P波初動震源機制解在水力壓裂微地震監(jiān)測中的應用

楊心超,朱海波,崔樹果,王 瑜,龐 銳,李華昌

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院,江蘇南京211103；2.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司,四川成都610094)

P波初動震源機制解在水力壓裂微地震監(jiān)測中的應用

楊心超1,朱海波1,崔樹果1,王 瑜1,龐 銳1,李華昌2

(1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院,江蘇南京211103；2.中國石油化工股份有限公司西南油氣分公司,四川成都610094)

微地震監(jiān)測技術是水力壓裂過程監(jiān)測及壓裂效果評價的重要手段。P波初動震源機制解是研究震源參數(shù)的有效工具?；诟顸c搜索算法求解水力壓裂裂縫的P波初動震源機制解,進而得到其方位參數(shù)——方位角、傾角和滑動角,為壓裂裂縫的解釋和壓裂效果評價提供有效依據(jù)。簡單介紹了利用P波初動極性信息反演水力壓裂裂縫參數(shù)的方法原理,并通過水力壓裂裂縫模型對該方法的應用效果進行了測試,最后將該方法應用于四川某頁巖氣壓裂井的實際地面微地震監(jiān)測資料,得到了合理的單裂縫解釋結果。

水力壓裂；微地震監(jiān)測；震源機制；P波初動極性

在致密氣、頁巖氣以及煤層氣等非常規(guī)油氣資源的開發(fā)過程中,微地震監(jiān)測技術是壓裂過程監(jiān)測及壓裂效果評估的重要手段。壓裂微地震監(jiān)測技術的研究主要包含兩部分內(nèi)容:一個是震源定位技術,另一個是震源機制(focal mechanism)描述技術。震源機制解對于了解壓裂區(qū)的油氣藏特征,例如天然裂縫發(fā)育特點、應力狀態(tài)以及壓裂裂縫破裂機制等有著重要的指導作用,同時也是建立離散裂縫網(wǎng)格及估算有效壓裂體積的重要參數(shù)[1]。

對于地面微地震監(jiān)測的情況,普遍選擇利用P波信息進行震源機制反演。盡管也可以綜合利用P波和S波信息,但是地面微地震監(jiān)測的高覆蓋次數(shù)、寬方位角以及大偏移距等特點,使得僅利用P波信息就可以得到穩(wěn)定的震源機制解,同時避免了S波波形提取困難以及S波速度誤差對反演結果的影響[2]。P波信息又分為P波初動極性信息和P波振幅信息,其中,P波初動極性的物理圖像明確,是穩(wěn)定的地震波信息。在20世紀的一二十年代,人們就已經(jīng)在同一次天然地震不同臺站的記錄中發(fā)現(xiàn)了P波初動極性的四象限分布特性[3],隨后將其與雙力偶(double-couple)力系聯(lián)系起來,并在30年代發(fā)展了最初的P波初動震源機制解求解方法。由于其簡便快捷且結果較為可靠,利用P波初動極性來求解震源機制解的方法被廣泛應用于地震事件分析、震源參數(shù)求取以及應力場研究等方面[4-6]。

已有研究結果表明,水力壓裂裂縫主要發(fā)育在天然裂縫或斷層的附近[7-8],受地下局部應力場及地質(zhì)條件等因素的影響,壓裂裂縫的方向、大小及破裂速度多樣[9]。壓裂裂縫走向基本垂直或近似垂直于最小水平主應力方向[10]；壓裂裂縫的大小和破裂速度則反映了裂縫破裂過程中應力降的變化,體現(xiàn)在微地震信號上就是信號能量的強弱。受地面微地震監(jiān)測資料信噪比低的影響,利用弱微地震信號進行震源機制研究有一定的困難,所以選取信噪比相對較高的強微地震事件進行震源機制反演是目前廣泛采用的方法[11-12]。Baig等[13]指出,弱微地震事件(震級M<0)一般由地層中天然裂縫的剪切-拉伸活動造成,而強微地震事件(震級M>0)則對應于已有斷層的剪切運動。因此,在研究強微地震事件時,對震源作純剪切(雙力偶)源假設,并根據(jù)P波初動極性的四象限分布現(xiàn)象來求解震源機制解是合理的。Tibi等[9]在雙力偶震源的假設下,利用P波初動極性信息反演得到了單個微地震事件對應壓裂裂縫的方位角、傾角、滑動角以及其矩張量,并將一組微地震事件的矩張量求和得到了復合矩張量,用來評價壓裂裂縫網(wǎng)絡的復雜性。利用P波初動極性信息并結合SH波極性信息,Rutledge等[8]對Cotton Valley氣田某壓裂井的壓裂裂縫進行了震源機制分析,并將這些壓裂裂縫的成因解釋為天然裂縫沿近似最大水平主應力方向滑動的結果。

