CN104428691A - 裂隙监测与表征 - Google Patents

Abstract

本发明描述了压裂监测和地下压裂过程的表征。选择旨在诱发造成地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的水力压裂条件，并且使用所选条件来执行水力压裂作业以引起造成地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合。使用多个接收机来接收来自微震事件的诱发运动数据，并且分析所接收的数据以跟踪造成微震事件的裂隙的生长和/或跟踪裂隙内的支撑剂分布。

Description

裂隙监测与表征

背景技术

本公开内容通常涉及压裂作业的监测，并且涉及地表地层(Earthformation)中的裂隙网络的表征。

地下地层的表征对于识别、进入和管理储层来说很重要。例如，可以通过地震勘测来确定这种地层的深度与方位。这通常通过在一个或多个震源位置向地表传递能量，例如，通过被控制的***、机械输入等方式来执行。然后，在离震源位置不同距离和方位角的地面接收机位置处测量返回的能量。经由自地下地层的界面的反射与折射，从震源到接收机的能量的传播时间表明地层的深度与方位。

微震测量可以被描述为地震的变形。在传统地震勘探中，诸如一个或多个***、振动器或***物之类的放置在预定位置处的震源被激活并且产生足够的声能，以使声波穿过地表。然后，由诸如水听器和地震检波器之类的受波器来记录该能量的反射或折射部分。

在被动地震或微震监测中，在已知位置处不存在主动控制和触发的震源。地震能通过由地下移动和变化所引起的所谓的微震事件产生，所述地下移动或变化至少部分地产生声波，可以使用适合的接收机来相应地记录该声波。尽管微震事件可以是破坏地下岩石的人类活动的结果，但是它们完全不同于被提供作为主动震源的装置的操作。关于用于微震监测的仪器和方法的背景信息可以从如下文件中找到：例如，美国专利No.6856575、No.6947843和No.6981550、已公布的国际申请No.WO 2004/0702424和No.WO 2005/006020、以及已公布的美国申请No.2005/01900649A1，出于所有目的，通过引用将上述申请中的每个申请并入本文中。

被动地震监测范围内的特定领域是诱发压裂的监测，其中可以通过以压力将诸如水等的流体泵送至钻孔/井眼中(出于本申请的目的，可以互换地使用术语钻孔、井眼和井)来诱发压裂。通常由于水通常是用于压裂过程中的主要流体，所以诱发压裂被称为水力压裂。这种水力压裂作业包括泵送大量的流体以在地表中诱发裂缝，由此创建了油和/或气体可以流动的通路。这些裂缝可以是在之前的连续的岩石中产生的新裂隙，或者是沿着先前存在的断层与裂隙。通常，由水力压裂作业所诱发的通路将是新创建的裂缝和先前存在的断层与裂隙的组合。在产生裂缝时或之后，通常将沙子或一些其它支撑剂材料注入到裂缝中，以防止当不再将流体通过井眼泵送至地表地层中时裂缝完全闭合。放置在新形成的裂隙内的支撑剂颗粒使新形成的裂隙张开作为使油和/或气体流入井眼中的传导通路。在碳氢化合物工业中，当要刺激碳氢化合物的产生时，碳氢化合物储层的水力压裂可以被称为“增产”。

在微震监测领域中，在压裂作业过程中产生的由新裂缝的产生或沿现有裂缝的位移所引起的声信号被当作微震事件。这种微震事件可以发生在材料被泵送/已经被泵送至地表中时或之后。还可以使用来自压裂作业的其它可用信息，例如，时序、流量率和压力。一组微震数据的著名示例是Carthage Cotton Valley数据，例如由James T.Rutledge和W.Scott Phillips在地球物理学68卷第2本(2003年3-4月)的第441-452页的“HYDRAULICSTIMULATION OF NATURAL FRACTURES AS REVEALED BYINDUCED MICROEARTHQUAKES，CARTHAGE COTTON VALLEY GASFIELD，EAST TEXAS”中所评估的，以及由Rutledge、J.T.、Phillips、W.S.和Mayerhofer、M.J.在2004年10月的美国地震学会公报第94卷第5本的第1817-1830页的“FAULTING INDUCED BY FORCED FLUID INJECTIONAND FLUID FLOW FORCED BY FAULTING：AN INTERPRETATION OFTHE HYDRAULIC FRACTURE MICROSEISMICITY，CARTHAGECOTTON VALLEY GAS FIELD，TEXAS”中所评估的。

水力压裂的微震监测是相对较新的技术。通常，使用位于水力压裂附近的井中的一组地震检波器执行这种监测。在微震监测中，在钻孔下创建水力压裂，并且处理从地震检波器、水听器和/或其它传感器所接收的数据以监测水力压裂。通常，传感器用于记录由水力压裂所产生的微震波场。通过使所获得的微震波场反相，可以确定微震事件的位置以及所确定位置的不确定性、震源机制和/或诸如此类。

所诱发的微震事件的空间和时间位置可以用于反映裂隙生长的动态，并且用于量化储层中的应力状况连同地层和断层性质。这使压裂作业的效果和效率能够通过提供关于原地和诱发储层参数连同诱发通道内的固体材料分布的可靠信息来得到优化。关于岩石的岩心样本的实验工作(参见例如Fredd、C.N.、McConnell、S.B.、Boney、C.L.和England、K.W.(2000)：“EXPERIMENTAL STUDY OF FRACTURE CONDUCTIVITY FORWATER-FRACTURING AND CONVENTIONAL FRACTURINGAPPLICATIONS”论文SPE 74138，呈现在2000SPE多石山区/低渗透率储层讨论会和展览，丹佛，科罗拉多州，3月12-15日)已经显示出裂隙的传导率与它们的宽度相关，它们的宽度又强烈地依赖于裂隙内的支撑剂的类型和数量。

