微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在地下儲(chǔ)氣庫(kù)中的應(yīng)用

魏路路 井 崗 徐 剛 王 飛 李曉峰 劉 博

1.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司 2.中國(guó)石油西氣東輸管道公司

0 引言

為了保證儲(chǔ)氣庫(kù)在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中的完整性與安全性，必須建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在國(guó)外，一些學(xué)者已經(jīng)對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行大量理論研究和實(shí)際應(yīng)用。1992年開(kāi)始，法國(guó)馬諾斯克鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)建立了微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，至2013年的21年時(shí)間里定位到10 000多個(gè)誘發(fā)微震事件（震級(jí)介于－1.0～0.3），這些事件中大約有90%都與溶腔有關(guān)。除了誘發(fā)微地震活動(dòng)，還監(jiān)測(cè)到大約1 000個(gè)與鹽體動(dòng)力現(xiàn)象有關(guān)的事件（震級(jí)最高達(dá)到3.5級(jí)）被定位在底辟構(gòu)造附近。2007年Mercerat等[2]在鹽腔內(nèi)進(jìn)行可控瞬態(tài)壓力試驗(yàn)，通過(guò)追蹤誘發(fā)微地震事件分析巖石超壓的力學(xué)響應(yīng)，更好地了解巖體內(nèi)部的損傷過(guò)程。2010年荷蘭Bergermeer儲(chǔ)氣庫(kù)利用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)運(yùn)行期間地下活動(dòng)[3]，從監(jiān)測(cè)開(kāi)始至2013年1月，兩年半的時(shí)間里共定位震級(jí)介于－2.0～ －3.0級(jí)的微地震事件220個(gè)，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)證實(shí)了天然氣注入對(duì)中間斷層的穩(wěn)定效應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)有三維地震資料無(wú)法識(shí)別的氣流擋板和小斷層，最終根據(jù)微地震結(jié)果調(diào)整注采方案。2011年Eisner等[4]對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，比較了井下和地面監(jiān)測(cè)陣列的定位精度，并綜合這些數(shù)據(jù)確定最優(yōu)的監(jiān)測(cè)陣列。2014年Simone等[5]對(duì)距離西班牙地中海海岸幾十千米接近埃布羅河三角洲區(qū)域發(fā)生一系列地震活動(dòng)進(jìn)行研究，應(yīng)用全波形技術(shù)反演震源位置、震源深度和震源機(jī)制，通過(guò)震源機(jī)制分析得到誘發(fā)地震由附近枯竭油氣藏儲(chǔ)氣庫(kù)注氣活動(dòng)引起。

近年來(lái)，我國(guó)在吸收國(guó)外成熟技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，持續(xù)加大儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)力度。但是，國(guó)內(nèi)建庫(kù)條件復(fù)雜，受注采交變應(yīng)力影響，以及監(jiān)測(cè)手段單一、監(jiān)測(cè)體系不完備，可能導(dǎo)致圈閉完整性失效和天然氣漏失，必須建立完善的監(jiān)測(cè)體系[6-7]。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有覆蓋范圍大、測(cè)量速度快、噪音過(guò)濾能力強(qiáng)、定位準(zhǔn)確、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便等特點(diǎn)，可作為常規(guī)監(jiān)測(cè)手段的有效補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷裂密封性和流體運(yùn)移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可為儲(chǔ)氣庫(kù)安全預(yù)警和優(yōu)化運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。雖然國(guó)內(nèi)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)已趨于成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，但是少有儲(chǔ)氣庫(kù)微地震監(jiān)測(cè)這方面的研究與應(yīng)用。以中國(guó)東部某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)為依托，研究微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)運(yùn)行中的作用，利用微地震事件定位結(jié)果對(duì)造腔井腔體形態(tài)進(jìn)行刻畫(huà)，并對(duì)注采井進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

1 技術(shù)原理

1.1 縱橫波時(shí)差定位算法

微地震反演定位方法是微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的核心問(wèn)題[8-11]。在眾多的定位方法中，基于走時(shí)的同型波或縱橫波時(shí)差定位算法是微地震反演中經(jīng)典的算法。當(dāng)微地震記錄信噪比較高，同時(shí)存在足夠縱橫波信號(hào)時(shí)，可采用縱橫波時(shí)差定位算法對(duì)微地震事件進(jìn)行反演定位。

