微地震监测技术在地下储气库中的应用

2018-09-17魏路路李晓峰

天然气工业 2018年8期

魏路路井岗徐刚王飞李晓峰刘博

1.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 2.中国石油西气东输管道公司

0 引言

为了保证储气库在建设和运行过程中的完整性与安全性，必须建立完善的监测系统。在国外，一些学者已经对储气库微地震监测技术进行大量理论研究和实际应用。1992年开始，法国马诺斯克盐穴储气库建立了微地震监测系统[1]，至2013年的21年时间里定位到10 000多个诱发微震事件（震级介于－1.0～0.3），这些事件中大约有90%都与溶腔有关。除了诱发微地震活动，还监测到大约1 000个与盐体动力现象有关的事件（震级最高达到3.5级）被定位在底辟构造附近。2007年Mercerat等[2]在盐腔内进行可控瞬态压力试验，通过追踪诱发微地震事件分析岩石超压的力学响应，更好地了解岩体内部的损伤过程。2010年荷兰Bergermeer储气库利用微地震监测技术监测储气库运行期间地下活动[3]，从监测开始至2013年1月，两年半的时间里共定位震级介于－2.0～－3.0级的微地震事件220个，通过微震监测证实了天然气注入对中间断层的稳定效应，并且发现了一个现有三维地震资料无法识别的气流挡板和小断层，最终根据微地震结果调整注采方案。2011年Eisner等[4]对储气库微地震监测观测系统设计进行研究，比较了井下和地面监测阵列的定位精度，并综合这些数据确定最优的监测阵列。2014年Simone等[5]对距离西班牙地中海海岸几十千米接近埃布罗河三角洲区域发生一系列地震活动进行研究，应用全波形技术反演震源位置、震源深度和震源机制，通过震源机制分析得到诱发地震由附近枯竭油气藏储气库注气活动引起。

近年来，我国在吸收国外成熟技术经验的基础上，持续加大储气库建设力度。但是，国内建库条件复杂，受注采交变应力影响，以及监测手段单一、监测体系不完备，可能导致圈闭完整性失效和天然气漏失，必须建立完善的监测体系[6-7]。微地震监测技术具有覆盖范围大、测量速度快、噪音过滤能力强、定位准确、现场应用方便等特点，可作为常规监测手段的有效补充，实现对断裂密封性和流体运移实时监测，可为储气库安全预警和优化运行提供科学依据。虽然国内微地震监测技术已趋于成熟，应用范围也越来越广，但是少有储气库微地震监测这方面的研究与应用。以中国东部某盐穴储气库为依托，研究微地震监测技术在储气库建设运行中的作用，利用微地震事件定位结果对造腔井腔体形态进行刻画，并对注采井进行安全性评价。

1 技术原理

1.1 纵横波时差定位算法

微地震反演定位方法是微地震监测技术的核心问题[8-11]。在众多的定位方法中，基于走时的同型波或纵横波时差定位算法是微地震反演中经典的算法。当微地震记录信噪比较高，同时存在足够纵横波信号时，可采用纵横波时差定位算法对微地震事件进行反演定位。

设第k个事件震源位置坐标为Qk（xqk，yqk，zqk），第i个检波器坐标为Pi（xpi，ypi，zpi），则震源与观测点之间的距离为：

式中dki表示震源与第i个检波器之间的距离，m；xqk，yqk，zqk分别表示第k个事件震源位置在三维空间x、y、z轴上的坐标，m；xpi、ypi、zpi分别表示第i个检波器在三维空间x、y、z轴上的坐标，m。

已知纵横波传播速度vp、vs，则Pi点记录到微地震信号纵横波走时时差∆Tki可用公式（2）表示，即：

则

式中∆Tki表示Pi点记录到的震源坐标为Qk（xqk，yqk，zqk）微地震信号纵横波走时差，s；vp、vs分别表示纵、横波速度，m/s。

当接收信号的检波器个数大于3个，则可通过求解上式，得到微地震震源坐标。

1.2 b值分析法

b值估计来源于经典地震学。该方法的基础来源于任何一个地震序列的事件发生频率和它们的震级都不是完全杂乱无章、无迹可寻的[12]。与之相反，它们遵循着一个幂定律关系。任何一个地震序列的频率—震级关系可以用公式（4）表示[13]，即：

式中N表示大于震级M的事件数，个；M表示地震震级，M（里氏级）；b值是lg（N）与M交会图的线性拟合斜率，无因次。

2005年Danijel等[14]指出b值受断层/裂缝机制影响。Williams等[15-17]研究结果认为，当b值小于1时，垂直应力是最小的，岩石处于压缩状态，破裂机制为逆断层；b值为1时，垂直应力处于中间大小，破裂机制为走滑断层；b值大于1时，岩石处于向外拉伸状态，对应正断层破裂机制。

2 盐穴储气库微地震监测应用实例

2.1 微地震监测概况

本文研究的盐穴储气库坐落在中国东部，岩盐矿床平面形态呈肾状分布，岩盐层埋深介于800～1 200 m，厚度介于67.85～232.29 m，分布较平缓，略有起伏，在平面和纵向上分布都比较稳定；上覆盖层岩性为泥岩，岩性纯、厚度大（图1）。盐穴储气库腔体采用单井—单腔建库方式，腔体形状并不规则，可近似认为是半径40 m、高80 m的圆柱体。

