煤層氣壓裂微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高級(jí)屬性解釋技術(shù)研究

王秀榮， 趙爭(zhēng)光， 張燕生， 陸金波， 馬彥良， 左衛(wèi)華

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039； 2.華北科技學(xué)院，河北三河 065201；3.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040； 4.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

隨著北美頁(yè)巖油氣、致密油氣等非常規(guī)油氣資源的規(guī)模開發(fā)，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了迅速發(fā)展[1-4]。通過微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)來求取裂縫的空間展布特征、提取巖石力學(xué)參數(shù)，為進(jìn)一步儲(chǔ)層改造、開發(fā)及井位部署提供技術(shù)支撐[5-7]。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)自誕生以來一直不斷發(fā)展。微地震監(jiān)測(cè)一般情況下分兩部分進(jìn)行，首先進(jìn)行的是壓裂過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其次是壓裂之后的室內(nèi)精細(xì)數(shù)據(jù)處理[8-9]。前者的成果主要用于實(shí)時(shí)調(diào)整壓裂施工參數(shù)(如排量、壓力、暫堵等)以及避免斷層活化[10]；而后者的研究?jī)?nèi)容更為豐富，并且包含了對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成果的修改和更正[11]。在國(guó)內(nèi)的微震監(jiān)測(cè)實(shí)踐中，微地震監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)效果被過分強(qiáng)調(diào)了，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是可以獲得微震事件的時(shí)空分布，但僅僅分析單個(gè)事件的空間(xyz)、時(shí)間(t)、震級(jí)(m)等屬性不足以精確分析壓裂的破裂和形變過程[12]。例如，傳統(tǒng)的微震事件點(diǎn)密度圖，粗略地將密度高的區(qū)域等同于改造效果充分(裂縫多)區(qū)域，但是由于每個(gè)微震事件的震源參數(shù)(矩震級(jí)、地震矩、應(yīng)力降)不同，當(dāng)震源參數(shù)差異較大時(shí)，僅僅使用密度圖衡量改造效果可能與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。通過壓裂之后的精細(xì)數(shù)據(jù)處理，才有可能推測(cè)出微地震事件的時(shí)空分布與壓裂裂縫之間的相互關(guān)系，從而較為精確地刻畫壓裂效果[13-14]。

為進(jìn)一步探索微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤層氣壓裂中的應(yīng)用，提高監(jiān)測(cè)精度，以淮南潘謝區(qū)塊PX2-1井煤層氣壓裂地面微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，在微震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理上，對(duì)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行了高級(jí)屬性解釋技術(shù)研究。借助三維高密度矩陣式觀測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的高覆蓋次數(shù)、寬方位角以及大偏移距的優(yōu)點(diǎn)，利用P波初動(dòng)信息進(jìn)行震源機(jī)制反演、地應(yīng)力反演，研究了基于震源機(jī)制的水力裂縫建模技術(shù)，裂縫滲透率反演技術(shù)，對(duì)壓裂誘發(fā)裂縫進(jìn)行了更精細(xì)的刻畫，為提高開采效果、指導(dǎo)煤層氣壓裂工程施工提供技術(shù)支持與服務(wù)。

1 高級(jí)屬性解釋基本原理

煤層氣壓裂微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高級(jí)屬性解釋技術(shù)研究的目的是對(duì)煤層氣壓裂誘發(fā)水力裂縫進(jìn)行精細(xì)刻畫，構(gòu)建水力裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算水力裂縫滲透率，從而評(píng)估壓裂效果[15-17]。其中震源機(jī)制反演、地應(yīng)力反演是微震數(shù)據(jù)高級(jí)屬性解釋的基礎(chǔ)[18]。震源機(jī)制反演結(jié)果能夠提供水力裂縫的兩組可能的斷層面，還可提供水力裂縫的走向、傾角、滑移角，結(jié)合震源參數(shù)計(jì)算獲得的震源半徑，可定量描述水力裂縫的走向、傾角、破裂長(zhǎng)度等[19-20]。地應(yīng)力反演，可獲得各壓裂段局部地應(yīng)力場(chǎng)(最大、最小水平主應(yīng)力、垂向應(yīng)力相對(duì)大小及其方位、傾角)分布特征，消除震源機(jī)制解的多解性，從剪切裂縫的兩組走向和傾角信息中獲得最優(yōu)的一組裂縫面走向和傾角，供后續(xù)的水力裂縫網(wǎng)絡(luò)的建模使用[21-22]。

