微地震震源破裂特征研究及应用——针对页岩气压裂监测

摘要

近几年，中国南方海相页岩气藏的开采开发得到快速发展，在工程技术方面，页岩气开发从单井钻井和压裂发展为工厂化作业模式，而评价压裂施工效果和开采开发措施的微地震监测技术一直是石油行业讨论的热点。通过微地震监测描述压裂施工过程中的储层响应，分析压裂裂缝走向、趋势而达到评估压裂裂缝SRV体积，实时调整压裂施工方案，规避压裂风险，并指导后期非常规油气藏开采开发的目的。然而，基于国内非常规油气藏地震地质条件，微地震监测技术面临如下技术难点、挑战或需求。
　　(1)四川盆地地质特征极其复杂，相对于北美页岩气，四川盆地志留系龙马溪组页岩埋藏深度变化较大、地表地质条件复杂、开发井网较稀，使得常规的微地震深井监测在某些压裂区域无法实施。为此，发展了多种观测方式的微地震监测技术，包括微地震地面监测、多浅井监测、深井监测、散点监测以及这些监测方式组合的联合监测，以提高微地震监测的适应性和定位精度。然而，不同的监测方式体现出微地震事件不同的波场特征，使得常规微地震监测定位方法无法适应而必须研究多监测方式、多适应性的微地震监测定位算法。
　　(2)震源定位过程往往只能反映裂缝的空间位置关系，而无法刻画裂缝特征，如何有效地刻画裂缝走向、活动规律成为微地震监测更深层次的需求，以便更客观和更具针对性地进行压裂裂缝描述和压裂效果综合评估。例如，压裂激发的裂缝活动是张型破裂还是剪切破裂？裂缝的方位角、倾角和滑动角如何获得？这些都需要对裂缝活动（震源活动）特征进行描述。此外，对于微地震事件的观测系统设计而言，可探测距离的评估是微地震监测的重要环节。例如，对比四川盆地的页岩气和西北的长庆区域致密油气微地震监测案例，我们明显发现，对于四川盆地页岩气的深井监测，能够接收到1.5公里以外的微地震事件;而在长庆致密油气区域的微地震深井监测，若监测距离超过300-600米则往往难以接收到可靠的微地震事件。造成这种影响是地层衰减、储层的岩石物理特征还是裂缝破裂特征？如何基于震源/裂缝特征及地层传播特征进行微地震观测系统的设计和优化是微地震监测设计阶段的重点和难点。
　　(3)四川盆地志留系龙马溪组页岩天然裂缝极其发育，在微地震监测中，部分微地震事件是天然裂缝活动激发，部分微地震事件是压裂裂缝活动所致。天然裂缝在页岩气开发及工程作业中具有重要影响。一方面天然裂缝的存在增加了储层的连通性和渗流特征，提高油气产量和开采开发的时效性;另一方面，天然裂缝的活动可能导致钻井和压裂过程中出现风险，例如引发小型地震、导致压裂液的漏失、井轨迹变形等。因此，如何通过微地震监测技术识别天然裂缝和压裂裂缝从而达到工程预警的目的是微地震监测在实时处理中的一项关键任务。
　　本文在基于天然地震理论基础上，结合生产实际，开展了水力压裂诱发微地震弹性波的震源破裂特征研究。为了将震源破裂特征理论更好地应用于微地震监测采集设计、处理和压裂裂缝解释，本文基于射线追踪理论并分析微地震弹性波在地下介质中的传播特征，提出了微地震震源破裂特征的微地震弹性波运动学和动力学理论模型，该理论模型结合射线追踪算法和微地震弹性波衰减特征为微地震监测观测系统设计、震源定位、震源机制反演和压裂裂缝描述技术的提出奠定了的理论基础，并在国内非常规油气藏（页岩气为主）的压裂监测中得到广泛的推广运用，具体阐述如下。
　　(1)微地震事件因震源破裂尺度较小而使得微地震事件频率较高、振幅较弱，而在传播过程中的非弹性衰减使得其振幅和频率更低。对于不同的压裂区域和不同的监测方式，如何评估能探测到微地震事件的可靠性是微地震监测观测系统设计的重点和难点。本文基于微地震弹性波的震源破裂特征、地层传播规律等信息，提出了基于微震特性的相对震级计算技术以评估不同工区微地震监测的可探测距离进而优化观测方式和观测参数。
　　(2)本文基于国内微地震监测工程服务中出现的四种观测方式（地面、浅井、深井、散点）的波场特征，分别提出了基于微地震弹性波运动学和动力学特征的震源反演方法，并通过不同观测方式的震源定位精度分析，形成了不同观测方式下的高精度定位技术。针对四种观测方式的定位技术在实际资料应用中的相互印证并体现出极好的吻合度。
　　(3)本文分别开展了基于振幅、极性和波形特征的微地震震源机制反演技术研究。在基于天然地震震源机制反演的理论基础上，结合微地震弹性波的特征和微地震震源破裂的普遍规律，研究并实施了基于全波形特征的微地震震源机制反演技术，提出了基于双力偶模型的震源机制反演方法。通过理论模型测试和实际资料验证，该方法具有较好的抗噪性和稳定性，能较为可靠地描述压裂裂缝活动特征，其快速的反演亦让微地震震源机制实时反演得以有效实施。
　　(4)在基于震源破裂特征的基础上，本文提出了基于震源破裂特征的天然裂缝和压裂裂缝识别技术。该技术基于微地震震源破裂机理的基础上，利用微地震弹性波的振幅、频率、相对震级的动力学和时空关系的运动学特征，提出天然裂缝和压裂裂缝识别技术，结合天然地震中的b值，开展压裂裂缝和天然裂缝的识别技术研究，通过实际资料的大量应用，该方法具有极强的适应性。
　　本文的研究成果在四川威远-长宁页岩气开发区域得到广泛的应用，通过震源定位、震源机制反演和微地震弹性波动力学、运动学特征构建的微地震震源破裂模型，极大地指导了压裂微地震监测施工设计和压裂效果实时评估，并为后期非常规油气藏的开采开发、井网布设提供了更为全面的指导。

