基于P波輻射花樣的壓裂微地震震源機制反演方法研究及應(yīng)用

楊心超,朱海波,李　宏,趙德明,李華昌

(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西南油氣分公司,四川成都610094)

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基于P波輻射花樣的壓裂微地震震源機制反演方法研究及應(yīng)用

楊心超1,朱海波1,李宏1,趙德明1,李華昌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西南油氣分公司,四川成都610094)

受地面微地震監(jiān)測范圍有限的影響,利用P波初動極性進(jìn)行水力壓裂裂縫破裂面反演時存在較大的不確定性。提出了一種改進(jìn)的壓裂微地震震源機制反演方法,在P波初動極性反演方法的基礎(chǔ)上,增加歸一化的P波振幅(輻射花樣)對震源機制破裂面解進(jìn)行約束。利用合成記錄驗證了該方法的穩(wěn)定性和可靠性。采用該方法在四川盆地某壓裂井的地面微地震監(jiān)測中進(jìn)行震源機制反演和分析,取得了較好的應(yīng)用效果。

水力壓裂;微地震監(jiān)測;P波輻射花樣;震源機制反演

鑒于頁巖氣和致密砂巖氣等非常規(guī)儲層的低滲透率特性,水力壓裂技術(shù)已經(jīng)被視為提高此類儲層滲透性和增產(chǎn)的有效手段。為了研究儲層改造的影響范圍,一種可行的方法是對壓裂過程中巖石破裂產(chǎn)生的微震活動(震級通常小于0)進(jìn)行監(jiān)測。受井中檢波器數(shù)量的限制以及井中監(jiān)測張角小且方位單一的影響,基于井中微地震監(jiān)測信號的震源定位和震源機理分析結(jié)果常常不夠準(zhǔn)確[1]。而地面微地震監(jiān)測憑借其觀測范圍大、覆蓋次數(shù)高以及不影響油田正常生產(chǎn)活動等優(yōu)勢,近年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用,尤其是在壓裂井附近缺少監(jiān)測井的情況下,地面微地震監(jiān)測是更好的選擇[2-5]。

受環(huán)境干擾影響,地面微地震監(jiān)測資料信噪比低[6-9],因此一般從監(jiān)測記錄中選取強微地震事件的P波信息進(jìn)行震源機制分析[10-11]。雖然也可聯(lián)合P波和S波信息進(jìn)行震源機制反演,但是鑒于地面監(jiān)測范圍大且覆蓋次數(shù)多,只利用P波同樣可以反演得到相對穩(wěn)定的震源機制解,也可避免S波提取和S波速度建模的難題[4]。朱海波等[12]介紹了一種利用直達(dá)P波波形信息進(jìn)行矩張量反演的方法,并通過對矩張量進(jìn)行奇異值分解獲得了壓裂裂縫破裂面解;TIBI等[13]利用P波初動極性信息反演得到了壓裂裂縫破裂面解,并通過計算復(fù)合矩張量來評價人工裂縫的復(fù)雜程度;RUTLEDGE等[14]結(jié)合P波和SH波的初動極性和振幅比對Cotton Valley氣田某壓裂井的壓裂裂縫進(jìn)行了震源機制分析。然而,受地面微地震監(jiān)測范圍有限的影響,對于地下的一個剪切錯動震源,有時無法在地面觀測記錄中觀測到充分的直達(dá)P波初動極性變化信息,楊心超等[15]的研究表明,在這種觀測不充分的情況下,單純利用直達(dá)P波的初動極性信息無法準(zhǔn)確反演壓裂裂縫破裂面解。

本文首先介紹了一種利用直達(dá)P波的輻射花樣進(jìn)行壓裂裂縫破裂面解反演的方法。然后,利用合成記錄進(jìn)行了方法測試和對比分析,驗證了該方法相對于單純利用P波初動極性進(jìn)行破裂面反演的優(yōu)勢。最后,選取了中國四川盆地某壓裂井的地面微地震監(jiān)測資料進(jìn)行了方法的實際應(yīng)用測試。

