微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

微震監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)桂志先引言微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模反演定位壓裂效果解釋微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來(lái)在低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要新技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)在鄰井中的檢波器來(lái)監(jiān)測(cè)壓裂井在壓裂過(guò)程中誘發(fā)的微地震波來(lái)描述壓裂過(guò)程中裂縫生長(zhǎng)的幾何形狀和空間展布。它能實(shí)時(shí)提供壓裂施工產(chǎn)生裂隙的高度、長(zhǎng)度和方位角，利用這些信息可以優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、優(yōu)化井網(wǎng)或其他油田開(kāi)發(fā)措施，從而提高采收率。引言微地震監(jiān)測(cè)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、精細(xì)反演等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。高壓泵監(jiān)測(cè)井巖石破裂壓裂作業(yè)井微地震事件十二級(jí)接收器引言壓裂事件空間計(jì)算圖C8bC16C11引言1965年：美國(guó)濱州巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始聲發(fā)射和微震研究，稱為AE/MS技術(shù)。1973年：首次開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，這次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究是AMOCO公司等在美國(guó)科羅拉多州的Wattenberg油田進(jìn)行的。目的層為含氣致密砂巖，深約2440m。當(dāng)時(shí)人們沿襲傳統(tǒng)的地震勘探數(shù)據(jù)采集方法，采用布置在地面的檢波器排列來(lái)監(jiān)測(cè)水力壓裂裂縫的發(fā)展。由于地面噪音太高而誘發(fā)微震的水平很低，加之那時(shí)的記錄儀器及數(shù)據(jù)處理方法水平都不高，無(wú)法從這種低信噪比的記錄中識(shí)別出微震信號(hào)來(lái)。試驗(yàn)沒(méi)有成功。引言隨后，1976年美國(guó)著名國(guó)家實(shí)驗(yàn)室桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在Wattenberg油田做了大量工作，試驗(yàn)用地面地震觀測(cè)方式記錄水力壓裂誘發(fā)微震。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于水力壓裂誘發(fā)微震的能量，頻率等特點(diǎn)，以及地層吸收因素等，在地面是不能可靠檢測(cè)到的，因而也就不能用地面觀測(cè)的方法確定水力裂縫方位和幾何形狀，而是應(yīng)該在靠近這種裂縫附近記錄誘發(fā)微震。引言從1973年以來(lái)的一系列試驗(yàn)的失敗中，終于擺脫了幾十年來(lái)地面地震勘探方法的影響，確立了水力壓裂誘發(fā)微震的井下觀測(cè)方法。同時(shí)改進(jìn)和發(fā)展了井下記錄儀器，以及相關(guān)的資料處理和解釋方法。約在20世紀(jì)70年代末，用水力壓裂誘發(fā)微震研究裂縫方法的可行性得到了人們的承認(rèn)。此后，更多的石油公司和大學(xué)、科研單位陸續(xù)加入這項(xiàng)研究，使這一技術(shù)得到持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)展，并逐漸實(shí)用化。引言微震觀測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵部分是井下觀測(cè)儀器。由于誘生微震能量非常弱，頻率很高（約為100∽1500Hz），傳播方向復(fù)雜，以及井下高溫、高壓、高腐蝕性的惡劣環(huán)境，要求微震監(jiān)測(cè)用井中檢波器是高靈敏度、高頻、體積小的三分量檢波器，其本身及有關(guān)連接件、信號(hào)傳輸線等應(yīng)具有耐高溫、高壓和耐腐蝕的性能。引言20世紀(jì)70年代普通井中檢波器或VSP測(cè)井用檢波器，其技術(shù)性能低。20世紀(jì)90年代發(fā)展到高性能多級(jí)檢波器串，即每口觀測(cè)井中可一次安置多個(gè)三分量檢波器。今天多級(jí)檢波器串，記錄主頻可達(dá)1000Hz以上，可耐150℃，承受69Mpa高壓。井下檢波器的連接件和電纜或光纜可滿足多級(jí)（如50級(jí)）三分量檢波器同時(shí)觀測(cè)的高速數(shù)據(jù)流（的要求。引言

數(shù)據(jù)處理和解釋方法－－經(jīng)歷了單粗糙的縱橫波時(shí)差法，到現(xiàn)在的多種精細(xì)處理解釋方法。在20世紀(jì)90年代后期，微震絕對(duì)定位誤差僅為12∽40m，裂縫走向方位角精度為2°∽6°。在21世紀(jì)初，絕對(duì)定位誤差已降到10m以下。并可從微震能量、頻譜、波形特征等參數(shù)，以及微震位置時(shí)空變化等數(shù)據(jù)得到有關(guān)微震發(fā)震機(jī)制、水力壓裂裂縫發(fā)育過(guò)程的可靠信息，促進(jìn)了水力壓裂理論和技術(shù)的發(fā)展。但是，水力壓裂裂縫成像技術(shù)還不是很成熟，其軟硬件的商業(yè)化程度還不高。引言C–SeisPTTM微地震監(jiān)測(cè)解釋軟件聲發(fā)事件的探測(cè)聲發(fā)事件的分析微地震的定位壓裂裂縫繪制引言左圖:模擬無(wú)裂縫的均勻介質(zhì)中P波和S波的傳播.(圖中小圓圈為接收點(diǎn),星號(hào)為震源-小裂縫)

