微地震台阵网天然地震层析成像技术在油田深层构造解析中的应用

微地震台阵网天然地震层析成像技术在油田深层构造解析中的应用 微地震台阵网天然地震层析成像技术 在油田深层构造解析中的应用 1121111 王小凤, 冯梅, 史大年, 马寅生, 陈宣华, 区明益, 霍光辉, 111111 王连庆, 田晓娟, 张西娟, 李会军, 李国岐, 蒋荣宝 11211WAN G Xiao- feng, FEN G Mei, SH I Da- nian, MA Yin- sheng, CH EN Xuan- hua, 1111O U Ming- yi, H U O Guang- hui, WAN G Lian- qing, T IAN Xiao- juan, 1111Z H AN G Xi- juan, LI H ui- jun, LI Guo- qi, JIAN G R ong- bao 1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081; 2. 中国地质科学院矿产资源研究所, 北京 100037 1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China; 2. Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China 摘要: 天然地震层析成像相对于传统的反射地震方法而言是一种新的经济的勘探方法。这是由于天然地震层析成像所需的观测 值直接来自于研究区下方发生的天然微地震, 而反射地震却需要在研究区 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面进行人工放炮。因此本工作是将天然地震层析成 2100 km地区的深层构造的尝试性研究。626个地震事件的3289个P波到时的初步结果与 像方法应用于柴达木盆地西部某油田约 , 微地震的分布也与研究区中 研究区已知的大的构造吻合较好。该模型中非常显著的特征就是观测到一个北西向的背斜。此外 活动断裂带的位置基本一致。 关键词: 天然微地震; 层析成像; 深层构造; 地震事件; 活动断裂带 中图分类号: P618.130.2; P631.4 文献标识码: A 文章编号: 1671- 2552( 2006) 09,10- 1028- 04 Wang X F , Feng M , Shi D N, Ma Y S, Chen X H , Ou M Y, Huo G H , Wang L Q , Tian X J , Zhang X J , Li H J , Li G Q , J iang R B. Application of passive seismic tomogr aphic imaging techniques in the study of deep tec- tonics in oil fields. Geological Bulletin of China , 2006, 25( 9,10) : 1028- 1031 Abstr act: Passive seismic tomographic imaging is a new and economical exploration method as compared to the traditional seismic reflection method because passive seismic tomographic imaging only needs observations directly from micro- earthquakes occurring underneath the study area, while the reflection method needs firing shots at the surface. So this work is an attempt to use the 2 passive seismic tomographic imaging technique to study deep tectonics beneath an area of ,100 kmin an oilfield in the western Q aidam basin. The preliminary results based on a total of 3289 P- wave arrival times of 626 seismic events show good coinci- dence with the known large tectonics of the study area. A very striking feature imaged by the proposed model is a N W- trending large anticline. In