煤层气压裂微震监测数据高级属性解释技术研究

王秀荣， 赵争光， 张燕生， 陆金波， 马彦良， 左卫华

(1.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039； 2.华北科技学院，河北三河 065201；3.中煤地质集团有限公司，北京 100040； 4.中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

随着北美页岩油气、致密油气等非常规油气资源的规模开发，微地震监测技术得到了迅速发展[1-4]。通过微地震监测技术来求取裂缝的空间展布特征、提取岩石力学参数，为进一步储层改造、开发及井位部署提供技术支撑[5-7]。

微震监测技术自诞生以来一直不断发展。微地震监测一般情况下分两部分进行，首先进行的是压裂过程中的实时监测，其次是压裂之后的室内精细数据处理[8-9]。前者的成果主要用于实时调整压裂施工参数(如排量、压力、暂堵等)以及避免断层活化[10]；而后者的研究内容更为丰富，并且包含了对实时监测成果的修改和更正[11]。在国内的微震监测实践中，微地震监测的实时效果被过分强调了，通过实时监测，是可以获得微震事件的时空分布，但仅仅分析单个事件的空间(xyz)、时间(t)、震级(m)等属性不足以精确分析压裂的破裂和形变过程[12]。例如，传统的微震事件点密度图，粗略地将密度高的区域等同于改造效果充分(裂缝多)区域，但是由于每个微震事件的震源参数(矩震级、地震矩、应力降)不同，当震源参数差异较大时，仅仅使用密度图衡量改造效果可能与实际情况相去甚远。通过压裂之后的精细数据处理，才有可能推测出微地震事件的时空分布与压裂裂缝之间的相互关系，从而较为精确地刻画压裂效果[13-14]。

为进一步探索微震监测技术在煤层气压裂中的应用，提高监测精度，以淮南潘谢区块PX2-1井煤层气压裂地面微震监测数据为研究对象，在微震数据基础处理上，对微震数据进行了高级属性解释技术研究。借助三维高密度矩阵式观测系统采集数据的高覆盖次数、宽方位角以及大偏移距的优点，利用P波初动信息进行震源机制反演、地应力反演，研究了基于震源机制的水力裂缝建模技术，裂缝渗透率反演技术，对压裂诱发裂缝进行了更精细的刻画，为提高开采效果、指导煤层气压裂工程施工提供技术支持与服务。

1 高级属性解释基本原理

煤层气压裂微震监测数据高级属性解释技术研究的目的是对煤层气压裂诱发水力裂缝进行精细刻画，构建水力裂缝网络模型，计算水力裂缝渗透率，从而评估压裂效果[15-17]。其中震源机制反演、地应力反演是微震数据高级属性解释的基础[18]。震源机制反演结果能够提供水力裂缝的两组可能的断层面，还可提供水力裂缝的走向、倾角、滑移角，结合震源参数计算获得的震源半径，可定量描述水力裂缝的走向、倾角、破裂长度等[19-20]。地应力反演，可获得各压裂段局部地应力场(最大、最小水平主应力、垂向应力相对大小及其方位、倾角)分布特征，消除震源机制解的多解性，从剪切裂缝的两组走向和倾角信息中获得最优的一组裂缝面走向和倾角，供后续的水力裂缝网络的建模使用[21-22]。

1.1 P波初动震源机制反演

震源机制指地震发生的物理过程或震源物理过程，研究内容包括，确定地震断层面的方位和岩体的错动方向。震源机制解是用地球物理方法判别断层类型和震源发震机制的一种方法，它可以通过多个地震台站记录的数据求取。本次研究的数据采用三维高密度矩阵式观测系统采集，具有高覆盖次数、宽方位角以及大偏移距等特点，利用P波信息就可以得到稳定的震源机制解，且P波初动极性的物理图像明确，是稳定的地震波信息，因此采用P波初动震源机制解求解方法[23-25]。

