微地震事件震源機制求解技術

刁 瑞

(中國石化勝利油田分公司物探研究院， 東營 257022)

由于致密低滲油氣、頁巖油氣、煤層氣等非常規油氣儲層具有較低的滲透率和孔隙度，使得該類儲層的開采難度大[1]。水平井和水力壓裂技術在非常規油氣儲層改造中發揮了重要作用，能夠改善儲層滲流能力，從而大幅提高油氣產量[2]。微地震技術是通過監測非常規儲層改造產生的微地震波，來評價分析改造效果、指導工藝優化的地球物理技術，已成為評價非常規儲層壓裂效果最為直觀有效的方法[3]。微地震事件定位技術包括現場實時定位方法、射線追蹤走時類反演方法、振幅或波形的反演方法、偏移原理或能量疊加定位技術等，也可以概括地分為基于波動方程的偏移成像定位方法和基于程函方程的走時反演定位方法[4]。隨著微地震監測技術的大范圍應用，微地震事件定位方法的研究也越來越深入，同時也面臨許多難題和挑戰[5]。在微地震事件初至信息能夠準確拾取的情況下，通常采用線性或非線性反演定位方法，根據走時信息進行微地震事件定位[6]。Lisbesh[7]提出了基于三維速度模型及先驗信息的反演定位方法；王維波等[8]研究了地面微地震監測SET(seismic emission tomography)震源定位方法；盛冠群等[9]充分發揮粒子群最優化算法全局尋優效率高的優點，并利用差分進化算法增加發散性，形成了微地震事件粒子群差分進化定位算法。

在水力壓裂過程中，在地面或井中布設檢波器進行壓裂監測，對監測數據進行靜校正、噪音壓制[10-12]、信號識別、速度模型校正[13]、事件定位[14]等處理后，能夠將儲層巖石破裂點進行準確定位，隨著破裂點的增多和擴展，通過三維實時動態顯示，可以估計破裂面的尺寸及裂縫擴展方位等信息。隨著致密低滲油氣、頁巖油氣、煤層氣等非常規油氣藏勘探開發精度的不斷提高，常規的微地震事件定位時空位置信息難以滿足裂縫擴展精細描述的要求，需要通過監測高品質數據來進行震源機制反演，以此獲取破裂裂縫的性質，從而區分剪切性破裂和拉張性破裂。然而，常規的矩張量反演方法運算復雜、計算效率慢，對微地震監測數據的品質要求較高，既需要足夠多的臺站監測到縱波信號，又要求縱波初至具有較高的信噪比[15-16]。針對常規矩張量反演方法存在的問題，利用縱波(P波)和橫波(S波)的能量比來計算微地震震源機制，通過縱橫波能量比值來判定壓裂震源點是剪切性破裂還是拉張性破裂，從而更好地描述壓裂裂縫的性質，實現壓裂效果的有效評價，指導壓裂工藝優化。

1 方法原理

當震源的尺度遠小于觀測距離和地震波波長時，該震源可以視為點震源，此時點震源的非彈性形變特征可用矩張量來描述[17]。那么利用檢波器進行信號接收，在監測端k(x,t)所接收到的微地震波形位移uk可以表示為

uk(x,t)=Gk(i,j)(x,t;ξ,t′)Mij(ξ,t′)

(1)

式(1)中：Gk(i,j)(x,t;ξ,t′)為彈性動力學格林函數，是由單位脈沖集中力引起的位移場，即震源點s(ξ,t′)和監測端k(x,t)之間介質的脈沖響應；x和ξ為震源點和監測端的位置；t和t′分別為震源點和監測端的時間；Mij(ξ,t′)為震源點ξ處t′時刻j方向的點力在監測端x處t時刻i方向所產生的位移。

震源點的矩張量公式如式(2)所示：

(2)

式(2)中：mij為常數，代表二階矩張量Mij的分量；i=1,2,3；j=1,2,3。若i=j，表明力和力臂在同一方向，為無矩單力偶；若i≠j，表明力作用于i方向，力臂在j方向，是一個力矩為mij的單力偶。

在均勻介質中，膨脹或壓縮作用只能激發P波，P波攜帶有矩張量各項同性部分的信息，S波攜帶有矩張量偏量部分的信息。為了實現微地震矩張量求解，M的廣義逆矩陣非病態可分解，矩張量反演還必須滿足3個條件[18]：① 采用三分量檢波器進行監測；② 同時監測到P波和S波信號；③ 檢波器組合所對應的立體角非零。對井中微地震監測而言，垂向檢波器組合不能滿足要求，應采用斜井或多井監測，并把檢波器盡量靠近震源，從而增大立體角。

在均勻各向同性介質中，根據雙力偶震源輻射的遠場微地震波位移分量，并令ΔT=r/β-r/α為走時差，r為傳播路徑，α為縱波速度，β為橫波速度，則t=t0+ΔT，得到位移分量比值如式(3)所示：

(3)

S波和P波能量比(ES/EP)的計算公式如式(4)所示：

(4)

貝葉斯后驗概率公式為

(5)

式(5)中：A為ES/EP，區間為[0,+∞)；Bi、Bj為震源點性質概率，i=1,2,…,n；j=1,2,…,n，區間為[0,1]。通過式(5)可以計算得到ES/EP和震源點性質的概率密度函數。