最近，地面和/或浅井地震阵列的使用由于其经济效益而已经变得越来越普及。在地面和/或浅井地震勘测中，与传统的井下监测不同，可以在地面或在浅的深度处安装几十、成百或者甚至数千个地震传感器。与由通常用于传统井下监测的一个或两个地震阵列所提供的覆盖范围相比，这些地震传感器通常为微震事件所辐射的能量提供了较大方位角的覆盖范围。然而，同时，由于较长的震源与接收机的距离连同增大的噪声电平使得地面和/或浅阵列易于遭受增大的信号衰减。因此，改善信噪比对于改善事件检测和表征来说是重要的问题。

发明内容

本发明的第一方面提供了监测地表地层中的水力压裂作业的方法。所述方法包括：(i)选择旨在诱发造成地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的水力压裂条件，(ii)使用所选择的条件执行水力压裂作业以引起造成地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合，(iii)使用多个接收机来接收来自微震事件的诱发运动数据，以及(iv)分析数据以跟踪造成微震事件的裂隙的生长和/或跟踪裂隙内的支撑剂分布。

有利地，与仅发生裂缝的剪切形变的情况相比，通过以引起造成微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的方式来执行水力压裂作业，可以增大所接收的诱发运动数据的信噪比，并且因此改善对裂隙生长和/或支撑剂分布的跟踪。所述方法可以更普遍地用于储层监测。

现在将阐述本发明的第一方面的其它可选特征。这些特征可以单独应用或者可以与本发明的第一方面进行任何组合来应用。

通常，选择水力压裂条件并且执行水力压裂作业，以使得还存在裂隙的裂缝剪切形变。然而，可以选择步骤(i)的水力压裂条件，以使得步骤(ii)中引起的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合造成微震事件的矩震级的至少20％、并且优选为至少30％或40％。通过将拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的量增大到这种水平，可以相应地增大所接收的诱发运动数据的信噪比。

选择水力压裂条件的步骤(i)可以包括对地表地层中的微震事件建模，以确定被预测为诱发拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的条件。例如，除了地层和断层的相应流动和机械性质，可以使用标准技术(参见例如美国专利NO.6,766,254)来建造包括诸如地层边界和断层与裂隙的位置之类的地层信息的地下模型。机械性质可以包括原地应力、孔隙压力以及岩石和断层/裂隙的弹性性质和故障性质。流动性质可以包括岩石和断层/裂隙的孔隙率、渗透率、饱和度、流体类型以及流体性质(压力-体积-温度关系)。该模型可以用作裂隙模型的输入，该裂隙模型预测给出特定水力压裂条件下的故障的类型和量。因此，可以使用裂隙模型迭代地选择适当的水力压裂条件(例如，泵速以及浆液的体积和类型)。在实验室实验中，Fredd等人(同前)证明了支撑剂的类型和量对裂隙宽度(即，开口)和传导率的影响。

接收机可以是地面接收机或位于达到大约300米的深度处的钻孔中的“浅”接收机。通常，地面接收机或浅接收机部署成本相对低，并且因此能够被大量使用。由于接收机与裂隙的距离，接收机易受到地震信号衰减的影响，但是通过增加裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的量，可以使得由这种接收机所接收的诱发运动数据的信噪比可接受。

所述方法在步骤(i)之前还可以包括步骤：(a)在地表地层中选择井的方向，其旨在增大或最大化由从井引入到地表地层中的压裂流体所引起的微震事件中的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的量；以及(b)在地表地层中钻出具有所选方向的井。在步骤(i)中，然后所选的水力压裂条件可以旨在诱发造成由从井引入到地表地层中的压裂流体所引起的地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合；并且在步骤(ii)中，使用所选条件的水力压裂作业的执行可以包括将压裂流体从井引入到地表地层中。例如，可以选择井的方向，以使其垂直于地表地层中的最大主应力的方向。

在步骤(i)中，所选水力压裂条件可以包括将可凝胶流体注入到地表地层内。非常粘的可凝胶流体在加宽造成微震事件的裂隙方面能够尤其的有效，并且由此增大了拉伸裂缝打开的量。

在步骤(i)中，所选水力压裂条件可以包括将支撑剂引入到地表地层中以诱发造成微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开。支撑剂，尤其是较高浓度的支撑剂能够引起桥接裂隙，其中支撑剂形成坝，这使得这个坝后面的流体压力增大，并且由此增大了拉伸裂缝打开的量。

在步骤(i)中，所选水力压裂条件可以包括增大压裂流体的泵送压力。增大压力可以增大裂隙中的拉伸裂缝打开的量。

在步骤(i)中，所选水力压裂条件可以包括诸如流变性(例如，适合的流体屈服应力)和/或压裂流体的固体含量的量与组分(例如，支撑剂材料和大小分布)之类的特性。这种特性的适当调整能够提升裂缝的筑坝和撤坝(undamming)。更普遍地，步骤(i)的所选水力压裂条件可以包括诱发拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的压裂流体流速、压裂流体压力以及压裂流体特性(例如，流变性和/或固体含量)的组合。