addition, the micro- earthquakes are also in the main located along the active fault belt. Key wor ds: passive microseismic; tomographic imaging; deep tectonics; seismic event; active fault belt 中国西部某油田, 由于受新构造运动的影响, 地 表 切 割 尽管长期以来一直是该区的重要勘探手段并发挥了很大 等) 严重, 地形起伏大, 地下断裂构造复杂, 的作用, 但是, 常规的垂直反射地震 由于非地震方法的物理分辨力不足, 无法满足 ( 如电法、大地电磁法 , 研究和探索适合于本地 方法难以取得理想的效果。非地震方法目前勘探和生产的迫切需要。所以 收稿日期: 2006- 02- 07; 修订日期: 2006- 06- 27 地调项目: 国家油气专项之《柴达木盆地油气资源战略调查及评价》课题( N o.XQ - 2004- 01) 和地质调查工作项目《西部地区主要沉积 盆地形成演化及油气资源富集成藏规律综合研究》( N o.资[ 2006] 036- 1) 资助。 作者简介: 王小凤( 1941- ) , 女, 研究员, 从事地质力学及矿产资源方面的应用研究。E- mail: wxf@cags.net.cn 区油气勘探的地球物理新技术成为重要的研究课题之一。R EFTEK 130便携式天然地震记录仪, 在中国西部某油田大 天然地震方法是目前地球深部构造研究中最重要的、分 约6 km×10 km的范围内, 布设了一个小型地震观测台阵进行 辨率较高的研究方法, 在地球动力学研究领域中占有特别重 天然地震观测, 每个地震记录仪连接1个三分量和3个单分量 要的地位, 发挥了重要作用。可以说, 目前关于地球内部( 包 的SEN SL- 22型 ( 2 Hz) 检 波 器 , 其 间 台 站 还 进 行 了 一 次 整 体 括地壳、地幔和地核) 许多最基本的信息都是由天然地震方 搬家, 以缩小台站间距、增加层析反演结果的空间分辨率。仪 法提供的。与油气勘探中常用的垂直反射地震方法相比, 垂 器采用连续记录的方式工作, 采样率设为250 Hz。仪器的时 直反射地震方法的主要优点是分辨率高, 缺点是受地表激发 间由GPS系统提供。 和接收条件影响较大, 特别是当地下构造界面的倾角较大时 经过近1年时间的运行, 仪器工作 状 况 良 好 。 地 震 事 件 会严重影响该方法的应用效果。天然地震方法由于地震波信 发 生 频 度 在2004 年11 月—2005 年1 月 期 间 和1500,2300 m 最 号经过长途旅行后高频信号存在衰减 , 分辨率一般 相 对 较 高( 图1和图2) 。 低, 但是, 由于其具有成本低、探测深度大、受地表接收条件 影响较小、地震波形中包含的信息丰富等优点, 所以探索将 天然地震方法应用于油气生产和勘探方面的研究一直不断。 例如比较著名的爱丁堡各向异性 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ( Edinburgh Anisotropy Project) 就 是 通 过 观 测 地 震 波 的 各 向 异 性 来 研 究 ( 液 体 充 填 [1]裂隙的) 储油构造的大小和在开采过程中发生的变化的。 在过去20年中, 多种天然地震方法得到了迅猛发展, 比 如出现了与反射地震剖面方法相类似的所谓的地震 接 收 函 [2] 数方法, 大家所熟悉的天然地震层析成像方法也得到了 迅 [3]速发展, 其中层析成像方法在矿产资源评价领域已经得 到 [4]了一些探索性的研究和应用。 在国土资源部和中石油的大力支持下, 自2004年以来, 笔者选择中国西部某油田作为试点, 采用多种天然地震方法 进行试验研究。研究内容包括P波和S波走时层析成像反演, 以获得研究区深部三维地壳结构、断层三维展布和泊松比分 布的图像, 监测断裂活动获得实时可恢复的地震应力降、地 震能量释放和蠕变位移量三维展布、天然地震和诱发地震的 图2 地震事件随高程的分布 震中( 源) 分布等图像。采用如此众多的天然地震方法进行油 Fig.2 Distribution of seismic events with elevation 田构造研究, 在国内尚属首次, 即使在国外也不多见。 1 数据采集 从 2004 年 10 月 8 日 到 2005 年 10 月 期 间 , 笔 者 利 用 8 台 图1 地震事件随时间的分布 图3 地震震级的分布 Fig.1 Distribution of seismic events with time Fig.3 Distribution of earthquake magnitudes 1030 质通报地 GEOLOGICAL BULLETIN OF CHINA 2006 年 首先用软件从转换了的地震数据中 采用触发方式提取出触发地震事件, 一般 均 每 天 产 生 的 触 发 事 件 大 约 有275 个 。 