P波初动震源机制解在水力压裂微地震监测中的应用

杨心超,朱海波,崔树果,王 瑜,庞 锐,李华昌

(1.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103；2.中国石油化工股份有限公司西南油气分公司,四川成都610094)

P波初动震源机制解在水力压裂微地震监测中的应用

杨心超1,朱海波1,崔树果1,王 瑜1,庞 锐1,李华昌2

(1.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103；2.中国石油化工股份有限公司西南油气分公司,四川成都610094)

微地震监测技术是水力压裂过程监测及压裂效果评价的重要手段。P波初动震源机制解是研究震源参数的有效工具。基于格点搜索算法求解水力压裂裂缝的P波初动震源机制解,进而得到其方位参数——方位角、倾角和滑动角,为压裂裂缝的解释和压裂效果评价提供有效依据。简单介绍了利用P波初动极性信息反演水力压裂裂缝参数的方法原理,并通过水力压裂裂缝模型对该方法的应用效果进行了测试,最后将该方法应用于四川某页岩气压裂井的实际地面微地震监测资料,得到了合理的单裂缝解释结果。

水力压裂；微地震监测；震源机制；P波初动极性

在致密气、页岩气以及煤层气等非常规油气资源的开发过程中,微地震监测技术是压裂过程监测及压裂效果评估的重要手段。压裂微地震监测技术的研究主要包含两部分内容:一个是震源定位技术,另一个是震源机制(focal mechanism)描述技术。震源机制解对于了解压裂区的油气藏特征,例如天然裂缝发育特点、应力状态以及压裂裂缝破裂机制等有着重要的指导作用,同时也是建立离散裂缝网格及估算有效压裂体积的重要参数[1]。

对于地面微地震监测的情况,普遍选择利用P波信息进行震源机制反演。尽管也可以综合利用P波和S波信息,但是地面微地震监测的高覆盖次数、宽方位角以及大偏移距等特点,使得仅利用P波信息就可以得到稳定的震源机制解,同时避免了S波波形提取困难以及S波速度误差对反演结果的影响[2]。P波信息又分为P波初动极性信息和P波振幅信息,其中,P波初动极性的物理图像明确,是稳定的地震波信息。在20世纪的一二十年代,人们就已经在同一次天然地震不同台站的记录中发现了P波初动极性的四象限分布特性[3],随后将其与双力偶(double-couple)力系联系起来,并在30年代发展了最初的P波初动震源机制解求解方法。由于其简便快捷且结果较为可靠,利用P波初动极性来求解震源机制解的方法被广泛应用于地震事件分析、震源参数求取以及应力场研究等方面[4-6]。

已有研究结果表明,水力压裂裂缝主要发育在天然裂缝或断层的附近[7-8],受地下局部应力场及地质条件等因素的影响,压裂裂缝的方向、大小及破裂速度多样[9]。压裂裂缝走向基本垂直或近似垂直于最小水平主应力方向[10]；压裂裂缝的大小和破裂速度则反映了裂缝破裂过程中应力降的变化,体现在微地震信号上就是信号能量的强弱。受地面微地震监测资料信噪比低的影响,利用弱微地震信号进行震源机制研究有一定的困难,所以选取信噪比相对较高的强微地震事件进行震源机制反演是目前广泛采用的方法[11-12]。Baig等[13]指出,弱微地震事件(震级M<0)一般由地层中天然裂缝的剪切-拉伸活动造成,而强微地震事件(震级M>0)则对应于已有断层的剪切运动。因此,在研究强微地震事件时,对震源作纯剪切(双力偶)源假设,并根据P波初动极性的四象限分布现象来求解震源机制解是合理的。Tibi等[9]在双力偶震源的假设下,利用P波初动极性信息反演得到了单个微地震事件对应压裂裂缝的方位角、倾角、滑动角以及其矩张量,并将一组微地震事件的矩张量求和得到了复合矩张量,用来评价压裂裂缝网络的复杂性。利用P波初动极性信息并结合SH波极性信息,Rutledge等[8]对Cotton Valley气田某压裂井的压裂裂缝进行了震源机制分析,并将这些压裂裂缝的成因解释为天然裂缝沿近似最大水平主应力方向滑动的结果。

本文首先简单介绍利用P波初动极性信息求解水力压裂裂缝P波初动震源机制解的方法原理；然后通过理论模型记录对方法的应用效果进行测试；最后将该方法应用于四川某页岩气压裂井的实际地面微地震监测资料,并依据P波初动解对该压裂井的压裂裂缝进行震源机制分析。

1 方法原理

利用P波初动极性信息反演水力压裂裂缝P波初动震源机制解的理论基础是[3]:断层在地下发生纯剪切错动时,在地面不同地点接收到的直达P波的初动极性不同(图1),其在震源球上的投影具有四象限分布的现象(图2)。因此,在观测资料充分的条件下,可以利用从微地震事件中提取的P波初动极性在震源球上的投影来求取断层节面解。