本文首先簡單介紹利用P波初動極性信息求解水力壓裂裂縫P波初動震源機制解的方法原理；然后通過理論模型記錄對方法的應用效果進行測試；最后將該方法應用于四川某頁巖氣壓裂井的實際地面微地震監(jiān)測資料,并依據(jù)P波初動解對該壓裂井的壓裂裂縫進行震源機制分析。

1 方法原理

利用P波初動極性信息反演水力壓裂裂縫P波初動震源機制解的理論基礎是[3]:斷層在地下發(fā)生純剪切錯動時,在地面不同地點接收到的直達P波的初動極性不同(圖1),其在震源球上的投影具有四象限分布的現(xiàn)象(圖2)。因此,在觀測資料充分的條件下,可以利用從微地震事件中提取的P波初動極性在震源球上的投影來求取斷層節(jié)面解。

圖1 剪切錯動斷層輻射P波初動極性圖示

圖2 P波初動極性與斷層節(jié)面在震源球上的投影

利用P波初動極性求解震源機制解的方法有多種,這些方法大致可分為迭代法和網(wǎng)格搜索法兩類。由于迭代算法對資料品質(zhì)的依賴性更大,所以網(wǎng)格搜索法是目前主流的求解方法[5]。本文采用了許忠淮等[4]提出的求解P波初動震源機制解的格點搜索算法,對斷層節(jié)面對應的震源坐標架在地平坐標架中的位置進行全空間掃描,求取與觀測P波初動極性符號擬合最佳而矛盾符號比ψ最小的一對正交節(jié)面(矛盾符號比定義為ψ=矛盾符號數(shù)/符號總數(shù),0≤ψ≤1)。

震源機制反演得到一組正交節(jié)面,其中一個為斷層面,另一個為輔助面。但是,對于純剪切源(雙力偶源)來說，這兩個面是等價的。所以,僅由單獨的P波初動震源機制解無法確定斷層面信息,還需要借由其它輔助信息來確定。例如,可以利用由測井資料等得到的地層應力狀態(tài)來指導斷層面的選取；或者在得到大量微地震事件的震源機制解后,將其震源機制球按事件定位坐標畫在同一幅圖上,相鄰微地震事件的裂縫產(chǎn)狀應該是比較接近的,從而判斷用哪組節(jié)面解來表示裂縫的產(chǎn)狀。

2 理論模型測試

設定理論模型的觀測系統(tǒng)如圖3所示,8條測線以井口(坐標(0,0,0))為中心呈放射狀排列,相鄰測線方位角相差45°;每條線50道接收,道間距為25m,最小偏移距為25m,最大偏移距為1250m。震源位于地下1200m深度處,其坐標為(100m,100m,1200m)。這種檢波器放射狀布設、震源深度與最大偏移距之比約為1的觀測系統(tǒng)設計方案在水力壓裂地面微地震監(jiān)測中被普遍采用[2]。

圖3 理論模型觀測系統(tǒng)圖示

設定兩類震源模型:分別沿裂縫的走向方向滑動(滑動角為0)和沿傾向方向滑動(滑動角為90°)的壓裂裂縫模型。裂縫方位角的設定原則上是任意的。裂縫的傾角設定參考了Fisher等[14]根據(jù)大量實際資料得到的壓裂裂縫傾角與地層埋深的統(tǒng)計關系。Fisher等[14]的研究結果表明,在埋深超過1000m時,由于上覆地層壓力的影響,壓裂裂縫基本表現(xiàn)為高角度裂縫。按照以上原則,設計了2個壓裂裂縫模型:模型1,方位角為30°,傾角為70°,滑動角為0；模型2,方位角為30°,傾角為70°,滑動角為90°。