在水力压裂期间，期望的是引起重复的筑坝和撤坝，但不一定在相同的位置。因此，可以重复执行步骤(ii)至(iv)，例如，以使得微震事件重复。分析步骤可以包括对从这种重复中接收的诱发运动数据进行比较，以识别微震事件中的变化。因此，还可以识别用于将来重复的所选水力压裂条件的变化，例如，以增强或降低压裂的程度。此外，与筑坝-撤坝相关联的微震事件通常与被注入的固体的定位和重新定位相关联。因此，步骤(ii)至(iv)的重复执行可以有助于对裂隙内的支撑剂分布进行跟踪。

在步骤(iv)中，可以利用将所测量的诱发运动与微震事件相关的模型来执行分析，微震事件在模型中由矩张量表示，该矩张量仅有两类分量-分量类型为双力偶分量和拉伸或压缩裂缝分量，其可以分别使用术语DC和TC分量来表示。在本发明的实施例中，例如，相对于将矩张量分解为双力偶、补偿线性向量偶极和各向同性部分的模型，这种模型的使用可以简化分析。然而，在本发明的实施例中，仅双力偶和拉伸或压缩裂缝分量的使用在物理上与造成微震事件的裂隙中的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合、连同剪切形变的发生一致。在本发明的实施例中，模型可以将所测量的诱发运动的波形与微震事件的模型化波形进行比较，所述模型化波形来源于矩张量。在本发明的实施例中，然后可以迭代地调整矩张量并且因此可以迭代地调整模型化波形，以获得所测量波形的最好或改进的拟合。

实际上，本发明的一个实施例提供了表征地表地层中的裂隙网络的基于计算机的方法，方法包括使用将所测量的诱发运动与微震事件相关以跟踪造成事件的裂隙的生长和/或跟踪裂隙内的支撑剂分布的模型来分析来自微震事件的诱发运动数据。在实施例中，微震在模型中由仅具有两类分量的矩张量表示，分量类型为双力偶分量和拉伸或压缩裂缝分量。在一些方面，模型可以将所测量的诱发运动的波形与微震事件的模型化波形进行比较，所述模型化波形来源于矩张量。然后，可以迭代地调整矩张量并且因此可以迭代地调整模型化波形，以获得所测量的波形的最好或改进的拟合。

所述方法在分析步骤之前可以包括使用多个接收机接收来自微震事件的诱发运动数据的步骤。

所述方法在接收步骤之前可以包括执行水力压裂作业以在地表地层中引起微震事件的步骤。

本发明的其它实施例提供了用于表征地表地层中的裂隙网络的***(例如，计算机***、软件***、一个或多个处理器和/或诸如此类)。在这种实施例中，***可以包括：(多个)处理器，其被配置为使用将所测量的诱发运动与压裂事件相关并且由此跟踪造成事件的裂隙的生长和/或跟踪裂隙内的支撑剂分布的模型来分析来自微震事件的诱发运动数据。微震事件在模型中由仅具有两类分量的矩张量表示，分量类型为双力偶分量和拉伸或压缩裂缝分量。

模型可以将所测量的诱发运动的波形与微震事件的模型化波形进行比较，所述模型化波形来源于矩张量。然后，可以通过模型来迭代地调整矩张量并且因此可以迭代地调整模型化波形，以获得所测量的波形的最好或改进的拟合。

***还可以包括存储来自微震事件的诱发运动数据的计算机可读介质。

***还可以包括用于接收来自微震事件的诱发运动数据的多个接收机。

本发明的其它方面提供了包括代码的计算机程序，当在计算机上运行所述代码时，所述代码使得计算机执行第二方面的方法；并且还提供了存储包括代码的计算机程序的计算机可读介质，当在计算机上运行所述代码时，所述代码使得计算机执行第二方面的方法。

现在将阐述本发明的其它可选特征。这些可选特征与本文中所描述的其它特征一样可以单独应用或可以与本发明的不同实施例进行任何组合来应用，或与本发明的实施例的用途进行任何组合来应用。

造成微震事件的裂隙可以在碳氢化合物储层的含碳氢化合物层，例如页岩气储层的含气页岩层。然而，另一选择是裂隙在地下蓄水层的含水层中或在地热地层的层中。

附图说明

结合附图来描述本公开内容：

图1是根据本发明的实施例的用于获得与水力压裂相关的微震数据的***的示意图；

图2是根据本发明的实施例的描述监测地表地层中的水力压裂作业的方法的流程图；

图3示意性地示出根据本发明的实施例的用于(a)裂隙表面上的滑距、(b)拉伸裂缝打开、以及(c)(a)和(b)的组合的微震震源机制；

图4根据本发明的实施例示出了对于震源-接收机水平距离达500m的地表表面处的建模的剪切和压缩信号，事件是具有事件深度2.0km的走向滑距，在(a)、(b)和(c)情况下，TC分量分别为0％、20％和40％；以及

图5根据本发明的实施例示出了对于震源-接收机水平距离达500m的地表表面处的建模的剪切和压缩信号，事件是具有事件深度2.0km的倾向滑距，在(a)、(b)和(c)情况下，拉伸分量分别为0％、20％和40％。

在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记后面加破折号和区分相似部件的第二标记来区分各个相同类型的部件。如果在说明书中仅使用了第一附图标记，则描述可应用于具有相同第一附图标记的相似部件中的任何一个而不考虑第二附图标记。