平 后 用 肉 眼 识 别 的 方 法 再 从 这 些 触 发 事 然 中 筛 选 出 发 生 在 研 究 目 标 区 域 内 的 地 件 方震, 这也是一件十分费时的工作。筛选 结果显示, 一般每天可记录到大约有3,5 , 20055个良好的地方震。目前对年月以前 得的数据地震事件的筛选工作已经基 取 本结束。最后, 对每个筛选出的地震事件 进行P波和S波到时的拾取, 以进行地震位 P波和S 置确定及速度结构反演工作。目前 波到时的拾取工作还没有最终完成。震相 提取的具体步骤如下。 ( 1) : 事件的自动触发这一部分由于 , 每天每台计算机 不需要太多的人为操作 完 成 一 个 月 的 数 据 量 。 由 于 是 自 动 触 可 发, 所以一些非地震事件也被当作地震事 件保留下来, 275每天约生成个自动触发 7个月的数据自动触 事件。已经完成了对 发事件的选取。 ( 2) 事 件 的 人 工 选 取 : 由 于 每 天 实 际 可用的事件一般只有3,4个, 所以需要从 自动触发事件中挑出有用事件。这一步基图4 P波速度为3km /s的等速面所在深度分布图( D- D′为图5剖面位置) 本是人为操作, 所以每人每天只能完成约7天的数据量。目前 Fig.4 Depth contour of the isovelocity surface 626个有效的地震事件。 已经选取了近 with the P- wave velocity= 3 km /s ( 3) P波和S波走时的拾取: 对人工选取的近626个事件进 P波和S波走时的拾取。按每个地震事件有8台3分量地震数 行 据, 则需要提取14400( 600×8×3) 个P波和14400个S波的走时。 2 速度结构反演, 而且完全由人机交 由于这一步直接关系到最后结果的好坏 互完成, 所以处理速度相对较慢, 人均每天只能完成30,40个 基本原理 2.1 事件的走时拾取。这部分工作仍在进行当中。类似于医学上利用X射线对人体内器官进行成像以便查 ( 4) 计算地震震级, 确定震源位置( 图3) : 提取完 所 有 走 找其病变的原理, 地震层析成像是利用地震波来对地球内部 后 , 将 对 地 震 事 件 进 行 定 位 , 并 求 其 震 级 。 时三维结构进行成像以便发现地下波速异常的技术。自从30年 [5]前Aki等首次把天然地震层析成像 技 术 应 用 于 研 究 三 维 地 球结构之后, 该技术在大尺度的地球深部结构研究中得到了 越来越广泛的应用, 并取得了引人注目的结果, 推动了 地 球 , 天然地震层析成 科学的飞速发展。但由于一些条件的限制 图5 沿D- D′的P波速度剖面(剖面位置见图4) Fig.5 P- wave velocity profile along D- D′ 背斜。另外, 地震分布( 黄色方块) 比较集中的地带与该研究 像技术在小尺度的资源( 如石油) 勘探领域的应用却是近年 来才在国际上兴起的。本文介绍了笔者将该技术首次引入到 区大的活动断裂所在位置吻合较好。 国内油田勘探中所做的一些尝试性研究工作。 图5显示了沿着图4中D- D′所在位置的P波速度剖面。很 明显, 在该剖面中部300 m深度处存在一个明显的背斜构造, 天然地震层析成像勘探技术主要是利用密集高频微地震 而且在该背斜转折端有较多的地震分布。 台阵网记录到的天然或诱发地震事件的体波 ( 横波或纵波) 的 到时( T) 信息来反演得到研究区三维波速( v) 的分布。地震波波 速异常在空间上的分布往往对应于岩石或土壤成分变化在空 3 讨论间上的分布, 反之亦然。据此, 就可以通过层析成像得到的地震 波波速的三维分布来得到岩石或土壤成分在空间分布上的三 在天然微地震层析成像中, 首先需要半年到一年的时间 维特征, 从而得到所有( 活动和不活动) 构造面的空间状态。这 来等待足够的地震事件。另外, 结果的精度依赖于微地震活 些结果在油田深层地质构造解析中有着非常重要的作用。 动的频繁程度。对于微地震多发和地震波路径密度较高的区 域 , 其精度较高; 对于微地震极少和地震波路径密度较 低 的 在地震层析成像中, 地震波沿着波的传播路径到达地震 区域, 其精度较低。对于地震较少的地区, 可以用人工方法来 台站所需要的时间T可以表示为对波的传播路径上的走时积 诱发地震或人工激发地震等来改善地震波路径的密度分布, 分。而层析成像通常要将研究区划分为均匀的网格, 以便将 [6]并提高精度。 走时积分离散化为走时叠加: 台阵 天然地震层析成像最大的优 点 是 适 应 于 各 种 复 杂 的 地 区和环境。通过运用密集高频地震台网进行微地震观测, 可 以获得大量表征地下构造活动的( 天然和人工诱发的) 微 地 dl震记录。