采用Chen[15]提出的基于廣義反透射系數(shù)的震源模擬方法和圖4所示的水平層狀速度模型,對兩個壓裂裂縫模型進行正演模擬,得到的理論微地震記錄如圖5所示。

圖4 水平層狀速度模型

從圖5理論微地震記錄中提取初至P波的初動極性,利用格點搜索算法(搜索步長為1°×1°×1°)進行壓裂裂縫模型的參數(shù)反演,反演結果與實際模型參數(shù)的對比結果如表1所示。圖6給出了反演得到的節(jié)面解與P波初動極性在震源球上的赤平投影。圖6中,藍色圓圈代表正極性(P波初至運動方向向上),紅色圓圈代表負極性(P波初至運動方向向下),兩條黑色曲線代表反演得到的兩個節(jié)面解。

從模型1的反演結果(表1)可以看出,對于沿走向方向滑動開裂類型的壓裂裂縫,由于其在實驗中的觀測系統(tǒng)范圍內(nèi)表現(xiàn)出了明顯的“四象限分布”現(xiàn)象,所以使用P波初動極性信息可以很好地反演出該壓裂裂縫模型的參數(shù)信息——方位角、傾角和滑動角。而對于模型2沿傾向方向滑動開裂類型的壓裂裂縫,由于受觀測范圍的限制,利用P波初動極性信息只能準確確定一個節(jié)面的位置,而無法確定另外一個節(jié)面的位置,反映在裂縫參數(shù)上則表現(xiàn)為可以準確反演壓裂裂縫的方位角和傾角,而無法準確反演滑動角。

圖7給出的是模型2對應的理論節(jié)面解與本次實驗中得到的P波初動極性在震源球上的赤平投影,圖中藍色虛線代表了準確反演出所有模型參數(shù)所需要的最小額外觀測范圍。而在實際生產(chǎn)工作中,受采集成本的限制,如此大的觀測范圍是無法滿足的,這也是P波初動極性反演在應用于水力壓裂地面微地震監(jiān)測時的局限性?？墒羌幢闳绱?可靠的方位角和傾角信息仍然可以對壓裂裂縫的解釋工作發(fā)揮非常大的指導和幫助作用。

圖5 壓裂裂縫模型1(a)和模型2(b)的正演模擬微地震記錄

表1 模型參數(shù)及反演結果

模型震源(裂縫)類型模型參數(shù)反演結果方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)矛盾符號比1走滑30．0070．00028．9071．000．950．04122傾滑30．0070．0090．0030．3070．00121．100．1138

圖6 壓裂裂縫模型1(a)和模型2(b)模擬數(shù)據(jù)反演節(jié)面解

圖7 模型2的理論節(jié)面解

3 實際資料應用試驗

選取了四川某頁巖氣壓裂井地面微地震監(jiān)測資料進行本文方法的應用試驗。該次監(jiān)測所采用的觀測系統(tǒng)如圖8所示。圖8中,10條測線以井口(紅點)為中心呈放射狀排列,相鄰測線方位角相差36°；每條線125道接收,道間距為25m,最小偏移距為300m,最大偏移距為3400m。兩個射孔段深度分別為3294～3326m和3351～3369m。從監(jiān)測數(shù)據(jù)中共檢測到1073個微地震事件,圖9給出了其水平方向定位結果,可以看到,壓裂裂縫網(wǎng)絡主要沿北東—南西方向擴展發(fā)育。從所有微地震事件中選取116個高信噪比的強微地震事件進行震源機制分析。

圖8 實際地面微地震監(jiān)測觀測系統(tǒng)平面示意圖解

圖9 實際監(jiān)測資料微地震事件水平方向定位結果 (圓圈大小代表事件能量相對大小)