具体实施方式

下面的描述中给出了具体细节，以提供对实施例的深入理解。然而，本领域普通技术人员将理解，在没有这些具体细节的情况下也可以实践实施例。例如，可以示出公知的电路、过程、算法、结构和技术而不示出不必要的细节，以避免使实施例难以理解。

同样，注意，实施例可以被描述为过程，该过程被描绘为流程图、流程示意图、数据流程示意图、结构示意图或方框示意图。尽管流程图可以将操作描述为顺序的过程，但是许多操作可以并行或同时执行。此外，操作的顺序可以被重新安排。当过程的操作完成时，过程终止，但是过程可以具有未包括在附图中的附加步骤。过程可以对应于方法、函数、工序、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，其终止对应于函数返回至调用函数或主函数。

如本文中所公开的，术语“存储介质”可以表示用于存储数据的一个或多个设备，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁性RAM、磁芯存储器、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存存储器设备和/或用于存储信息的其它机器可读介质。术语“计算机可读介质”包括但不限于便携式或固定存储设备、光学存储设备、无线通道和能够存储、包含或携带(多个)指令和/或数据的各种其它介质。

此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或它们的任何组合来实施实施例。当以软件、固件、中间件或微码来实施时，执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的机器可读介质中。(多个)处理器可以执行必要的任务。代码段可以表示工序、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任何组合。可以通过传递和/或接收信息、数据、自变数、参数或存储器内容将代码段耦合至另一个代码段或硬件电路。可以经由包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等的任何适合的手段来传递、转发或传输信息、自变数、参数、数据等。

本发明的实施例提供地表地层中的自然裂隙网络或其它组织网络的表征。在本发明的实施例中，可以处理从微震事件获得的数据以提供地表地层中的自然裂隙网络或其它组织网络的表征。

图1是根据本发明的实施例的用于获得与水力压裂相关的微震数据的***的示意图。压裂钻孔11从地面10延伸穿过地表地层30。可以将地震检波器接收机阵列22设置在表面10处和/或在深达大约300m的浅处的钻孔中。可以将其它地震检波器接收机阵列20设置在从表面10延伸穿过地表地层30的一个或多个较深的监测钻孔12中，并且通常与压裂钻孔11间隔数百米。地震检波器阵列20、22可以均包括多个地震检波器接收机。地震检波器阵列20、22中的地震检波器可以间隔开几十米的量级。

在水力压裂期间，将可以包括固体颗粒(例如，支撑剂)的流体(未示出)从表面10泵送至压裂钻孔11中，以使压裂钻孔11周围的地表地层30经历微震事件，导致地表地层30中的裂隙33的产生。在碳氢化合物工业中，可以将流体向下泵送至压裂钻孔11，以提供地表地层30中的含碳氢化合物层30A的压裂。在地表地层30的正被压裂的部分是含碳氢化合物层30A的这种布置下，在含碳氢化合物层30A内至少部分地产生裂隙33。通过在含碳氢化合物层30A内至少部分地产生裂隙33，可以在含碳氢化合物层30A中建立生产通道，以使含碳氢化合物层30A中的碳氢化合物流到压裂钻孔11。

一种可能性是含碳氢化合物层是页岩。作为页岩的储层通常具有低渗透率，并且被压裂激励以实现生产，但是包含了与新形成的裂隙连接的自然裂隙。

在压裂过程期间，裂隙33产生声波14，并且声波14可以传播穿过地表地层30并且被地震检波器接收机阵列20、22所检测。像这样，地震检波器阵列20、22可以用于收集与发生在压裂钻孔11中的水力压裂过程相关的诱发运动数据。地震检波器阵列中的地震检波器接收机可以包括三分量地震检波器，并且可以提供所接收的声波14的方向(三维的)数据。替代地或另外，地震检波器阵列中的地震检波器接收机可以包括一个分量的地震检波器，其通常被布置为测量波场的垂直分量。可以记录由地震检波器阵列20、22接收的数据，并且然后对其进行处理和/或将其传输至处理器40用于处理。

通常，建立表面/浅的地震检波器接收机阵列22与建立深的阵列20相比花费更少。然而，微震事件的震源机制是引起表面10处或附近的地震波的幅度变化的一个主要因素。辐射模式的变化主要由断层面参数和非双力偶分量的量的不同所引起，后者对于诱发微震事件的水力压裂尤其重要。本发明背后的思考是当裂隙形变(即，裂缝打开或闭合)的拉伸或压缩分量增大时，压缩地震波的幅度变得更为重要。因此，如果选择促进拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的水力压裂条件，则可以改善使用微震方法的压裂作业监测的效果。

图2是根据本发明的实施例的描述监测地表地层中的水力压裂作业的方法的流程示意图。在该方法中，在步骤210中，确定将诱发造成地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的水力压裂条件。在步骤220中，使用所选条件执行水力压裂作业，以引起造成地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合。在步骤230中，使用多个接收机接收来自微震事件的诱发运动数据。在步骤140中，分析用于跟踪造成微震事件的裂隙的生长和/或跟踪裂隙内的支撑剂分布的数据。在步骤150中，所分析的数据可以用于确定裂隙的性质、确定支撑剂分布的性质和/或控制/管理压裂过程。例如，可以将裂隙的性质用于储层模型中，以分析来自地层的碳氢化合物生产、分析由压裂引起的潜在的地震影响、分析用于碳氢化合物流的被支撑的张开的流动路径、分析地层中的流动路径的性质、控制/管理正在进行的压裂过程(例如，压裂流体的量/压力、支撑剂性质或将被用于后续压裂过程中的粘弹性材料)和/或诸如此类。

