王嘉晨,張海江,趙立朋,查華勝,,程婷婷,石曉紅,錢(qián)佳威,劉 影,Michal Malinowski,令狐建設(shè)

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院,安徽合肥 230026;2.華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司,山西陽(yáng)泉 045000;3.安徽萬(wàn)泰地球物理技術(shù)有限公司,安徽合肥 230601;4.河海大學(xué)海洋學(xué)院,江蘇南京 210024;5.Institute of Geophysics,Polish Academy of Sciences,Poland)

煤層氣是烴類(lèi)氣體資源,一般聚集在煤層及其上、下巖層中。此外,煤層氣在煤礦生產(chǎn)中屬于災(zāi)害性氣體,對(duì)其合理地抽采及利用能夠保障煤炭開(kāi)采的安全性,增加清潔能源供應(yīng)量以及減少溫室氣體排放量[1],對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的改善和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義重大[2]。我國(guó)煤層氣資源的特點(diǎn)是資源量較大、種類(lèi)多,但儲(chǔ)層條件較差,其中我國(guó)大多數(shù)煤層氣井具有單井產(chǎn)量低和產(chǎn)量爬坡期長(zhǎng)等特征[3]。水力壓裂技術(shù)作為一種油氣藏改造的重要手段,通過(guò)提高煤層的滲透率而提高煤層氣的產(chǎn)量[4-5]。對(duì)于煤層氣水力壓裂來(lái)說(shuō),需要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)壓裂產(chǎn)生的裂縫分布情況,進(jìn)而有助于布設(shè)合適的壓裂井位置和使用有效的壓裂工程參數(shù)。如果壓裂井之間的間距過(guò)大導(dǎo)致相鄰井儲(chǔ)層改造區(qū)域存在壓裂空白區(qū),一方面會(huì)導(dǎo)致煤層氣資源的浪費(fèi),另一方面會(huì)導(dǎo)致潛在的瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)。如果壓裂井之間的間距過(guò)小,使得相鄰井儲(chǔ)層改造區(qū)域重疊過(guò)多,會(huì)導(dǎo)致不必要的壓裂工程支出。

在水力壓裂過(guò)程中,伴隨著破裂的產(chǎn)生,同時(shí)會(huì)發(fā)生大量的微地震事件[6-7]。通過(guò)微地震監(jiān)測(cè),對(duì)微地震事件產(chǎn)生的波形進(jìn)行采集和分析,進(jìn)而分析壓裂過(guò)程對(duì)儲(chǔ)層的改造和壓裂效果評(píng)價(jià)。水力壓裂評(píng)價(jià)通常是利用微地震時(shí)空分布刻畫(huà)裂縫的三維時(shí)空分布特征,以及與水力壓裂過(guò)程的關(guān)系[8-13]。壓裂除了產(chǎn)生微地震外,還可能激活先存斷層,產(chǎn)生較大震級(jí)地震,影響煤田生產(chǎn)的安全性[7,14-15]。

微地震監(jiān)測(cè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于致密油氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程的監(jiān)測(cè),其監(jiān)測(cè)方式主要分為井中監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)[4,10,16]。井中微地震監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是噪聲相對(duì)地面監(jiān)測(cè)要小很多,因此微震波形的信噪比較高且有較好的深度約束[17]。相比來(lái)說(shuō),地面微地震監(jiān)測(cè)有較好的方位覆蓋和較高的水平精度,但受地表附近噪聲和衰減的影響,可能監(jiān)測(cè)不到微弱的微震事件[4,10,16,18-19]。

