通過(guò)時(shí)變地震各向異性研究水力壓裂

1、通過(guò)時(shí)變地震各向異性研究水力壓裂研究學(xué)者論文（第一章）劉啟凡提交榮譽(yù)和德克薩斯州A&M大學(xué)科研究在部分完成了指定作為研究學(xué)者的要求已被批準(zhǔn)的研究指導(dǎo)老師：Dr. Richard Gibson（理查德·吉布森博士）2014年5月專業(yè)：地球物理學(xué)目錄摘要 奉獻(xiàn) 第一章 引言 第二章 方法 第三章 成果 第四章 總結(jié)與展望 參考文獻(xiàn) 摘要通過(guò)時(shí)變地震各向異性研究水力壓裂（2013.12）劉啟凡地質(zhì)與地球物理學(xué)系 德克薩斯州A&M大學(xué)研究指導(dǎo)老師：Dr. Richard Gibson（理查德·吉布森博士）地質(zhì)與地球物理學(xué)系水力壓裂是開(kāi)發(fā)天然氣和石油一個(gè)重要的現(xiàn)代技術(shù)

2、，即將高壓的液體混合物被注入到井中產(chǎn)生微小裂縫以便釋放流體，如天然氣和石油。通過(guò)橫波分裂研究地震各向異性，可以幫助我們更好地了解水力壓裂和裂縫系統(tǒng)之間的關(guān)系。橫波分裂由壓裂引起并且可以自然地發(fā)生在大多數(shù)沉積巖。它會(huì)分裂微震活動(dòng)產(chǎn)生的伴隨橫波為兩個(gè)正交極化的快橫波和慢橫波。反之，測(cè)量值可以被用來(lái)推斷關(guān)于壓裂的信息。這篇文章的微震數(shù)據(jù)是基于在正交方向上的三個(gè)組成部分，并且有一個(gè)多月的時(shí)間跨度。這些數(shù)據(jù)非常理想的用于研究在地下的時(shí)間變橫波分裂。我們將構(gòu)建一個(gè)該位置的基于時(shí)間的分裂歷史，與記錄的水力壓裂的事件的時(shí)間和位置信息進(jìn)行比較。最后，我們將試圖找到水力壓裂和地下裂縫的變化的原因和關(guān)系，以及其他可

3、能的關(guān)系。奉獻(xiàn)我將這項(xiàng)研究奉獻(xiàn)給我的父母。沒(méi)有他們的持續(xù)支持，這樣的機(jī)會(huì)是不可能有的。致謝我要感謝理查德·吉布森博士的巨大支持。他的教學(xué)對(duì)本文的成果和我作為一個(gè)學(xué)生和個(gè)人的提高一直是最重要的。第一章 引言水力壓裂是一種已經(jīng)被廣泛地用于提高石油和天然氣的產(chǎn)量，通過(guò)產(chǎn)生儲(chǔ)存空間裂縫和增加儲(chǔ)層滲透率。因此，壓裂附近區(qū)微震活動(dòng)頻率將顯著增加。它已被證明更廣的地震觀察區(qū)的石油產(chǎn)量是提高的（Phillips等人，1998）。然而，其他壓裂位置，非常有限的信息可以從水力壓裂造成并增加烴的流動(dòng)能力的裂縫系統(tǒng)的典型方法獲得。在本文中，通過(guò)對(duì)地震各向異性的研究我們?cè)噲D找到水力壓裂和地下裂縫系統(tǒng)之間更詳細(xì)

4、的關(guān)系。從理論上講，每一個(gè)微震活動(dòng)產(chǎn)生其特有的地震波，包括縱波（P波）和橫波（S波或剪切波）。當(dāng)水力壓裂發(fā)生時(shí)，在相關(guān)區(qū)域?qū)⒂写罅康奈⒄鸹顒?dòng)。在深度從水力壓裂形成到接近地表，地震各向異性在地質(zhì)環(huán)境是無(wú)處不在的，“橫波分裂”在橫波穿過(guò)它時(shí)產(chǎn)生。橫波分裂無(wú)疑是地震各向異性的唯一可靠指標(biāo)。它發(fā)生時(shí)橫波自然極化成快波（S1）平行于裂縫和慢波（S2）垂直于裂縫。分裂由兩個(gè)參數(shù)表示：快速極化方向（），表示有關(guān)上述各向異性對(duì)稱軸方向；快橫波和慢橫波之間的延遲時(shí)間（），表示在波傳播方向上的各向異性程度。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)處理橫波分裂是分裂校正方法Silver和陳（1991）和改進(jìn)的窗口選擇方法Teanby,Ke

