煤儲層中微地震事件震級影響因素分析

李德偉，楊瑞召，孟令斌，王 力

(中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

水力壓裂過程中高壓流體注入到地層，原生應力場變化導致巖石發(fā)生快速形變并釋放出能量(即微地震事件)，破裂后地層應力重新達到新的平衡狀態(tài)。矩震級(Mw)是描述微地震大小最常用的方法，最早由HANKS和KANAMORI提出[1]。矩震級的大小與巖石破裂的位移量(巖石沿著斷層面或裂縫面移動的距離)和斷層或裂縫的面積相關[2]。YUSUKE MUKUHIRA等研究表明在水力壓裂過程中微地震事件震級的大小與誘發(fā)地震發(fā)生的時刻和震源的位置均有關聯(lián)[3]。如北美Barnett頁巖區(qū)塊的微地震事件要明顯高于Marcellus區(qū)塊[4]。

陳海潮等指出微地震事件的震級與儲層巖石的力學性質、原場應力狀態(tài)、天然裂縫發(fā)育和分布情況密切相關[5]。一般情況下，脆性巖石會發(fā)生突然破壞，出現(xiàn)拉張或剪切斷裂，伴隨較小幅度的非彈性形變脆性巖石產生較大程度的應力降，因此儲層中脆性巖石更容易誘發(fā)強震級事件。此外，當儲層中存在天然裂縫時，應力沿著天然裂縫的薄弱面引起剪切滑動，由于摩擦系數(shù)和應力狀態(tài)差異從而導致不同程度震級的微地震事件[6]。需要注意的是，地面微地震觀測系統(tǒng)也會對監(jiān)測到的事件震級產生影響。地面觀測系統(tǒng)監(jiān)測范圍大，能夠監(jiān)測到較大震級的事件，但由于儲層深度較深、地層吸收衰減強以及復雜地表環(huán)境等原因，地面獲得小震級事件數(shù)量較少[7]。

除上述影響水力壓裂微地震事件震級影響因素外，筆者分析了水力壓裂施工壓力對微地震事件震級的影響、事件震級與b值的關系以及通過三維地震數(shù)據(jù)分析了天然裂縫對事件震級的影響。通過對水力壓裂事件震級影響因素進行分析，有助于掌握強震級事件的發(fā)生規(guī)律，從而促進水力壓裂施工效果的最大化。反之，也能夠有效避免強震級事件導致套管發(fā)生形變或斷裂。

1 工區(qū)概況

M井組位于沁水盆地南部，井組為L型井型，水平井段垂直深度在920～1 030 m。含氣地層為山西組、太原組，其中山西組以灰色、灰黑色泥巖為主，太原組地層以灰黑色泥巖、深灰色灰?guī)r為主與深灰色細砂巖、灰色泥質砂巖呈不等厚互層[8]。該地區(qū)主要煤層為3號煤，煤層深度由東南向西北方向逐漸變淺，煤層厚度2.4～7.5 m，水平井段附近無明顯大斷層發(fā)育[9-10]。據(jù)煤樣測試，本區(qū)塊3號煤層滲透率在0.025×10-15～0.029×10-15m2，整體滲透性較差。

M井組井軌跡地面投影如圖1所示，其中M-1井和M-2井實施了“泵送橋塞射孔連續(xù)壓裂”儲層改造。并對M-1井8段(2-9段)和M-2井9段(1-9段)壓裂進行了地面微地震監(jiān)測。根據(jù)地表狀況，共部署5條測線、52套三分量采集設備，工區(qū)內檢波器埋置于1 m淺孔中。

圖1 M井組井軌跡地面投影Fig.1 Ground projection of well trajectory of M well group

2 M井組事件震級計算

震級通過測量接收到的P波或S波振幅和頻率來確定震源震級的大小[11]，事件震級屬于震源參數(shù)的一種衍生參數(shù)，震源參數(shù)包括震源發(fā)生的位置時間、地震矩、拐角頻率、應力降以及斷層類型等。目前震源參數(shù)通常基于Brune斷層模型應用震源譜方法計算得到。Brune斷層模型的理論震源振幅Ωtheory(f)[12]為

(1)

其中，Ω0c為長周期振幅;f0c為震源處的P波或S波拐角頻率。拐角頻率是震源譜低頻和高頻趨勢線的交點，它反映低頻和高頻的比例以及地震波高低頻能量分布特征。當?shù)卣鸩ù┻^地層空間被地表檢波器接收時，地層空間相當于一個低通濾波器，不同的巖性、構造以及傳播距離對地震波造成不同程度的衰減，當考慮地震波的衰減時實際的震源譜[13]可表示為