利用微地震事件的空間分布可以刻畫(huà)壓裂裂縫的分布并對(duì)壓裂體積進(jìn)行估算[9,20-22]。因此對(duì)于微地震監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),微地震定位精度是關(guān)鍵。但由于微地震信號(hào)本身信噪比較低[6],因此人工或者自動(dòng)拾取的到時(shí)存在一定的誤差,而用于定位的速度模型也會(huì)存在一定誤差,再加上觀測(cè)系統(tǒng)的影響,基于絕對(duì)到時(shí)的傳統(tǒng)定位方法會(huì)存在一些偏差。WALDHAUSER等[23]提出了雙差地震定位方法(hypoDD),這是一種相對(duì)地震定位方法,給出的是地震的相對(duì)位置。雙差地震定位利用事件對(duì)的相對(duì)走時(shí)差減少地震共同射線路徑上由速度模型引起的誤差。在雙差地震定位的基礎(chǔ)上,ZHANG等[24]提出雙差地震定位和速度層析成像方法(TomoDD)。該方法使用地震對(duì)到時(shí)差數(shù)據(jù)與事件的絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù),可以同時(shí)很好地反演源區(qū)內(nèi)外的速度結(jié)構(gòu)以及地震事件的相對(duì)和絕對(duì)位置[24-25]。

雙差地震定位和速度層析成像方法因?yàn)槔昧烁呔鹊牡卣饘?duì)到時(shí)差數(shù)據(jù),并且同時(shí)進(jìn)行地震定位和速度成像,可以得到更準(zhǔn)確的地震位置[24]。同時(shí)因?yàn)榱芽p和流體的存在,水力壓裂對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層的改造會(huì)導(dǎo)致物性發(fā)生變化,因此通過(guò)確定速度異常的范圍可以對(duì)壓裂進(jìn)行評(píng)價(jià)?？娝尖暤萚21]利用雙差地震成像對(duì)頁(yè)巖氣水力壓裂效果進(jìn)行了評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)在目標(biāo)儲(chǔ)層存在明顯的vP低異常,而且微震主要位于低速異常區(qū)域。

目前對(duì)于煤層氣水力壓裂的微地震監(jiān)測(cè)還未普遍開(kāi)展,對(duì)水力壓裂效果缺乏定量評(píng)價(jià)。本研究利用山西某煤礦開(kāi)展的兩口地面煤層氣抽采井水力壓裂地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),利用雙差地震定位和成像算法,確定微地震的空間分布和壓裂煤層的速度變化,進(jìn)而對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文主要采用LOMAX等[26-27]提出的NonLinLoc地震定位技術(shù)通過(guò)網(wǎng)格搜索絕對(duì)定位方法實(shí)現(xiàn)對(duì)震源位置的初始定位,最后利用雙差地震成像方法實(shí)現(xiàn)微地震的精確定位及對(duì)研究區(qū)域的速度成像和波速比成像[24-25,28],以全面評(píng)價(jià)水力壓裂對(duì)目標(biāo)煤層的改造。

1 雙差地震定位及成像方法

雙差地震定位方法(hypoDD)是一種相對(duì)定位方法[23]。此方法通過(guò)利用事件對(duì)到同一個(gè)觀測(cè)臺(tái)站的相對(duì)走時(shí)差,消除事件對(duì)相同傳播路徑上速度模型的誤差,從而提高相對(duì)定位的精度。雙差地震定位方法簡(jiǎn)單描述如下。

根據(jù)地震射線理論,i代表地震事件,k為觀測(cè)到地震事件的臺(tái)站,T為地震到時(shí),它可以表示為發(fā)震時(shí)刻和地震走時(shí)之和,即:

(1)

式中:τi是事件i的發(fā)震時(shí)刻;u是地震波慢度;ds是離散的射線路徑中的微段。由于到時(shí)和震源位置之間的非線性關(guān)系,可以用截?cái)嗵├占?jí)數(shù)展開(kāi)將等式(1)線性化。通過(guò)對(duì)地震位置和發(fā)震時(shí)刻以及地震慢度的擾動(dòng),可以得到:

(2)

對(duì)于一個(gè)事件對(duì)i和j到同一個(gè)臺(tái)站k,可以得到雙差地震成像的表達(dá)式[22]:

(3)

它還可以表示為:

(4)

當(dāng)?shù)卣鹗录?duì)之間的距離遠(yuǎn)小于它們到臺(tái)站的距離及地震速度模型的不均勻尺度時(shí),可以認(rèn)為事件對(duì)的射線路徑幾乎相同,此時(shí)方程(4)可以變?yōu)?