利用地震台阵网记录的连续性数据, 就可以得到地 jT = dt? !#v j j下活动构造( 如断层等) 的四维活动情况( 即构造活动在空间 震中 上的分布及在时间上的变化规律) 。 式 中 : T—体 波 走 时 ( 单 位 : s) , 是 观 测 量 ; dt—走 时 积 分 单 元 通过利用微地震数据进行层析成像反演计算, 不但可以 ( 单位: s) ; dl—波传播路径在第j个网格中的长度( 单位: km) ; j得到地下岩层P波三维速度结构, 也可以得到S波三维速度结 v—研究区中第j个网格中的波速( 单位: km /s) , 是待求量。 j 构及泊松比三维结构。根据这些地球物理参数的三维结构, 对于一个地区, 可以收集到很多地震波到 时 资 料 , 因 此 就可以准确确定地下岩石成分及构造的三维分布等。这些三 可以建立很多这样的方程。通过这些线性方程组中已知的走 维分布是极其重要的反映地下岩层和构造分布的资料, 是矿 时( T) 和波的传播路径分布( dl) , 求出速度分布( v) 。这实际 jj产资源勘探的重要依据。 上就是一个典型的稀疏矩阵线性反演问题。所以走时层析成 像工作主要包括以下3步: ?选取并确定震相( 如直达的纵波 和横波) 的到时; 确定微地震震源位置, 以便获得波的传播? 路径分布; ?反演研究区三维波速结构。 参考文献: 2.2 应用实例及初步结果[1]Crampin S. The new geophysics: shear- wave splitting provides a 笔者将天然地震层析成像方法应 用 于 柴 达 木 盆 地 西 部 window into the crack- critical rock mass[J]. The Leading Edge, 2约100 km的 区 域 , 获 得 了 较 好 的 初 步 结 果 ( 图4 和 图5) 。 这 , 22 536- 549. 2003: 些结 果 用 到 了16 个 台 阵 约 半 年 的 波 形 记 录 数 据 。从 中 选 出 [2]Kosarev G, Kind R , Sobolev S V, et al. Seismic evidence for a 了626 个 地 震 事 件 的3289 个P 波 到 时 。研 究 区 范 围 为 南 北 向 detached Indian lithospheric mantle beneath Tibet[J]. Science, , 199910 km, 东西向10 km, 深 部5 km。 模 型 划 分 为 南 北 向 间 距 283: 5406, 1306- 109. 0.5 km, 东西向间距0.5 km, 深部方向间距0.25 km。当然从上 [3]Zhao D P, Kayal J R . Impact of seismic tomography on earth 面的公式可以看到, 随着记录的地震事件和台阵数量增多, 线sciences, special section: seismology 2000 [J]. Current Science, 性方程的数量也增多, 这样就可以将模型划分得更细, 进 2000, 79( 9) : 1208- 1214. 一步反演更精细的结构。 [4]史大年, 吕庆田, 徐明才, 等.铜陵矿集区地壳浅表结构的地震层析 尽管笔者的初步研究结果建立在比较粗糙的模型上, 但 研究[J].矿产地质, 2004, 23( 3) : 383- 389. 其仍然反映了有用可靠的地质构造信息。图4表示了P波速度 [5]Aki K, Christoffersson A, Husebye E S, et al. Three - dimen- 为3 km /s的等速面所在深度的分布。其中的三角形表示台站 sional seismic - velocity anomalies in the crust and upper - mantle 的位置, 黄色方块表示地震的位置, 红色圆圈表示钻井。图中 under the U.S.G.S. California seismic array ( abstract) [J]. EO S 红色填充区域表示3 km /s的P波速度等速面比较浅, 蓝色表 Trans. AGU , 1974, 56: 1145. 示等速面比较深。从图中可以看出, 沿着灰色虚线的P波速度 [6]Thurber C H. Local earthquake tomography: velocities and Vp / 等于3 km /s的深度较两侧浅, 据此推断该位置是一北西向的 Vs- theory[A]. In: Lyer H M, Hirahara K, eds. Seismic Tomog- raphy: Theory and Practice [C ]. London : Chapman & Hall, 1993.563- 583.