微震監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)

1、微震監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)微震監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)引言引言微震產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模正演地質(zhì)建模反演定位反演定位壓裂效果解釋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?xún)?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)。幾個(gè)關(guān)鍵技

2、術(shù)。高壓泵高壓泵監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)井巖石破裂巖石破裂壓裂作業(yè)井壓裂作業(yè)井微地震事件微地震事件十二級(jí)接收器十二級(jí)接收器引言引言壓裂事件空間計(jì)算圖c8bc16c11引言引言 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(chēng)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

3、微震信號(hào)來(lái)。試驗(yàn)沒(méi)有成功。 引言引言 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

4、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。引言引言微震觀測(cè)設(shè)備微震觀測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵部分是井下觀測(cè)儀器。由于的關(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 為誘 生 微 震 能 量 非 常 弱 ， 頻 率 很 高 （ 約 為1001500hz），傳播方向復(fù)雜，以及井下高溫、高），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，其本器是高靈敏度、高頻

5、、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(xiàn)等應(yīng)具有耐高溫、高壓身及有關(guān)連接件、信號(hào)傳輸線(xiàn)等應(yīng)具有耐高溫、高壓和耐腐蝕的性能。和耐腐蝕的性能。引言引言 20世紀(jì)世紀(jì)70年代普通井中檢波器或年代普通井中檢波器或vsp測(cè)井用檢波器，測(cè)井用檢波器，其技術(shù)性能低。其技術(shù)性能低。 20世紀(jì)世紀(jì)90年代發(fā)展到高性能多級(jí)檢波器串，即每口年代發(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。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)今天多級(jí)檢波器串，記錄主頻可達(dá)1000hz以上，可以上，可耐耐150，承受，承受69mpa高壓。井下檢波器的連接件和電纜高壓。

6、井下檢波器的連接件和電纜或光纜可滿(mǎn)足多級(jí)（如或光纜可滿(mǎn)足多級(jí)（如50級(jí)）三分量檢波器同時(shí)觀測(cè)的高級(jí)）三分量檢波器同時(shí)觀測(cè)的高速數(shù)據(jù)流（的要求。速數(shù)據(jù)流（的要求。引言引言 數(shù)據(jù)處理和解釋方法數(shù)據(jù)處理和解釋方法經(jīng)歷了單粗糙的縱橫波時(shí)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。差法，到現(xiàn)在的多種精細(xì)處理解釋方法。在在20世紀(jì)世紀(jì)90年代后期，微震絕對(duì)定位誤差僅為年代后期，微震絕對(duì)定位誤差僅為1240m，裂，裂縫走向方位角精度為縫走向方位角精度為26。在在21世紀(jì)初，絕對(duì)定位誤差已降到世紀(jì)初，絕對(duì)定位誤差已降到10m以下。并可從微震能以下。并可從微震能量、頻譜、波形特征等參數(shù)，以及微震位

7、置時(shí)空變化等數(shù)據(jù)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，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。像技術(shù)還不是很成熟，其軟硬件的商業(yè)化程度還不高。引言引言c seispttmc seispttm微地震監(jiān)測(cè)解釋軟件微地震監(jiān)測(cè)解釋軟件 聲發(fā)事件的探測(cè)聲發(fā)事件的探測(cè) 聲發(fā)事件的分析聲發(fā)事件的分析 微地震的定位微地震的定位 壓裂裂縫繪制壓裂裂縫繪制 引言引言裂縫裂縫p p波的

8、水平波的水平/ /垂直垂直速度比速度比s s波的水平波的水平/ /垂直垂直速度比速度比( (無(wú)裂縫時(shí)無(wú)裂縫時(shí)) )p p波的水平波的水平/ /垂直垂直速度比速度比s s波的水平波的水平/ /垂直垂直速度比速度比( (有裂縫時(shí)有裂縫時(shí)) )裂縫外圈裂縫外圈裂縫內(nèi)圈裂縫內(nèi)圈well引言引言由美國(guó)由美國(guó)los alamoslos alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和聯(lián)合太平洋資源公司在室和聯(lián)合太平洋資源公司在美國(guó)美國(guó)cotton cotton 山谷所作的壓裂山谷所作的壓裂裂縫檢測(cè)試驗(yàn)裂縫檢測(cè)試驗(yàn)采用采用4848級(jí)級(jí), ,三分量井下檢波器三分量井下檢波器在采用了主波組在采用了主波組, ,相對(duì)成相對(duì)成像技術(shù)

9、后得到的震源位置像技術(shù)后得到的震源位置原來(lái)的原來(lái)的, ,絕對(duì)確定的絕對(duì)確定的震源位置震源位置微震產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模正演地質(zhì)建模反演定位反演定位壓裂效果解釋壓裂效果解釋1、微震的產(chǎn)生機(jī)理、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?chē)l(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、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)