图1 剪切错动断层辐射P波初动极性图示

图2 P波初动极性与断层节面在震源球上的投影

利用P波初动极性求解震源机制解的方法有多种,这些方法大致可分为迭代法和网格搜索法两类。由于迭代算法对资料品质的依赖性更大,所以网格搜索法是目前主流的求解方法[5]。本文采用了许忠淮等[4]提出的求解P波初动震源机制解的格点搜索算法,对断层节面对应的震源坐标架在地平坐标架中的位置进行全空间扫描,求取与观测P波初动极性符号拟合最佳而矛盾符号比ψ最小的一对正交节面(矛盾符号比定义为ψ=矛盾符号数/符号总数,0≤ψ≤1)。

震源机制反演得到一组正交节面,其中一个为断层面,另一个为辅助面。但是,对于纯剪切源(双力偶源)来说，这两个面是等价的。所以,仅由单独的P波初动震源机制解无法确定断层面信息,还需要借由其它辅助信息来确定。例如,可以利用由测井资料等得到的地层应力状态来指导断层面的选取；或者在得到大量微地震事件的震源机制解后,将其震源机制球按事件定位坐标画在同一幅图上,相邻微地震事件的裂缝产状应该是比较接近的,从而判断用哪组节面解来表示裂缝的产状。

2 理论模型测试

设定理论模型的观测系统如图3所示,8条测线以井口(坐标(0,0,0))为中心呈放射状排列,相邻测线方位角相差45°;每条线50道接收,道间距为25m,最小偏移距为25m,最大偏移距为1250m。震源位于地下1200m深度处,其坐标为(100m,100m,1200m)。这种检波器放射状布设、震源深度与最大偏移距之比约为1的观测系统设计方案在水力压裂地面微地震监测中被普遍采用[2]。

图3 理论模型观测系统图示

设定两类震源模型:分别沿裂缝的走向方向滑动(滑动角为0)和沿倾向方向滑动(滑动角为90°)的压裂裂缝模型。裂缝方位角的设定原则上是任意的。裂缝的倾角设定参考了Fisher等[14]根据大量实际资料得到的压裂裂缝倾角与地层埋深的统计关系。Fisher等[14]的研究结果表明,在埋深超过1000m时,由于上覆地层压力的影响,压裂裂缝基本表现为高角度裂缝。按照以上原则,设计了2个压裂裂缝模型:模型1,方位角为30°,倾角为70°,滑动角为0；模型2,方位角为30°,倾角为70°,滑动角为90°。

采用Chen[15]提出的基于广义反透射系数的震源模拟方法和图4所示的水平层状速度模型,对两个压裂裂缝模型进行正演模拟,得到的理论微地震记录如图5所示。

图4 水平层状速度模型

从图5理论微地震记录中提取初至P波的初动极性,利用格点搜索算法(搜索步长为1°×1°×1°)进行压裂裂缝模型的参数反演,反演结果与实际模型参数的对比结果如表1所示。图6给出了反演得到的节面解与P波初动极性在震源球上的赤平投影。图6中,蓝色圆圈代表正极性(P波初至运动方向向上),红色圆圈代表负极性(P波初至运动方向向下),两条黑色曲线代表反演得到的两个节面解。

从模型1的反演结果(表1)可以看出,对于沿走向方向滑动开裂类型的压裂裂缝,由于其在实验中的观测系统范围内表现出了明显的“四象限分布”现象,所以使用P波初动极性信息可以很好地反演出该压裂裂缝模型的参数信息——方位角、倾角和滑动角。而对于模型2沿倾向方向滑动开裂类型的压裂裂缝,由于受观测范围的限制,利用P波初动极性信息只能准确确定一个节面的位置,而无法确定另外一个节面的位置,反映在裂缝参数上则表现为可以准确反演压裂裂缝的方位角和倾角,而无法准确反演滑动角。

图7给出的是模型2对应的理论节面解与本次实验中得到的P波初动极性在震源球上的赤平投影,图中蓝色虚线代表了准确反演出所有模型参数所需要的最小额外观测范围。而在实际生产工作中,受采集成本的限制,如此大的观测范围是无法满足的,这也是P波初动极性反演在应用于水力压裂地面微地震监测时的局限性。可是即便如此,可靠的方位角和倾角信息仍然可以对压裂裂缝的解释工作发挥非常大的指导和帮助作用。

图5 压裂裂缝模型1(a)和模型2(b)的正演模拟微地震记录

表1 模型参数及反演结果

模型震源(裂缝)类型模型参数反演结果方位角/(°)倾角/(°)滑动角/(°)方位角/(°)倾角/(°)滑动角/(°)矛盾符号比1走滑30．0070．00028．9071．000．950．04122倾滑30．0070．0090．0030．3070．00121．100．1138