(5)

這就是所謂的雙差地震定位方法。

當(dāng)?shù)卣鹗录?duì)之間的距離較大并且地層速度變化劇烈時(shí),震源區(qū)附近的速度變化會(huì)影響地震定位的精度。為了解決該問(wèn)題,基于公式(2)和公式(4),ZHANG等[24]發(fā)展了雙差地震成像方法(TomoDD),可以同時(shí)反演地震位置和速度結(jié)構(gòu),具體的方法如下:

(6)

其中主要使用3種類(lèi)型的數(shù)據(jù),即絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)、從地震目錄中構(gòu)建的地震對(duì)走時(shí)差數(shù)據(jù)以及利用波形互相關(guān)方法計(jì)算得到的地震對(duì)走時(shí)差數(shù)據(jù)。

TomoDD使用了一種分級(jí)加權(quán)策略。首先,賦予地震目錄數(shù)據(jù)(包括絕對(duì)和相對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù))比較大的權(quán)值,得到比較好的地震絕對(duì)位置和大尺度的絕對(duì)速度結(jié)構(gòu);然后,再主要使用從地震目錄構(gòu)建的相對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)得到比較精確的地震位置和震源區(qū)域的速度結(jié)構(gòu);最后,再賦予互相關(guān)走時(shí)差數(shù)據(jù)比較大的權(quán)值,從而進(jìn)一步提高地震事件的相對(duì)位置及震源區(qū)的速度結(jié)構(gòu)。

除了vP與vS結(jié)構(gòu),vP/vS也能夠更好地約束巖石物性以及流體的分布。ZHANG等[29]改進(jìn)了TomoDD方法,通過(guò)加入S-P(Ts-Tp)到時(shí)差數(shù)據(jù)對(duì)vP/vS進(jìn)行反演。由于S-P數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏,恢復(fù)的vP/vS模型雖然可靠,但缺乏良好的分辨率[28]。直接用vP模型除以相應(yīng)的vS模型雖然也可以得出vP/vS模型,但這種方式反演的vP/vS模型可能不可靠。GUO等[28]提出了改進(jìn)的TomoDDMC方法,利用P波、S波和S-P絕對(duì)和相對(duì)數(shù)據(jù)獲得具有更高分辨率的可靠vP/vS模型,并生成準(zhǔn)確的vP和vS模型以及地震重定位結(jié)果。因此,采用TomoDDMC方法開(kāi)展煤層氣水力壓裂微地震定位和速度成像研究。

2 微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)中國(guó)山西某煤礦兩口煤層氣水力壓裂井地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。研究區(qū)多為山地地形,壓裂煤層為石炭系太原組煤層,埋深距離地表500～600m,平均厚度為3.33m。針對(duì)這兩口井的水力壓裂,地面微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)在以井口為中心的600m區(qū)域內(nèi)(圖1)。現(xiàn)場(chǎng)共布設(shè)19個(gè)傳感器,監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別以大約200,400,600m為半徑形成環(huán)形微地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng),分散分布以覆蓋水力壓裂所引起的煤層裂縫擴(kuò)展區(qū)域,臺(tái)站的平均海拔為1273.5m。由于微震信號(hào)震級(jí)小,信號(hào)頻率從幾十赫茲到幾百赫茲,范圍較大,因此微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了高靈敏度較寬頻帶的三分量微震傳感器。為提高數(shù)據(jù)信噪比,采用鉆孔方式安裝,打孔深度10～20m。檢波器位置及井位如圖1所示。

采用STA/LTA(短時(shí)窗平均/長(zhǎng)時(shí)窗平均)地震事件檢測(cè)算法,從連續(xù)的微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中檢測(cè)到兩口水力壓裂井產(chǎn)生的346個(gè)微震事件,震級(jí)分布在

圖1 地面檢波器及井位平面位置

-1.0～-2.0。每口井的壓裂時(shí)長(zhǎng)均為4～5h,分為試壓、破壓試壓、前置液、攜砂液、頂替液和測(cè)壓降6個(gè)階段。在試壓和破壓試壓階段均未檢測(cè)到有效微地震信號(hào),而前置液和攜砂液階段產(chǎn)生大量的微地震信號(hào),占所有壓裂段內(nèi)有效信號(hào)的80%以上。頂替液和測(cè)壓降階段也產(chǎn)生了一些微地震信號(hào),但在測(cè)壓降后不產(chǎn)生微震或產(chǎn)生非常少量的微震信號(hào)(表1,圖2)。其中在圖1中,j5井壓裂海拔為762～765m,j6井的壓裂海拔為733～735m。