1.1 P波初動(dòng)震源機(jī)制反演

震源機(jī)制指地震發(fā)生的物理過程或震源物理過程，研究?jī)?nèi)容包括，確定地震斷層面的方位和巖體的錯(cuò)動(dòng)方向。震源機(jī)制解是用地球物理方法判別斷層類型和震源發(fā)震機(jī)制的一種方法，它可以通過多個(gè)地震臺(tái)站記錄的數(shù)據(jù)求取。本次研究的數(shù)據(jù)采用三維高密度矩陣式觀測(cè)系統(tǒng)采集，具有高覆蓋次數(shù)、寬方位角以及大偏移距等特點(diǎn)，利用P波信息就可以得到穩(wěn)定的震源機(jī)制解，且P波初動(dòng)極性的物理圖像明確，是穩(wěn)定的地震波信息，因此采用P波初動(dòng)震源機(jī)制解求解方法[23-25]。

當(dāng)斷層在地下發(fā)生純剪切錯(cuò)動(dòng)時(shí)，在地面不同地點(diǎn)接收到的直達(dá)P波的初動(dòng)極性不同，其在震源球上的投影具有四象限分布的現(xiàn)象(圖1)。對(duì)斷層節(jié)面對(duì)應(yīng)的震源坐標(biāo)架在地平坐標(biāo)架中的位置進(jìn)行全空間掃描，求取與觀測(cè)P波初動(dòng)極性符號(hào)擬合最佳而矛盾符號(hào)比ψ最小的一對(duì)正交節(jié)面(矛盾符號(hào)比定義為ψ=矛盾符號(hào)數(shù)/符號(hào)總數(shù)，0≤ψ≤1)[26-27]。這里需要說明的是，上述震源機(jī)制反演結(jié)果包含2組可能的走向和傾角，具體是哪一組，需要開展地應(yīng)力反演獲得最優(yōu)的一組走向和傾角，作為該震源機(jī)制最優(yōu)解或該裂縫最可能的走向和傾角。

圖1 基于微震事件P波初動(dòng)極性震源機(jī)制反演原理

1.2 地應(yīng)力反演

本次研究采用斷層不穩(wěn)定系數(shù)來確定真實(shí)的裂縫面，并根據(jù)真實(shí)的斷面解采用迭代方法對(duì)應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行反演[28]，并唯一確定一組最優(yōu)的斷層/裂縫面走向和傾角，消除震源機(jī)制的多解性。如圖2所示，可以把任意節(jié)面解投影到歸一化后的莫爾圓里，并在投影點(diǎn)做一條平行于破裂準(zhǔn)則線的直線，歸一化最大正應(yīng)力所處位置到該線的垂直距離即為該節(jié)面解的斷層不穩(wěn)定系數(shù)I。不穩(wěn)定系數(shù)越大，裂縫面越不穩(wěn)定，越容易發(fā)生滑移，因此，在計(jì)算中可以把不穩(wěn)定系數(shù)較大節(jié)面作為真實(shí)的裂縫面。

圖2 斷層不穩(wěn)定系數(shù)示意圖[28]

應(yīng)力場(chǎng)的反演主要基于Wallace-Bott假設(shè)，即斷層面的滑移方向與沿?cái)鄬用嫔献畲蠹羟袘?yīng)力方向平行。根據(jù)這一假設(shè)，裂縫的滑移向量s與歸一化的應(yīng)力向量t=[τ11τ12τ13τ22τ23]T之間的關(guān)系可用公式(1)表示為

A·t=s

(1)

其中A為3×5的矩陣，如公式(2)，可以由斷層面的法向量n計(jì)算得來。

(2)

基于多個(gè)復(fù)合震源機(jī)制解，可以通過最小二乘反演的方法得到應(yīng)力矩張量，并通過特征值分解的方法進(jìn)一步計(jì)算得到三個(gè)主應(yīng)力的方位和傾角。

2 屬性解釋關(guān)鍵技術(shù)

微震數(shù)據(jù)高級(jí)屬性解釋技術(shù)研究是對(duì)壓裂誘發(fā)裂縫進(jìn)行精細(xì)刻畫，主要就是構(gòu)建水力裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算水力裂縫滲透率。