在本发明的一些实施例中，可以执行该方法以在执行压裂过程时对压裂过程进行管理/监测。在这种实施例中，处理器等可以用于处理将诱发造成地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的水力压裂条件。然后，可以将这些条件传输/显示到受压裂过程控制的一方。然后，该受压裂过程控制的一方可以使用经处理的条件来执行压裂过程。然后，管理/监测***可以从正被用于监测压裂过程的多个接收机接收输出。处理器或另一其它处理器可以用于处理造成微震事件的裂隙的生长和/或跟踪裂隙内的支撑剂分布。可以向执行压裂过程的一方显示/传达经处理的造成微震事件的裂隙的生长和/或所跟踪的裂隙内的支撑剂分布。

将震源机制分解成双力偶分量和拉伸或压缩裂缝分量可以使拉伸或压缩分量的重要性变得明显。此外，例如，与将矩张量分解成DC、补偿线性向量偶极(CLVD)和各向同性(ISO)部分、并且难于解释又需要非物理的和高度复杂的震源过程(参见例如，H.Dufumier和L.Rivera：“ON THERESOLUTION OF THE ISOTROPIC COMPONENT IN MOMENT TENSORINVERSION”，国际地球物理学杂志，第131卷，第3本(1997年12月)，第595-606页)的传统模型相比较，使用由仅具有双力偶(DC)分量和拉伸或压缩裂缝(TC)分量的矩张量来表示微震事件的模型还可以简化对诱发运动数据的分析。

我们现在根据本发明的实施例从关于矩张量方法的一些背景开始描述DC和TC震源模型。

在点x和时间t处观察到的诱发运动u可以被表示为下式(Aki、K.和Richards、P.G.，定量地震学，大学科学书籍，第2版，索萨利托，加利福尼亚，2002)。

u_i(x,t)＝m_kl*G_ik,l，   (1)

其中，m_kl＝M_klf(t)是矩张量函数，M_kl是由六个独立要素组成的第二等级的地震矩张量，f(t)是震源-时间函数以及G_ik,l表示格林函数的空间导数。可以通过三个基础断层的组合来表示点震源：垂直走向滑距断层；垂直倾向滑距断层以及具有45度倾角和各向同性的震源的倾向滑距断层(Langston、C.A.(1981)，SOURCE INVERSION OF SEISMICWAVEFORMS：THE KOYNA,INDIA,EARTHQUAKES OF 13SEPTEMBER 1967，美国地震学会公报，71，1-24；Minson.S.和D.Dreger(2008)，STABLE INVERSIONS FOR COMPLETE MOMENT TENSORS，国际地球物理学期刊，174，585-592)。等式(1)中所示的诱发运动的三个分量将是：

u_z＝A₁·ZSS+A₂·ZDS+A₃·ZDD+M_iso·ZEP，

u_R＝A₁·RSS+A₂·RDS+A₃·RDD+M_iso·REP，

u_T＝A₄·TSS+A₅·TDS，   (2)

其中，Z、R和T指的是垂直、径向和横向分量，并且SS、DS、DD和EP分别表示垂直走向滑距、垂直倾向滑距和45°倾向滑距以及激增格林函数，并且

$M_{\mathrm{iso}}=\frac{\mathrm{tr}\left(M\right)}{3}---\left(3\right)$

系数A_i由矩张量分量和从北方顺时针测量的震源-接收机方位角来表示：

$A_1=\frac{1}{2}(M_{\mathrm{xx}}-M_{\mathrm{yy}})\cos \left(2\mathrm{az}\right)+M_{\mathrm{xy}}\sin \left(2\mathrm{az}\right),$

A₂＝M_xzcos(az)+M_yzsin(az),

$A_3=-\frac{1}{6}(M_{\mathrm{xx}}+M_{\mathrm{yy}}-2M_{\mathrm{zz}}),$

$A_4=\frac{1}{2}(M_{\mathrm{xx}}-M_{\mathrm{yy}})\sin \left(2\mathrm{az}\right)+M_{\mathrm{xy}}\cos \left(2\mathrm{az}\right),$

A₅＝-M_yzcos(az)+M_xzsin(az).   (4)

如上所述，按照惯例，矩张量被分解成偏差部分和ISO部分，并且偏差部分又被分解成DC部分和CLVD部分。

然而，我们现在根据本发明的实施例描述DC和TC震源模型。如图3中所示意性示出的，代替将总体矩张量分解成ISO分量、DC分量和CLVD分量，假定震源机制是仅双力偶和拉伸或压缩裂缝模型的组合。该假设对于水力压裂诱发的微地震(即，微震事件)来说是合理的，并且提供了物理上有意义的参数。具体而言，原始的ISO、DC、CLVD分解源自地震力学，在地震力学中，形变源于岩浆运动。在水力压裂中，相比之下，诱发的裂隙通常仅可以被剪切或打开/闭合，并且因此DC和TC震源模型在物理上是合理的。

对于DC，在各向同性介质中等式(1)中的矩张量分量由下式给出：

$M_{\mathrm{kl}}=\mathrm{\μA}\stackrel{\‾}{u}(u_k{n}_l+n_k{u}_l)$

或以矩阵形式：

$M=\mathrm{\μA}\stackrel{\‾}{u}({\mathrm{un}}^T+{\mathrm{nu}}^T)---\left(5\right)$