表1 壓裂各階段每口井接收的微震事件數(shù)

圖3顯示了兩口井水力壓裂過(guò)程產(chǎn)生的典型微地震信號(hào)。可以看出,除了P波信號(hào)外,還可以看出明顯的S波信號(hào),表明這些微地震的產(chǎn)生以剪切破裂為主。圖4a顯示了其中的一個(gè)微地震波形,P波能量弱、S波能量相對(duì)較強(qiáng),波形延續(xù)時(shí)間大約為0.5s。時(shí)頻分析顯示數(shù)據(jù)的主頻為40～50Hz(圖4b)。

圖2 兩口井水力壓裂期間壓力變化曲線與微震數(shù)量統(tǒng)計(jì)a j5井; b j6井

圖3 兩口水力壓裂井檢測(cè)到的典型微地震波形a j5井; b j6井

圖4 一個(gè)典型的微地震波形(a)及對(duì)應(yīng)的時(shí)頻分析結(jié)果(b)

3 地震重定位及速度成像結(jié)果

為了得到準(zhǔn)確的P波和S波到時(shí),在AIC自動(dòng)拾取的基礎(chǔ)上我們又進(jìn)行了人工質(zhì)量控制,一共得到P波絕對(duì)到時(shí)2904個(gè),S波絕對(duì)到時(shí)2411個(gè)。我們先用NonLinLoc網(wǎng)格搜索方法獲得地震的初始定位[25]。圖5顯示了在初步定位基礎(chǔ)上得到的地震P波和S波時(shí)距曲線,首先將偏差較大的地震到時(shí)數(shù)據(jù)予以刪除,從而得到最終的絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)、地震目錄走時(shí)差數(shù)據(jù)及地震事件信息文件。對(duì)于雙差定位和雙差成像,我們構(gòu)建了3384個(gè)事件對(duì),對(duì)應(yīng)了48542個(gè)P波相對(duì)走時(shí)和24681個(gè)S波相對(duì)走時(shí)。

由于成像的區(qū)域較小,因此將該區(qū)域的初始速度模型設(shè)定為一個(gè)均勻速度,并根據(jù)測(cè)井曲線進(jìn)行估算。選取x坐標(biāo)軸沿東西方向,y坐標(biāo)軸沿南北方向,反演用的網(wǎng)格間距在x,y方向上均為100m,范圍-900～900m。在深度方向上,網(wǎng)格設(shè)定在z=-1400,-1100,-800,-700,-600,-400,0m,其中,0為平均海平面,z軸向下為正。

圖5 P波(a)和S波(b)的時(shí)距曲線(紅色點(diǎn)表示每個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的走時(shí)及震中距,綠色直線內(nèi)的數(shù)據(jù)為選擇的有效數(shù)據(jù))

對(duì)于雙差地震成像一共進(jìn)行了12次迭代,反演的前4次迭代對(duì)絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)賦予較大的權(quán)值,在后面5到12次迭代對(duì)相對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)給予了更高的權(quán)重。圖6顯示反演殘差隨著迭代次數(shù)增加的變化曲線以及最終的走時(shí)殘差分布直方圖。可以看出,走時(shí)殘差在反演之后集中在-0.05～0.05s,大致呈高斯分布,表示模型與數(shù)據(jù)擬合較好。均方根走時(shí)殘差隨著迭代次數(shù)增加而逐漸降低,在第6次迭代后,走時(shí)殘差減小到約0.015s后逐漸收斂。