設(shè)第k個(gè)事件震源位置坐標(biāo)為Qk（xqk，yqk，zqk），第i個(gè)檢波器坐標(biāo)為Pi（xpi，ypi，zpi），則震源與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離為：

式中dki表示震源與第i個(gè)檢波器之間的距離，m；xqk，yqk，zqk分別表示第k個(gè)事件震源位置在三維空間x、y、z軸上的坐標(biāo)，m；xpi、ypi、zpi分別表示第i個(gè)檢波器在三維空間x、y、z軸上的坐標(biāo)，m。

已知縱橫波傳播速度vp、vs，則Pi點(diǎn)記錄到微地震信號(hào)縱橫波走時(shí)時(shí)差?Tki可用公式（2）表示，即：

則

式中?Tki表示Pi點(diǎn)記錄到的震源坐標(biāo)為Qk（xqk，yqk，zqk）微地震信號(hào)縱橫波走時(shí)差，s；vp、vs分別表示縱、橫波速度，m/s。

當(dāng)接收信號(hào)的檢波器個(gè)數(shù)大于3個(gè)，則可通過(guò)求解上式，得到微地震震源坐標(biāo)。

1.2 b值分析法

b值估計(jì)來(lái)源于經(jīng)典地震學(xué)。該方法的基礎(chǔ)來(lái)源于任何一個(gè)地震序列的事件發(fā)生頻率和它們的震級(jí)都不是完全雜亂無(wú)章、無(wú)跡可尋的[12]。與之相反，它們遵循著一個(gè)冪定律關(guān)系。任何一個(gè)地震序列的頻率—震級(jí)關(guān)系可以用公式（4）表示[13]，即：

式中N表示大于震級(jí)M的事件數(shù)，個(gè)；M表示地震震級(jí)，M（里氏級(jí)）；b值是lg（N）與M交會(huì)圖的線性擬合斜率，無(wú)因次。

2005年Danijel等[14]指出b值受斷層/裂縫機(jī)制影響。Williams等[15-17]研究結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)b值小于1時(shí)，垂直應(yīng)力是最小的，巖石處于壓縮狀態(tài)，破裂機(jī)制為逆斷層；b值為1時(shí)，垂直應(yīng)力處于中間大小，破裂機(jī)制為走滑斷層；b值大于1時(shí)，巖石處于向外拉伸狀態(tài)，對(duì)應(yīng)正斷層破裂機(jī)制。

2 鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)微地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用實(shí)例

2.1 微地震監(jiān)測(cè)概況

本文研究的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)坐落在中國(guó)東部，巖鹽礦床平面形態(tài)呈腎狀分布，巖鹽層埋深介于800～1 200 m，厚度介于67.85～232.29 m，分布較平緩，略有起伏，在平面和縱向上分布都比較穩(wěn)定；上覆蓋層巖性為泥巖，巖性純、厚度大（圖1）。鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)腔體采用單井—單腔建庫(kù)方式，腔體形狀并不規(guī)則，可近似認(rèn)為是半徑40 m、高80 m的圓柱體。

本次研究微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在儲(chǔ)氣庫(kù)中的作用包括以下方面：①利用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)在造腔和注氣過(guò)程中地下巖層的活動(dòng)情況，并根據(jù)微地震定位結(jié)果對(duì)造腔井腔體形態(tài)進(jìn)行初步刻畫(huà)；②監(jiān)測(cè)造腔過(guò)程中是否存在較大垮塌對(duì)腔體內(nèi)井下工具造成傷害；③監(jiān)測(cè)注氣過(guò)程中是否誘發(fā)微地震事件，并對(duì)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)儲(chǔ)氣庫(kù)注氣施工進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。由于巖鹽層上部（埋深500 m左右）較厚的玄武巖（圖1）對(duì)地震波信號(hào)存在屏蔽干擾，所以本次監(jiān)測(cè)采用井中微地震監(jiān)測(cè)方式。在監(jiān)測(cè)井中放入12個(gè)三分量檢波器（圖2），埋置深度為870～980 m，級(jí)間距為10 m。圖2中所有井的井型為直井，監(jiān)測(cè)井井口距離注采井和造腔井井口介于277～969 m，監(jiān)測(cè)日期從2016年12月8日—31日共23 d。