2.1 基于震源機(jī)制的微震事件離散裂縫網(wǎng)絡(luò)建模

當(dāng)微震事件震源機(jī)制已知，每個(gè)微震事件位置的裂縫的產(chǎn)狀即被確定：

①水力裂縫位置由微震事件位置確定，微震事件坐標(biāo)是水力裂縫尖端位置。

②水力裂縫長(zhǎng)度由震源半徑確定，高度根據(jù)地應(yīng)力反演結(jié)果中的三向應(yīng)力相對(duì)大小確定，寬度可由震源機(jī)制矩張量間接計(jì)算。

③水力裂縫的走向和傾角由地應(yīng)力反演給出的最優(yōu)的一組破裂(斷層)面的走向和傾角確定。

通過上述方法，可建立基于微震事件的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)。輸入數(shù)據(jù)包括：

①震源機(jī)制反演結(jié)果，包括：微震事件的空間位置(x,y,z)、發(fā)震時(shí)間(t)、震源參數(shù)中的震源半徑(source radius)以及震源機(jī)制反演獲得的裂縫走向(strike)和傾角(dip)信息。

②地應(yīng)力反演結(jié)果：包括最優(yōu)的一組破裂(斷層)面的走向和傾角，應(yīng)力張量Stress Tensor，算法會(huì)根據(jù)應(yīng)力張量自動(dòng)計(jì)算水力裂縫寬度。

③其他的輸入?yún)?shù)：包括儲(chǔ)層的彈性模量、泊松比、S波速度、震相以及該震相的拐角頻率。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是可用來計(jì)算水力裂縫滲透率，缺點(diǎn)是裂縫尺寸僅是震源半徑確定的破裂面積，而不是地下真正裂縫的長(zhǎng)度，同時(shí)該方法也沒有考慮水力裂縫之間的連通性。

2.2 基于震源機(jī)制的連續(xù)水力裂縫建模

為了改進(jìn)離散水力裂縫網(wǎng)絡(luò)建模方法，既考慮水力裂縫連通性，同時(shí)也考慮提高較小尺寸水力裂縫在網(wǎng)絡(luò)中的分布，研發(fā)了基于震源機(jī)制的連續(xù)裂縫網(wǎng)絡(luò)建模方法。該方法根據(jù)微震事件的時(shí)間順序和空間分布，利用微震事件的時(shí)空分布和震源機(jī)制信息確定連接準(zhǔn)則：微震事件的震源機(jī)制(包含走向、傾角和滑移角)可以反映裂縫擴(kuò)展方向，反映事件以何種路徑和角度擴(kuò)展或連接至先存裂縫。利用該連接準(zhǔn)則，連接各微震事件點(diǎn)，從而形成水力裂縫網(wǎng)絡(luò)(圖3)。

圖3 連續(xù)裂縫網(wǎng)絡(luò)建模算法流程

對(duì)于給定的已經(jīng)包含震源空間坐標(biāo)、發(fā)震時(shí)刻以及震源機(jī)制信息的微震事件點(diǎn)集P(x,y,z,t,mw, strike, dip, rake)，基于微震事件時(shí)間-空間分布的水力裂縫網(wǎng)絡(luò)建模由以下步驟組成:

①按時(shí)間t順序排列微震事件P(x,y,z,t)。

②定義網(wǎng)絡(luò)N的源(種子)點(diǎn)。當(dāng)M包含射孔、壓裂段、射孔簇信息時(shí)，應(yīng)用它來定義種子點(diǎn)。至種子點(diǎn)的距離可定義為0。

③定義連接微震事件P(x,y,z,t,mw)和裂縫網(wǎng)絡(luò)N之間的連接準(zhǔn)則d(P,N)。事件-網(wǎng)絡(luò)連接準(zhǔn)則為t時(shí)刻微震事件以震源機(jī)制解中的走向、傾角與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

④根據(jù)連接準(zhǔn)則d(P,N)，確定M中第i個(gè)微震事件P(x,y,z,ti) 至網(wǎng)絡(luò)N的連接點(diǎn)c。

⑤生成c和P之間的路徑。

⑥從M中移除P, 將P加入網(wǎng)絡(luò)集N, 定義P點(diǎn)在ti時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)。