(2)

其中，Ω(f)為檢波器記錄到的振幅;t為震源到檢波器的旅行時間；Qc為P波或S波衰減的平均品質因子。計算震源參數(shù)需要從三分量的微地震記錄中拾取S波的SH分量，將SH振幅譜轉化為位移譜從而求得震源譜。

地震矩M0、矩震級Mw以及震源半徑R已經被普遍認為是剪切滑動破裂的代表性震源參數(shù)[14]。地震矩M0是對非彈性形變引起地震強度的直接量度，是繼地震波能量之后另一個關于描述地震強度的絕對力學量，地震矩M0等效于震源雙力偶中一個力偶的力偶矩。地震波振幅的低頻成分決定了地震矩M0的大小，斷層面積越大，激發(fā)的長周期地震波的能量也越大，周期越長。因此，地震矩與地震所產生的斷層長度、斷層寬度、震源破裂平均位錯量等靜態(tài)的構造效應密切相關。地震矩M0通過式(3)[15]計算：

(3)

(4)

式中，ρ為地層巖石密度;β為S波速度;r為震源到檢波器的距離(通過P波和S波時差得出);RS為S波的輻射因子;K為常量，該值取決于選用波的類型和震源模型(P波對應K值為0.32，S波對應K值為0.21);fc為觀測到的拐角頻率。

矩震級Mw由式(5)計算[16]得出

(5)

M井組事件定位結果如圖2所示，其中事件點的顏色和大小均代表震級大小?？梢钥闯稣鸺壏植季哂忻黠@的規(guī)律性，強震級事件集中分布井組中間段附近，如圖5中橢圓區(qū)域標注的M-1井第5段(1-S5)、6段(1-S6)和M-2井第4段(2-S4)、5段(2-S5)。為了分析這種震級集中現(xiàn)象，本文分別對壓裂施工參數(shù)和儲層構造特征2個方面進行了分析。

圖2 M井組事件定位結果Fig.2 Event location results of M well group

3 事件震級影響因素分析

3.1 壓裂施工曲線與事件震級關系

壓裂施工曲線是水力壓裂過程油管壓力、套管壓力、液體排量和混砂比隨時間的記錄，每條曲線可反映不同的信息。其中，壓裂施工曲線以油壓最為重要，它反映施工過程中地下的真實情況，是獲取地層力學參數(shù)的主要依據(jù)，結合施工排量和砂比曲線能夠反映儲層內裂縫擴展以及流體運移特性的信息[17]。根據(jù)Nolte-Smith經典理論，壓裂施工曲線是注入液流動、裂縫擴展和支撐劑運移的一種綜合反映[18-19]。儲層的應力狀態(tài)、巖性特征以及天然裂縫會對壓裂施工曲線造成不同的反映。因此，水力壓裂事件震級與壓裂壓力存在某種內在關系。

對M井組的17段壓裂施工曲線(圖3)結合微地震事件震級進行了分析。依據(jù)壓裂施工曲線中油壓分別進行了壓裂平均壓力、峰值壓力和破裂壓力統(tǒng)計。按壓裂段統(tǒng)計每段的平均震級和峰值震級。將平均震級和平均壓力進行交匯如圖4(a)所示，可以看出平均壓力和平均震級具有明顯的正相關關系。峰值震級與峰值壓力交匯如圖4(b)所示，峰值震級與峰值壓力同樣具有明顯的線性關系，即峰值震級與峰值壓力成正比關系。兩種交匯圖的規(guī)律與M井組事件震級分布規(guī)律較為吻合。

圖3 MP54井組17段壓裂曲線Fig.3 17 fracturing curve of MP54 well group

3.2 微地震事件b值與震級關系

事件b值提供了事件在空間和時間頻率分布的重要信息[20]。Gutenberg-Richter定律描述了震級M和事件發(fā)生頻率N之間的關系,即

lgN=a-bM

(6)

式中，N為大于震級M的個數(shù);a和b為常量，參數(shù)b通常被稱為b值。

對M-1和M-2兩口井17段水力壓裂監(jiān)測共計1 304個事件統(tǒng)計了震級分布和Gutenberg-Richter關系。M井組微地震事件震級分布在-1～0.4級，如圖5(a)所示。Gutenberg-Richter曲線如圖5(b)所示，應用最小二乘法對震級-0.8～0.4進行線性擬合。研究表明，天然地震b值接近于1，致密砂巖壓裂誘發(fā)事件b值為2.4左右[21-22]。本工區(qū)統(tǒng)計b值為2.67，表明較大震級事件數(shù)量較少，這與監(jiān)測結果一致。