当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，其在震源球上的投影具有四象限分布的现象(图1)。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)[26-27]。这里需要说明的是，上述震源机制反演结果包含2组可能的走向和倾角，具体是哪一组，需要开展地应力反演获得最优的一组走向和倾角，作为该震源机制最优解或该裂缝最可能的走向和倾角。

图1 基于微震事件P波初动极性震源机制反演原理

1.2 地应力反演

本次研究采用断层不稳定系数来确定真实的裂缝面，并根据真实的断面解采用迭代方法对应力场参数进行反演[28]，并唯一确定一组最优的断层/裂缝面走向和倾角，消除震源机制的多解性。如图2所示，可以把任意节面解投影到归一化后的莫尔圆里，并在投影点做一条平行于破裂准则线的直线，归一化最大正应力所处位置到该线的垂直距离即为该节面解的断层不稳定系数I。不稳定系数越大，裂缝面越不稳定，越容易发生滑移，因此，在计算中可以把不稳定系数较大节面作为真实的裂缝面。

图2 断层不稳定系数示意图[28]

应力场的反演主要基于Wallace-Bott假设，即断层面的滑移方向与沿断层面上最大剪切应力方向平行。根据这一假设，裂缝的滑移向量s与归一化的应力向量t=[τ11τ12τ13τ22τ23]T之间的关系可用公式(1)表示为

A·t=s

(1)

其中A为3×5的矩阵，如公式(2)，可以由断层面的法向量n计算得来。

(2)

基于多个复合震源机制解，可以通过最小二乘反演的方法得到应力矩张量，并通过特征值分解的方法进一步计算得到三个主应力的方位和倾角。

2 属性解释关键技术

微震数据高级属性解释技术研究是对压裂诱发裂缝进行精细刻画，主要就是构建水力裂缝网络模型，计算水力裂缝渗透率。

2.1 基于震源机制的微震事件离散裂缝网络建模

当微震事件震源机制已知，每个微震事件位置的裂缝的产状即被确定：

①水力裂缝位置由微震事件位置确定，微震事件坐标是水力裂缝尖端位置。

②水力裂缝长度由震源半径确定，高度根据地应力反演结果中的三向应力相对大小确定，宽度可由震源机制矩张量间接计算。

③水力裂缝的走向和倾角由地应力反演给出的最优的一组破裂(断层)面的走向和倾角确定。

通过上述方法，可建立基于微震事件的离散裂缝网络。输入数据包括：

①震源机制反演结果，包括：微震事件的空间位置(x,y,z)、发震时间(t)、震源参数中的震源半径(source radius)以及震源机制反演获得的裂缝走向(strike)和倾角(dip)信息。

②地应力反演结果：包括最优的一组破裂(断层)面的走向和倾角，应力张量Stress Tensor，算法会根据应力张量自动计算水力裂缝宽度。

③其他的输入参数：包括储层的弹性模量、泊松比、S波速度、震相以及该震相的拐角频率。

该方法的优点是可用来计算水力裂缝渗透率，缺点是裂缝尺寸仅是震源半径确定的破裂面积，而不是地下真正裂缝的长度，同时该方法也没有考虑水力裂缝之间的连通性。

2.2 基于震源机制的连续水力裂缝建模

为了改进离散水力裂缝网络建模方法，既考虑水力裂缝连通性，同时也考虑提高较小尺寸水力裂缝在网络中的分布，研发了基于震源机制的连续裂缝网络建模方法。该方法根据微震事件的时间顺序和空间分布，利用微震事件的时空分布和震源机制信息确定连接准则：微震事件的震源机制(包含走向、倾角和滑移角)可以反映裂缝扩展方向，反映事件以何种路径和角度扩展或连接至先存裂缝。利用该连接准则，连接各微震事件点，从而形成水力裂缝网络(图3)。

图3 连续裂缝网络建模算法流程

对于给定的已经包含震源空间坐标、发震时刻以及震源机制信息的微震事件点集P(x,y,z,t,mw, strike, dip, rake)，基于微震事件时间-空间分布的水力裂缝网络建模由以下步骤组成:

