水力压裂微地震实验研究

微地震震源机制解包含储层及裂缝特征信息,对于地质力学建模和水力压裂储层评价都有十分重要意义.然而,目前微地震震源机制类型仍存在争议,该方面的基础实验仍需要进一步的研究.本文针对花岗岩和页岩两类岩石,开展了水力压裂微地震实验研究.在实验进行前,分析了实验条件和数据采集方式.根据实验室测定的岩石物性参数和各级检波器微震事件的P波初动信息等,利用射线追踪进行微震事件的反演定位.定位的结果同岩石CT扫描观测到的裂缝有较高吻合度.利用微震事件在各级检波器处的P波初动极性及检波器在岩石表面的位置信息,进行微地震事件的震源机制反演,得出了水力压裂实验下微地震震源机制以剪切型占优的结论.结合微地震事件定位结果,震源机制反演结果和岩石CT扫描裂缝结果等,进行对比和分析,得出了一些新的结论和认识,为今后的实际微地震监测裂缝解释提供指导意见.     

微地震震源机制研究进展

非常规油气开采中实施的储层改造,通常是利用水力压裂技术向储层注入高压流体,改变储层原有的孔缝连通结构,实现油气开采.水力压裂会改变储层应力并使岩石破裂,从而产生微地震事件.微地震研究的重要内容之一是其震源破裂的机制.通过对微地震震源机制的研究,可揭示微地震的产生机理和地下储层的应力变化规律,有效地优化水力压裂和储层改造设计以提高采收率.文章主要回顾了近年来非常规油气水力压裂微地震震源机制的研究进展,在阐述其原理和方法的同时,总结了震源模型、合成记录正演方法和震源机制反演算法等三方面的研究成果,并结合目前微地震震源机制研究中存在的问题对下一步的研究思路和方向进行了分析和展望.     

微地震方法的裂缝监测与储层评价

在油田水力压裂微地震事件定位结果的基础上,结合有效微地震事件的时空分布、震级大小、地震矩、震源半径、应力降和b值等地震学参数进行综合研究,并结合研究区域的地质背景和测井资料对水力压裂诱发的裂缝网络进行几何形态分析和应力解释.本文提出的微地震综合分析解释方法可对压裂后储层物性进行综合评价,有利于对储层改造效果进行预测,对油田的水力压裂施工具有指导意义.     

基于THMD耦合的干热岩径向井压裂裂缝扩展

构建大规模裂缝网络是干热岩有效开发的关键.借助径向井在诱导裂缝转向与多缝形成方面的优势，提出采用径向井压裂干热岩储层.基于温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型，考虑压裂过程中低温诱导热应力作用，首先探讨了干热岩径向井压裂裂缝扩展机理及径向井诱导作用下热应力与注入压力对应力场的扰动机制，随后分析了储层温度、径向井方位角对裂缝形态的影响规律.结果表明：采用径向井压裂干热岩在径向井的辅助冷却作用下低温诱导热应力加剧，径向井的存在有利于储层拉应力提升，干热岩径向井压裂与直井压裂相比损伤单元数增幅51.63%.基岩温度升高径向井引导裂缝偏转能力增强.径向井方位角增加有利于压裂损伤区域缝网沟通，降低流体流动阻抗.     

利用全波形匹配方法确定水力压裂诱发地震震源机制

准确确定水力压裂诱发地震的震源机制对于描述裂缝破裂类型以及工区地应力状态十分重要.本文采用全波形匹配的方法确定诱发地震震源机制解,在拟合波形的同时对实际数据P波初动极性和纵横波振幅比也进行匹配,并在此基础上发展了一种基于邻域算法分级优化确定震源机制解的新方法.新方法的优势在于它对解具有更强的约束,并且能够解决现有方法中存在的权值系数选择问题.合成数据测试结果表明新方法能够得到可靠的震源机制解.本文将该方法应用于国内某页岩气田水力压裂诱发地震监测数据,反演结果表明诱发地震的震源类型以走滑破裂为主,表明该地区的最大水平主应力大于垂直主应力.     

