页岩气开发中的微地震反演

In recent years, the achievements of the U.S. shale gas mining challenges the conventional understanding of the oil and gas reservoirs. Shale gas is stored mainly by adsorption, and its mining by a commonly used approach with hydraulic fracturing of horizontal wells is different from the conventional oil and gas. The shale fractures under the action of the high-pressure liquid, prompting gas to escape in the rock and achieve the purpose of exploitation of shale gas. In order to effectively monitor and control the distribution of hydraulic fractures, rupture of microseismic observation by the rock mircoseismic data processing, the inversion of hypocenters and focal mechanisms, can provide a theoretical basis for the fracturing design. In this study, a new approach will be developed to attenuate the noise from the microseismic signals, to identify microseismic wave phase, and to estimate the micro-focal position and the focal mechanism inversion by both seismological inversion method and high-precision signal processing methods of the seismic exploration which would help to improve the inversion speed and precision and reach the goal of micro-seismic real-time monitoring. This study provide an initial basic research for the mining of shale gas in China, research methods and results can be extended to the exploitation of tight sandstone gas.

近年来，美国页岩气开采取得的成就对油气储层的常规认识提出了挑战，页岩地层主要以吸附方式储存天然气，其开采方式不同于常规油气，水平井分段水力压裂是目前常用的方法之一。水力压裂时，在高压液体作用下使页岩层形成裂缝，促使岩层中的气体逸出，达到开采页岩气的目的。为了有效地监测和控制压裂裂缝的分布，观测由岩石破裂产生的微地震，对微地震信号进行数字处理，进行震源位置和震源机制反演，可为压裂设计提供理论依据。本研究针对微地震信号的噪声消除、微震相识别以及微震源位置和微震源机制反演开展研究，采用地震学反演方法和地震勘探高精度信号处理方法提高反演速度和精度，实现微地震实时监测的目的。本研究为我国页岩气的开采提供前期的应用基础研究，研究方法和成果还可扩展到致密砂岩气的开采之中。

本项目针对页岩气开发水力压裂产生的微地震，开展反演方法研究。研究内容主要包括微地震信号的识别与拾取方法、微地震震源定位方法以及震源机制反演方法的研究。本报告总结了项目执行期间的研究工作和成果，归纳如下：.1. 微地震有效信号的识别与提取方法。.水力压裂微地震观测的环境噪声十分强烈，有效信号的识别是研究工作面临的首要问题。本项目提出了时频稀疏性分析方法，首先通过判断淹没在噪声中的微地震信号的时间段，确定记录中存在微地震事件，然后采用直接噪声消除方法实现微地震事件的自动拾取，或者采用相位互相关（Phase Only Correlation）分析方法提取同一事件在相邻道的时差，为后续的震源定位提供依据。.2. 微地震震源定位方法.微地震震源位置的确定是判断压裂效果的依据，也是微地震反演研究中的基础数据。本项目提出了利用地震波的干涉原理，提取干涉走时和干涉波场，根据微地震多个震源同时分布的特点，研究了相邻震源在同一检波器上的干涉现象，提出了干涉走时的震源定位方法。本项目还利用反射地震勘探中的成像方法，对微地震的干涉波场进行成像，这种方法可以不考虑发震时刻未知的影响，给出震源的成像位置。.3. 震源机制的反演方法.一般情况下，水力压裂形成的破裂既有剪切成分又有张裂成分，因此微地震震源机制的研究必须建立符合于水压致裂的震源模型。本项目建立了基于TTI各向异质性介质的三维弹性波方程的地震矩张量震源模型和基于反射透射系数矩阵的一般位错震源模型。基于两个震源模型，我们建立了震源机制的反演算法，通过理论计算验证了适用于水力压裂岩石破裂的震源机制求解方法，定量给出了常规剪切型震源模型无法获取的震源非剪切成分和破裂裂缝的长宽之比。这项成果为储层破裂的受力分析提供了基础数据和基本方法。