⑦增量從i至i+1，重復(fù)④—⑥步驟，直到M中沒有P。

重復(fù)上述步驟，遍歷所有微震事件點(diǎn)，最終形成復(fù)雜的水力裂縫網(wǎng)絡(luò)。

2.3 水力裂縫滲透率反演

水力裂縫滲透率反演是基于離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行，可以用來精確計(jì)算裂縫滲透率，按照在每個(gè)單元格中的裂縫模型數(shù)量，根據(jù)裂縫方向和大小計(jì)算出來(圖4)。首先選擇使用的離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，之后設(shè)置反演參數(shù)。設(shè)置儲(chǔ)層網(wǎng)格大小Voxel Size，如5m，那么儲(chǔ)層將被切割成N個(gè)5m×5m×5m的體積單元，算法將根據(jù)每個(gè)儲(chǔ)層體積單元內(nèi)離散裂縫網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量、方位、傾角、長(zhǎng)度、寬度、高度等屬性計(jì)算出該體積單元內(nèi)的裂縫滲透率。此滲透率為裂縫網(wǎng)絡(luò)滲透率，有別于巖石基質(zhì)滲透率。

裂縫滲透率/MD 裂縫滲透率/MD圖4 PX2-1井水力裂縫滲透率三維數(shù)據(jù)體(左圖為透視圖，右圖為地質(zhì)蜂窩體形式)

不同顏色小球代表不同壓裂段的微震事件；SHmax為最大水平主應(yīng)力方向：NW74.0°；Shmin為最小水平主應(yīng)力方向：NE22.9°圖5 PX2-1井微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)地應(yīng)力反演結(jié)果

3 工程應(yīng)用

2020年，淮南礦業(yè)集團(tuán)與中國(guó)煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院合作，在淮南潘謝區(qū)塊PX2-1井實(shí)施煤層氣壓裂地面微震監(jiān)測(cè)工程，采用三維高密度矩陣式地面微震觀測(cè)系統(tǒng)，連續(xù)采集煤層氣壓裂前、壓裂中及壓裂后的微震數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些微震數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)處理，檢測(cè)并定位了95個(gè)微地震事件。在此基礎(chǔ)上，對(duì)PX2-1井煤層氣壓裂微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了震源機(jī)制反演、地應(yīng)力反演，獲得了主應(yīng)力方位、相對(duì)大小等信息(圖5)。在此基礎(chǔ)上建立了PX2-1井的離散水力裂縫網(wǎng)絡(luò)并計(jì)算了該井壓后各段水力裂縫滲透率的分布。由于各壓裂段微震事件數(shù)量差異較大，離散裂縫網(wǎng)絡(luò)差異較大，各段壓后水力裂縫滲透率差異也較大。高滲區(qū)出現(xiàn)在水力壓裂前三段，最大水力裂縫滲透率(Kmax=6.95 mD)出現(xiàn)在第一段近井筒區(qū)域，從圖6中可以看出，水力裂縫最大滲透率區(qū)域與井筒直接連通，該改造區(qū)域?qū)Ξa(chǎn)能貢獻(xiàn)較大。

圖6 PX2-1井最大水力裂縫滲透率所處深度(784.54m)的切片 (圖中井軌跡與微震事件均投影到該切片上)

4 結(jié)論

通過煤層氣壓裂地面微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高級(jí)屬性解釋技術(shù)的研究，構(gòu)建了壓裂誘發(fā)水力裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算了水力網(wǎng)絡(luò)滲透率，精確描述了地下壓裂裂縫的三維空間展布，充分挖掘了微震數(shù)據(jù)集的豐富信息，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)煤層氣壓裂效果提供了技術(shù)支撐。在PX2-1井的應(yīng)用實(shí)踐也表明，此項(xiàng)技術(shù)在煤層氣壓裂微震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是該技術(shù)仍處于起步階段，還有好多問題需要研究，如基于震源機(jī)制的連續(xù)裂縫網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)，使裂縫網(wǎng)絡(luò)模型更為準(zhǔn)確并且更符合實(shí)際。但算法還有提升空間，后續(xù)需要進(jìn)行算法優(yōu)化升級(jí)，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，不斷提高對(duì)壓裂裂縫精細(xì)刻畫的精度，更好地為煤層氣開發(fā)、煤礦安全服務(wù)。