具體計算流程如下：①對微地震原始資料進行篩選和預處理，確保檢波器組合所對的立體角非零，具有3分量監測數據，P波和S波缺一不可，微地震事件具有較高的信噪比；②建立速度模型，利用射線追蹤方法計算地震波離源角、地震波方位角、波速比和輻射花樣等；③計算每個點震源的ES/EP；④根據貝葉斯后驗公式，計算ES/EP和震源點性質之間的概率密度函數，從而得到最終計算結果。

2 實際數據測試分析

利用微地震ES/EP計算震源機制解，通過實際監測數據驗證方法的可行性和有效性。圖1(a)所示為壓裂過程中產生的微地震事件俯視圖，圖1(b)所示為壓裂過程中產生的微地震事件側視圖。壓裂過程中采用三分量檢波器進行野外采集，圖1中黑色圓點為檢波器的位置，檢波器個數是12個，編號依次為1,2,…,12，均勻分布于壓裂段上方，紅色圓點(s5)為壓裂段；藍色圓點為微地震事件，在此對14個微地震事件進行分析。

圖1 微地震事件俯視圖和側視圖Fig. 1 Top view and side view of microseismic events

將14個微地震事件進行編號，依次為No.1，No.2，…，No.14，對微地震事件進行矩張量反演，矩張量反演震源機制Hudson圖坐標原點為(0，0)，橫坐標表示剪切分量T為-1～1，縱坐標表示張性分量K值為-1～1，如圖2所示。由圖2可以看出，拉張性事件共3個，T為-1～0，K為0～1，拉張性事件分別為事件號：No.4、No.8、No.11；剪切性事件共11個，T為0～1，K為-1～0，剪切性事分別為事件號No.1、No.2、No.3、No.5、No.6、No.7、No.9、No.10、No.12、No.13、No.14。微地震監測結果顯示大部分震源點偏向于剪切性，表明壓裂段儲層天然裂縫比較發育，壓裂改造易于形成剪切性裂縫。

圖2 矩張量反演Hudson圖Fig. 2 Moment tensor inversion Hudson diagram

分別選取拉張性微地震事件和剪切性微地震事件，計算矩張量參數和ES/EP。其中No.4號事件是拉張性微地震事件，事件波形如圖3所示，采用三分量檢波器進行數據采集，紅色、藍色、綠色曲線分別為檢波器垂直分量和兩個水平分量記錄的波形數據，藍色和綠色折線分別為自動拾取的P波和S波初至，部分檢波器的初至自動拾取存在誤差，需要進行初至精細拾取。計算No.4號事件的剪切分量T和張性分量K的值，分別為T=-0.637、K=0.202，其中各向同性部分(ISO)占27.6%，純雙力偶(DC)占26.3%，補償線性矢量偶極成份(CLVD)占46.1%，ES/EP=0.142，屬于拉漲性裂縫。

No.2號事件為剪切性微地震事件，事件波形如圖4所示，藍色和綠色折線為自動拾取的P波和S波

圖3 事件No.4號波形Fig. 3 The event No. 4 waveform

圖4 事件No.2號波形Fig.4 The event No. 2 waveform

初至，12個檢波器數據的初至全部準確自動拾取。計算No.2號事件的剪切分量T和張性分量K，得到T=0.308，K=-0.421，其中ISO占-52.2%，DC占-33.1%，CLVD占-14.7%，ES/EP=9.757，屬于剪切性裂縫。

計算所有14個事件的矩張量參數和ES/EP，將ES/EP計算結果和矩張量參數進行對比，如表1所示。

表1 事件的T、K和ES/EP計算結果Table 3 The calculating T,K and ES/EP of events

由表1可知，ES/EP大于5.0的微地震事件數是9個，占64.2%；ES/EP為2.0～5.0的微地震事件數是2個，占14.2%；ES/EP小于2.0的微地震事件數是3個，分別為事件號4、8、11，占21.4%，ES/EP和震源點參數之間有很好的相關性。

根據表1中的矩張量參數和ES/EP，利用貝葉斯后驗概率公式，可以計算得到ES/EP和震源點性質的概率密度函數，計算結果如圖5所示，縱坐標為震源點性質概率，區間為[0,1]，橫坐標為ES/EP。ES/EP小于1.0的3個微地震事件屬于拉漲性裂縫，ES/EP為1.0～5.0的2個微地震事件數屬于剪切性裂縫，ES/EP大于5.0的9個事件屬于剪切性裂縫，ES/EP能量比能夠準確地判斷壓裂震源點是剪切性破裂還是拉張性破裂。

圖5 ES/EP比概率密度Fig.5 The ES/EP probability density

3 結論

隨著非常規油氣儲層壓裂改造的大范圍推廣應用，對微地震監測結果提出了更高的要求，僅僅提供常規的裂縫長、寬、高等幾何屬性已經無法滿足精細開發的要求，需要利用P波和S波的波形信息反演得到更豐富的震源點參數信息，即進行震源機制解反演，從而更好地描述剪切性裂縫和拉張性裂縫。由于常規矩張量反演方法對微地震監測數據的品質要求較高，既需要足夠多的臺站監測到縱波信號，又要求縱波初至具有較高的信噪比。針對常規方法的不足，采用縱波和橫波的能量比計算微地震震源機制，即通過縱橫波能量比值來判定壓裂震源點是剪切性破裂還是拉張性破裂。ES/EP方法克服了常規方法的不足，能夠準確地判斷裂縫性質，通過微地震監測實際數據驗證了方法的可行性和有效性。利用ES/EP結果來判斷壓裂裂縫性質，能夠更好地評價壓裂效果、指導工藝完善和優化井網布局，從而大幅提高油氣采收率。