2.2 微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果

在微地震監(jiān)測(cè)過(guò)程中，共監(jiān)測(cè)到500多個(gè)有效微地震事件，其中在造腔井中監(jiān)測(cè)到少量微地震信號(hào)，在距離監(jiān)測(cè)井較近的注氣井中并未監(jiān)測(cè)到微地震事件（圖3）。大量事件集中出現(xiàn)在距離監(jiān)測(cè)井較遠(yuǎn)的幾口注氣井附近，此處共監(jiān)測(cè)到473個(gè)微地震事件，這些微地震信號(hào)在某一時(shí)間集中發(fā)生。從圖3、4可以看出該區(qū)域微地震事件面狀分布特性十分明顯，震級(jí)范圍介于－2.500～－0.353。根據(jù)微地震裂縫方位特性，將該區(qū)域事件分為兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域1為呈近東西向分布的微地震事件，共387個(gè)，震級(jí)范圍介于－2.500～－0.585；區(qū)域2為近西北—東南向微地震事件，共86個(gè)，震級(jí)范圍介于－2.210～－0.353。

圖1 中國(guó)東部某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)地質(zhì)剖面圖

圖2 監(jiān)測(cè)井、造腔井及注氣井井位關(guān)系圖

圖3 微地震事件定位結(jié)果俯視圖

圖4 區(qū)域1、區(qū)域2微地震事件三維顯示圖

在造腔井中也監(jiān)測(cè)到少量微地震事件（圖5），其中造腔井1共監(jiān)測(cè)到16個(gè)微地震信號(hào)，震級(jí)范圍介于－2.63～－2.10，微地震事件距離造腔井井軌跡最遠(yuǎn)水平距離為40 m；造腔井2共監(jiān)測(cè)到16個(gè)微地震信號(hào)，震級(jí)范圍介于－2.48～－2.26，微地震事件距離造腔井井軌跡最遠(yuǎn)水平距離為28 m。表明發(fā)生在造腔井附近的微地震事件與腔體表面巖鹽破裂或垮塌有關(guān)，微地震事件定位位置可指示腔體邊緣位置，通過(guò)計(jì)算微地震事件空間位置包絡(luò)可以初步刻畫(huà)腔體形態(tài)（圖6）。圖6刻畫(huà)的腔體形態(tài)并不規(guī)則，可近似認(rèn)為是一個(gè)圓柱體，腔體刻畫(huà)的精度取決于微地震事件定位精度，由于本次采用井中單井監(jiān)測(cè)且采用水平層狀速度模型，可能導(dǎo)致腔體的初步刻畫(huà)存在較大誤差。

圖5 造腔井1、造腔井2微地震事件定位結(jié)果三維顯示圖

2.3 綜合分析解釋

在所有監(jiān)測(cè)到的微地震事件中，造腔井附近微地震事件的形成原因較好解釋，認(rèn)為其產(chǎn)生與造腔活動(dòng)有關(guān)。但是，在注采井附近監(jiān)測(cè)到的大量成面狀分布的微地震事件群，其產(chǎn)生原因和對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)造成的影響需要進(jìn)一步分析確認(rèn)。

2.3.1b值分析

b值大小可以定性描述微地震事件活動(dòng)是否與斷層活動(dòng)有關(guān)，并對(duì)巖石破裂時(shí)破裂機(jī)制和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行描述。對(duì)區(qū)域1、區(qū)域2中的微地震事件進(jìn)行b值分析（圖7），結(jié)果表明，區(qū)域1、區(qū)域2微地震事件b值大小分別為1.2、1.1。根據(jù)研究，b值為1左右與相關(guān)斷層活動(dòng)有關(guān)，并且b值大于1對(duì)應(yīng)正斷層向外擴(kuò)展的應(yīng)力狀態(tài)。