從選取的強微地震事件中觀察到了兩類震源機制,分別記為FM1和FM2。圖10給出了分屬FM1類和FM2類的兩個微地震事件的原始記錄。利用記錄上提取的P波初動極性信息,基于格點嘗試法分別求解了兩個事件的P波初動震源機制解。反演時使用了圖4所示的水平層狀速度模型,該速度模型由壓裂井的聲波測井資料求得,并利用射孔資料進行了校正。反演結果如表2所示。圖11 給出了兩個事件各自的節(jié)面解和P波初動極性在震源球上的赤平投影。

如前所述,僅根據(jù)單獨微地震事件的P波初動解無法確定壓裂裂縫的產(chǎn)狀信息,故求取了所有116個強微地震事件的P波初動解,并將反演結果的沙灘球顯示與所有微地震事件的水平方向定位結果聯(lián)合顯示(圖12)。從圖12可以看出,近似北向和北偏東方向的節(jié)面普遍存在于各個強微地震事件的P波初動節(jié)面解中。所以,按照相鄰壓裂裂縫的產(chǎn)狀相近的原則,可以選取表2中“節(jié)面1”的角度數(shù)據(jù)分別作為這兩個壓裂裂縫的產(chǎn)狀信息。這也說明,作為在這次地面微地震監(jiān)測中觀測到的兩類主要的裂縫類型,FM1和FM2分別代表了沿近似北向和北偏東方向發(fā)育的剪切型裂縫,這一點與通過定位結果得到的壓裂裂縫網(wǎng)絡的擴展方向相符。另外,裂縫的傾角特點——高角度,也與Fisher等[14]的研究結論一致。

圖10 實際地面監(jiān)測資料中分屬FM1類(a)和FM2類(b)微地震事件的原始記錄

表2 實際地面微地震監(jiān)測資料兩類震源機制反演結果

震源機制類型節(jié)面1節(jié)面2方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)矛盾符號比FM13．8067．3099．76159．7724．6167．930．1028FM216．9466．90129．72132．2144．9633．710．0788

圖11 實際地面微地震監(jiān)測資料FM1(a)和FM2(b)兩類震源機制類型的節(jié)面解

圖12 實際地面微地震監(jiān)測資料震源機制反演結果與所有微地震事件的水平方向定位結果(紅點)聯(lián)合顯示

4 結束語

我們介紹了P波初動震源機制解用于水力壓裂裂縫參數(shù)反演的方法原理,并使用典型水力壓裂裂縫模型的正演模擬記錄對方法進行了測試。測試結果表明,通過P波初動解能夠得到壓裂裂縫方位角和傾角的準確信息,而對滑動角的反演精度則會受到觀測系統(tǒng)的制約。最后將該方法應用于四川某頁巖氣壓裂井的地面微地震監(jiān)測數(shù)據(jù),得到了合理的單裂縫解釋結果。

[1] Eisner L,Williams-Stroud S,Hill A,et al.Beyond the dots in the box:microseismicity-constrained fracture models for reservoir simulation[J].The Leading Edge,2010,29(3):326-333

[2] Duncan P M,Eisner L.Reservoir characterization using surface microseismic monitoring[J].Geophysics,2010,75(5):139-146

[3] 安藝敬一,理查茲.定量地震學:理論和方法[M].李欽祖,鄒其嘉,譯.北京:地震出版社,1980:85-92 Aki K,Richards P G.Quantitative seismology:theory and methods[M].Li Q Z,Zhou Q J,translators.Beijing:Seismological Press,1980:85-92

[4] 許忠淮,閻明,趙仲和.由多個小地震推斷的華北地區(qū)構造應力場的方向[J].地震學報,1983,5(3):268-279 Xu Z H,Yan M,Zhao Z H.Evaluation of the direction of tectonic stress in north China from recorded data of a large number of small earthquakes[J].Acta Seismologica Sinica,1983,5(3):268-279

