繆思鈺,張海江,陳余寬,譚玉陽(yáng),苗園園,黃振華,王 飛,謝慶明

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院萬(wàn)泰微地震實(shí)驗(yàn)室,安徽合肥230026;2.安徽萬(wàn)泰地球物理技術(shù)有限公司,安徽合肥230026;3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院,重慶401120;4 重慶華地工程勘察設(shè)計(jì)院,重慶404100)

水力壓裂是低滲透油氣藏改造的重要手段,通過(guò)在目標(biāo)儲(chǔ)層產(chǎn)生新的裂縫網(wǎng)絡(luò),為低孔隙油氣藏提供油氣運(yùn)移的通道[1-6]。伴隨破裂區(qū)內(nèi)裂縫的生成或已有斷層的活化,會(huì)發(fā)生一系列微弱地震事件。對(duì)這些微地震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而刻畫(huà)裂縫的形態(tài)分布[7-10]及發(fā)育過(guò)程[11-13]、描述裂縫間的相互作用[14-15]、估算儲(chǔ)層改造體積[16]、進(jìn)行儲(chǔ)層應(yīng)力分析[17]和開(kāi)展地震災(zāi)害評(píng)價(jià)。

微地震監(jiān)測(cè)通常采用兩種方式:井下監(jiān)測(cè)[15,18-20]和地面監(jiān)測(cè)[3,21]。對(duì)于井下微地震監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),受地表噪聲影響較小,監(jiān)測(cè)記錄信噪比相對(duì)較高。但由于檢波器僅分布在狹窄孔徑中,且數(shù)量有限,空間覆蓋范圍小,導(dǎo)致水平方向上的分辨率有限,定位難度增加。在這種情況下,可以通過(guò)P波傳播方向來(lái)確定事件方位角[22-23]。目前大多數(shù)定位方法利用P波極性來(lái)計(jì)算微地震事件方位角,并結(jié)合P波和S波到時(shí)確定事件的位置。如果壓裂井附近不存在鄰井,地面監(jiān)測(cè)就成為唯一選擇。目前,地面微地震監(jiān)測(cè)主要有兩種布設(shè)方式。一種方式是在地面布設(shè)大量的檢波器[2]。為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)和高效的雙重標(biāo)準(zhǔn),采用星狀排列地表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)檢波器數(shù)目一定時(shí),該方法能更加有效地?cái)U(kuò)大檢波器覆蓋范圍。星狀地面微地震監(jiān)測(cè)需要采用掃描疊加的方式提高弱事件的信噪比才能對(duì)微地震事件進(jìn)行定位。除此以外,可在已知的震源區(qū)域上方采用適當(dāng)增加檢波器個(gè)數(shù),提高該區(qū)域的分辨率[24]。另外一種監(jiān)測(cè)方式是在淺孔中布設(shè)傳感器。由于傳感器埋設(shè)在淺孔中,可以大大降低噪聲水平,因此采用較為稀疏的淺孔傳感器臺(tái)陣就可以監(jiān)測(cè)微震事件并對(duì)其進(jìn)行定位。與井下微地震監(jiān)測(cè)相比,地面監(jiān)測(cè)的定位結(jié)果水平分辨率更高,但在深度上的分辨率較差[3]。