本次研究微地震监测技术在储气库中的作用包括以下方面：①利用微地震监测技术监测储气库在造腔和注气过程中地下岩层的活动情况，并根据微地震定位结果对造腔井腔体形态进行初步刻画；②监测造腔过程中是否存在较大垮塌对腔体内井下工具造成伤害；③监测注气过程中是否诱发微地震事件，并对监测范围内储气库注气施工进行安全性评价。由于岩盐层上部（埋深500 m左右）较厚的玄武岩（图1）对地震波信号存在屏蔽干扰，所以本次监测采用井中微地震监测方式。在监测井中放入12个三分量检波器（图2），埋置深度为870～980 m，级间距为10 m。图2中所有井的井型为直井，监测井井口距离注采井和造腔井井口介于277～969 m，监测日期从2016年12月8日—31日共23 d。

2.2 微地震监测结果

在微地震监测过程中，共监测到500多个有效微地震事件，其中在造腔井中监测到少量微地震信号，在距离监测井较近的注气井中并未监测到微地震事件（图3）。大量事件集中出现在距离监测井较远的几口注气井附近，此处共监测到473个微地震事件，这些微地震信号在某一时间集中发生。从图3、4可以看出该区域微地震事件面状分布特性十分明显，震级范围介于－2.500～－0.353。根据微地震裂缝方位特性，将该区域事件分为两个区域，区域1为呈近东西向分布的微地震事件，共387个，震级范围介于－2.500～－0.585；区域2为近西北—东南向微地震事件，共86个，震级范围介于－2.210～－0.353。

图1 中国东部某盐穴储气库地质剖面图

图2 监测井、造腔井及注气井井位关系图

图3 微地震事件定位结果俯视图

图4 区域1、区域2微地震事件三维显示图

在造腔井中也监测到少量微地震事件（图5），其中造腔井1共监测到16个微地震信号，震级范围介于－2.63～－2.10，微地震事件距离造腔井井轨迹最远水平距离为40 m；造腔井2共监测到16个微地震信号，震级范围介于－2.48～－2.26，微地震事件距离造腔井井轨迹最远水平距离为28 m。表明发生在造腔井附近的微地震事件与腔体表面岩盐破裂或垮塌有关，微地震事件定位位置可指示腔体边缘位置，通过计算微地震事件空间位置包络可以初步刻画腔体形态（图6）。图6刻画的腔体形态并不规则，可近似认为是一个圆柱体，腔体刻画的精度取决于微地震事件定位精度，由于本次采用井中单井监测且采用水平层状速度模型，可能导致腔体的初步刻画存在较大误差。

图5 造腔井1、造腔井2微地震事件定位结果三维显示图

2.3 综合分析解释

在所有监测到的微地震事件中，造腔井附近微地震事件的形成原因较好解释，认为其产生与造腔活动有关。但是，在注采井附近监测到的大量成面状分布的微地震事件群，其产生原因和对储气库造成的影响需要进一步分析确认。

2.3.1b值分析

b值大小可以定性描述微地震事件活动是否与断层活动有关，并对岩石破裂时破裂机制和应力状态进行描述。对区域1、区域2中的微地震事件进行b值分析（图7），结果表明，区域1、区域2微地震事件b值大小分别为1.2、1.1。根据研究，b值为1左右与相关断层活动有关，并且b值大于1对应正断层向外扩展的应力状态。

2.3.2 微地震、地震结合分析

将微地震数据与地震数据进行结合分析，可以得到更多的结论与认识。建库前期已对该区域进行过高分辨率三维地震勘探工作，可将定位微地震事件与三维地震剖面结合分析。图8为该区域某一测线叠加剖面图，红色圈定区域对应面状分布的微地震事件位置。从图8中可看出盐岩层同向轴不连续，存在小的断层或裂缝，判断区域1、区域2中成面状集中发生的微地震事件可能与此有关。

前期地震勘探工作中，已对该区域断层进行了精细刻画，该区域存在一些断层，将区域1、区域2微地震事件位置投影到断层图中，发现在集中出现的微地震事件与断层解释吻合较好。将微地震事件位置附近放大显示，区域1与区域2分别对应近东西向和西北—东南向断层（图9）。其中区域1微地震事件与断层位置存在较小差异，可能是三维地震勘探精度误差导致，区域2中有部分微地震事件位置附近并未发现断层，推断可能是断层较小，三维地震勘探精度无法识别。

图7 微地震事件b值分析图

图8 区域1、区域2微地震事件位置处对应的三维地震剖面图

2.3.3 微地震与注气参数结合分析

图9 断层解释与微地震结合分析图

图10 微地震事件与注气井井口压力关系图

通过b值计算和微地震、地震资料结合分析，初步认为区域1、区域2呈面状分布的微地震事件产生与断层活动有关。为了研究断层活动是否由注气施工诱发及两者之间对应关系，将微地震事件产生规律与断层附近注气井施工参数进行分析（图10）。从图10中可以发现区域1、区域2的微地震事件产生过程存与天然气注入具有较强的相关性。在注气初期，并未监测到微地震事件，随着注气井压力上升，当井口压力达到一定值时开始并大量出现微地震信号，初步认为断层活动由注气施工诱发。因此，在今后的注采气过程中，应对该区域进行重点监测和研究，在进一步实验分析取得有效结论前，为了保证储气库的安全运行，建议施工过程中，将注采井1、2的井口压力保持在低于15.8 MPa，注采井3的井口压力保持在低于15.4 MPa。