微地震監(jiān)測在油氣藏型儲氣庫地質體完整性評價中的應用

廖偉，魏路路，羅海濤，張士杰，徐剛，陳龍

（1.中國石油新疆油田儲氣庫有限公司，新疆克拉瑪依 834000； 2.東方地球物理公司新興物探開發(fā)處，河北涿州 072751）

0 引言

地下儲氣庫是天然氣“產供儲銷”體系中主要儲存方式，主要用于調節(jié)冬夏用氣峰谷差、應對進口氣中斷、短缺等突發(fā)情況。儲氣庫建設對于完善國家天然氣產業(yè)、保障國計民生和維護國家能源安全具有十分重要的意義［1］。油氣藏型儲氣庫是利用枯竭油氣藏改建而成的地下儲氣空間，是目前世界范圍內最主要儲氣庫類型［2］。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球油氣藏型儲氣庫超過400余座，占地下儲氣庫總數(shù)的75%以上［3］。在中國，油氣藏型儲氣庫也是地下儲氣庫建設的首選類型，自2000年首次建成大張坨儲氣庫至2020年底，中國已建成27 座儲氣庫，除3 座鹽穴儲氣庫外，其余均為枯竭油氣藏型儲氣庫［4］。

儲氣庫地質體完整性是制約儲氣庫安全運行的關鍵因素。儲氣庫一旦泄露，不僅導致儲氣庫報廢和天然氣損失，而且氣庫內的天然氣可能竄至地面而導致火災、爆炸，造成環(huán)境污染、人員傷亡和經濟損失，影響下游用戶用氣和社會穩(wěn)定［5］。謝麗華等［3］對國外油氣藏型儲氣庫事故進行了不完全統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)16起儲氣庫事故中與地質體因素相關的有7 起，占比43.8%。中國油氣藏型儲氣庫地質體具有埋藏深、構造破碎、儲層非均質性強［6］等復雜地質特征，儲氣地質體面臨的風險點多、面廣，因此對儲氣庫地質體完整性監(jiān)測十分重要。

目前，國內主要采用針對溫度、壓力、流體組分等［7-10］的常規(guī)手段對地質體密封性進行安全監(jiān)測，常規(guī)方式覆蓋范圍較小、時效性較差，當這些監(jiān)控參數(shù)發(fā)生明顯變化時，其所反映的問題可能已經達到一定嚴重程度。微地震監(jiān)測技術具有覆蓋范圍廣、測量速度快、噪聲過濾能力強、定位準確、現(xiàn)場應用方便等特點［11］，可對儲氣庫運行過程中蓋層、斷層、儲層等地質體活動情況進行實時監(jiān)測。

在國外，儲氣庫地質體活動微地震監(jiān)測技術發(fā)展較早，且已進行了大量研究及應用。Kraaijpoel 等［12］利用微地震監(jiān)測技術對荷蘭Bergermeer 儲氣庫的中間斷層活動情況進行了監(jiān)測；Cesca 等［13］根據(jù)微地震事件活動規(guī)律分析了儲層穩(wěn)定性及注氣施工與周邊地震活動相的關性。在中國，雖然儲氣庫微地震監(jiān)測技術已經趨于成熟，但截至2021 年底，油氣藏型儲氣庫微地震監(jiān)測應用開展較少，大多處于前期方案設計論證階段，目前只有呼圖壁儲氣庫建立了微地震監(jiān)測系統(tǒng)并長期運行［14］。

本文從微地震監(jiān)測原理及儲氣庫地質體完整性定義出發(fā)，對微地震監(jiān)測技術在儲氣庫地質體完整性評價中的優(yōu)勢及必要性進行闡述，研究儲氣庫地質體微地震監(jiān)測資料的處理、解釋方法，并以新疆呼圖壁儲氣庫為實例，開展微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理及解釋，對呼圖壁儲氣庫地質體完整性進行評價。

