摘要
近年来，在提供低碳能源方面，非常规油气资源发挥着越来越重要的作用。在非常规油气开采过程中，水平钻井和水压致裂是两项关键技术，微地震监测则是对水力压裂效果定量评估的重要手段。通过对微震信号定位和震源机制的研究，可以帮助获得压裂区域的分布、发育特征及破裂方向、尺度和应力状态等信息，从而为计算有效压裂体积和油藏的开发建模提供严格、可靠依据。本文主要针对微地震信号的定位和震源机制反演两方面开展研究工作，并取得了以下成果。 定位方面，基于走时类相对定位方法及实际微地震观测系统分布和数据特点，建立了分别适用于地面、井中两种观测方式的微地震定位方法流程。地面观测时，通过互相关技术自动拾取同条测线上不同台站相对于同一事件的到时差，然后使用快速模拟退火法计算其与理论到时差的目标函数，确定震源位置的最优解。井中观测（单一监测井）时，以三分量波形起跳位置的平均值作为震相初至，手动拾取到时，以同事件不同台站P波到时差和同事件同台站P、S波到时差为约束构建目标函数。若监测井相对于竖直偏差较大，直接反演震源三分量位置;若监测井相对于竖直偏差较小，则先反演震源距监测井的震中距和深度，然后利用切向(T)分量初至P波能量最小确定震源方位，最终确定震源具体位置。此外，若压裂段和台阵序列间速度结构变化不大，还可采用均匀模型，联合反演震源位置和S波速度，并与测井速度模型定位结果相比较，选择误差值较小的作为最优解，既能减小定位误差，又有助于后续震源机制反演时P、S波震相位置的拟合。 对方法的检验包括数值测试和实际数据处理两部分。地面观测方面，数值测试时，在24％噪音干扰情况下，互相关自动拾取的到时差仍十分准确，定位结果偏差也较小。实际微震数据的处理结果则表明，本方法能够快速、准确地确定地面观测震源位置。井中观测方面，数值测试时，对于震源位于台阵序列之间和一侧两种情形，定位结果误差均较小。在实际数据处理时，采用测井模型定位及均匀模型反演震源位置、S波速度等两种方案，最终获得了误差值较小的最优定位结果，并对压裂过程中破裂发生的时间顺序和空间分布规律做出了合理解释。检验结果表明，本方法有效、可行，在地面、井中微地震数据的定位方面均有着良好的应用前景和实用价值。 震源机制研究方面，发展了一种基于“剪切+张裂”一般位错模型频率域反演微震震源机制的新方法。与剪切位错模型相比，新方法额外考虑了垂直于断层面的张裂错动，更符合实际发震机制;与矩张量模型相比，新方法能够定量得到破裂断层各方向的错动尺度，更直观反映压裂效果。建立正演理论时，确定了断层走向、倾角、滑动角、张裂剪切错距之比、子波主频等5个待反演震源参数，并基于广义反透射系数矩阵方法，分别给出了地面、井中观测的理论位移表达。反演求解在频率域进行，既能有效处理信噪比较低的高频信号，又能减少对震相初至的依赖。构建目标函数时以波形记录的振幅谱相关系数和P波初至极性为约束，充分利用了全波形信息。求解方法采用快速模拟退火法，以便高效、准确求得最优解。此外，还通过理论推导得出了震源假设一致时一般位错模型和矩张量模型的转换关系，并给出由震源机制求解具体破裂参数（剪切错距、张裂错距、标量地震矩、矩震级、应力降、释放能量等）的经验公式，为详细、深入了解压裂区域破裂情况提供定量依据。 针对地面观测、井中观测中震源位于台阵序列之间和一侧等情况分别进行了数值测试，结果表明，在加入15％噪音干扰及震源类型不同的情况下，所得反演结果误差均较小，证明了新方法的稳定性和可行性。实际数据的处理结果则表明:在未进行滤波等降噪处理的情况下，针对不同观测方式（地面、井中），本方法均能得到初至一致、相似度较高的波形拟合结果，证明了本方法准确性高，且具备一定抗噪能力。对比求得的剪切、张裂错距和应力降、释放能量等震源破裂参数的数值还发现，错距信息和应力降等参数并不严格相关，说明错动距离可作为独立的新参数帮助更进一步地了解压裂区域的破裂情况，从而更深入、准确地评估水压致裂效果，更好地为指导实际生产服务。
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