1　方法原理

在非常規(guī)儲層壓裂改造過程中,受壓裂液和主應(yīng)力差異的影響,壓裂裂縫和天然裂縫會發(fā)生剪切或以剪切為主的破裂,并作為震源向外輻射地震波[11]。其中,編號為n的檢波器記錄到的信號可以表示為:

(1)

式中:t為記錄時間;x[n]=[x[n],y[n],z[n]]為檢波器空間位置坐標(biāo);U(x[n],t)為該檢波器記錄的位移;G[n]為該檢波器對應(yīng)的傳播函數(shù);M(t)為地震矩,滿足M(t)=m·f(t),其中,f(t)代表震源子波信號?？紤]到壓裂裂縫的破裂時間很短,可近似認(rèn)為f(t)=δ(t),δ(t)為脈沖信號。m為矩張量,是一個3×3的對稱矩陣,可表示為:

(2)

若假設(shè)破裂為純剪切錯動,則破裂裂縫產(chǎn)狀和地震矩張量之間的關(guān)系可直接表示為:

(3a)

(3b)

(3c)

(3d)

(3e)

(3f)

式中:φ為破裂裂縫面的方位角;δ為傾角;λ為滑動角。因此,公式(1)可以表示為:

(4)

在震源、檢波器位置以及地層模型已知的情況下,可以利用記錄的位移信息反演破裂裂縫的產(chǎn)狀信息,由公式(3)和公式(4)可知,該反演過程是一個非線性過程。借鑒許忠淮等[16]提出的基于格點嘗試法的P波初動極性的震源機制反演方法,通過在全空間對壓裂裂縫破裂面進(jìn)行掃描,選擇與實際P波輻射花樣相關(guān)性最好的一組(φ,δ,λ)作為破裂面反演結(jié)果。該反演的目標(biāo)函數(shù)定義為:

(5)

反演結(jié)果為一組裂縫破裂面和輔助面的正交節(jié)面。對于一個純剪切震源來講,這兩個面是等價的,因此需要借助地質(zhì)、測井、巖心或統(tǒng)計規(guī)律等其它信息來選擇裂縫破裂面,如:可以利用地層應(yīng)力建立破裂模型,進(jìn)而指導(dǎo)裂縫破裂面的選取;或者基于壓裂裂縫傾角特征與壓裂目標(biāo)層埋深之間的統(tǒng)計關(guān)系選擇相應(yīng)節(jié)面[17]。

2　模型測試

設(shè)定兩類壓裂裂縫模型:模型A的破裂面方位為北偏東30°,傾角為70°,沿走向方向滑動,滑動角為0;模型B的破裂面方位為北偏東30°,傾角為70°,沿傾向方向滑動,滑動角為90°。利用楊心超等[15]給出的觀測系統(tǒng)設(shè)計方案和速度模型,并基于CHEN等[18]的廣義反透射系數(shù)法進(jìn)行裂縫破裂模擬,得到的理論微地震記錄(地面垂直分量)如圖1和圖2所示。

圖1　模型A(30°-70°-0)的正演模擬微地震記錄(地面垂直分量)

圖2　模型B(30°-70°-90°)的正演模擬微地震記錄(地面垂直分量)