圖7比較了NonLinLoc網(wǎng)格搜索法及雙差成像定位的結(jié)果。由于拾取到時(shí)存在誤差,以及給定初始速度模型也存在誤差,網(wǎng)格搜索法定位精度較低,結(jié)果受網(wǎng)格大小的設(shè)置影響較大。NonLinLoc用后驗(yàn)概率密度函數(shù)(probability density function,PDF)的最大似然點(diǎn)作為震源最優(yōu)解。利用PDF散點(diǎn)圖的空間離散程度估計(jì)定位結(jié)果不確定度的大小[27],得到的水平定位誤差約為160m,深度方向上的定位誤差為220m。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),TomoDD定位結(jié)果的P波走時(shí)殘差約為0.012s,S波走時(shí)殘差約為0.024s。估算出的定位誤差在40m左右,相比NonLinLoc定位結(jié)果有了很大的提高。相比較而言,TomoDD重定位結(jié)果給出的地震事件更聚集,并且更能顯示出線性特征。整體可以看出,在水平方向上微地震事件呈南北方向展布,在深度方向上的延展超過(guò)300m。對(duì)于j5壓裂井,產(chǎn)生的微地震事件主要分布在壓裂井的東側(cè)以及壓裂區(qū)域的下方;而對(duì)于j6壓裂井,微地震事件主要分布在壓裂井的西側(cè),在壓裂深度的上下區(qū)域都有延伸,但在下方延伸得更遠(yuǎn)。

圖6 走時(shí)殘差隨著迭代次數(shù)的變化曲線(a)和最終殘差分布直方圖(b)

圖7 NonLinLoc網(wǎng)格搜索和雙差成像(TomoDD)地震定位結(jié)果比較a NonLinLoc定位結(jié)果俯視圖; b TomoDD定位結(jié)果俯視圖; c NonLinLoc定位結(jié)果側(cè)視圖; d TomoDD定位結(jié)果側(cè)視圖

圖8顯示了在z=-600,-700和-800m不同深度vP,vS和vP/vS的分布。圖9顯示了沿著南北向速度剖面的分布,位置分別為y=-100m,y=0和y=100m?？梢钥闯鑫⒌卣鹬饕挥诘蛌P、高vS和低vP/vS異常的區(qū)域。例如在深度-700m處,可以明顯看到,與兩口井關(guān)聯(lián)的微地震簇聚集在低vP異常區(qū),兩個(gè)簇之間存在微震空白區(qū),并且空白區(qū)呈現(xiàn)相對(duì)較高vP異常。同樣對(duì)于vS和vP/vS,微震所在區(qū)域和微震空白區(qū)相比,也存在明顯的區(qū)別。為了評(píng)價(jià)速度模型的分辨率,我們使用了傳統(tǒng)的棋盤(pán)分辨率分析方法。對(duì)于正演棋盤(pán)模型,通過(guò)在一維速度模型相鄰網(wǎng)格點(diǎn)添加±5%速度交替擾動(dòng)來(lái)生成。vP和vS速度模型異常相反,這樣對(duì)應(yīng)的vP/vS模型也呈現(xiàn)為棋盤(pán)模型。構(gòu)建完棋盤(pán)模型后,我們可以構(gòu)建和實(shí)際數(shù)據(jù)分布相同的正演數(shù)據(jù)集,然后利用和實(shí)際數(shù)據(jù)反演相同的反演策略,恢復(fù)棋盤(pán)模型。圖10和圖11分別顯示了不同深度和沿著南北向兩條剖面的棋盤(pán)恢復(fù)結(jié)果。如果棋盤(pán)結(jié)構(gòu)恢復(fù)得好,就表明對(duì)應(yīng)區(qū)域的模型分辨率高。從圖10可以看出,在微地震分布密集的-700m和-800m深度,速度模型有較高的分辨率,可以準(zhǔn)確地恢復(fù)大部分的棋盤(pán)模型,但在平均海拔600m處分辨率相對(duì)較低?？傮w來(lái)說(shuō),微地震分布區(qū)域vP,vS和vP/vS模型都有比較高的分辨率。類(lèi)似的現(xiàn)象在圖11上也清晰地顯示出來(lái)。一般來(lái)說(shuō),速度棋盤(pán)模型的恢復(fù)受傳感器的分布和微地震分布的影響。

