基于微地震定位和速度成像的頁巖氣水力壓裂地面微地震監測

繆思鈺,張海江,陳余寬,譚玉陽,苗園園,黃振華,王 飛,謝慶明

(1.中國科學技術大學地球和空間科學學院萬泰微地震實驗室,安徽合肥230026;2.安徽萬泰地球物理技術有限公司,安徽合肥230026;3.重慶地質礦產研究院,重慶401120;4 重慶華地工程勘察設計院,重慶404100)

水力壓裂是低滲透油氣藏改造的重要手段,通過在目標儲層產生新的裂縫網絡,為低孔隙油氣藏提供油氣運移的通道[1-6]。伴隨破裂區內裂縫的生成或已有斷層的活化,會發生一系列微弱地震事件。對這些微地震事件進行監測,從而刻畫裂縫的形態分布[7-10]及發育過程[11-13]、描述裂縫間的相互作用[14-15]、估算儲層改造體積[16]、進行儲層應力分析[17]和開展地震災害評價。

微地震監測通常采用兩種方式:井下監測[15,18-20]和地面監測[3,21]。對于井下微地震監測來說,受地表噪聲影響較小,監測記錄信噪比相對較高。但由于檢波器僅分布在狹窄孔徑中,且數量有限,空間覆蓋范圍小,導致水平方向上的分辨率有限,定位難度增加。在這種情況下,可以通過P波傳播方向來確定事件方位角[22-23]。目前大多數定位方法利用P波極性來計算微地震事件方位角,并結合P波和S波到時確定事件的位置。如果壓裂井附近不存在鄰井,地面監測就成為唯一選擇。目前,地面微地震監測主要有兩種布設方式。一種方式是在地面布設大量的檢波器[2]。為了達到經濟和高效的雙重標準,采用星狀排列地表監測系統。當檢波器數目一定時,該方法能更加有效地擴大檢波器覆蓋范圍。星狀地面微地震監測需要采用掃描疊加的方式提高弱事件的信噪比才能對微地震事件進行定位。除此以外,可在已知的震源區域上方采用適當增加檢波器個數,提高該區域的分辨率[24]。另外一種監測方式是在淺孔中布設傳感器。由于傳感器埋設在淺孔中,可以大大降低噪聲水平,因此采用較為稀疏的淺孔傳感器臺陣就可以監測微震事件并對其進行定位。與井下微地震監測相比,地面監測的定位結果水平分辨率更高,但在深度上的分辨率較差[3]。

對于水力壓裂來說,確定壓裂裂縫分布以及壓裂儲層改造體積對于油氣藏開發非常重要。微地震監測資料處理的一般流程是:首先進行微地震事件檢測,再對檢測出的事件進行定位,最后根據微地震事件的空間分布來描述裂縫分布和估算儲層改造體積[25-27]。因此,對微地震定位精度的要求較高。但由于微地震信號較弱,接收到的數據信噪比通常較低[28],造成提取初至到時存在一定誤差。為了降低該誤差,可以基于不同微地震事件到同一臺站波形的相似性采用波形互相關技術來提高到時拾取的準確性,獲得精度較高的相對到時[29]。相對于基于絕對到時的定位方法(例如網格搜索法),雙差定位方法[30]可以直接利用相對到時對微地震事件進行定位,獲得高精度的相對定位,使原本較為發散的定位結果變得更加收斂。在雙差定位算法的基礎之上,ZHANG等[31]發展了雙差地震成像方法,在提高地震定位精度的同時,可以確定震源附近的速度結構。

由于微地震信號通常十分微弱,無法全部被識別出來,因此,壓裂儲層體積不能僅依靠微地震事件的空間分布來計算。對于水力壓裂來說,在目標儲層產生了裂縫,并且裂縫中充滿流體或者氣體,造成壓裂改造后的儲層物性與周圍儲層相比會發生明顯變化。例如,由于裂縫以及流體或氣體的存在,會導致地震波傳播速度降低。因此,結合微地震事件的空間分布和速度成像結果可以更加可靠地估算儲層改造體積。對于井下微地震監測,CHEN等[32]發展了基于微地震事件反方位角信息及到時差的雙差地震成像方法,在實現定位的同時,確定了目標儲層的速度結構,發現微地震事件和低速異常之間有很好的關聯性。