從圖1和圖2中拾取初至P波同相軸并截取初至P波波形,通過與理論子波互相關(guān)計算各道初至P波的初動極性和振幅,分別利用楊心超等[15]的方法和本文方法反演裂縫破裂面參數(shù),反演結(jié)果如表1(信噪比為∞)所示。對比反演結(jié)果與理論裂縫模型參數(shù)發(fā)現(xiàn):對于模型A(30°-70°-0),兩種方法都得到了比較可靠的反演結(jié)果;對于模型B(30°-70°-90°),楊心超等[15]的P波初動極性反演方法沒有得到理想的反演結(jié)果,而本文方法比較準(zhǔn)確地反演了裂縫模型的方位角、傾角和滑動角。根據(jù)楊心超等[15]的分析可知,受觀測系統(tǒng)模型的影響,無法在模型B的記錄中觀測到充分的初至P波極性變化信息,因此,單純利用極性無法得到準(zhǔn)確的反演結(jié)果。圖3為本文方法的反演結(jié)果對應(yīng)的初至P波振幅(圓形圖標(biāo))和正演振幅(方形圖標(biāo))對比結(jié)果。其中,圖標(biāo)大小反映振幅相對大小,圖標(biāo)顏色用于區(qū)別極性(藍(lán)色為正極性,紅色為負(fù)極性)。從圖3可以看出,兩個模型的圓形圖標(biāo)和方形圖標(biāo)的大小和顏色都非常吻合,裂縫參數(shù)反演結(jié)果也都比較準(zhǔn)確(表1,信噪比為∞)。這是由于本文方法反演過程中除了利用初至P波極性信息之外,還利用了各道接收到的初至P波能量信息作為約束,因此可以準(zhǔn)確反演所有的壓裂裂縫模型參數(shù)。

圖3　模型A(a)和模型B(b)的正演初至P波振幅和反演振幅對比　　方形圖標(biāo)代表正演記錄中拾取的實際振幅,圓形圖標(biāo)代表反演結(jié)果對應(yīng)的理論振幅,圖標(biāo)大小反映振幅相對大小,圖標(biāo)顏色用于區(qū)別極性:藍(lán)色為正極性,紅色為負(fù)極性。

另外,從野外地面微地震監(jiān)測記錄中截取了一段背景噪聲剖面(圖4),并聯(lián)合正演記錄(圖1和圖2)生成了不同信噪比的合成記錄,用于測試P波輻射花樣和P波初動極性兩種震源機制反演方法的抗噪性。這里,信噪比定義為初至P波與背景噪聲的功率之比,而抗噪性則由反演誤差(反演結(jié)果與模型參數(shù)的弧度差的絕對值)的大小來衡量。表1給出了該兩種反演方法針對不同信噪比記錄的反演結(jié)果,圖5和圖6分別顯示了兩種方法的反演誤差統(tǒng)計結(jié)果。分析圖5和圖6可以看出,P波輻射花樣反演方法的反演精度受信噪比影響較大,其反演誤差隨著資料品質(zhì)的降低呈近似線性增加的趨勢,而P波初動極性反演方法的抗噪性更好。這是由于噪聲的加入更多地導(dǎo)致了初至P波振幅大小發(fā)生畸變,而對其極性的影響相對較小。因此,相對于P波初動極性反演方法,本文給出的反演方法對噪聲更加敏感。

在實際壓裂微地震地面監(jiān)測過程中,受施工成本的限制,觀測范圍有限。通常最大偏移距與壓裂目標(biāo)層深度之比約為1︰1,因此常常無法觀測到充分的初至P波極性變化信息。在這種情況下,單純利用P波初動極性進(jìn)行震源機制反演存在很大的不確定性。而P波輻射花樣反演方法雖然在抗噪性上不如P波初動極性反演方法,但是該方法能夠消除地面微地震監(jiān)測范圍有限導(dǎo)致的反演不確定性,而且對于高信噪比資料,其反演誤差同樣在可接受范圍之內(nèi)。因此,綜合來看,相對于楊心超等[15]的方法,本文提出的微地震震源機制反演方法有更好的適用性,反演結(jié)果也更加可靠。