圖8 在z=-600,-700和-800m深度的速度分布(黑色的點(diǎn)代表地震位置)a vP模型; b vS模型; c vP/vS模型

圖9 沿著y=-100,0和100m的速度縱剖面(黑色的點(diǎn)代表地震位置)a vP模型; b vS模型; c vP/vS模型

圖10在z=-600,-700,-800m恢復(fù)的棋盤(pán)速度模型a vP模型; b vS模型; c vP/vS模型

圖11 沿著y=-100,0,100m的不同速度模型棋盤(pán)恢復(fù)剖面a vP模型; b vS模型; c vP/vS模型

4 討論

本研究針對(duì)兩口煤層氣水力壓裂井地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展研究,從微震的時(shí)間和空間分布以及速度異常的分布特征來(lái)評(píng)價(jià)水力壓裂效果和裂縫的分布。首先從時(shí)間分布來(lái)看,j5井和j6井在前置液過(guò)程之后均有微震信號(hào)的產(chǎn)生,并主要集中在前置液和攜砂液階段(圖2)。由壓力曲線圖可以看出,j6井在20min左右壓力明顯下降時(shí)有大量微震信號(hào)產(chǎn)生,可以推測(cè)在水力壓裂的作用下形成了裂縫并導(dǎo)致大量的微震事件,并且裂縫自然延伸時(shí)壓力逐漸下降。j5井在整個(gè)壓裂過(guò)程中均具有較多的微震信號(hào)產(chǎn)生,由壓力曲線圖可以看出,在22min油壓明顯下降時(shí),有大量微震信號(hào)產(chǎn)生,表明此時(shí)形成了裂縫。后面壓裂至190min時(shí)出現(xiàn)壓力緩慢波動(dòng)上升后下降至平穩(wěn),可能裂縫在垂向延伸時(shí)穿過(guò)了低應(yīng)力層,或者溝通了天然裂縫(圖2)。

水力壓裂產(chǎn)生的裂縫的延伸方向往往沿著平行于最大水平主壓應(yīng)力(SHmax)的方向[6]。從定位結(jié)果來(lái)看(圖7),兩口井水力壓裂過(guò)程所產(chǎn)生的微地震都呈南北向展布,與當(dāng)?shù)刈畲笾鲬?yīng)力方向一致,表明這些微地震事件對(duì)應(yīng)水力壓裂所產(chǎn)生的裂縫。兩口井的微震事件簇整體呈現(xiàn)橢球狀分布,可以根據(jù)微震事件的空間分布對(duì)裂縫體積進(jìn)行估算(圖12)。j5井壓裂改造體積大約0.0107km3,j6井壓裂改造體積大約0.0097km3。兩個(gè)微地震事件簇在空間上相互獨(dú)立,表明兩口相鄰壓裂井對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層的改造不存在重疊區(qū)域,即存在壓裂空白區(qū)。這個(gè)壓裂空白區(qū)的存在一方面造成煤層氣資源的浪費(fèi),另一方面導(dǎo)致潛在的瓦斯突出危險(xiǎn)。因此地面微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明壓裂井之間的間距過(guò)大,應(yīng)該適當(dāng)縮小壓裂井之間的間距。對(duì)于兩口水力壓裂井來(lái)說(shuō),產(chǎn)生的微地震事件分布并沒(méi)有以壓裂井為中心對(duì)稱圍繞在井的周?chē)Ｔ谒椒较蛏?微地震事件主要分布在j5井的東側(cè),j6井的西側(cè)。由于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是環(huán)繞壓裂井均勻分布,因此裂縫的非對(duì)稱性分布不是由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的偏差導(dǎo)致的。微震分布的非對(duì)稱性一方面可能是由于射孔位置偏差導(dǎo)致的壓裂液方向偏差[30],另一方面可能是由于壓裂井附近巖性存在差異[31-32]。在深度方向上,兩口水力壓裂井產(chǎn)生的微震延伸都超過(guò)了300m(j5井約300m,j6井約390m),而且在壓裂深度以深的區(qū)域延伸范圍更大,表明壓裂改造的區(qū)域并不只是局限在目標(biāo)煤層。實(shí)際這種現(xiàn)象在頁(yè)巖氣水力壓裂微震監(jiān)測(cè)中已被發(fā)現(xiàn)[6,33],在垂直方向上裂縫的延伸可達(dá)上千米[33]?？紤]到深度方向上定位誤差(約20m),本研究基于微震定位給出的深度方向上裂縫的延伸范圍可能在一定程度上被高估,但是依然遠(yuǎn)大于山西沁水盆地一些煤層氣水力壓裂井微震監(jiān)測(cè)給出的深度范圍(約20～70m)[34]。控制裂縫在深度方向上延伸的因素很多,包括目標(biāo)儲(chǔ)層附近天然裂縫的發(fā)育情況、原位應(yīng)力的分布、儲(chǔ)層附近界面的強(qiáng)弱等[35-36]。另外利用12000多口頁(yè)巖氣水力壓裂井的微震數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)裂縫垂向上的生長(zhǎng)范圍還受注入的流體體積控制[37]。因此在設(shè)計(jì)煤層氣壓裂深度的時(shí)候,要考慮壓裂改造區(qū)域在深度上的延伸。