2.3.2 微地震、地震結(jié)合分析

將微地震數(shù)據(jù)與地震數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合分析，可以得到更多的結(jié)論與認(rèn)識(shí)。建庫(kù)前期已對(duì)該區(qū)域進(jìn)行過(guò)高分辨率三維地震勘探工作，可將定位微地震事件與三維地震剖面結(jié)合分析。圖8為該區(qū)域某一測(cè)線疊加剖面圖，紅色圈定區(qū)域?qū)?yīng)面狀分布的微地震事件位置。從圖8中可看出鹽巖層同向軸不連續(xù)，存在小的斷層或裂縫，判斷區(qū)域1、區(qū)域2中成面狀集中發(fā)生的微地震事件可能與此有關(guān)。

前期地震勘探工作中，已對(duì)該區(qū)域斷層進(jìn)行了精細(xì)刻畫(huà)，該區(qū)域存在一些斷層，將區(qū)域1、區(qū)域2微地震事件位置投影到斷層圖中，發(fā)現(xiàn)在集中出現(xiàn)的微地震事件與斷層解釋吻合較好。將微地震事件位置附近放大顯示，區(qū)域1與區(qū)域2分別對(duì)應(yīng)近東西向和西北—東南向斷層（圖9）。其中區(qū)域1微地震事件與斷層位置存在較小差異，可能是三維地震勘探精度誤差導(dǎo)致，區(qū)域2中有部分微地震事件位置附近并未發(fā)現(xiàn)斷層，推斷可能是斷層較小，三維地震勘探精度無(wú)法識(shí)別。

圖7 微地震事件b值分析圖

圖8 區(qū)域1、區(qū)域2微地震事件位置處對(duì)應(yīng)的三維地震剖面圖

2.3.3 微地震與注氣參數(shù)結(jié)合分析

圖9 斷層解釋與微地震結(jié)合分析圖

圖10 微地震事件與注氣井井口壓力關(guān)系圖

通過(guò)b值計(jì)算和微地震、地震資料結(jié)合分析，初步認(rèn)為區(qū)域1、區(qū)域2呈面狀分布的微地震事件產(chǎn)生與斷層活動(dòng)有關(guān)。為了研究斷層活動(dòng)是否由注氣施工誘發(fā)及兩者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，將微地震事件產(chǎn)生規(guī)律與斷層附近注氣井施工參數(shù)進(jìn)行分析（圖10）。從圖10中可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域1、區(qū)域2的微地震事件產(chǎn)生過(guò)程存與天然氣注入具有較強(qiáng)的相關(guān)性。在注氣初期，并未監(jiān)測(cè)到微地震事件，隨著注氣井壓力上升，當(dāng)井口壓力達(dá)到一定值時(shí)開(kāi)始并大量出現(xiàn)微地震信號(hào)，初步認(rèn)為斷層活動(dòng)由注氣施工誘發(fā)。因此，在今后的注采氣過(guò)程中，應(yīng)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和研究，在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析取得有效結(jié)論前，為了保證儲(chǔ)氣庫(kù)的安全運(yùn)行，建議施工過(guò)程中，將注采井1、2的井口壓力保持在低于15.8 MPa，注采井3的井口壓力保持在低于15.4 MPa。

3 結(jié)論

1）中國(guó)東部某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)在造腔井中未發(fā)現(xiàn)能量較大的破裂或垮塌，造腔工藝較安全。微地震事件定位結(jié)果反映造腔井腔體形態(tài)不規(guī)則，可近似認(rèn)為圓柱體。腔體形態(tài)描述的準(zhǔn)確性主要由微地震事件定位精度決定，要想取得精細(xì)結(jié)果，應(yīng)對(duì)速度模型進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，并布設(shè)完善的觀測(cè)系統(tǒng)。

2）微地震監(jiān)測(cè)注氣井1、2、3附近存在斷層活動(dòng)，分析認(rèn)為由注氣井注氣壓力上升導(dǎo)致，但誘發(fā)斷層活動(dòng)是否對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)完整性造成危害則需要對(duì)該區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析研究。為了保障儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行建議在取得進(jìn)一步結(jié)論前，降低注氣井1、2、3的井口壓力。

3）微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在儲(chǔ)氣庫(kù)安全運(yùn)行中意義重大，可以在儲(chǔ)氣庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下活動(dòng)，為儲(chǔ)氣庫(kù)安全預(yù)警和優(yōu)化運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。