其中，上标T表示矢量转置，μ是剪切模量，是断层面上的平均滑距，A是断层面的面积，u是断层表面上的滑距向量，并且n是与断层面垂直的矢量(例如，Aki和Richards，2002)。DC分量的特征值与(1，0，-1)成比例，并且这些值的正交特征向量由下式表示：

$t=\frac{1}{\sqrt{2}}(n+u)---\left(6\right)$

b＝n+u   (7)

$p=\frac{1}{\sqrt{2}}(n-u)---\left(8\right)$

特征向量t、b和p分别对应于张力(正特征值)、空(零特征值)和压力(负特征值)轴。连同断层的冲击倾斜δ和滑距σ一起，滑距向量和断层法向向量由下式给出：

冲击是从北方顺时针测量的，并且在沿冲击方向看时，断层面下降至右侧。倾斜δ是从水平位置测量的。滑距σ是冲击方向与顶壁相对于底壁移动的方向之间的角度。标量地震矩是：

$M_o=\mathrm{\μA}\stackrel{\‾}{u}---\left(11\right)$

连同等式(9)、(10)和(11)，根据冲击、滑距和滑距角度来限定等式(5)中的矩张量要素：

$M_{\mathrm{xx}}^{\mathrm{DC}}=-M_o(\sin \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\λ}\sin 2\mathrm{\φ}+\sin 2\mathrm{\δ}\sin \mathrm{\λ}{\sin }^2\mathrm{\φ})$

$M_{\mathrm{yy}}^{\mathrm{DC}}=-M_o(\sin \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\λ}\sin 2\mathrm{\φ}-\sin 2\mathrm{\δ}\sin \mathrm{\λ}{\cos }^2\mathrm{\φ})$

$M_{\mathrm{zz}}^{\mathrm{DC}}=M_o\left(\sin 2\mathrm{\δ}\sin \mathrm{\λ}\right)$

$M_{\mathrm{xy}}^{\mathrm{DC}}=M_o(\sin \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\λ}\sin 2\mathrm{\φ}+0.5\sin 2\mathrm{\δ}\sin \mathrm{\λ}{\sin }^2\mathrm{\φ})$

$M_{\mathrm{yz}}^{\mathrm{DC}}=-M_o(\cos \mathrm{\δ}\cos \mathrm{\λ}\sin \mathrm{\φ}-\cos 2\mathrm{\δ}\sin \mathrm{\λ}\cos \mathrm{\φ})---\left(12\right)$

根据Dufumier.H.和L.Rivera(1997)在国际地球物理学杂志第131卷的595-606上的ON THE RESOLUTION OF THE ISOTROPICCOMPONENT IN MOMENT TENSOR INVERSION、Minson、S.D.Dreger、R.Burgmann和K.Larsen(2007)在地球物理研究期刊112卷BI0308(doi：10.1029/2006JB004847)上的SEISMICALLY AND GEODETICALLYDETERMINED NON-DOUBLE-COUPLE SOURCE MECHANISMS FROMTHE 2000MIYAKEJIMA VOLCANIC EARTHQUAKE SWARM、以及Taira.T.、R.B.Smith和W.-L.Chang(2010)在地球物理研究期刊115卷B02301(doi：10.1029/200818006281)上的SEISMIC EVIDENCE FORDILATATIONAL SOURCE DEFORMATIONS ACCOMPANYING THE2004-2008YELLOWSTONE ACCELERATED UPLIFT EPISODE，对DC和TC震源模型的矩张量要素进行如下描述。张位错的方向垂直于剪切断层面。然后，滑距向量s被限定为：

s＝cosαn+sinαu   (13)

其中，n是向外为正，并且α是n与s之间的角度。α＝0°和α＝180°的情况对应于纯打开和闭合拉伸裂缝，并且α＝90°对应于纯剪切形变。等式(5)中所示的矩张量的总体表达式由下式给出(Aki和Richards，2002)：

M＝Au(λ(s·n)I+μ(ns^T+sn^T))   (14)

其中，I是单位矩阵，并且λ和μ分别为拉姆(弹性)常数。对于DC和TC震源，M被分解成剪切断层部分M^DC和拉伸或压缩裂缝部分M^TC：

M＝M^DC+M^TC   (15)

对于泊松固体(即，λ＝μ)，M^TC是假设α＝0°从等式(12)获得的：

$M_{\mathrm{xx}}^{\mathrm{TC}}=M^{\mathrm{TC}}(1+2{\sin }^2\mathrm{\δ}{\sin }^2\mathrm{\φ})$

$M_{\mathrm{yy}}^{\mathrm{TC}}=M^{\mathrm{TC}}(1+2{\sin }^2\mathrm{\δ}{\cos }^2\mathrm{\φ})$

$M_{\mathrm{zz}}^{\mathrm{TC}}=-M^{\mathrm{TC}}(1+{\cos }^2\mathrm{\δ})$

$M_{\mathrm{xy}}^{\mathrm{TC}}=M^{\mathrm{TC}}(-{\sin }^2\mathrm{\δ}\sin 2\mathrm{\φ})$

$M_{\mathrm{xz}}^{\mathrm{TC}}=M^{\mathrm{TC}}\left(\sin 2\mathrm{\δ}\sin \mathrm{\φ}\right)$

$M_{\mathrm{yz}}^{\mathrm{TC}}=-M^{\mathrm{TC}}\left(\sin 2\mathrm{\δ}\cos \mathrm{\φ}\right)---\left(16\right)$