右圖:模擬有裂縫時(shí)的波傳播情況(a.40毫秒時(shí)b.75毫秒時(shí).P波和S波的速度從外部巖石向裂縫內(nèi)部明顯下降)檢波器檢波器裂縫P波的水平/垂直速度比S波的水平/垂直速度比(無(wú)裂縫時(shí))P波的水平/垂直速度比S波的水平/垂直速度比(有裂縫時(shí))左圖:在一個(gè)裂縫中由10個(gè)微地震所產(chǎn)生的導(dǎo)波在400毫秒時(shí)的傳播情況右圖:有一個(gè)微地震時(shí)在低速裂縫帶附近波的傳播情況(圖中虛線為裂縫邊界P波S波裂縫外圈裂縫內(nèi)圈微地震采集－裂縫監(jiān)測(cè)的結(jié)果PassiveMonitorWell觀測(cè)井PlanView平面圖WellWell壓裂井引言由美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和聯(lián)合太平洋資源公司在美國(guó)COTTON山谷所作的壓裂裂縫檢測(cè)試驗(yàn)采用48級(jí),三分量井下檢波器在采用了主波組,相對(duì)成像技術(shù)后得到的震源位置原來(lái)的,絕對(duì)確定的震源位置微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模反演定位壓裂效果解釋1、微震的產(chǎn)生機(jī)理地震地球介質(zhì)的一種聲發(fā)射現(xiàn)象..巖石聲發(fā)射:巖石變形時(shí)，局部地區(qū)應(yīng)力集中，可能會(huì)發(fā)生突然的破壞，從而向周圍發(fā)射出彈性波，這就是巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象.（陳颙等，1984）。1、微震的產(chǎn)生機(jī)理水力壓裂時(shí)，大量高粘度高壓流體被注入儲(chǔ)層,使孔隙流體壓力迅速提高,高孔隙壓力以剪切破裂和張性破裂兩種方式引起巖石破壞。巖石破裂時(shí)發(fā)出地震波，儲(chǔ)存在巖石中的能量以波的形式釋放出來(lái)。誘發(fā)微震以剪切破裂為主要誘因。1、微震的產(chǎn)生機(jī)理壓裂示意圖滑動(dòng)產(chǎn)生P和S波(壓縮波和剪切波)速度不同 P波>S波可用三分量檢波器接收PS巖石破裂P(t1)S(t1)P(t2)S(t2)檢波器XY1、微震的產(chǎn)生機(jī)理三分量檢波器記錄的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后可得到微震記錄，其中每個(gè)微震都是P波在前，S波在后，它們都有三個(gè)分量;一個(gè)垂直分量（V），兩個(gè)水平分量（H1和H2）。1、微震的產(chǎn)生機(jī)理微地震裂縫監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)__裂縫監(jiān)測(cè)圖與側(cè)視圖1、微震的產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模反演定位壓裂效果解釋地面記錄系統(tǒng)地面記錄系統(tǒng)：HDSeisGeoResImagine采樣率：0.25ms監(jiān)測(cè)方式：連續(xù)監(jiān)測(cè)、事件觸發(fā)數(shù)據(jù)格式：SEG-2記錄長(zhǎng)度：3s（連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）、0.5s（觸發(fā)事件數(shù)據(jù)）監(jiān)測(cè)窗口：256ms2、數(shù)據(jù)采集10m10m10m10m10m10m檢波器1檢波器2檢波器3檢波器4檢波器5檢波器6檢波器7電纜頭60m井下檢波器：OYOGeospaceDDS-250檢波器級(jí)數(shù)：7級(jí)（采用10m柔性連接）前放增益：42db井下采集儀器2、數(shù)據(jù)采集壓裂作業(yè)曲線2、數(shù)據(jù)采集井下檢波器的位置設(shè)計(jì)裂縫檢波器微地震3.2m/1層2592.8m2596.0m2570m2630m184.2m2、數(shù)據(jù)采集射孔記錄2、數(shù)據(jù)采集微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模反演定位壓裂效果解釋