1 地質體完整性概念及監(jiān)測的必要性

1.1 儲氣庫地質體完整性概念

地質體［15］是指不同成因的天然巖石體，通常占有一定的空間、具有特定巖性、可以與圍巖相區(qū)別的地質產物。儲氣庫地質體是指能夠保證儲氣庫正常安全運行的地質結構，是儲氣庫建設運行的關鍵因素。鄭雅麗等［16］根據(jù)中國儲氣庫地質體特點，結合完整性定義明確了儲氣庫地質體完整性概念及基本內涵，認為油氣藏型儲氣庫地質體完整性研究對象是儲層、斷層、蓋層、圈閉等，而保證地質體完整性就是保持圈閉有效性、斷層穩(wěn)定性、蓋層完整性。

1.2 地質體完整性監(jiān)測必要性

中國油氣藏型儲氣庫地質體條件較復雜，具有埋藏深、構造破碎等特點，導致儲氣庫地質體風險點較多。以常見的斷層相關圈閉為例，儲氣庫地質體完整性風險［3，16-17］主要為：①蓋層破裂泄漏；②斷層活化泄露；③底層破裂泄露；④圈閉溢出點泄露等（圖1）。

圖1 典型油氣藏型儲氣庫地質體泄露風險示意圖

雖然儲氣庫建庫初期經過周密的地質密封完整性評價，在建設期也是采用最高安全規(guī)格的結構設計和工藝方法，但隨著儲氣庫多輪注采運行過程中的交變應力作用或偶遇突發(fā)情況（如地震），儲氣庫地質體在長期服役過程中仍然可能產生圈閉功能失效、巖石破裂等情況，從而導致儲氣庫天然氣遷移、泄露等事故發(fā)生，因此一定要建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)，保證儲氣庫安全運行。

2 微地震監(jiān)測技術原理

2.1 儲氣庫微地震監(jiān)測理論基礎

儲氣庫運行過程中注入和采出天然氣都會引起巖石局部地應力變化，當巖石應力聚集滿足Mohr-Coulomb（莫爾—庫倫）準則［18］時，即巖石剪切面上的剪應力τ足夠克服巖石固有剪切強度C和作用于剪切面上摩擦力μσ（μ為巖石內部摩擦系數(shù)，σ為作用在巖石上的法向應力）之和時（圖2）

圖2 τ -σ 空間的Mohr-Coulomb 準則

巖石發(fā)生破裂。圖2 為τ-σ空間的Mohr-Coulomb 準則示意圖，用于描述材料的強度和破壞特性。其中，σ1為最大主應力，σ3為最小主應力，莫爾強度包絡線代表材料所能承受的最大正應力與最大剪應力的關系，而莫爾圓是材料各向同性時的破壞模式，2β是指莫爾強度包絡線與莫爾圓在它們的交點處的法向線與坐標軸之間的夾角。當莫爾強度包絡線與莫爾圓相切時，材料處于破壞狀態(tài)。

根據(jù)內摩擦角φ與摩擦系數(shù)μ之間的關系，可以得到

摩擦是一種材料內部的阻力，它的大小與材料間的摩擦系數(shù)密切相關，而內摩擦角則是度量材料抵抗破壞的能力的重要指標。通過幾何上的角度關系可證明，β與φ之間有一個特定的關系，即

根據(jù)此關系，可以通過測定材料的內摩擦角φ估算材料的破壞界限，進而確定材料的強度及破壞特性。

當巖石受力超過其極限強度時，發(fā)生破裂活動，激發(fā)的彈性波向周圍傳播。儲氣庫微地震監(jiān)測就是利用接收注采氣過程中巖石破裂所產生的彈性波，對巖石破裂位置、時間、能量等屬性參數(shù)進行反演，從而及時了解儲氣庫地層活動情況，保障儲氣庫安全運行。

