基于全波形匹配的微地震震源机制反演及其应用

摘要

致密气、煤层气和页岩气等非常规油气资源在日益增长的低碳燃料供应方面起着越来越重要的作用。这主要得益于水平井钻井和水力压裂技术在低渗透性储层中的发展应用。水力压裂诱发的微地震能够帮助我们了解水压致裂的裂缝几何分布状况，估计经过压裂改造的岩石的体积。通过对非常规油气开采中诱发的微地震进行定位和震源机制研究，我们不仅能够刻画水压致裂的破裂过程，而且可以对钻井孔周边区域的断裂分布情况进行描述，这为我们构建断裂储层模型提供了非常重要的先验信息和约束。
　　目前，人们常用P波初动极性法、振幅比法和波形矩张量反演方法进行地震的震源机制研究工作。由于微地震震级小，破裂释放的能量有限，仅有少数台站能够记录到震动信息，利用常规的P波初动极性和振幅比方法不能准确得到微小事件的震源机制解。所以本文使用了矩张量反演方法，其主要基于全波形匹配的思想，利用理论地震图和实际地震记录的最佳匹配拟合反演来确定震源机制解。全波形匹配方法的目标函数中不仅包含波形的振幅和相位信息，而且加入了P波初动和纵横波振幅比信息，既充分利用了波形信息，也可以对反演加以约束，避免仅靠部分波形数据反演导致的不确定性。
　　首先，为了验证波形匹配方法的稳健性，我们使用不同地区的速度模型和震源参数进行了合成数据测试。两类模型测试结果都表明此波形匹配方法稳定可靠，可用于解决微地震的震源参数确定问题。然后，我们将波形匹配方法应用于美国犹他州中西部的Cove Fort-Sulphurdale地热资源富集区。震源机制反演结果显示，所选取地震的断层面解的走向大部分趋于南北向，与区域应力图显示的最大水平主应力优势取向—南北方向，具有较好的一致性。前人研究结果表明该地区处于近东西向的拉张应力作用下，南北方向应该是主压应力的优势取向，与基于震源机制的应力分析得到结果比较一致，符合目前人们对该地区的构造认知。为了更清楚地了解Cove Fort-Sulphurdale地热区的断裂构造特征，我们也对该区域进行了各向异性研究。横波分裂分析结果说明各向异性主要存在于浅部区域;各台站快波的极化方向指向南北向，说明如果各向异性主要是由该地区的断裂构造引起，那么该地区的主要断层或裂缝的方向应该是南北向。
　　最后，鉴于文章讨论的震源机制反演主要是基于双力偶点源假设，它虽然简化了问题，减小了介质各向异性等不均匀性存在时反演的不确定性。然而，它得到的解并不完整，不包含体积变化和补偿线性向量偶极(CLVD)成分。对非双力偶成分的认知，特别是体变成分，对理解破裂过程、评价压裂工作效率非常重要。为此，我们将断层面解反演拓展为基于波形匹配的全矩张量反演，以确保震源机制反演结果的准确性。考虑到精度和准确性，矩张量参数的搜索间隔较小，网格搜索效率较低。为此，我们使用差分进化算法进行改进，加速反演过程。合成数据测试结果表明，与断层面反演相比，经过DE改进的矩张量反演也能够准确得到震源机制解信息，计算效率与网格搜索相比提高了几十倍。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 研究现状

1．3 文章的结构安排

第2章 基于全波形匹配的震源机制解反演方法

2．1 地震矩张量

2．2 全波形反演方法

第3章 合成数据测试

3．1 地面观测系统合成数据测试

3．2 井下观测系统合成数据测试

第4章 犹他州Cove Fort-Sulphurdale地热田实际应用

4．1 Cove Fort-Sulphurdal地热区地质背景

4．2 使用的数据和反演方法

4．3 震源机制反演结果

4．3．1 微地震震源机制

4．3．2 基于震源机制解的应力分析

4．4 各向异性结果

4．4．1 处理方法—CDP法

4．4．2 实际应用与结果分析

4．5 结果讨论

第5章 差分进化算法改良的全波形匹配方法

5．1 基于全波形匹配的矩张量反演

5．2 差分进化算法(Differential Evolution，DE)

5．3 DE方法测试结果

第6章 结论和展望

参考文献

致谢