利用热-孔隙流体耦合有限元数值模拟研究干热岩开发温度下降过程——以青海共和盆地恰卜恰地区干热岩开发为例

水力压裂是干热岩(HDR)开发最常用到的压裂方式，水力压裂形成的裂缝网络为增强地热系统的运行(EGS)提供了高渗透率的人工储层.本文在系统总结前人关于共和盆地水力压裂实验、数值模拟资料和现场水力压裂监测结果的基础上，引入了离散裂缝网络(DFN),利用多物理场模拟软件COMSOL Multiphysics建立了共和盆地恰卜恰地区干热岩开采过程中的二维裂缝-基质热-孔隙流体耦合模型，并讨论了裂缝开度和基质渗透率对干热岩开采温度下降过程的影响.结果表明，裂缝网络是流体运移的主要通道.温度下降和早期压力变化范围沿着裂缝延伸，并向周围被裂缝分割的基质扩展.裂缝开度和基质渗透率是影响干热岩地热开采过程中温度下降的重要因素.当裂缝开度越大时，流体运移范围就越大，储层温度和产出水温下降就越快，储层下降范围就越广，热突破时间和运行寿命就越短.当基质渗透率越大时，越有利于流体进入基质进行热量交换，越容易从干热岩中提取热量，产出水温下降越快，运行寿命越短.     

水力压裂对速度场及微地震定位的影响

水力压裂是页岩气开发过程中的核心增产技术,微地震则广泛用于压裂分析、水驱前缘监测和储层描述.微地震反演过程中,用于反演的速度模型往往基于测井、地震或标定炮资料构建,忽略了压裂过程中裂缝及孔隙流体压力变化对地层速度的影响.本文首先基于物质守恒、渗流理论和断裂力学模拟三维水力压裂过程,得到地下裂缝发育特征和孔隙压力分布.继而根据Coates-Schoenberg方法和裂缝柔量参数计算裂缝和孔隙压力对速度场的影响,得到压裂过程中的实时速度模型.最后利用三维射线追踪方法正演微地震走时和方位信息,并采用常规微地震定位方法反演震源位置及进行误差分析.数值模拟结果表明,检波器空间分布影响定位精度,常规方法的定位误差随射线路径在压裂带中传播距离增加而变大,且不同压裂阶段的多点反演法与单点极化法精度相当.     

基于波动方程的微地震震源位置、震源时间及VTI介质各向异性参数联合反演

对于非常规油气开发,水力压裂监控的效果取决于对微地震事件的分析、解释。准确的微地震震源位置是关乎施工成败的重要因素。微地震震源位置的准确性与多个参数相关,其不仅依赖于微地震事件的激发时间,同时也依赖于储层介质参数信息,因此进行微地震震源位置、震源时间、储层介质参数的联合反演尤为重要。页岩气储层通常表现出较强的各向异性,VTI介质可对其进行较好的近似描述。基于VTI介质波动方程,本文提出了同时反演微地震震源位置、震源时间以及VTI介质各向异性参数的联合反演方法。数值算例结果表明,该联合反演方法可以通过迭代反演同时得到高精度的微地震震源位置、震源激发时间以及VTI介质各向异性参数信息。     

基于各向异性分析的微地震震源矢量场重建和裂缝解释

针对微地震裂缝解释的复杂性,从震源矢量场的重建开始研究,在研究VTI介质速度模型各向异性条件下的走时和透射系数的变化特征基础上,形成了各向异性条件下的群、相速度及透射系数的计算方法.针对多级检波器水平分量朝向的多向性特点,提出了多级检波器水平分量的偏振分析方法,得到了完整的水平特征矢量,克服了单级检波器水平分量偏振分析构建特征矢量信息不全的问题,形成了高精度微地震事件定位方法,实现各向异性VTI介质速度模型的高斯束微地震格林函数正演模拟.利用格林函数模拟场、观测记录场,从构建完整场研究入手,重建震源矢量场.根据重建的震源矢量场,提出了裂缝解释的全新的系列方法,包括单条裂缝、裂缝网络的解释方法.通过实际资料的测试分析,验证了研究技术的实用性.     

裂缝-孔隙介质储层渗透率表征及其影响因素分析

含裂缝多孔介质渗透率预测是非常规油气资源勘探开发的一个紧迫问题.现有多孔介质岩石物理模型通常利用圆形孔管模拟宏观岩石孔隙空间,难以定量描述软孔隙/裂缝在压力作用下的闭合情况,缺乏裂缝/孔隙间流量交换的连通机制.本文提出含三维裂缝/软孔隙网络多孔介质模型,将储层岩石裂缝/软孔隙表示为椭圆截面微管,建立了周期性压力作用下微观裂缝流量表达式,通过网络模型和流量守恒条件,得到含有三维裂缝/软孔隙网络的多孔介质渗透率计算方法.数值算例表明,预测结果与实验数据分布范围吻合很好,能够给出不同类型岩心对应孔隙纵横比的分布图.三维裂缝/软孔隙网络模型建立了宏观可观测量与裂缝参数之间关系,能够定量分析岩石渗透率随裂缝体密度、纵横比、孔隙流体类型和围压等因素的变化规律,为复杂条件下储层渗透率预测提供了一种有效方法.     