本研究首次將雙差地震成像算法應用于國內某地區頁巖氣水力壓裂地面微地震監測數據。利用微地震事件對的相對到時,同時反演三維速度模型和震源位置。相較于傳統的定位和成像方法,本文方法對震源區的速度變化約束能力更強,定位結果更精確。

1 雙差地震成像算法

雙差地震成像算法[31]是在雙差地震定位方法[30]的基礎上發展而來的。該方法在利用絕對到時確定震源絕對位置的同時,用更加精確的相對到時減少到時系統誤差,能夠得到更加精確的速度模型和震源位置。

(1)

(2)

式中:Δxl(l=1,2,3)和δu分別表示震源位置在三分量上的擾動和沿著射線路徑的地震慢度擾動。

對于地震事件對i和j來說,(2)式表示事件i到臺站k的理論與觀測到時差,將(2)式減去事件j到同一臺站k的理論與觀測到時差,可以得到:

(3)

(4)

(5)

(5)式即為雙差地震定位公式。

對于基于公式(3)的雙差地震成像算法,兩個相近事件的射線路徑大致重合,(3)式中的速度模型擾動項在震源區外幾乎可以完全去除。雙差地震成像的優點是可以利用相對到時確定震源區的速度異常,而對于震源區之外的速度異常,可以采用公式(2)給出的基于絕對到時的地震成像算法確定。雙差地震成像系統實際包含了公式(2)和公式(3),用絕對到時來反演震源區之外的速度結構,用相對到時來反演震源區內的精細速度結構[31]。鑒于震源位置和速度結構存在耦合效應[33],我們同時反演相對位置、絕對位置以及速度結構。雙差地震成像通過調整速度結構來提高地震定位精度,再通過提高定位精度來降低反演速度模型的誤差。因此,與傳統的定位和成像方法相比,雙差地震成像能夠更加準確地反演地震位置和速度模型。

2 地面微地震監測數據

利用我國西南地區某垂直井的水力壓裂地面微地震監測數據進行定位和速度成像研究。該壓裂井位于一個逆沖斷夾片構造帶,是一口頁巖氣預探井,目的層平均傾角約為60°,巖性以黑色碳質頁巖、灰質頁巖為主,底部為一套硅質巖沉積,夾少量薄層粉砂巖和粉砂質泥巖。目的頁巖層主要發育塊狀層理和水平層理。該井在縱向上非均質性強,巖性復雜。本次壓裂施工分為5段,壓裂深度范圍在平均海平面以下600～1800m。

地面微地震監測系統采用了28個4.5Hz的三分量傳感器,采用淺孔(大約5m)布設的方式進行安裝。臺站位置如圖1所示,其中藍色三角形表示檢波器的布設位置,黑色圓點表示井口位置。記錄的采樣率為1ms。首先采用聲波測井曲線建立一維速度模型,并采用射孔信號對初始速度模型進行了校正(圖2)。利用長短時窗法檢測出1400多個微地震事件,從中挑出了信噪比較高的962個事件進行定位和成像。

圖1 地面微地震監測臺站分布

在人工提取絕對到時的基礎上,為了減小拾取誤差對地震定位和成像的影響,我們采用波形互相關法計算了地震波之間的到時差。對于震源位置和破裂機制相似的兩個地震事件,由于震源到臺站射線路徑相似,它們到達同一臺站的波形也具有較高相似度[34]。因此,采用波形互相關可計算同一震相到達不同臺站的到時差。按照人工拾取的P波到時,對地震波形記錄對齊(圖3a),可以看出,由于微地震信號能量小,信噪比較低,P波初至處沒有明顯起跳,人工拾取到時存在誤差,波形并沒有完全嚴格對齊。為了降低人工拾取到時誤差,我們采用互相關法計算相對到時對齊波形。采用互相關法計算相對到時時,選取任意兩個事件到達同一臺站的記錄,截取人工拾取P波和S波初至到時前20ms、后100ms的波形,計算兩段波形的互相關函數。采用互相關函數最大值對應的時移量對到時差進行校正。圖3b顯示的是采用校正后的到時差對波形進行對齊后的記錄。可以看出,采用互相關法對到時差進行校正后能夠更好地對齊波形。