對(duì)于水力壓裂來(lái)說(shuō),確定壓裂裂縫分布以及壓裂儲(chǔ)層改造體積對(duì)于油氣藏開(kāi)發(fā)非常重要。微地震監(jiān)測(cè)資料處理的一般流程是:首先進(jìn)行微地震事件檢測(cè),再對(duì)檢測(cè)出的事件進(jìn)行定位,最后根據(jù)微地震事件的空間分布來(lái)描述裂縫分布和估算儲(chǔ)層改造體積[25-27]。因此,對(duì)微地震定位精度的要求較高。但由于微地震信號(hào)較弱,接收到的數(shù)據(jù)信噪比通常較低[28],造成提取初至到時(shí)存在一定誤差。為了降低該誤差,可以基于不同微地震事件到同一臺(tái)站波形的相似性采用波形互相關(guān)技術(shù)來(lái)提高到時(shí)拾取的準(zhǔn)確性,獲得精度較高的相對(duì)到時(shí)[29]。相對(duì)于基于絕對(duì)到時(shí)的定位方法(例如網(wǎng)格搜索法),雙差定位方法[30]可以直接利用相對(duì)到時(shí)對(duì)微地震事件進(jìn)行定位,獲得高精度的相對(duì)定位,使原本較為發(fā)散的定位結(jié)果變得更加收斂。在雙差定位算法的基礎(chǔ)之上,ZHANG等[31]發(fā)展了雙差地震成像方法,在提高地震定位精度的同時(shí),可以確定震源附近的速度結(jié)構(gòu)。

由于微地震信號(hào)通常十分微弱,無(wú)法全部被識(shí)別出來(lái),因此,壓裂儲(chǔ)層體積不能僅依靠微地震事件的空間分布來(lái)計(jì)算。對(duì)于水力壓裂來(lái)說(shuō),在目標(biāo)儲(chǔ)層產(chǎn)生了裂縫,并且裂縫中充滿流體或者氣體,造成壓裂改造后的儲(chǔ)層物性與周?chē)鷥?chǔ)層相比會(huì)發(fā)生明顯變化。例如,由于裂縫以及流體或氣體的存在,會(huì)導(dǎo)致地震波傳播速度降低。因此,結(jié)合微地震事件的空間分布和速度成像結(jié)果可以更加可靠地估算儲(chǔ)層改造體積。對(duì)于井下微地震監(jiān)測(cè),CHEN等[32]發(fā)展了基于微地震事件反方位角信息及到時(shí)差的雙差地震成像方法,在實(shí)現(xiàn)定位的同時(shí),確定了目標(biāo)儲(chǔ)層的速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)微地震事件和低速異常之間有很好的關(guān)聯(lián)性。

本研究首次將雙差地震成像算法應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某地區(qū)頁(yè)巖氣水力壓裂地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用微地震事件對(duì)的相對(duì)到時(shí),同時(shí)反演三維速度模型和震源位置。相較于傳統(tǒng)的定位和成像方法,本文方法對(duì)震源區(qū)的速度變化約束能力更強(qiáng),定位結(jié)果更精確。

1 雙差地震成像算法

雙差地震成像算法[31]是在雙差地震定位方法[30]的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。該方法在利用絕對(duì)到時(shí)確定震源絕對(duì)位置的同時(shí),用更加精確的相對(duì)到時(shí)減少到時(shí)系統(tǒng)誤差,能夠得到更加精確的速度模型和震源位置。

(1)

(2)

式中:Δxl(l=1,2,3)和δu分別表示震源位置在三分量上的擾動(dòng)和沿著射線路徑的地震慢度擾動(dòng)。

對(duì)于地震事件對(duì)i和j來(lái)說(shuō),(2)式表示事件i到臺(tái)站k的理論與觀測(cè)到時(shí)差,將(2)式減去事件j到同一臺(tái)站k的理論與觀測(cè)到時(shí)差,可以得到:

(3)

(4)

(5)