圖4　野外地面微地震監(jiān)測記錄中截取的背景噪聲剖面

圖5　不同信噪比條件下基于P波輻射花樣的反演誤差

圖6　不同信噪比條件下基于P波初動極性的反演誤差

模型參數(shù)方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)信噪比P波輻射花樣反演P波初動極性反演方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)30700∞30.072.0028.971.00.951028.969.75.728.571.0-0.30931.169.33.428.471.0-0.50833.366.01.326.870.0-1.00734.369.54.626.870.0-1.00636.469.12.326.870.0-1.00541.869.01.226.870.0-1.00445.069.12.327.571.5-0.40345.069.12.327.571.5-0.40248.366.01.324.771.0-0.70146.763.01.524.771.0-0.70307090∞30.069.090.030.370.0121.001034.069.090.036.072.7135.60936.066.090.036.072.7135.60838.066.090.036.072.7135.60737.066.196.636.072.7135.60635.763.4100.141.173.6137.50532.561.1107.241.173.6137.50430.062.2114.041.173.6137.50332.362.8117.241.173.6137.50224.162.8117.242.873.3137.60154.666.9106.342.873.3137.60

3　實際資料應(yīng)用效果分析

采用本文方法對四川盆地某壓裂井地面微地震監(jiān)測資料進(jìn)行震源機制反演和分析。在該次微地震監(jiān)測資料中共檢測出1073個微地震事件[16],從中選取了116個強微地震事件。

圖7為選取的一個強微地震事件記錄,紅色方框內(nèi)為該微地震事件的初至P波震相。圖8為各接收道的初至P波實際振幅與反演振幅的對比結(jié)果。實際振幅和反演振幅的相關(guān)系數(shù)為0.95340,二者吻合很好,說明反演結(jié)果比較可靠。

表2給出了圖7所示微地震事件的P波幅射花樣反演結(jié)果,同時給出了基于P波初動極性的反演結(jié)果以及兩者之間的差。從表2中可以發(fā)現(xiàn),兩種方法的反演結(jié)果差別很大。受本次觀測范圍的影響,對于該微地震事件,在記錄中并沒有觀測到充分的極性變化信息。結(jié)合前文的分析結(jié)果認(rèn)為,基于P波輻射花樣的裂縫破裂面反演結(jié)果更加可靠。圖9給出了選取的所有116個強微地震事件反演的目標(biāo)函數(shù)值,其中,最大為0.98875,最小為0.67070,平均0.93870,說明本次反演結(jié)果整體可靠性較高。

圖7　實際資料中選取的強微地震事件

反演方法節(jié)面1節(jié)面2方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)方位角/(°)傾角/(°)滑動角/(°)P波輻射花樣12.975.377.6233.919.1129.4P波初動極性2.969.086.8191.921.298.3二者相差10.06.3-9.242.0-2.131.1

圖8　初至P波實際振幅和反演振幅對比　　方形圖標(biāo)代表微地震記錄中拾取的實際振幅,圓形圖標(biāo)代表反演結(jié)果對應(yīng)的理論振幅,圖標(biāo)大小反映振幅相對大小,圖標(biāo)顏色用于區(qū)別極性:藍(lán)色為正極性,紅色為負(fù)極性。

如前所述,本文反演方法對于每一個微地震事件反演得到一組正交節(jié)面。對于116個強微地震事件的反演結(jié)果按照高角度節(jié)面(45°～90°)和低角度節(jié)面(0～45°)進(jìn)行了分類統(tǒng)計,結(jié)果如圖10所示。圖11給出了楊心超等[15]反演的分類統(tǒng)計結(jié)果。對比圖10和圖11可以看出,本文方法反演得到的壓裂裂縫破裂面解的一致性(圖10d,圖10e和圖10f)比楊心超等[15]的反演結(jié)果(圖11d,圖11e 和圖11f)效果更好。通常,水力壓裂儲層改造的影響范圍較小(幾百米范圍內(nèi)),地層環(huán)境和巖性特征比較穩(wěn)定,因此,壓裂裂縫的破裂特征比較相似。因此認(rèn)為,本文方法的反演結(jié)果相對于楊心超等[15]的反演結(jié)果更加合理。