干涉走时微地震震源定位方法

本文基于地震波场干涉原理,建立了干涉走时微地震震源定位方法.该方法将两个接收点相对于一个微地震事件的走时差(称为干涉走时)的扰动作为残差函数,通过迭代求解最小残差函数,最终获得震源的空间位置.干涉走时震源定位方法利用两个接收点的到时差消除发震时刻未知和速度模型误差的影响,简化了震源定位算法.数值计算表明,本文提出的干涉走时定位方法在速度模型有误差的情况下仍然可以获得准确的微地震震源定位.     

伽师强震群震源特征及震源机制力学成因分析

应用改进的主地震相对定位法对17年伽师强震群3级以上地震进行了精确定位,根据较强地震的空间分布和震源机制解推断出伽师震群的发震构造为北北西向的雁行断裂.根据伽师震群地震的2177个P波初动方向记录,计算了伽师震群的平均震源机制解.基于Silver的震源模型,由震源谱推断了伽师震群主要地震的破裂方向,破裂尺度及应力降.文中最后用右阶雁行断裂的数值模型计算了伽师震群的发震构造所产生的扰动应力场的空间分布图像,用其解释了序列地震震源机制的多样性和低应力降现象,并认为特定的雁行发震构造与强震的多发性有关.     

考虑俯冲带潜在震源区的地震危险性算法研究及在中国海域的应用

本文研究了俯冲带潜在震源区离散化方法及考虑俯冲带高震级地震震源破裂面和震源深度的场点地震动计算方法，推导了俯冲带潜在震源区地震危险性计算公式，并使用中国海域及邻区地震危险性模型进行地震危险性试算。结果表明，本文建立的考虑俯冲带潜在震源区的地震危险性算法能够实现场点地震危险性计算时对俯冲带高震级地震震源破裂面和震源深度的考虑。     

背景为各向异性的含裂缝岩石频散和衰减计算方法研究

裂缝广泛分布于各类储层岩石中,并且会显著提高储层的渗流能力.因此,裂缝的评价和表征对于提高油气产能具有重要意义.由于裂缝与背景介质之间的波致流会显著影响地震波的频散和衰减特性,所以地震勘探是评价裂缝性储层的有效手段.裂缝地震定量表征的前提是要基于含裂缝岩石中波致流对频散和衰减的影响建立含裂缝岩石物理特性与地震性质的关系.然而,目前相关的理论研究大部分基于各向同性背景这一假设,难以有效应用于常见的各向异性储层.本文针对背景为各向异性的含裂缝岩石提出了频散和衰减的计算方法.该方法首先将含裂缝岩石中的各向异性背景介质等效为层状背景介质;然后,通过分析不同频率下层状含裂缝岩石中的流体压力分布,理论计算了两个特定的中间频率并求解得到两个中间频率下的弹性参数;进一步,以计算得到的两个特定中间频率以及高低频极限下的弹性参数为基础,应用数值方法求解得到弛豫函数中的未知参数,最终实现了背景为各向异性含裂缝岩石中频散和衰减的理论模拟.通过将理论预测结果与实验测量和数值模拟结果进行对比,验证了该方法在背景为各向异性含不同分布裂缝岩石中的有效性.本文提出的方法考虑了常见的各向异性背景对含裂缝岩石频散和衰减的影...     

基于微震特性的断层检测技术（英文）

对非常规油气藏,断层既可以成为油气的流通通道,也可能成为油气藏开采开发的阻碍,体现在(1)导致压裂液的滤失;(2)导致储层水淹;(3)诱发小型地震。因地震勘探分辨率的影响使得部分小型断层无法被有效检测,该类断层在压裂施工过程中变得异常活跃并释放出大量的微震。为此,本文总结出一种融合微震时空特征、相对震级、震源机制、振幅、频率的天然断层识别方法。该方法基于储层力学机理分析天然断层和压裂裂缝激发的力学环境,并得出其时空分布规律;通过引入微地震相对震级的算法对天然断层和压裂裂缝活动所致的微地震事件进行标定,并基于地震位移理论分析天然断层和压裂裂缝所致微震的动力学特征,得出其在频率和振幅存在的差异。通过微地震地面和井中监测实例的应用和验证,该方法能有效地达到对天然断层和压裂裂缝识别的目的。     