微震事件能量弱、頻率高、持續(xù)時(shí)間短，因此容易受周圍噪聲影響或遮蔽。鑒于微震資料的這些特點(diǎn)，為了可以精確的進(jìn)行初至拾取和震源定位，故需要對(duì)微震資料進(jìn)行一系列處理。首先通過(guò)預(yù)處理和合理濾波，使過(guò)濾背景噪音的微震信號(hào)顯示一致；然后選擇有利的微震事件做極化分析和初至拾取，獲取相對(duì)震源的方位角和縱橫波時(shí)差，同時(shí)依據(jù)縱橫波時(shí)差建立速度模型，從而達(dá)到震源精確定位的目的。3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法微地震的頻譜頻率超過(guò)1500Hz3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法數(shù)據(jù)處理的困難:

▼微震能量弱、頻率高、持續(xù)時(shí)間短，因此容易受周圍噪聲影響或遮蔽。

▼不知微震絕對(duì)能量;▼速度場(chǎng)測(cè)不準(zhǔn):裂縫帶及其周圍膨脹區(qū)地震波速度降低,其速度分布隨時(shí)間變化.3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法方位角校正3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法方位角校正3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法方位角校正結(jié)果3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法譜分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶通濾波器設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶通濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法低通濾波器設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法低通濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法高通濾波器設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法高通濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶阻濾波設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶阻濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模反演定位壓裂效果解釋層狀均勻介質(zhì)模型假設(shè)介質(zhì)呈水平層狀分布，每一層內(nèi)介質(zhì)均勻分布，同層速度每個(gè)方向上都是相同的。利用測(cè)井，地震以及其它方法獲得目標(biāo)地質(zhì)體的詳細(xì)速度分布，確定層狀均勻模型的地層深度H,以及相對(duì)應(yīng)地層P波，S波的傳播速度。4、正演地質(zhì)建模XZEZZ1Z2H1H2V0V1V24、正演地質(zhì)建模旅行時(shí)求取示意圖4、正演地質(zhì)建模正演模擬流程圖4、正演地質(zhì)建模微震波形組合及初至排列時(shí)距曲線成雙曲線狀4、正演地質(zhì)建模正演特征分析微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模反演定位壓裂效果解釋5、反演定位方法研究縱橫波時(shí)差法

當(dāng)記錄上同時(shí)存在同一微地震事件的足夠高信噪比的縱波信號(hào)和橫波信號(hào)，而且縱、橫波速度都已知時(shí)，可采用此方法。設(shè)點(diǎn)Qk(xqk,yqk,zqk)為第K次破裂時(shí)的破裂源，Pi(xpi,ypi,zpi)為第i個(gè)測(cè)點(diǎn).5、反演定位方法研究同型波時(shí)差法當(dāng)在點(diǎn)記錄的信號(hào)上無(wú)法確定出S波和P波的到時(shí)之差，但不同測(cè)點(diǎn)的P波或S波到時(shí)可以確定時(shí)（以S波到達(dá)時(shí)可以確定為例），也可以得到求解Qk(xqk,yqk,zqk)的基本方程組：當(dāng)測(cè)點(diǎn)數(shù)大于4時(shí)，可由上述方程組求得Qk(xqk,yqk,zqk)。5、反演定位方法研究Geiger修正法由于以上兩種方法操作起來(lái)卻比較困難，再加上測(cè)量誤差和速度場(chǎng)擾動(dòng)，其解通常是不穩(wěn)定的。通常的做法是對(duì)方程組進(jìn)行近似和簡(jiǎn)化，得到一組近似解，然后再用Geiger法進(jìn)一步修正，得到震源坐標(biāo)的精確解。Geiger修正法包含2步，首先利用Tayler展開(kāi)建立各觀測(cè)點(diǎn)的關(guān)于震源參數(shù)（坐標(biāo)和/或到時(shí)）修正量的線性方程組：R為實(shí)測(cè)到時(shí)與初始參數(shù)計(jì)算到時(shí)之差，是已知量；a，b，c為時(shí)距函數(shù)在初始點(diǎn)的偏微分，也是已知量；e是二次以上的高截誤差；σx、σy、σz

、是待求的震源參數(shù)修正量。下一步利用最小二乘原理，令e的平方和最小化，從而建立下列線性方程組：5、反演定位方法研究反射線追蹤定位的基本原理在均勻各向同性介質(zhì)假設(shè)下，微震的P波以較高速度首先到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)（即檢波器位置），其質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的矢量平行于波的傳播方向，即平行震源到觀測(cè)點(diǎn)的徑向矢量r，通過(guò)極化分析，故我們可以知道震源與X,Y,Z軸的方位角，如我們知道P波的速度，就可以計(jì)算出以檢波器為原點(diǎn)，以平行于震源到檢波器的徑向矢量為方向的射線（如下圖）。5、反演定位方法研究層狀介質(zhì)中反射線定位模型5、微震定位方法研究1、以檢波器坐標(biāo)（xi,yi,zi）(i=1,2,3,4,5,6,7)為起點(diǎn)，以一個(gè)采樣間隔為步長(zhǎng)