FISHER等[17]通過對北美地區(qū)大量壓裂裂縫產(chǎn)狀的統(tǒng)計分析認(rèn)為,壓裂目標(biāo)層深度大于1000m時,受上覆地層壓力的作用,通常壓裂裂縫具有高傾角特征。該壓裂井的射孔段深度為3351～3369m,結(jié)合圖10a,圖10b和圖10c分析認(rèn)為,本次壓裂過程中產(chǎn)生了北偏東走向(方位角0～20°)為主的、沿裂縫破裂面傾斜方向滑動(滑動角約90°)開裂的高角度裂縫(傾角60°～80°)。另外,圖12給出了116個強微地震事件的破裂面反演結(jié)果(沙灘球顯示)與1073個事件水平方向定位結(jié)果(紅點)的聯(lián)合顯示。從圖12中可以看出,本次壓裂過程中主體縫網(wǎng)的發(fā)育方向以北偏東方向為主,這與本次反演得到的壓裂裂縫的走向一致。

圖9　基于P波輻射花樣的破裂面反演目標(biāo)函數(shù)值

圖10　基于P波輻射花樣的節(jié)面反演結(jié)果統(tǒng)計a,b,c 所有高角度(45°～90°); d,e,f 所有低角度(0～45°)

圖11　基于P波初動極性的節(jié)面反演結(jié)果統(tǒng)計[15]a,b,c 所有高角度(45°～90°); d,e,f 所有低角度(0～45°)

圖12　基于P波輻射花樣的節(jié)面反演結(jié)果(沙灘球)與所有事件定位結(jié)果(紅點)聯(lián)合顯示

4　結(jié)束語

微地震事件主要對應(yīng)于水力壓裂過程中發(fā)生的裂縫剪切破裂,即其震源矩張量中的雙力偶分量占主要成分。在剪切震源的假設(shè)基礎(chǔ)之上,基于P波輻射花樣進(jìn)行微地震震源機制反演,避免了傳統(tǒng)P波初動極性反演方法的不確定性,可以給出更加可靠的壓裂裂縫解釋結(jié)果。該方法是一種相對穩(wěn)定、高效并具有一定實用性的微地震震源機制反演方法。

本文方法利用初至P波信息進(jìn)行震源機制反演,若利用P波和S波信息進(jìn)行聯(lián)合反演能夠進(jìn)一步提高反演的穩(wěn)定性,同時也可以在一定程度上消除傳播路徑、近地表效應(yīng)和儀器響應(yīng)等因素對反演結(jié)果的影響。

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(編輯:顧石慶)

Microseismic focal mechanism inversion based on P-wave radiation pattern and its application

YANG Xinchao1,ZHU Haibo1,LI Hong1,ZHAO Deming1,LI Huachang2

(1.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China;2.SinopecSouthwestOil&GasCompany,Chengdu610094,China)

Geometric distribution for surface microseismic monitoring array is limited.As for certain type of fractures,the uncertainty arises with conventional focal mechanism inversion method based on first-motion of P-wave polarity.We propose an improved method to overcome the difficulty by adopting the normalized P-wave amplitude (radiation pattern) as a constraint of focal mechanism inversion solutions.Synthetic seismic data are then used to verify its stability and reliability.The proposed inversion method is applied to field surface microseismic monitoring data from a hydraulic fracturing well of Sichuan Basin and shows a competing performance.

hydraulic fracturing,microseismic monitoring,P-wave radiation pattern,focal mechanism inversion

2015-09-07;改回日期:2016-03-03。

楊心超(1986—),男,工程師,主要從事水力壓裂微地震監(jiān)測資料處理解釋方法研究。

國家科技重大專項“煤層氣井中地球物理勘探技術(shù)”(2011ZX05035-003)資助。

P631

A

1000-1441(2016)05-0640-09

10.3969/j.issn.1000-1441.2016.05.002

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