2.2 微地震監(jiān)測在儲氣庫地質體完整性評價方面的優(yōu)勢

實時性是儲氣庫微地震監(jiān)測最重要的優(yōu)勢之一。常規(guī)監(jiān)測手段通過監(jiān)測儲層溫度、壓力、流體組分等參數(shù)變化實現(xiàn)儲氣庫完整性監(jiān)測。當監(jiān)測參數(shù)發(fā)生明顯變化時，儲氣庫完整性可能已遭破壞。微地震技術可實時監(jiān)測儲層、蓋層、斷層等地質體活動情況，是儲氣庫地質體活動最直接的監(jiān)測手段。除此之外，還可根據(jù)微地震事件活動規(guī)律對可能發(fā)生的潛在泄露風險提前預測、預警。

常規(guī)監(jiān)測手段有效監(jiān)測范圍較小，一般只局限在監(jiān)測點附近，因此需要部署較多監(jiān)測井才能實現(xiàn)儲氣庫完整性監(jiān)測，成本較高。微地震監(jiān)測技術可實現(xiàn)三維空間立體監(jiān)測（井中監(jiān)測范圍大致為1～2 km，地面監(jiān)測范圍與檢波器布設相關），能同時監(jiān)測有效監(jiān)測范圍內的斷層、儲層、蓋層等巖石破裂活動，相比于常規(guī)監(jiān)測，微地震監(jiān)測范圍更廣、監(jiān)測信息更豐富。

2.3 儲氣庫微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

微地震監(jiān)測技術自20 世紀40 年代發(fā)展至今，已逐漸趨于成熟，處理、定位方法［19-23］種類較多。針對儲氣庫微地震監(jiān)測具有監(jiān)測時間長、破裂信號較弱、檢波器數(shù)量多等特點，本文選取基于能量掃描疊加的定位算法［24-26］，該算法不用拾取每個微地震事件的P、S波初至，自動化程度較高，更適用于儲氣庫微地震長期監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。

該方法首先將儲氣庫有效監(jiān)測區(qū)域離散成網(wǎng)格點，然后計算網(wǎng)格點傳播到各個檢波器的理論旅行時曲線，最后將理論旅行時曲線所對應的實際數(shù)據(jù)振幅絕對值進行疊加

式中：Q(xi，yi，zi)為通過疊加得到的第i個網(wǎng)格點振幅；A(k，t)為第k個檢波器記錄在t時刻的振幅；t(k，xi，yi，zi)為第i個網(wǎng)格點到第k個檢波器旅行時；Δt為時間采樣間隔；M為檢波器數(shù)量；N為時窗長度。若計算節(jié)點為真實微地震震源點則理論走時曲線與實際采集微地震數(shù)據(jù)同相軸重合，疊加后Q會大幅增加，反之則會減小。因此，當Q大于某一閾值時，認為該節(jié)點為真實破裂點。

微地震記錄中若存在野值、井筒波等較強干擾時，噪聲在疊加后有可能超過閾值而被誤認定為是有效信號。為避免此情況發(fā)生，可采用：①數(shù)據(jù)預處理，在進行掃描疊加前對微地震信號進行異常值去除、濾波等處理，去除記錄數(shù)據(jù)中的野值和較強噪聲，避免出現(xiàn)誤定位現(xiàn)象；②若某些干擾具有一定規(guī)律性（如井筒波初至時差一致），在能量掃描疊加定位后，偽震源位置將會集中在同一位置，針對此類噪聲誤定位現(xiàn)象，可將該區(qū)域微地震信號進行整體去除。無論采用何種方法，定位前都應對微地震信號及噪聲類型進行分析，避免誤定位現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 應用實例

3.1 項目概況

新疆呼圖壁儲氣庫構造上位于北天山山前坳陷第三排構造帶的東端，整體構造形態(tài)為近東西向展布的長軸斷背斜，呼圖壁斷裂將背斜切割為上、下盤兩個斷背斜；儲層為紫泥泉子組二段，巖性主要為細粉砂巖和粉砂巖，埋藏較深，約為3500 m。