圖4 震級與油壓力的關系Fig.4 Relationship of magnitude and oil pressure

圖5 Gutenberg-Richter震級關系統(tǒng)計Fig.5 Statistical histogram of Gutenberg-Richter magnitude relationship

b值與儲層巖石的脆性、塑性、彈性性質有關[23-24]。通常情況下巖體內構造應力的大小與b值成反比，低b值區(qū)往往具有更高的應力積累。因此，通過b值可以判斷儲層的應力和巖性特征。M井組各段平均震級與b值統(tǒng)計對比如圖6所示，可以看出強震級集中段1-S5，1-S6，2-S4，2-S5對應較小的b值，該段區(qū)域附近煤層可能更偏向于脆性，儲層應力積累能力較周圍區(qū)域更強，從而導致在該段附近高震級事件較多。

3.3 天然裂縫與震級關系

研究結果表明天然裂縫的存在降低巖體的強度，有助于裂縫的擴展[25]。同時根據(jù)莫爾-庫倫破裂準則，當巖體內部的剪切力超過巖體的抗剪強度時巖體發(fā)生破裂。巖體的抗剪強度極限τmax[26]表示為

τmax=τ0+μ(S1+S2-2p0)+μ(S1-

S2)cos(2φ)/2

(7)

其中，τmax為作用于破壞面上的剪切應力;τ0為黏聚力;μ為層面間的摩擦因數(shù);S1，S2分別為最大和最小主應力;p0為地層壓力;φ為最大主應力和破壞面法向夾角。式(7)表明當巖體所受剪切力τ大于公式右側時，巖體發(fā)生破裂，而當巖體中已有斷裂面，此時內聚力τ0=0，巖體的抗剪強度極限降低。因此，當?shù)貙又辛芽p發(fā)育時會明顯的降低破裂壓力。

圖6 M井組各段平均震級與b值統(tǒng)計對比Fig.6 Statistical comparison of average magnitude and b value of each section of M well group

根據(jù)該工區(qū)三維地震數(shù)據(jù)提取了相干體屬性表征地層斷裂。相干體技術作為一種地震屬性，是基于相鄰地震道在橫向上的地震波相位與振幅相似性程度大小來預測地質異常體(斷層、裂縫、溶洞、河道以及異常巖體邊界)的一種手段[27]。在有天然裂隙的地層中進行壓裂，當天然裂縫的方位不同時壓裂裂縫既可能是沿著天然裂縫擴展的裂縫，也可能是壓裂過程中產生的新裂縫，因此天然裂縫的方位對破裂壓力具有一定的影響。相干體與微地震事件疊合如圖7所示，其中灰色部分為儲層改造范圍(SRV)。根據(jù)壓裂段上的裂縫密度圈定了兩個裂縫密度發(fā)育的區(qū)域，即圖中A區(qū)域和B區(qū)域。圖中可以看出，強震級段附近天然裂縫較少，而地震級事件分布區(qū)域天然裂縫相對發(fā)育，在A區(qū)域和B區(qū)域尤為明顯。在該工區(qū)內，A,B區(qū)域相對發(fā)育的天然裂縫降低了儲層的抗剪切強度，即降低了地層的破裂壓裂，從而誘發(fā)事件的震級較小。

圖7 相干體屬性與微地震事件疊合(背景為相干體屬性，藍色和紅色表示裂縫發(fā)育區(qū))Fig.7 Coherent cube attributes overlap with microseismic events (background is coherence cube attributes,blue and red represent fracture development areas)

4 結 論

(1)微地震事件震級與水力壓裂的平均壓力和峰值壓力具有明顯的正相關關系，壓力是影響煤層誘發(fā)的微地震事件震級的大小的重要因素。

(2)分析M井組各段b值發(fā)現(xiàn)，較大震級事件集中段1-S5,1-S6,2-S4,2-S5的b值較低，表明該段附近巖性相對更偏脆性，應力積累能力大于周圍儲層區(qū)域，導致了在該區(qū)域誘發(fā)了較大震級事件。

(3)根據(jù)摩爾庫倫破裂準則當巖體中存在破裂面時會降低巖體的抗剪切強度，該工區(qū)內的分析結果表明天然裂縫降低了地層破裂壓力，在裂縫發(fā)育區(qū)域導致震級降低。