DC和TC模型允许由于除了其它断层解决参数的改变以外的拉伸或压缩裂缝打开分量的改变而引起的信号幅度的变化被量化。

为了构造合成波形，首先计算用于基础断层和***震源的格林函数。将等式(4)代入(2)产生了观察到的诱发运动的三个分量(Minson.S.和D.Dreger(2008)，STABLE INVERSIONS FOR COMPLETE MOMENTTENSORS，国际地球物理学杂志，174，585-592)：

$\begin{array}{c}{u}_z=M_{\mathrm{xx}}[\frac{\mathrm{ZSS}}{2}\cos \left(2\mathrm{az}\right)-\frac{\mathrm{ZDD}}{6}+\frac{\mathrm{ZEP}}{3}]\\ +M_{\mathrm{yy}}[-\frac{\mathrm{ZSS}}{2}\cos \left(2\mathrm{az}\right)-\frac{\mathrm{ZDD}}{6}+\frac{\mathrm{ZEP}}{3}]\\ +M_{\mathrm{zz}}[\frac{\mathrm{ZDD}}{3}+\frac{\mathrm{ZEP}}{3}]+M_{\mathrm{xy}}\left[\mathrm{ZSS}\sin \left(2\mathrm{az}\right)\right]\\ +M_{\mathrm{xz}}\left[\mathrm{ZDS}\cos \left(\mathrm{az}\right)\right]+M_{\mathrm{yz}}\left[\mathrm{ZDS}\sin \left(\mathrm{az}\right)\right]\end{array}---\left(17\right)$

$\begin{array}{c}{u}_r=M_{\mathrm{xx}}[\frac{\mathrm{RSS}}{2}\cos \left(2\mathrm{az}\right)-\frac{\mathrm{RDD}}{6}+\frac{\mathrm{REP}}{3}]\\ +M_{\mathrm{yy}}[-\frac{\mathrm{RSS}}{2}\cos \left(2\mathrm{az}\right)-\frac{\mathrm{RDD}}{6}+\frac{\mathrm{REP}}{3}\\ +M_{\mathrm{zz}}[\frac{\mathrm{RDD}}{3}+\frac{\mathrm{REP}}{3}]+M_{\mathrm{xy}}\left[\mathrm{RSS}\sin \left(2\mathrm{az}\right)\right]\\ +M_{\mathrm{xz}}\left[\mathrm{RDS}\cos \left(\mathrm{az}\right)\right]+M_{\mathrm{yz}}\left[\mathrm{RDS}\sin \left(\mathrm{az}\right)\right]\end{array}---\left(18\right)$

$\begin{array}{c}{u}_t=M_{\mathrm{xx}}\left[\frac{\mathrm{TSS}}{2}\sin \left(2\mathrm{az}\right)\right]+M_{\mathrm{yy}}[-\frac{\mathrm{TSS}}{2}\sin \left(2\mathrm{az}\right)]\\ +M_{\mathrm{xy}}[-\mathrm{TSS}\cos \left(2\mathrm{az}\right)]+M_{\mathrm{xz}}\left[\mathrm{TDS}\sin \left(\mathrm{az}\right)\right]\\ +M_{\mathrm{yz}}[-\mathrm{TDS}\cos \left(\mathrm{az}\right)]\end{array}---\left(19\right)$

下面图4和5的示例根据本发明的实施例示出建模的信号幅度变化如何随震源机制改变。在示例中，事件冲击角被固定到裂隙方位的角度，并且事件矩震级被固定在-1.4。

图4根据本发明的实施例示出对于震源-接收机水平距离达500m的地表表面处的建模的剪切和压缩信号。事件是具有事件深度2.0km的走向滑距。在(a)、(b)和(c)情况下，TC分量分别为0％、20％和40％。每个P波或Sh波的数量表明以米/秒表示的相应波的最大幅度。

图5根据本发明的实施例示出对于震源-接收机水平距离达500m的地表表面处的剪切和压缩信号。事件是具有事件深度2.0km的倾向滑距。在(a)、(b)和(c)情况下，拉伸分量分别为0％、20％和40％。每个P波或Sh波的数量表明以米/秒表示的相应波的最大幅度。

在图4的走向滑距的情况下，额外的拉伸裂缝分量显著地增大了在表面处观察到的P波的幅度。例如，与不存在拉伸打开的事件相比，具有40％拉伸裂缝分量的事件将幅度增大了超过十倍。相比之下，对于相应的倾向滑距事件(图5)，观察到P波幅度仅有微小的增大。

接下来，在合成试验中针对不同事件深度、震源-接收机距离以及震源机制将最大值P、垂直剪切(Sv)幅度和水平剪切(Sh)幅度进行比较。此外，矩震级被固定为-1.4。表1中示出了结果。

表1：针对不同事件深度、震源-接收机距离和机制的最大值P、Sv和Sh幅度。事件a)：深度1km并且水平震源接收机距离达到500m。事件b)：深度1km并且水平震源接收机距离达到1000m。事件c)：深度1km并且水平震源接收机距离达到2000m。事件d)：深度2km并且水平震源接收机距离达到500m。事件e)：深度2km并且水平震源接收机距离达到1000m。事件f)：深度2km并且水平震源接收机距离达到2000m。

结果表明P幅度的增加对于具有短震源-接收机距离的较深走向滑距机制来说更重要，如从3D P波辐射模式中所预期的。针对走向滑距的情况，Sv幅度随着TC分量的增加而小幅增加，但Sh幅度小幅下降。