儲層紫泥泉子組二段直接蓋層為上覆地層紫三段泥巖，質地比較純，分布較穩(wěn)定，雖然厚度較小，鉆遇厚度約為6.84～9.46 m，平均為8.03 m，但埋深大于3000 m，壓實程度高，孔隙度、滲透率小，經歷了長期的地史時期卻未遭到破壞，封閉類型為物性封閉（即毛管壓力封閉），封閉性能強。區(qū)域蓋層的穩(wěn)定分布是儲氣庫整體封閉條件好的有力保障。在紫泥泉子組之上發(fā)育一套安集海河組灰色、灰綠色泥巖，屬于湖相—半深湖相沉積，厚度約為838 m，且全區(qū)穩(wěn)定分布，可以作為本區(qū)一套穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層。

呼圖壁儲氣庫含氣面積范圍內主要發(fā)育3 條北西—南東向展布、南傾的逆斷裂，即呼圖壁斷裂、呼圖壁北斷裂及呼001井北斷裂，均斷穿紫泥泉子組（圖3）。呼圖壁斷裂是該區(qū)最主要的斷裂，斷穿了安集海河組區(qū)域蓋層，斷距為60～200 m，但由于該斷裂為擠壓型的逆斷層，加之區(qū)域蓋層厚度大，因此推斷該斷層在垂向上具備密封作用。同時從生產動態(tài)資料上看，工區(qū)內所有井在安集海河組上部的地層中均未見油氣顯示，證明了呼圖壁斷裂在垂向上是密封的。呼圖壁北斷裂、呼001 井北斷裂垂向上均未斷穿本區(qū)的區(qū)域蓋層，即安集海河組的泥巖地層，因此斷層在垂向上具有密封作用。呼圖壁斷裂下盤紫二段直接與上盤紫一段對接，測井解釋成果分析表明，紫二段儲層以細、粉砂巖為主，物性好，而紫一段地層巖性明顯變細，以粉砂巖為主，泥質含量增加，物性變差。同時測井解釋結果還表明，呼圖壁斷裂上盤紫泥泉子組泥巖厚度明顯大于下盤，而且越靠近斷面，泥巖厚度越大，隨著上盤泥質含量的增加，斷層兩側易于形成砂泥并置局面。因此，從斷層兩側巖性對接關系上看，斷層側向上具有一定的密封性。

圖3 呼圖壁儲氣庫區(qū)紫二段（E1-2z2）頂面構造圖及微地震監(jiān)測系統(tǒng)部署圖

3.2 微地震監(jiān)測系統(tǒng)部署

為了保證呼圖壁儲氣庫運行過程中地質體完整性，呼圖壁儲氣庫自2013年開始建立微地震監(jiān)測系統(tǒng)對儲氣庫運行過程進行實時監(jiān)測，截至目前共部署9口微地震監(jiān)測井（圖3），其中深度為1500 m 的半深監(jiān)測井三口，每口井置入12 個檢波器，級間距為50 m；深度為70 m 淺監(jiān)測井六口，每口井置入4 個檢波器，級間距為15 m。

3.3 微地震數(shù)據(jù)處理

研究過程中共收集到7 口井微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中1 口為半深井（半深井3），6 口為淺井，數(shù)據(jù)記錄期間從2020 年9 月30 日至2020 年12 月1 日，共計兩個月。圖4 為半深井3 及淺井HUWJ3、HUWJ6 的典型微地震記錄，可以看出：半深井信號質量較好，P、S 波初至清晰；淺井信號信噪比較低，井HUWJ3 的S 波、井HUWJ6 的P 波無法識別，且井HUWJ3 的P 波、井HUWJ6的 S波只能看出大致區(qū)域，無法準確拾取。