(5)式即為雙差地震定位公式。

對(duì)于基于公式(3)的雙差地震成像算法,兩個(gè)相近事件的射線路徑大致重合,(3)式中的速度模型擾動(dòng)項(xiàng)在震源區(qū)外幾乎可以完全去除。雙差地震成像的優(yōu)點(diǎn)是可以利用相對(duì)到時(shí)確定震源區(qū)的速度異常,而對(duì)于震源區(qū)之外的速度異常,可以采用公式(2)給出的基于絕對(duì)到時(shí)的地震成像算法確定。雙差地震成像系統(tǒng)實(shí)際包含了公式(2)和公式(3),用絕對(duì)到時(shí)來(lái)反演震源區(qū)之外的速度結(jié)構(gòu),用相對(duì)到時(shí)來(lái)反演震源區(qū)內(nèi)的精細(xì)速度結(jié)構(gòu)[31]。鑒于震源位置和速度結(jié)構(gòu)存在耦合效應(yīng)[33],我們同時(shí)反演相對(duì)位置、絕對(duì)位置以及速度結(jié)構(gòu)。雙差地震成像通過(guò)調(diào)整速度結(jié)構(gòu)來(lái)提高地震定位精度,再通過(guò)提高定位精度來(lái)降低反演速度模型的誤差。因此,與傳統(tǒng)的定位和成像方法相比,雙差地震成像能夠更加準(zhǔn)確地反演地震位置和速度模型。

2 地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

利用我國(guó)西南地區(qū)某垂直井的水力壓裂地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位和速度成像研究。該壓裂井位于一個(gè)逆沖斷夾片構(gòu)造帶,是一口頁(yè)巖氣預(yù)探井,目的層平均傾角約為60°,巖性以黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖為主,底部為一套硅質(zhì)巖沉積,夾少量薄層粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。目的頁(yè)巖層主要發(fā)育塊狀層理和水平層理。該井在縱向上非均質(zhì)性強(qiáng),巖性復(fù)雜。本次壓裂施工分為5段,壓裂深度范圍在平均海平面以下600～1800m。

地面微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了28個(gè)4.5Hz的三分量傳感器,采用淺孔(大約5m)布設(shè)的方式進(jìn)行安裝。臺(tái)站位置如圖1所示,其中藍(lán)色三角形表示檢波器的布設(shè)位置,黑色圓點(diǎn)表示井口位置。記錄的采樣率為1ms。首先采用聲波測(cè)井曲線建立一維速度模型,并采用射孔信號(hào)對(duì)初始速度模型進(jìn)行了校正(圖2)。利用長(zhǎng)短時(shí)窗法檢測(cè)出1400多個(gè)微地震事件,從中挑出了信噪比較高的962個(gè)事件進(jìn)行定位和成像。

圖1 地面微地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站分布

在人工提取絕對(duì)到時(shí)的基礎(chǔ)上,為了減小拾取誤差對(duì)地震定位和成像的影響,我們采用波形互相關(guān)法計(jì)算了地震波之間的到時(shí)差。對(duì)于震源位置和破裂機(jī)制相似的兩個(gè)地震事件,由于震源到臺(tái)站射線路徑相似,它們到達(dá)同一臺(tái)站的波形也具有較高相似度[34]。因此,采用波形互相關(guān)可計(jì)算同一震相到達(dá)不同臺(tái)站的到時(shí)差。按照人工拾取的P波到時(shí),對(duì)地震波形記錄對(duì)齊(圖3a),可以看出,由于微地震信號(hào)能量小,信噪比較低,P波初至處沒(méi)有明顯起跳,人工拾取到時(shí)存在誤差,波形并沒(méi)有完全嚴(yán)格對(duì)齊。為了降低人工拾取到時(shí)誤差,我們采用互相關(guān)法計(jì)算相對(duì)到時(shí)對(duì)齊波形。采用互相關(guān)法計(jì)算相對(duì)到時(shí)時(shí),選取任意兩個(gè)事件到達(dá)同一臺(tái)站的記錄,截取人工拾取P波和S波初至到時(shí)前20ms、后100ms的波形,計(jì)算兩段波形的互相關(guān)函數(shù)。采用互相關(guān)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)移量對(duì)到時(shí)差進(jìn)行校正。圖3b顯示的是采用校正后的到時(shí)差對(duì)波形進(jìn)行對(duì)齊后的記錄?？梢钥闯?采用互相關(guān)法對(duì)到時(shí)差進(jìn)行校正后能夠更好地對(duì)齊波形。

