面觀測數(shù)據(jù)開展了地面微地震震源機制反演及裂縫解釋技術(shù)應(yīng)用研究,通過震源機制反演獲得裂縫破裂震級、剪切裂縫發(fā)育的地質(zhì)參數(shù);基于地質(zhì)應(yīng)力場分析,解釋該區(qū)域破裂裂縫為走滑型高角度裂縫,以此建立剪切裂縫破裂模型,解釋了局部最大、最小水平主應(yīng)力方向和裂縫延展方向,最終給出了壓裂井方位調(diào)整為北偏西10°的建議。

采用震源機制反演區(qū)域應(yīng)力張量,獲得地下網(wǎng)格點上的應(yīng)力變化情況,對于壓裂解釋更為直觀,建議在微地震事件較豐富的壓裂工區(qū)進行應(yīng)力張量反演。

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(編輯：顧石慶)

Microseismic fracture interpretation and application based on parameters inversion

ZHU Haibo1,YANG Xinchao1,LIAO Rugang2,GAO Dongwei2

(1.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China;2.SinopecFulingChongqingShaleGasExplorationandDevelopmentCo.,Ltd,Chongqing408000,China)

Microseismic monitoring technology is an effective approach for in-situ monitoring of fracture growth during hydraulic fracture stimulations.However,there are still many problems in practical application.We evaluate the progression of focal inversion and fracture interpretation from surface microseismic monitoring with emphasis on the application in shale exploration of Sichuan Basin.According to the receiver data on surface survey,the focal mechanism of microseismic events is obtained with the moment tensor inversion.The grade of microseismic events and fracture geological parameters are accessed from focal mechanism.The fracture interpretation based on the statistics of geology parameters could provide detailed information for reservoir characterization.The result of actual data from some basin in Sichuan processing proves that the fracturing design of horizontal well in this study area is reasonable.The grown fracture is steeply dipping.The strike-slip shear fracture mode is built from the statistics of fracture azimuths and geological stress condition.Base on the interpreted fracture model,the directions of local maximum and minimum horizontal stresses are derived and the orientation adjustment of existing well location is suggested to the north west of about 10°.

microseismic,fracture inversion,geological stress,focal mechanism,shale gas

2015-08-05;改回日期：2016-06-21。

朱海波(1979—),男,碩士,高級工程師,主要從事微地震的震源機制反演和水力壓裂裂縫解釋等技術(shù)研究。

國家科技重大專項(2011ZX05035-003)資助。

P631

A

1000-1441(2017)01-0150-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2017.01.017

This research is financially supported by the National Science and Technology Major Project of China (Grant No.2011ZX05035-003).