利用连续重力观测约束2014智利Iquique地震的震源机制解

2014年4月1日,智利北部Iquique地区近海发生MW8.1地震,地震发生之后,国际上一些著名的地震科研机构和学者采用不同的数据和方法计算得到此次地震的震源机制解,但这些结果存在较大差异.地球长周期自由振荡的振幅主要依赖于地震矩的大小及地震断层的破裂方式,可以很好地约束地震震源机制.因此,本文根据2014年Iquique地震现有的6个不同震源机制解模拟计算了该地震激发的自由振荡信号,并与全国连续重力台网中16个弹簧重力仪的观测结果进行比对,基于1.5~5.3mHz的球型简正模分析和约束了Iquique地震的震源机制解.研究发现,基于美国地质调查局WPhase Moment Tensor Solution反演的震源机制解的自由振荡模拟值与实际观测符合最好,其相应的震级能较好反映Iquique地震释放的总能量,而利用海啸数据反演的标量地震矩偏小,联合远场和近场长周期观测数据反演可显著改善震源机制解.另外,还基于格尔木重力台站的模拟值与观测值定量分析了不同震源机制解参数对自由振荡振幅的影响.结果表明地震的标量地震矩M0对自由振荡振幅的影响最大,而断层走向、倾角、滑动方向角和震源深度对自由振荡的振幅影响相对较小.     

用远震体波宽频带记录分析1993年10月2日中国新疆南部Mb6.2地震的震源…

远震体波宽频带记录可以用来研究震源参数和破裂过程，利用宽频带地震记录的Ｐ波振幅，可以找到一种较方便地得到一次中强地震的震源机制解的计算方法。１９９３年１０月２日中国新疆南部Ｍｂ６．２地震是一个较为复杂的事件，利用宽频带波形资料和本文提出的一种简化的计算震源两个子事件相对位置的方法分析后认为，这次事件实质上是两次破裂的结果。Ｍｂ６．２地震事件发生前约２．３秒，有另一个小地震事件发生，两个事件之间的相     

基于相对质心震中的地震破裂方向性测定方法研究:以2008年云南盈江MS6.0地震为例

地震破裂方向性参数包含了断层几何形态、破裂长度等信息,对于地震灾害评估、孕震机理研究具有重要意义.但是基于点源近似的震源矩中心张量机制解(CMT)或断层面解(fault plane solution)只能给出两个节面,无法确定破裂断层面.本文提出一种基于质心与起始震中的差异确定发震断层的方法,该方法利用P波到时来测定主震与参考地震间相对起始震中,同时利用波形反演震源机制过程中的主震时移与参考地震时移之差测定相对质心震中,在假定单侧破裂的情形下,根据时移之差随方位角的变化推断破裂断层面.本文使用该方法研究了2008年云南盈江M_S6.0走滑型地震,发现其破裂方向与其他方法结果一致.由于该方法基于相对起始震中和质心震中,可有效削弱速度结构模型不准确以及地震绝对位置误差带来的影响,应可适用于其他类似类型6级左右地震的破裂方向性研究,但仍需进一步工作对其进行验证.     

基于非监督学习的水力压裂裂缝平面识别

在水力压裂施工中,如何有效获取压裂过程中产生的裂缝形态以及裂缝的动态扩展过程一直是困扰学术界和工业界的问题。目前,常规利用微地震事件定位结果进行分析的方法存在需要人工干预、散点信息表示能力不足等问题;采用数值模拟分析的方法往往因复杂的地下介质情况而引入计算偏差。本文基于非监督学习算法,通过提取微地震事件的空间和时间信息,实现对裂缝平面的识别以及裂缝网络拓展路径的分析;并通过引入水力压裂岩石物理实验,利用实际监测获得的声发射数据以及对应的真实破裂情况的CT扫描数据,检验方法的可行性。最终结果表明,本文所提方法对主断裂有较好的识别效果,识别结果与CT扫描的真实结果吻合性较好。     

1989年大同震群的体破裂特征

采用点源位错模型,由区域地震台网的P,S振幅资料,反演得到1989年10月大同震群135次小震的可信震源机制解.结果显示机制解的空间取向分布比较离散,但其优势及平均方向与震群中3次最大地震的断层面解一致,和华北构造应力场的应力作用方式相符.讨论了小地震对序列地震过程的贡献,表明大量小震的群体行为对震源体起着重要的作用.由震源的时空分布图像,展现出震源体动态扩展、“处处”破裂的特征.由此得出,大同震群并非沿着已有的断层面滑动所致,而可能是该区域新生的破裂;震源体内的多次破裂没有沿一个断层面扩展,而表现为一种体破裂的过程.