圖2 用于微地震定位的初始速度模型

對(duì)于該地面微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),共得到了12557個(gè)P波絕對(duì)到時(shí),12557個(gè)S波絕對(duì)到時(shí)。基于波形互相關(guān)分析,得到了426684個(gè)P波相對(duì)到時(shí)差數(shù)據(jù)和397601個(gè)S波相對(duì)到時(shí)差數(shù)據(jù)。我們將這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于雙差地震成像。

圖3 基于P波到時(shí)的波形對(duì)齊效果對(duì)比a 利用人工拾取到時(shí)進(jìn)行對(duì)齊的波形記錄; b 根據(jù)互相關(guān)到時(shí)差進(jìn)行對(duì)齊的波形記錄

3 雙差地震成像結(jié)果

對(duì)于速度成像坐標(biāo)系統(tǒng),我們選擇x坐標(biāo)軸沿著東西方向,y坐標(biāo)軸沿著南北方向。雙差地震成像算法對(duì)模型采用的是網(wǎng)格點(diǎn)表示的方式。根據(jù)地震和臺(tái)站的分布,我們選擇的反演網(wǎng)格點(diǎn)在x和y方向上的網(wǎng)格間距是200m,范圍為0～2.2km;在深度上z=-1.500,-1.000,-0.500,0,0.250,0.450,0.536,0.650,0.750,0.800,0.950,1.167,1.313,1.550,1.756,1.900,2.156,2.500km。反演采用的初始速度模型如圖2所示。

根據(jù)雙差地震成像法的反演步驟,對(duì)人工拾取絕對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)、到時(shí)差數(shù)據(jù)、互相關(guān)到時(shí)差數(shù)據(jù)采用了分級(jí)加權(quán)的方法。在反演的第一階段賦予絕對(duì)到時(shí)較高的權(quán)值,獲得較大尺度的地震事件定位結(jié)果和速度模型;之后對(duì)人工拾取到時(shí)差數(shù)據(jù)賦予更高的權(quán)值,來(lái)提高地震定位和速度模型的精度。最后對(duì)互相關(guān)到時(shí)差數(shù)據(jù)加大權(quán)值,進(jìn)一步提高地震定位和速度模型的精度,從而獲得精度較高的定位結(jié)果和速度模型。圖4顯示了反演前、后相對(duì)走時(shí)殘差的分布,反演后相對(duì)走時(shí)殘差從原先的19ms下降到1ms,說(shuō)明數(shù)據(jù)擬合更好,模型更加準(zhǔn)確。

圖5和圖6分別給出了采用傳統(tǒng)網(wǎng)格搜索法和雙差速度成像法得到的地震事件定位結(jié)果。對(duì)比圖5和圖6可以看出,采用雙差地震成像方法得到的震源位置在平面和深度上更加聚集,呈現(xiàn)出更好的線性分布特征,表明該定位結(jié)果更加準(zhǔn)確。采用傳統(tǒng)網(wǎng)格搜索方法定位結(jié)果誤差較大的原因主要有兩方面:一是由于人工拾取到時(shí)存在一定誤差(圖3a),另一方面是由于該方法采用簡(jiǎn)單的一維速度模型,與實(shí)際地層模型存在一定誤差。由圖5和圖6可以看出,壓裂產(chǎn)生的微地震主要分布在壓裂井的東側(cè),呈現(xiàn)出非對(duì)稱分布;在深度上,微地震主要分布在第1壓裂段和第3、4壓裂段附近,而第2壓裂段附近的微地震事件較少。