针对倾向滑距的情况，P波幅度也随着TC分量的增加而增加，但Sv和Sh波二者以相似的百分比下降。然而，S波幅度仍比P波幅度大得多。

对于微震事件的基于模型的定位，观察P波和S波都很重要。尽管向微震事件机制添加TC分量可以牺牲S波幅度，但是这可能从P波幅度的提升中等到更多的补偿。

如合成试验所示，根据表面处的事件检测，100％纯剪切走向滑距是最坏的情形。然而，合成模拟可以帮助确定最佳水力压裂条件，以引起拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合，并且由此增大事件检测的可能性。例如，由于通常可以从地质勘测中预测发生微震事件的地层中的主应力方位，所以可以选择地层中的井的方向以增大拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的量。其它选择是注入可凝胶的流体，并且由此加宽裂隙以增大拉伸裂缝打开的量，或者引入支撑剂以产生裂隙筑坝，其可以增大坝位置与井眼之间的流体压力并且由此增大拉伸裂缝打开的量。当坝破裂时，如果坝靠近裂隙端部，则动力效应可以导致裂隙内流体压力的波动，从而引起裂隙宽度或动态压裂的额外改变。

尽管已经结合以上所描述的示例性实施例描述了本发明，但是在给出本公开内容时，对于本领域技术人员来说，许多等同的修改和变形都是显而易见的。因此，以上阐述的本发明的示例性实施例被认为是示例性的而非限制性的。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实施例做出各种改变。

出于所有目的，在此通过引用将以上提到的所有参考并入本文中。

Claims (16)

1.一种监测地表地层中的水力压裂作业的方法，所述方法包括：

(i)选择水力压裂条件，以诱发造成所述地表地层中的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合，

(ii)使用所选条件来执行水力压裂作业，以引起造成所述地表地层中的所述微震事件的所述裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合，

(iii)使用多个接收机来接收来自所述微震事件的诱发运动数据，以及

(iv)分析所述数据，以跟踪造成所述微震事件的所述裂隙的生长和/或，以跟踪所述裂隙内的支撑剂分布。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将所分析的数据用于以下操作的至少其中之一：确定所述裂隙的性质和控制所述压裂作业。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(i)的所述水力压裂条件被选择为使得步骤(ii)中引起的所述裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合造成所述微震事件的矩震级的至少20％。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中：

所述方法还包括在步骤(i)之前的如下步骤：

(a)在所述地表地层中选择井的方向，所述井的方向旨在增大或最大化由从所述井引入到所述地表地层中的压裂流体所引起的微震事件中的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合的量，以及

(b)在所述地表地层中钻出具有所选方向的井，以及

在步骤(i)中，所选水力压裂条件旨在诱发造成所述地表地层中的由从所述井引入到所述地表地层中的压裂流体所引起的微震事件的裂隙的拉伸裂缝打开或压缩裂缝闭合，并且在步骤(ii)中，使用所述所选条件执行所述水力压裂作业包括将压裂流体从所述井引入到所述地表地层中。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(i)中，所述所选水力压裂条件包括将可凝胶的流体注入到所述地表地层中。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(i)中，所示所选水力压裂条件包括将支撑剂引入到所述地表地层中。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(iv)中：

使用将所测量的诱发运动与所述微震事件相关的模型来执行所述分析；

在所述模型中，由仅具有两类分量的矩张量来表示所述微震事件；

所述两类分量是双力偶分量和拉伸或压缩裂缝分量。

8.一种表征地表地层中的裂隙网络的基于计算机的方法，所述方法包括：

使用将所测量的诱发运动与微震事件相关的模型来分析来自所述微震事件的诱发运动数据，以跟踪造成所述事件的裂隙的生长和/或，以跟踪所述裂隙内的支撑剂分布，其中，在所述模型中由仅具有两类分量的矩张量来表示所述微震事件，并且其中，所述两类分量是双力偶分量和拉伸或压缩裂缝分量。

9.根据权利要求8所述的方法，在所述分析步骤之前还包括使用多个接收机来接收来自所述微震事件的所述诱发运动数据的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，在所述接收步骤之前还包括执行水力压裂作业以在所述地表地层中引起所述微震事件的步骤。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，造成所述微震事件的所述裂隙在碳氢化合物储层的含碳氢化合物层中。

12.一种计算机程序，所述计算机程序包括代码，当在计算机上运行所述代码时，所述代码使得所述计算机执行根据权利要求8所述的方法。

13.一种存储包括代码的计算机程序的计算机可读介质，当在计算机上运行所述代码时，所述代码使得所述计算机执行根据权利要求8所述的方法。

14.一种用于表征地表地层中的裂隙网络的***，所述***包括：

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为使用将所测量的诱发运动与微震事件相关的模型来分析来自所述微震事件的诱发运动数据，并且由此跟踪造成所述事件的裂隙的生长和/或跟踪所述裂隙内的支撑剂分布，其中，在所述模型中由仅具有两类分量的矩张量来表示所述微震事件，并且其中，所述两类分量是双力偶分量和拉伸或压缩裂缝分量。

15.根据权利要求14所述的***，还包括：

计算机可读介质，其存储来自所述微震事件的所述诱发运动数据。

16.根据权利要求14或15所述的***，还包括：

多个接收机，其用于接收来自所述微震事件的所述诱发运动数据。