图6 压裂裂缝模型1(a)和模型2(b)模拟数据反演节面解

图7 模型2的理论节面解

3 实际资料应用试验

选取了四川某页岩气压裂井地面微地震监测资料进行本文方法的应用试验。该次监测所采用的观测系统如图8所示。图8中,10条测线以井口(红点)为中心呈放射状排列,相邻测线方位角相差36°；每条线125道接收,道间距为25m,最小偏移距为300m,最大偏移距为3400m。两个射孔段深度分别为3294～3326m和3351～3369m。从监测数据中共检测到1073个微地震事件,图9给出了其水平方向定位结果,可以看到,压裂裂缝网络主要沿北东—南西方向扩展发育。从所有微地震事件中选取116个高信噪比的强微地震事件进行震源机制分析。

图8 实际地面微地震监测观测系统平面示意图解

图9 实际监测资料微地震事件水平方向定位结果 (圆圈大小代表事件能量相对大小)

从选取的强微地震事件中观察到了两类震源机制,分别记为FM1和FM2。图10给出了分属FM1类和FM2类的两个微地震事件的原始记录。利用记录上提取的P波初动极性信息,基于格点尝试法分别求解了两个事件的P波初动震源机制解。反演时使用了图4所示的水平层状速度模型,该速度模型由压裂井的声波测井资料求得,并利用射孔资料进行了校正。反演结果如表2所示。图11 给出了两个事件各自的节面解和P波初动极性在震源球上的赤平投影。

如前所述,仅根据单独微地震事件的P波初动解无法确定压裂裂缝的产状信息,故求取了所有116个强微地震事件的P波初动解,并将反演结果的沙滩球显示与所有微地震事件的水平方向定位结果联合显示(图12)。从图12可以看出,近似北向和北偏东方向的节面普遍存在于各个强微地震事件的P波初动节面解中。所以,按照相邻压裂裂缝的产状相近的原则,可以选取表2中“节面1”的角度数据分别作为这两个压裂裂缝的产状信息。这也说明,作为在这次地面微地震监测中观测到的两类主要的裂缝类型,FM1和FM2分别代表了沿近似北向和北偏东方向发育的剪切型裂缝,这一点与通过定位结果得到的压裂裂缝网络的扩展方向相符。另外,裂缝的倾角特点——高角度,也与Fisher等[14]的研究结论一致。

图10 实际地面监测资料中分属FM1类(a)和FM2类(b)微地震事件的原始记录

表2 实际地面微地震监测资料两类震源机制反演结果

震源机制类型节面1节面2方位角/(°)倾角/(°)滑动角/(°)方位角/(°)倾角/(°)滑动角/(°)矛盾符号比FM13．8067．3099．76159．7724．6167．930．1028FM216．9466．90129．72132．2144．9633．710．0788

图11 实际地面微地震监测资料FM1(a)和FM2(b)两类震源机制类型的节面解

图12 实际地面微地震监测资料震源机制反演结果与所有微地震事件的水平方向定位结果(红点)联合显示

4 结束语

我们介绍了P波初动震源机制解用于水力压裂裂缝参数反演的方法原理,并使用典型水力压裂裂缝模型的正演模拟记录对方法进行了测试。测试结果表明,通过P波初动解能够得到压裂裂缝方位角和倾角的准确信息,而对滑动角的反演精度则会受到观测系统的制约。最后将该方法应用于四川某页岩气压裂井的地面微地震监测数据,得到了合理的单裂缝解释结果。

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(编辑：顾石庆)

Application of P-wave first-motion focal mechanism solutions in microseismic monitoring for hydraulic fracturing

Yang Xinchao1,Zhu Haibo1,Cui Shuguo1,Wang Yu1,Pang Rui1,Li Huachang2

(1.SinopecGeophysicalResearchInstitute,Nanjing211103,China;2.SinopecSouthwestOilCompany,Chengdu610094,China)

Microseismic monitoring technology is very important for hydraulic fracturing monitoring and hydraulic fracturing response evaluation.P-wave first-motion focal mechanism solution is an efficient tool for focal parameters study.P-wave first-motion focal mechanism solutions for hydraulic fracture are derived with grid search method.The fracture azimuthal parameters that are strike angle,dip angle and slip angle are calculated to serve the hydraulic fracture interpretation and hydraulic fracturing response evaluation.After a brief introduction to the principles of hydraulic fracturing parameters inversion based on P-wave first-motion polarity information,the reliability of the method is demonstrated by numerical simulation data of hydraulic fracturing models.The method is applied on surface microseismic data acquired during the hydraulic fracturing of some shale gas reservoir in Sichuan province,and reasonable hydraulic fracture interpretation result is achieved based on the P-wave first-motion solutions.

hydraulic fracturing,microseismic monitor,focal mechanism,P-wave first-motion polarity

2014-05-09;改回日期：2014-12-26。

杨心超(1986—),男,助理工程师,主要从事水力压裂微地震监测相关技术研究。

P631

A

1000-1441(2015)01-0043-08

10.3969/j.issn.1000-1441.2015.01.006