圖2 用于微地震定位的初始速度模型

對于該地面微震監測數據,共得到了12557個P波絕對到時,12557個S波絕對到時。基于波形互相關分析,得到了426684個P波相對到時差數據和397601個S波相對到時差數據。我們將這些數據應用于雙差地震成像。

圖3 基于P波到時的波形對齊效果對比a 利用人工拾取到時進行對齊的波形記錄; b 根據互相關到時差進行對齊的波形記錄

3 雙差地震成像結果

對于速度成像坐標系統,我們選擇x坐標軸沿著東西方向,y坐標軸沿著南北方向。雙差地震成像算法對模型采用的是網格點表示的方式。根據地震和臺站的分布,我們選擇的反演網格點在x和y方向上的網格間距是200m,范圍為0～2.2km;在深度上z=-1.500,-1.000,-0.500,0,0.250,0.450,0.536,0.650,0.750,0.800,0.950,1.167,1.313,1.550,1.756,1.900,2.156,2.500km。反演采用的初始速度模型如圖2所示。

根據雙差地震成像法的反演步驟,對人工拾取絕對到時數據、到時差數據、互相關到時差數據采用了分級加權的方法。在反演的第一階段賦予絕對到時較高的權值,獲得較大尺度的地震事件定位結果和速度模型;之后對人工拾取到時差數據賦予更高的權值,來提高地震定位和速度模型的精度。最后對互相關到時差數據加大權值,進一步提高地震定位和速度模型的精度,從而獲得精度較高的定位結果和速度模型。圖4顯示了反演前、后相對走時殘差的分布,反演后相對走時殘差從原先的19ms下降到1ms,說明數據擬合更好,模型更加準確。

圖5和圖6分別給出了采用傳統網格搜索法和雙差速度成像法得到的地震事件定位結果。對比圖5和圖6可以看出,采用雙差地震成像方法得到的震源位置在平面和深度上更加聚集,呈現出更好的線性分布特征,表明該定位結果更加準確。采用傳統網格搜索方法定位結果誤差較大的原因主要有兩方面:一是由于人工拾取到時存在一定誤差(圖3a),另一方面是由于該方法采用簡單的一維速度模型,與實際地層模型存在一定誤差。由圖5和圖6可以看出,壓裂產生的微地震主要分布在壓裂井的東側,呈現出非對稱分布;在深度上,微地震主要分布在第1壓裂段和第3、4壓裂段附近,而第2壓裂段附近的微地震事件較少。

圖4 P波(a)和S波(b)反演前、后相對走時殘差

圖5 傳統網格搜索法定位結果

圖6 雙差速度成像法定位結果

圖7和圖8分別顯示的是反演得到的研究區域內P波和S波在深度0.95km處的速度剖面(水平截面)和對應區域的棋盤分辨率測試結果。棋盤分辨率測試是對三維初始速度模型中的每一個網格點交替±5%的擾動構建棋盤速度模型;采用擾動后的速度模型正演得到理論走時數據,對理論到時添加平均值為0,標準差是2ms的高斯隨機噪聲;然后利用同樣的反演參數對含噪聲的正演數據進行反演。若得到黑白分明的相間網格說明該處的分辨率高,反演得到的速度模型可靠。從棋盤分辨率測試結果可以看出,在微地震分布區域,vP和vS模型都有較高的分辨率,與該區域射線分布比較集中有關。圖9和圖10分別給出了x方向上的vP和vS剖面及其對應的棋盤分辨率測試結果;圖11和圖12分別給出了y方向上的vP和vS剖面及其對應的棋盤分辨率測試結果。可以看出,在深度上,速度模型也有較高的分辨率。整體來說,淺部(z=0.5～1.2km)的微地震事件分布在低vP和高vS區,深部的微地震事件分布在低vP和低vS區,且淺部的微地震事件個數遠多于深部。