圖4 半深井3（1～12 道）、淺井HUWJ3 （13～16 道）、HUWJ6 （17～20 道）三分量微地震記錄對比

速度模型的精度是影響微地震事件定位精度的重要因素之一。在數(shù)據(jù)處理時，由于缺少射孔信號或主動源信號，因此采用震源速度聯(lián)合反演方法對速度模型［27-31］進行優(yōu)化。圖5 為速度曲線優(yōu)化前、后對比，優(yōu)化后速度模型更精確，定位精度更高。

圖5 速度模型校、正前后對比

由于呼圖壁儲氣庫微地震監(jiān)測時間長，數(shù)據(jù)量達12 TB，因此本文采用基于能量掃描疊加的定位算法對半深井、淺井監(jiān)測數(shù)據(jù)分別進行處理。圖6 為半深井3 的定位結果，共監(jiān)測到1059 個微地震事件，震級分布范圍為-3.09～-1.42。由圖可以看出，微地震事件主要集中在三個區(qū)域：①淺層0～150 m 范圍內（綠色圓點），共監(jiān)測到274 個微地震事件，震級為-2.46～-1.91，初步判定為人工活動所致；②1500 m深度附近（藍色圓點），共監(jiān)測到773個微地震事件，震級為-3.09～-1.82，呈條帶狀分布，初步認為是小裂縫活動所致；③儲層深度附近（紅色圓點），共監(jiān)測到12 個微地震事件，震級為-2.23～-1.42，說明儲層相對穩(wěn)定。圖7 為六口淺井監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)合定位結果，共監(jiān)測到117 個微地震事件，震級為-2.51～-2.21，深度為0～170 m。根據(jù)微地震事件發(fā)震時間、空間位置對比分析淺井、半深井淺層活動監(jiān)測成果，只發(fā)現(xiàn)兩個微地震事件同時被淺井和半深井成功接收并反演定位。

圖6 半深井3 微地震事件定位結果

圖7 淺井微地震事件定位結果

對比淺井、半深井監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)：①淺井并未監(jiān)測到深度在1500 m 附近及儲層附近的微地震事件，可能是微地震信號受低速層吸收衰減及地面噪聲的影響，且距淺井檢波器較遠，因此淺井監(jiān)測對儲層附近的斷層、蓋層等活動并無明顯效果；②淺井在淺地表區(qū)域監(jiān)測到的微地震事件較少且分散，而半深井3在該井西北區(qū)域監(jiān)測到大量淺層事件，淺井對于淺層事件的監(jiān)測能力不如半深井，主要原因是各個淺井之間距離較遠，微地震信號基本無法被兩個淺井同時接收，且單井檢波器較少，加之低速層和地面噪聲的影響，導致淺井微地震信號較弱，可識別的有效信號數(shù)量較少。

3.4 綜合分析解釋

微地震監(jiān)測技術除了實時提供微地震事件定位結果外，還可與多學科數(shù)據(jù)進行融合分析，一方面可驗證微地震事件監(jiān)測結果準確性，另一方面還可研究微地震事件誘發(fā)因素及活動規(guī)律，輔助優(yōu)化地質模型、優(yōu)化注采參數(shù)，進一步保障儲氣庫安全運行。

在微地震監(jiān)測過程中絕大多數(shù)微地震事件集中在淺地表（0～200 m）及中深層（1500 m）附近，與儲氣庫相關性較弱。將淺層區(qū)域微地震事件位置坐標投影到地圖上發(fā)現(xiàn)，微地震事件聚集區(qū)域為高新區(qū)，實地探查中發(fā)現(xiàn)工廠較多，進一步驗證了淺層微地震事件主要由人類活動產生，也客觀驗證了微地震定位結果的準確性。深度1500 m 附近的微地震事件在區(qū)域蓋層安集海河組泥巖層之上，距儲層（3500 m）較遠，微地震事件與儲氣庫運行無關，從分布及形態(tài)判斷為微裂縫活動。