5、ndall和van der Baan(2004)。這些方法將在接下來(lái)的部分進(jìn)行詳細(xì)討論。這個(gè)過(guò)程的結(jié)果應(yīng)該表示每個(gè)分裂窗口的極化方向和延遲時(shí)間的最佳擬合值。對(duì)于各向異性的成因基本上有兩種類型：地下排成行的裂縫引起的各向異性和巖石的基本性質(zhì)引起的各向異性（我們研究中的大多數(shù)情況，頁(yè)巖）。裂縫相關(guān)的各向異性有的地震特性與方位角不同，而頁(yè)巖造成的各向異性則典型的不同。根據(jù)Silver和陳方法（1991）的極化方向，我們將篩選由壓裂造成的各向異性，并試圖推斷地下裂隙系統(tǒng)在每個(gè)時(shí)間段的位置和方向。之前的工作已經(jīng)表明，它能監(jiān)測(cè)裂縫系統(tǒng)由孔隙壓力或應(yīng)力變化引起的破裂特性變化（Teanby,Kendall和v

6、an der Baan(2004)。在我們研究的情況下，在精確的時(shí)間記錄中出現(xiàn)一系列的水力壓裂階段在不同位置進(jìn)行，這段時(shí)間記錄超過(guò)了一個(gè)月的跨度。這為我們尋找人造水力壓裂活動(dòng)及其造成的潛在的時(shí)變裂縫的變化之間的關(guān)系提供了良好的數(shù)據(jù)庫(kù)。兩個(gè)潛在因素，潮壓和石油生產(chǎn)需要被過(guò)濾。其影響應(yīng)力，裂縫和孔隙壓力的影響可能導(dǎo)致另一系列時(shí)變橫波分裂（N.Teanby等人，2004）。測(cè)試潮汐效應(yīng)后，我們將比較水力壓裂數(shù)據(jù)和相應(yīng)的時(shí)變裂縫的變化，并試圖找到它們之間的關(guān)系。第二章 方法本研究的微震數(shù)據(jù)來(lái)自地震監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，有著一個(gè)月的時(shí)間跨度，并在超過(guò)10口生產(chǎn)井。有兩個(gè)監(jiān)測(cè)組部署在地下，這兩個(gè)組包含七個(gè)活動(dòng)記錄地震

7、檢波器，分別排列在垂直和水平線上。原始數(shù)據(jù)庫(kù)是龐大的，所以我們需要選擇良好的附屬設(shè)備的數(shù)據(jù)來(lái)研究。篩選掉潛在的不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和小震級(jí)活動(dòng)的數(shù)據(jù)后，我們選擇含較大震級(jí)活動(dòng)并顯示出集中的良好時(shí)間和空間的微震數(shù)據(jù)。地震分析代碼（SAC）被用在這項(xiàng)研究，用來(lái)解釋多方向微震數(shù)據(jù)用SAC格式。獲得的數(shù)據(jù)是原本是SEG2格式。我們使用seg2_edit將選擇微震數(shù)據(jù)從SEG2格式轉(zhuǎn)換成SAC格式。通過(guò)使用SAC繪圖命令，我們能夠讀到有研究?jī)r(jià)值時(shí)間的包含P波和S波數(shù)據(jù)的地震波曲線。P波數(shù)據(jù)可以幫助我們找到與地震噪聲相比更清晰的較大震級(jí)的振動(dòng)信號(hào)的具體微震活動(dòng)。S波信號(hào)的記錄緊隨P波信號(hào)。通過(guò)找到有研究?jī)r(jià)值的S波信

8、號(hào)，并利用SAC的粒子運(yùn)動(dòng)繪圖命令，我們可以看到不規(guī)則的非線性運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。它們是震源的波傳播到記錄的地震檢波器中的橫波分裂的標(biāo)志。我們將進(jìn)一步分析這些不規(guī)則的S波的運(yùn)動(dòng)，并解釋其三維的運(yùn)動(dòng)路徑。三維運(yùn)動(dòng)的很短的時(shí)間跨度的特點(diǎn)會(huì)給我們帶來(lái)有關(guān)地震各向異性造成橫波分裂的延遲時(shí)間和方向信息。通過(guò)使用該關(guān)系，我們能利用橫波分裂現(xiàn)象解釋地下各向異性構(gòu)造并編寫報(bào)告。第三章 結(jié)果第1部分：B值方差分析和查找附屬設(shè)備的微震數(shù)據(jù)。我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目研究中的第一項(xiàng)任務(wù)是過(guò)濾和選擇附屬設(shè)備的微震數(shù)據(jù)。對(duì)于過(guò)濾，引用Gutenberg-Richter定律（古登堡-里克特定律）： 在地震學(xué)中，震級(jí)和地震的總次數(shù)在任何給定區(qū)

9、域和時(shí)間段的最低震級(jí)之間的關(guān)系，：其中N是具有震級(jí)更大或等于M的地震活動(dòng)數(shù)目，a和b是常數(shù)。常數(shù)b是通常在地震活躍區(qū)域等于1.0。 通過(guò)對(duì)整個(gè)區(qū)域篩選出潛在的不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，我們做了“b值”的統(tǒng)計(jì)分析。圖I 零井第2階段的所有記錄活動(dòng)直方圖圖II b值方差與震級(jí)顯然，“b值”在震級(jí)增大到0.5時(shí)開(kāi)始顯著變化。除去相關(guān)的微震活動(dòng)（其震級(jí)大于0.5后，我們對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)重做“b值”的統(tǒng)計(jì)分析。圖III 零井第2階段的所有活動(dòng)篩選后的直方圖b值更加穩(wěn)定。當(dāng)震級(jí)變大，標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定增長(zhǎng)。這可能是由于數(shù)據(jù)不足而造成的。在新篩選后的數(shù)據(jù)庫(kù)，我們找到最好的附屬設(shè)備的數(shù)據(jù)庫(kù)含有相對(duì)較大的震級(jí)活動(dòng)，并顯示良好的時(shí)間和空