圖4 P波(a)和S波(b)反演前、后相對(duì)走時(shí)殘差

圖5 傳統(tǒng)網(wǎng)格搜索法定位結(jié)果

圖6 雙差速度成像法定位結(jié)果

圖7和圖8分別顯示的是反演得到的研究區(qū)域內(nèi)P波和S波在深度0.95km處的速度剖面(水平截面)和對(duì)應(yīng)區(qū)域的棋盤(pán)分辨率測(cè)試結(jié)果。棋盤(pán)分辨率測(cè)試是對(duì)三維初始速度模型中的每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)交替±5%的擾動(dòng)構(gòu)建棋盤(pán)速度模型;采用擾動(dòng)后的速度模型正演得到理論走時(shí)數(shù)據(jù),對(duì)理論到時(shí)添加平均值為0,標(biāo)準(zhǔn)差是2ms的高斯隨機(jī)噪聲;然后利用同樣的反演參數(shù)對(duì)含噪聲的正演數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。若得到黑白分明的相間網(wǎng)格說(shuō)明該處的分辨率高,反演得到的速度模型可靠。從棋盤(pán)分辨率測(cè)試結(jié)果可以看出,在微地震分布區(qū)域,vP和vS模型都有較高的分辨率,與該區(qū)域射線分布比較集中有關(guān)。圖9和圖10分別給出了x方向上的vP和vS剖面及其對(duì)應(yīng)的棋盤(pán)分辨率測(cè)試結(jié)果;圖11和圖12分別給出了y方向上的vP和vS剖面及其對(duì)應(yīng)的棋盤(pán)分辨率測(cè)試結(jié)果。可以看出,在深度上,速度模型也有較高的分辨率。整體來(lái)說(shuō),淺部(z=0.5～1.2km)的微地震事件分布在低vP和高vS區(qū),深部的微地震事件分布在低vP和低vS區(qū),且淺部的微地震事件個(gè)數(shù)遠(yuǎn)多于深部。

圖7 深度為0.95km處的vP(a)和vS(b)模型

圖8 深度為0.95km處的vP(a)和vS(b)模型對(duì)應(yīng)的棋盤(pán)分辨率測(cè)試結(jié)果

圖9 x=1.4km處的vP(a)和vS(b)模型

圖10 x=1.4km處的vP(a)和vS(b)模型對(duì)應(yīng)的棋盤(pán)分辨率測(cè)試結(jié)果

圖11 y=1.3km處的vP(a)和vS(b)模型

圖12 y=1.3km處的vP(a)和vS(b)模型對(duì)應(yīng)的棋盤(pán)分辨率測(cè)試結(jié)果

4 討論

與大多數(shù)井下微地震監(jiān)測(cè)類(lèi)似,本次地面監(jiān)測(cè)所得到的裂縫相對(duì)于壓裂井仍然呈非對(duì)稱分布(圖5、圖6),尤其是在淺部微地震事件幾乎只位于壓裂井東側(cè)。與井下微地震監(jiān)測(cè)相比較,地面監(jiān)測(cè)臺(tái)站的分布相對(duì)于壓裂井來(lái)說(shuō)幾乎對(duì)稱。因此,微地震事件分布的不對(duì)稱性并非由觀測(cè)系統(tǒng)分布的偏差導(dǎo)致。一個(gè)可能的原因是壓裂井東、西兩側(cè)的儲(chǔ)層物性存在一定差異,東側(cè)的巖性更容易破裂[35-36];另外一個(gè)可能的原因是射孔簇的位置存在一定的偏差而導(dǎo)致壓裂液更趨向于朝東側(cè)壓裂[37];第3種可能的原因則是壓裂井的東側(cè)裂縫較發(fā)育而導(dǎo)致東側(cè)更先壓開(kāi),繼而導(dǎo)致裂縫向東側(cè)發(fā)育,壓裂液向東側(cè)滲流[38]。