圖12 微震的空間分布(黑色點(diǎn)表示地震事件,橢球代表估計(jì)的壓裂改造區(qū)域)

對(duì)于儲(chǔ)層改造來(lái)說(shuō),純粹的基于微地震的空間分布來(lái)估算儲(chǔ)層改造體積可能會(huì)造成誤差過(guò)大[6]。如果儲(chǔ)層被有效改造,那么裂縫、流體或者氣體的存在就會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層的物性發(fā)生變化。因此利用速度成像的結(jié)果,結(jié)合微地震的分布,可以更全面地估算儲(chǔ)層改造的區(qū)域。裂縫和流體的存在,通常會(huì)導(dǎo)致vP和vS降低[38-39]。但是當(dāng)裂縫中呈現(xiàn)氣體飽和狀態(tài)時(shí),vP依然會(huì)降低,而vS會(huì)升高進(jìn)而導(dǎo)致vP/vS降低[40-42]。從我們的成像結(jié)果可以看出,微地震主要分布在低vP、高vS和低vP/vS異常區(qū),和頁(yè)巖氣微地震壓裂監(jiān)測(cè)結(jié)果類(lèi)似[42]。表明水力壓裂后,裂縫發(fā)育,煤層氣聚集,氣體處于飽和狀態(tài)。因?yàn)関P/vS是由S-P走時(shí)差約束反演的,其和vP及vP異常分布的一致性意味著我們成像結(jié)果的可靠性。所以對(duì)于儲(chǔ)層壓裂改造區(qū)域,我們還可以利用目標(biāo)儲(chǔ)層附近低的vP和高的vS異常的空間分布(圖13)進(jìn)行刻畫(huà)。

圖13 壓裂儲(chǔ)層附近速度的異常分布形態(tài)a 低vP異常等值面; b 高vS異常等值面

5 結(jié)論

利用山西的兩口煤層氣水力壓裂井的地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)展了雙差地震定位和成像研究,獲得了微地震的精確定位和壓裂儲(chǔ)層附近的速度異常分布。和傳統(tǒng)的網(wǎng)格搜索定位相比,雙差成像得到的地震定位更聚集精度更高。定位結(jié)果顯示微地震在水平方向上主要呈南北向延伸,和本地的水平主壓應(yīng)力方向一致,表明這些微地震主要是由于水力壓裂引起的。在南北方向上,j5井壓裂產(chǎn)生的微地震延伸長(zhǎng)度大約是400m,j6井壓裂產(chǎn)生的微地震延伸長(zhǎng)度大約是300m。在東西方向上的延伸大約為100m。在深度方向上,微地震在壓裂深度上下延伸了超過(guò)300m,主要在海拔600～800m附近。兩口井產(chǎn)生的微地震簇在空間上沒(méi)有交集,存在明顯的壓裂空白區(qū)。從微地震的空間分布上,可以大約估算壓裂改造的區(qū)域,為后續(xù)壓裂井空間布設(shè)和壓裂深度提供指導(dǎo)。從速度成像結(jié)果可以看出,微地震主要位于低vP、高vS和低vP/vS異常區(qū),表明微地震刻畫(huà)的儲(chǔ)層改造區(qū)域處于煤層氣飽和狀態(tài),壓裂對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層進(jìn)行了有效改造,產(chǎn)生了有效的氣體運(yùn)移通道。本研究表明,對(duì)于煤層氣水力壓裂,可以結(jié)合精確的微地震定位和速度成像作出更全面的評(píng)價(jià)。