儲氣庫地質體完整性是制約儲氣庫安全運行的關鍵因素，將微地震事件與儲層上、下界面及斷層分布進行綜合分析發(fā)現(xiàn)（圖8），在儲層附近產生的微地震事件主要集中在儲層內部，少部分微地震事件發(fā)生在儲層下部，監(jiān)測期間儲氣庫蓋層較穩(wěn)定，并未發(fā)現(xiàn)明顯破裂活動，泄露風險較低；微地震事件與斷層位置綜合顯示分析發(fā)現(xiàn)，微地震事件主要分布在主控斷層呼圖壁斷裂與呼001 井北斷裂之間，部分微地震事件距離斷層較近，但微地震事件能量、聚集程度并未明顯增加，認為斷層處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8 微地震事件與地質模型的匹配分析藍點為微地震事件。

綜上所述，呼圖壁儲氣庫運行過程中地質體的完整性、密封性沒有變化。

提取紫二段三維地震相干和曲率屬性，對儲層內部斷層和天然裂縫發(fā)育情況進行研究，并結合監(jiān)測結果分析微地震事件誘發(fā)因素。圖9為儲層深度附近微地震事件與地震屬性匹配分析結果，可看到大部分微地震事件發(fā)生在相干、曲率值較大區(qū)域即裂縫較發(fā)育區(qū)域，后續(xù)注采、氣生產及觀測系統(tǒng)優(yōu)化時應對該區(qū)域進行重點監(jiān)測。

圖9 微地震事件與地震屬性匹配分析

本文監(jiān)測到的地質體活動較少，并未對微地震事件與周邊井注采參數(shù)、井底壓力等動態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合分析。在長期監(jiān)測過程中，可將微地震事件產生時間、震級與注采氣量、注氣速率、井口壓力、井底壓力等參數(shù)進行綜合分析，研究注采施工及壓力變化對儲氣庫地質體完整性的影響，并總結分析規(guī)律，進一步優(yōu)化儲氣庫運行參數(shù)。

4 結論及建議

從呼圖壁儲氣庫微地震事件定位結果可以看出，在監(jiān)測期間，儲層深度附近監(jiān)測到的微地震事件少、震級較小，且主要集中在儲氣庫內部，表明在研究期間內呼圖壁儲氣庫地質體活動較少、較穩(wěn)定。在與地震相干、曲率屬性結合分析時發(fā)現(xiàn)，大部分微地震事件主要發(fā)生在相干、曲率較大的裂縫較發(fā)育區(qū)，在后續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化中應重點考慮。

淺井、半深井微地震數(shù)據(jù)處理結果表明：半深井微地震監(jiān)測井在儲層附近實際監(jiān)測微地震最小震級為-2.23級，對于能量較強的斷層活動具有較好的監(jiān)測能力，對于溢出點、流體運移等能量較弱事件的監(jiān)測能力較差，在后續(xù)若有更靠近目的層的監(jiān)測井，考慮更換，以提高微地震監(jiān)測能力；由于受淺地表低速層、地面噪聲及監(jiān)測距離的影響，淺井未監(jiān)測到深度1500 m 附近裂縫和儲層附近的巖石破裂活動，對儲氣庫地質體活動基本無監(jiān)測能力，為節(jié)約成本，建議取消。

在微地震監(jiān)測項目實施前，應對微地震部署方案進行系統(tǒng)論證、分析。根據(jù)地質條件和監(jiān)測任務進行區(qū)域劃分，對于重點監(jiān)測區(qū)域適當增加檢波器密度以提高監(jiān)測能力，對于非重點監(jiān)測區(qū)域可適當減少，在完成監(jiān)測任務的同時，盡量降低成本。

短期監(jiān)測只能實時了解監(jiān)測期間地質體活動情況，但由于缺乏足夠數(shù)據(jù)支撐，難以對微地震事件誘發(fā)因素分析、裂縫擴展過程、注采參數(shù)優(yōu)化、地質模型精細刻畫等方面進行全面、充分及精細的研究；在儲氣庫長期運行過程中，無法預知風險何時發(fā)生。因此，儲氣庫微地震長期動態(tài)監(jiān)測十分必要。