對(duì)于第1級(jí)壓裂段,相對(duì)壓裂井來(lái)說(shuō)微地震事件雖呈現(xiàn)非對(duì)稱分布,但是在井的兩側(cè)均有分布(圖5、圖6)。微地震事件主要分布在低vP和低vS區(qū)(圖9至圖12)。微地震事件分布在低速異常區(qū)域的原因是壓裂產(chǎn)生的裂縫以及裂縫中流體的存在導(dǎo)致地震波速度降低[32]。從圖7至圖12可以看出,淺部的微地震事件主要分布在低vP和高vS異常區(qū)域,而且在這個(gè)深度區(qū)域發(fā)生的微地震事件幾乎分布在壓裂井的東側(cè)。這說(shuō)明淺部和深部的微地震事件分布區(qū)域存在非常明顯的區(qū)別,意味著這兩個(gè)深度處的儲(chǔ)層物性存在一定程度的差異。巖石物理試驗(yàn)結(jié)果顯示,由于裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致P波和S波速度降低[39],但是如果在裂縫區(qū)存在氣體飽和狀態(tài)時(shí),S波的速度會(huì)上升[40]。根據(jù)成像結(jié)果可以看出,淺部微地震事件分布在低vP和高vS區(qū)域,可以推斷在該深度(z=0.5～1.2km)附近,天然裂縫發(fā)育而且處于氣體飽和狀態(tài)。由于天然裂縫的發(fā)育,在壓裂的過(guò)程中受到應(yīng)力擾動(dòng),在某些裂縫區(qū)域可能會(huì)重復(fù)誘發(fā)較多的微地震事件,就是所謂的重復(fù)地震[41],而重復(fù)地震的一個(gè)特點(diǎn)是波形具有很高的一致性。初步波形分析顯示,在該垂直井壓裂產(chǎn)生的微地震事件中,存在重復(fù)事件。圖13顯示的是一些記錄到的重復(fù)地震波形,這些波形具有非常高的相似度,它們之間的互相關(guān)系數(shù)均大于0.95,這也進(jìn)一步證明了該深度區(qū)域存在大量的裂縫。

圖13 檢測(cè)到的重復(fù)地震在垂向分量上的波形

需要強(qiáng)調(diào)的是,在水力壓裂產(chǎn)生裂縫以及微地震事件的過(guò)程中,壓裂儲(chǔ)層及其附近的速度會(huì)隨著裂縫的擴(kuò)展而漸進(jìn)地發(fā)生變化,因此可以利用產(chǎn)生的微地震事件近實(shí)時(shí)地給出儲(chǔ)層附近的速度變化。在本研究中,我們是利用所有壓裂段產(chǎn)生的微地震事件綜合對(duì)壓裂目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行速度成像,因此得到的是一個(gè)平均意義上的速度變化,反映的是整體上儲(chǔ)層由于水力壓裂導(dǎo)致的速度變化。

5 結(jié)論

本文將雙差地震成像方法應(yīng)用于我國(guó)西南地區(qū)某頁(yè)巖氣井水力壓裂地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。利用拾取的絕對(duì)到時(shí)數(shù)據(jù)和采用波形互相關(guān)分析得到的到時(shí)差數(shù)據(jù),可以同時(shí)獲得高精度的地震定位和震源區(qū)速度成像結(jié)果。實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,與傳統(tǒng)網(wǎng)格搜索方法相比,雙差地震成像得到的定位精度更高,能夠更加準(zhǔn)確地刻畫(huà)裂縫的形態(tài)分布。在定位的同時(shí),雙差地震成像方法可以確定由于水力壓裂導(dǎo)致的儲(chǔ)層速度變化情況。在深部,微地震呈非對(duì)稱分布于壓裂井的兩側(cè),并對(duì)應(yīng)于低vP、低vS,該現(xiàn)象是由于壓裂產(chǎn)生的裂縫導(dǎo)致地震波速度降低。而在淺部,微地震事件幾乎全部分布在壓裂井的東側(cè),并對(duì)應(yīng)低vP、高vS。結(jié)合巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和波形分析,推測(cè)該區(qū)域天然裂縫發(fā)育并且氣體飽和。由本研究可知,綜合應(yīng)用微地震事件定位和速度成像結(jié)果,可以更加準(zhǔn)確地刻畫(huà)水力壓裂對(duì)儲(chǔ)層的改造效果。