①按时间t顺序排列微震事件P(x,y,z,t)。

②定义网络N的源(种子)点。当M包含射孔、压裂段、射孔簇信息时，应用它来定义种子点。至种子点的距离可定义为0。

③定义连接微震事件P(x,y,z,t,mw)和裂缝网络N之间的连接准则d(P,N)。事件-网络连接准则为t时刻微震事件以震源机制解中的走向、倾角与网络进行连接。

④根据连接准则d(P,N)，确定M中第i个微震事件P(x,y,z,ti) 至网络N的连接点c。

⑤生成c和P之间的路径。

⑥从M中移除P, 将P加入网络集N, 定义P点在ti时刻的网络。

⑦增量从i至i+1，重复④—⑥步骤，直到M中没有P。

重复上述步骤，遍历所有微震事件点，最终形成复杂的水力裂缝网络。

2.3 水力裂缝渗透率反演

水力裂缝渗透率反演是基于离散裂缝网络模型进行，可以用来精确计算裂缝渗透率，按照在每个单元格中的裂缝模型数量，根据裂缝方向和大小计算出来(图4)。首先选择使用的离散裂缝网络模型，之后设置反演参数。设置储层网格大小Voxel Size，如5m，那么储层将被切割成N个5m×5m×5m的体积单元，算法将根据每个储层体积单元内离散裂缝网络的数量、方位、倾角、长度、宽度、高度等属性计算出该体积单元内的裂缝渗透率。此渗透率为裂缝网络渗透率，有别于岩石基质渗透率。

裂缝渗透率/MD 裂缝渗透率/MD图4 PX2-1井水力裂缝渗透率三维数据体(左图为透视图，右图为地质蜂窝体形式)

不同颜色小球代表不同压裂段的微震事件；SHmax为最大水平主应力方向：NW74.0°；Shmin为最小水平主应力方向：NE22.9°图5 PX2-1井微震监测数据地应力反演结果

3 工程应用

2020年，淮南矿业集团与中国煤炭地质总局勘查研究总院合作，在淮南潘谢区块PX2-1井实施煤层气压裂地面微震监测工程，采用三维高密度矩阵式地面微震观测系统，连续采集煤层气压裂前、压裂中及压裂后的微震数据。通过对这些微震数据的基础处理，检测并定位了95个微地震事件。在此基础上，对PX2-1井煤层气压裂微震监测数据进行了震源机制反演、地应力反演，获得了主应力方位、相对大小等信息(图5)。在此基础上建立了PX2-1井的离散水力裂缝网络并计算了该井压后各段水力裂缝渗透率的分布。由于各压裂段微震事件数量差异较大，离散裂缝网络差异较大，各段压后水力裂缝渗透率差异也较大。高渗区出现在水力压裂前三段，最大水力裂缝渗透率(Kmax=6.95 mD)出现在第一段近井筒区域，从图6中可以看出，水力裂缝最大渗透率区域与井筒直接连通，该改造区域对产能贡献较大。

图6 PX2-1井最大水力裂缝渗透率所处深度(784.54m)的切片 (图中井轨迹与微震事件均投影到该切片上)

4 结论

通过煤层气压裂地面微震监测数据高级属性解释技术的研究，构建了压裂诱发水力裂缝网络模型，计算了水力网络渗透率，精确描述了地下压裂裂缝的三维空间展布，充分挖掘了微震数据集的丰富信息，为准确评价煤层气压裂效果提供了技术支撑。在PX2-1井的应用实践也表明，此项技术在煤层气压裂微震监测领域有着广阔的应用前景。但是该技术仍处于起步阶段，还有好多问题需要研究，如基于震源机制的连续裂缝网络建模技术，使裂缝网络模型更为准确并且更符合实际。但算法还有提升空间，后续需要进行算法优化升级，扩大应用领域，不断提高对压裂裂缝精细刻画的精度，更好地为煤层气开发、煤矿安全服务。