圖7 深度為0.95km處的vP(a)和vS(b)模型

圖8 深度為0.95km處的vP(a)和vS(b)模型對應的棋盤分辨率測試結果

圖9 x=1.4km處的vP(a)和vS(b)模型

圖10 x=1.4km處的vP(a)和vS(b)模型對應的棋盤分辨率測試結果

圖11 y=1.3km處的vP(a)和vS(b)模型

圖12 y=1.3km處的vP(a)和vS(b)模型對應的棋盤分辨率測試結果

4 討論

與大多數井下微地震監測類似,本次地面監測所得到的裂縫相對于壓裂井仍然呈非對稱分布(圖5、圖6),尤其是在淺部微地震事件幾乎只位于壓裂井東側。與井下微地震監測相比較,地面監測臺站的分布相對于壓裂井來說幾乎對稱。因此,微地震事件分布的不對稱性并非由觀測系統分布的偏差導致。一個可能的原因是壓裂井東、西兩側的儲層物性存在一定差異,東側的巖性更容易破裂[35-36];另外一個可能的原因是射孔簇的位置存在一定的偏差而導致壓裂液更趨向于朝東側壓裂[37];第3種可能的原因則是壓裂井的東側裂縫較發育而導致東側更先壓開,繼而導致裂縫向東側發育,壓裂液向東側滲流[38]。

對于第1級壓裂段,相對壓裂井來說微地震事件雖呈現非對稱分布,但是在井的兩側均有分布(圖5、圖6)。微地震事件主要分布在低vP和低vS區(圖9至圖12)。微地震事件分布在低速異常區域的原因是壓裂產生的裂縫以及裂縫中流體的存在導致地震波速度降低[32]。從圖7至圖12可以看出,淺部的微地震事件主要分布在低vP和高vS異常區域,而且在這個深度區域發生的微地震事件幾乎分布在壓裂井的東側。這說明淺部和深部的微地震事件分布區域存在非常明顯的區別,意味著這兩個深度處的儲層物性存在一定程度的差異。巖石物理試驗結果顯示,由于裂縫的存在會導致P波和S波速度降低[39],但是如果在裂縫區存在氣體飽和狀態時,S波的速度會上升[40]。根據成像結果可以看出,淺部微地震事件分布在低vP和高vS區域,可以推斷在該深度(z=0.5～1.2km)附近,天然裂縫發育而且處于氣體飽和狀態。由于天然裂縫的發育,在壓裂的過程中受到應力擾動,在某些裂縫區域可能會重復誘發較多的微地震事件,就是所謂的重復地震[41],而重復地震的一個特點是波形具有很高的一致性。初步波形分析顯示,在該垂直井壓裂產生的微地震事件中,存在重復事件。圖13顯示的是一些記錄到的重復地震波形,這些波形具有非常高的相似度,它們之間的互相關系數均大于0.95,這也進一步證明了該深度區域存在大量的裂縫。

圖13 檢測到的重復地震在垂向分量上的波形

需要強調的是,在水力壓裂產生裂縫以及微地震事件的過程中,壓裂儲層及其附近的速度會隨著裂縫的擴展而漸進地發生變化,因此可以利用產生的微地震事件近實時地給出儲層附近的速度變化。在本研究中,我們是利用所有壓裂段產生的微地震事件綜合對壓裂目標儲層進行速度成像,因此得到的是一個平均意義上的速度變化,反映的是整體上儲層由于水力壓裂導致的速度變化。

5 結論

本文將雙差地震成像方法應用于我國西南地區某頁巖氣井水力壓裂地面微地震監測數據分析。利用拾取的絕對到時數據和采用波形互相關分析得到的到時差數據,可以同時獲得高精度的地震定位和震源區速度成像結果。實際數據處理結果表明,與傳統網格搜索方法相比,雙差地震成像得到的定位精度更高,能夠更加準確地刻畫裂縫的形態分布。在定位的同時,雙差地震成像方法可以確定由于水力壓裂導致的儲層速度變化情況。在深部,微地震呈非對稱分布于壓裂井的兩側,并對應于低vP、低vS,該現象是由于壓裂產生的裂縫導致地震波速度降低。而在淺部,微地震事件幾乎全部分布在壓裂井的東側,并對應低vP、高vS。結合巖石物理實驗結果和波形分析,推測該區域天然裂縫發育并且氣體飽和。由本研究可知,綜合應用微地震事件定位和速度成像結果,可以更加準確地刻畫水力壓裂對儲層的改造效果。