[5] 俞春泉,陶開,崔效鋒,等.用格點嘗試法求解P波初動震源機制解及解的質(zhì)量評價[J].地球物理學報,2009,52(5):1402-1411 Yu C Q,Tao K,Cui X F,et al.P-wave first-motion focal mechanism solutions and their quality evaluation[J].Chinese Journal of Geophysics,2009,52(5):1402-1411

[6] 胡幸平,俞春泉,陶開,等.利用P波初動資料求解汶川地震及其強余震震源機制解[J].地球物理學報,2008,51(6):1711-1718 Hu X P,Yu C Q,Tao K,et al.Focal mechanism solutions of Wenchuan earthquake and its strong aftershocks obtained from initial P wave polarity analysis[J].Chinese Journal of Geophysics,2008,51(6):1711-1718

[7] Iannacchione A T,Batchler T,Marshall T E.Mapping hazards with microseismic technology to anticipate roof falls—a case study[J].23rdInternational Conference on Ground Control in Mining,2004,327-333

[8] Rutledge J T,Phillips W S.Hydraulic stimulation of natural fractures as revealed by induced microearthquakes,Carthage Cotton Valley gas field,east Texas[J].Geophysics,2003,68(2):441-452

[9] Tibi R,Vermilye J,Lacazette A,et al.Assesment of hydraulic complexity and stress field variability in an unconventional reservoir from composite moment tensor of double-couple microseismic events[J].Expanded Abstracts of 83rdAnnual Internat SEG Mtg,2013,2183-2187

[10] Refunjol X E,Marfurt K J,Le Calvez J H.Inversion and attribute-assisted hydraulically induced microseismic fracture characterization in the North Texas Barnett Shales[J].The Leading Edge,2011,30(3):292-299

[11] Zhou R,Huang G D,Snelling P,et al.Magnitude calibration for microseismic events from hydraulic fracture monitoring[J].Expanded Abstracts of 83rdAnnual Internat SEG Mtg,2013,2145-2149

[12] Staněk F,Eisner L.New model explaining inverted source mechanisms of microseismic events induced by hydraulic fracturing[J].Expanded Abstracts of 83rdAnnual Internat SEG Mtg,2013,2201-2205

[13] Baig A,Urbancic T,Viegas G,et al.Can Small events (M<0) observed during hydraulic fracture stimulations initiate large events (M>0)[J].The Leading Edge,2012,31(12):1470-1474

[14] Fisher K,Warpinski N.Hydraulic-fracture-height growth:real data[J].Expanded Abstracts of 86thSPE Annual Conference,2011,SPE145949

[15] Chen X F.Seismogram synthesis in multi-layered half space,part 1:theoretical formulation[J].Earthquake Research in China,1999,13(2):149-175

(編輯：顧石慶)

Application of P-wave first-motion focal mechanism solutions in microseismic monitoring for hydraulic fracturing

Yang Xinchao1,Zhu Haibo1,Cui Shuguo1,Wang Yu1,Pang Rui1,Li Huachang2

(1.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China;2.SinopecSouthwestOilCompany,Chengdu610094,China)

Microseismic monitoring technology is very important for hydraulic fracturing monitoring and hydraulic fracturing response evaluation.P-wave first-motion focal mechanism solution is an efficient tool for focal parameters study.P-wave first-motion focal mechanism solutions for hydraulic fracture are derived with grid search method.The fracture azimuthal parameters that are strike angle,dip angle and slip angle are calculated to serve the hydraulic fracture interpretation and hydraulic fracturing response evaluation.After a brief introduction to the principles of hydraulic fracturing parameters inversion based on P-wave first-motion polarity information,the reliability of the method is demonstrated by numerical simulation data of hydraulic fracturing models.The method is applied on surface microseismic data acquired during the hydraulic fracturing of some shale gas reservoir in Sichuan province,and reasonable hydraulic fracture interpretation result is achieved based on the P-wave first-motion solutions.

hydraulic fracturing,microseismic monitor,focal mechanism,P-wave first-motion polarity

2014-05-09;改回日期：2014-12-26。

楊心超(1986—),男,助理工程師,主要從事水力壓裂微地震監(jiān)測相關技術研究。

P631

A

1000-1441(2015)01-0043-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.01.006