10、間，集中在零井。第2部分：地震各向異性特性識(shí)別我們使用seg2_edit將棄井?dāng)?shù)據(jù)SEG2格式轉(zhuǎn)換為SAC格式，利用地震分析代碼和數(shù)學(xué)繪圖命令，以識(shí)別地下地震各向異性的特性。到達(dá)的S波信號(hào)的不規(guī)則模式被識(shí)別。他們?cè)诖蟛糠治⒄鸹顒?dòng)的P波信號(hào)后約0.1秒被觀察到，但是呈現(xiàn)非線性粒子運(yùn)動(dòng)模式，而不是普通的線性模式。引起非線性粒子運(yùn)動(dòng)模式的一個(gè)例子，見(jiàn)表I：表I S波引起的非線性粒子運(yùn)動(dòng)的二維例子觀察本例中的P波造成的的粒子運(yùn)動(dòng)，在X，Y，Z方向上的組分同步達(dá)到零點(diǎn)和最大點(diǎn)。因此，它的曲線表現(xiàn)出良好的線性模式。相反地在S波這列中，Y和X方向的分量比在Z方向分量達(dá)到尖峰晚0.001秒。它的曲線表現(xiàn)出非線

11、性運(yùn)動(dòng)模式。運(yùn)用這一觀察法觀察零井第2階段以上的更多的活動(dòng)，其結(jié)果可分為為兩種類型：1. S波引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出非線性運(yùn)動(dòng)模式；2. S波引起的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出線性運(yùn)動(dòng)模式。類型1表示在各向異性影響波的傳播路徑，類型2沒(méi)有。表II線性S波粒子運(yùn)動(dòng)的3D曲線例子表III非線性S波粒子運(yùn)動(dòng)的三維曲線例子（類型1）在表二中，非線性運(yùn)動(dòng)模式清晰可見(jiàn)。他們表示在其相應(yīng)的移動(dòng)路徑的各向異性，而線性S波運(yùn)動(dòng)模式表示沒(méi)有各向異性影響其移動(dòng)路徑。結(jié)合他們的震源位置，我們可以看到他們的位置集中區(qū)。零井第二階段最大的九個(gè)活動(dòng)的震源見(jiàn)圖IV。圖IV 不同活動(dòng)類型的震源位置分別觀察類型1和2類型活動(dòng)的震源位置，各向異性

12、構(gòu)造的位置可以進(jìn)一步推斷。第四章總結(jié)與展望基于S波和P波之間的延遲我們已經(jīng)重新定位了水力壓裂所造成的微震活動(dòng)的震源。它揭示了地震波的傳播路徑從震源到部署在地下的記錄地震檢波器。 P波信號(hào)呈規(guī)律線性模式，可以推斷其到達(dá)檢波器時(shí)的傳播方向。相反，相應(yīng)的S波信號(hào)顯示各種不規(guī)則的環(huán)形圖樣。他們就是地震波在沉積巖中穿過(guò)時(shí)橫波分裂機(jī)理的依據(jù)。這些都在到達(dá)的S波的三維粒子運(yùn)動(dòng)曲線中更清晰地顯示。通過(guò)對(duì)不同S波的運(yùn)動(dòng)模式（線性或非線性）的震源分類后，我們可以找到不同類型震源的集中區(qū)。這些信息可以進(jìn)一步推斷出關(guān)于地震各向異性的不同地下構(gòu)造。在本研究的下一步，我們將運(yùn)用該方法到更多的地震活動(dòng)，致力于找到在特定的空

13、間和時(shí)間序列之間的各向異性變化的規(guī)律性。由于一個(gè)水力壓裂階段（一種液體注入）相比于階段本身的時(shí)間，在其一段長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可引起一系列的微震活動(dòng)。這種規(guī)率性的模式，可以增加關(guān)于水力壓裂特定時(shí)間段將如何震動(dòng)井身周圍沉積巖的可預(yù)測(cè)性。為了探討這一潛在的規(guī)律，需要對(duì)包括緊挨震源位置的微震活動(dòng)的三維粒子運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)一步研究。我們將嘗試將水力壓裂活動(dòng)開(kāi)始的變化進(jìn)行系統(tǒng)化。參考文獻(xiàn)Silver, Paul G., and W. Winston Chan. "Shear wave splitting and subcontinental mantle deformation." Journal o

14、f Geophysical Research: Solid Earth (19782012) 96.B10 (1991): 16429-16454. Phillips, W. S., et al. "Induced microearthquake patterns and oil-producing fracture systems in the Austin chalk." Tectonophysics 289.1 (1998): 153-169. Teanby, N. A., J-M. Kendall, and M. Van der Baan. "Automation of shear-wave splitting measurements using cluster analysis." Bulletin of the Seism