目录

声明

摘要

1．1 选题依据及意义

1．1．1 低渗透油气藏勘探开发的需要

1．1．2 压裂效果可靠评估需要高精度微地震监测定位技术

1．1．3 压裂裂缝精细描述需要震源机制反演技术

1．2 国内外技术现状分析

1．2．1 微地震监测定位技术研究现状

1．2．2 微地震监测震源机制反演技术研究现状

1．2．3 微地震监测观测系统设计技术研究现状

1．2．4 微地震震源裂缝描述技术研究现状

1．3 国内微地震监测方式概述

1．3．1 微地震地面监测

1．3．2 微地震浅井监测

1．3．3 微地震深井监测

1．3．4 微地震联合监测

1．4 主要研究内容及技术创新点

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术创新点

1．4．3 主要技术路线

第2章 微地震震源破裂理论

2．1 微地震震源机制理论

2．1．1 矩张量的数学原理

2．1．2 矩张量的物理模型

2．1．3 震源的三种基本模式

2．1．4 地应力及断层的关系

2．1．5 基于断层信息的震源活动描述

2．2 微地震震源破裂特征

2．2．1 实验室条件下震源破裂特征

2．2．2 水力压裂条件下微地震震源破裂力学机理

2．2．3 微地震震源破裂时间函数

2．2．4 震源破裂尺度与微地震弹性波的动力学特征

2．3 微地震弹性波在地下介质中的传播理论

2．3．1 射线追踪理论

2．3．2 微地震弹性波在地下介质中的传播理论

2．4 小结

第3章 基于震源破裂特征的观测系统设计及优化

3．1 基于震源破裂特征的相对震级技术原理

3．2 实际资料分析

3．2．1 基于震源破裂特性的并中监测观测系统设计及优化

3．2．2 基于震源破裂特性的地面监测观测系统设计及优化

3．3 小结

第4章 微地震震源定位技术研究

4．1 微地震监测震源定位理论基础

4．2 基于微地震弹性波运动学特征的震源定位算法

4．2．1 同型波时差定位法

4．2．2 纵横波时差定位法

4．2．3 纵横波／同型波时差综合定位法

4．3 基于微地震弹性波动力学特征的震源定位算法

4．4 基于微地震弹性波运动学特征的定位精度测试

4．4．1 微地震地面排列监测震源定位精度测试

4．4．2 微地震地面散点监测震源定位精度测试

4．4．3 微地震浅井监测震源定位精度测试

4．4．4 微地震深井监测震源定位精度分析

4．5 基于微地震弹性波动力学特征的定位精度测试

4．5．1 微地震地面排列监测震源定位精度测试

4．5．2 微地震地面散点监测震源定位精度测试

4．5．3 微地震浅井监测震源定位精度测试

4．6 实际资料应用

4．7 微地震监测定位精度影响因素分析

4．7．1 初至对定位精度的影响

4．7．2 速度模型对定位精度的影响

4．7．3 基于射孔反演的速度模型的多段压裂的震源定位

4．7．4 定位算子对定位精度的影响

4．7．5 总体误差

4．8 小结

第5章 微地震震源机制反演技术研究

5．1 震源机制反演基础理论

5．1．1 震源机制的描述

5．1．2 天然地震震源机制反演方法概述

5．1．3 微地震震源机制反演面临的难题

5．1．4 矩张量的反演

5．2 基于双力偶模型的微地震震源机制反演技术研究

5．2．1 基于能量特征的双力偶模型震源机制反演方法

5．2．2 基于初至极性特征的双力偶模型震源机制反演

5．3 矩张量的震源机制反演

5．3．1 基于全波形特征的微地震震源矩张量反演算法

5．3．2 基于全波形特征的微地震震源矩张量反演精度测试

5．4 实际资料应用

5．4．1 双力偶模型的震源机制反演方法在地面排列监测中的应用

5．4．2 矩张量反演方法在微地震地面散点监测中的应用

5．5 小结

第6章 基于震源破裂特征的压裂裂缝描述技术

6．1 非常规油气藏裂缝描述技术现状

6．2 压裂裂缝描述技术理论基础

6．2．1 相对震级

6．2．2 震源机制

6．2．3 b值划分裂缝类型的理论基础

6．3 实际资料分析

6．3．1 微地震深井监测在天然断层识别中的应用

6．3．2 微地震地面监测在天然断层识别中的应用

6．4 小结

7．1 结论

7．2 建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的主要成果