10、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、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巖石破裂巖石破裂p(t1)s(t1)p(t2)s(t2)檢波器檢波器xy1、微震的產(chǎn)生機(jī)理、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、微震的產(chǎn)生機(jī)理微地震裂縫監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)微地震裂縫監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)_裂縫監(jiān)測(cè)圖與側(cè)視圖裂縫監(jiān)測(cè)圖與側(cè)視圖 1、微震的產(chǎn)生機(jī)理、微

11、震的產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模正演地質(zhì)建模反演定位反演定位壓裂效果解釋壓裂效果解釋地面記錄系統(tǒng)地面記錄系統(tǒng) 地面記錄系統(tǒng)：地面記錄系統(tǒng)： hdseis geores imagine采樣率：采樣率：0.25ms監(jiān)測(cè)方式：連續(xù)監(jiān)測(cè)、事件觸發(fā)監(jiān)測(cè)方式：連續(xù)監(jiān)測(cè)、事件觸發(fā)數(shù)據(jù)格式：數(shù)據(jù)格式：seg-2記錄長(zhǎng)度：記錄長(zhǎng)度：3s（連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）、（連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)）、0.5s（觸發(fā)事件數(shù)據(jù)）（觸發(fā)事件數(shù)據(jù)）監(jiān)測(cè)窗口：監(jiān)測(cè)窗口：256ms2、數(shù)據(jù)采集、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

12、井下檢波器：井下檢波器：oyo geospace dds-250檢波器級(jí)數(shù)：檢波器級(jí)數(shù)：7級(jí)（采用級(jí)（采用10m柔性連接）柔性連接）前放增益：前放增益：42db 井下采集儀器井下采集儀器 2、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集壓裂壓裂作業(yè)曲線(xiàn)2、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集井下檢波器的位置設(shè)計(jì)井下檢波器的位置設(shè)計(jì)裂縫裂縫檢波器檢波器微地震微地震3.2m/1層層2592.82592.8m m2596.02596.0m m2570m26302630m m184.2m184.2m2、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集射孔記錄2、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集微震產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模正演地質(zhì)建模反演定位反演定位

13、壓裂效果解釋壓裂效果解釋 微震事件能量弱、頻率高、持續(xù)時(shí)間短，因此容易受周?chē)肼曈绊懟蛘诒?。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、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法微地震的頻譜微地震的頻譜頻率超過(guò)頻率超過(guò)1500hz3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法 數(shù)據(jù)處理的困難數(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?chē)肼曈绊?/p>

14、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?chē)蛎泤^(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、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法方位角校正方位角校正3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法方位角校正方位角校正3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法方位角校正結(jié)果方位角校正結(jié)果3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法譜分析譜分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶通濾波器設(shè)計(jì)帶通濾波器設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶通濾波后效果分析帶通濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法低通濾波器設(shè)計(jì)低通濾波器設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法低通濾波后效果分析低通

15、濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法高通濾波器設(shè)計(jì)高通濾波器設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法高通濾波后效果分析高通濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶阻濾波設(shè)計(jì)帶阻濾波設(shè)計(jì)3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法帶阻濾波后效果分析帶阻濾波后效果分析3、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法、壓裂監(jiān)測(cè)處理方法微震產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模正演地質(zhì)建模反演定位反演定位壓裂效果解釋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)利用測(cè)井，地震以及

16、其它方法獲得目標(biāo)地質(zhì)體的詳細(xì)速度分布，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、正演地質(zhì)建模xzezz1z2h1h2v0v1v24、正演地質(zhì)建模、正演地質(zhì)建模旅行時(shí)求取示意圖旅行時(shí)求取示意圖4、正演地質(zhì)建模、正演地質(zhì)建模正演模擬流程圖正演模擬流程圖4、正演地質(zhì)建模、正演地質(zhì)建模微震波形組合及初至排列微震波形組合及初至排列時(shí)距曲線(xiàn)成時(shí)距曲線(xiàn)成雙曲線(xiàn)狀雙曲線(xiàn)狀4、正演地質(zhì)建模、正演地質(zhì)建模正演特征分析微震產(chǎn)生機(jī)理微震產(chǎn)生機(jī)理數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理正演地質(zhì)建模正演地質(zhì)建模反演定位反演定位壓裂效果解釋壓裂效果解釋5、反演定位方法研究

17、、反演定位方法研究)()()()(21222spspkiqkpiqkpiqkpivvvvtzzyyxx縱橫波時(shí)差法縱橫波時(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).),(qkqkqkkzyxq5、反演定位方法研究、反演定位方法研究同型波時(shí)差法同型波時(shí)差法),(qkqkqkkzyxq 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(xq

18、k,yqk,zqk)的基本方程組： )()()()()()()(12121212121222kkisqkpqkpqkpqkpiqkpiqkpittvzzyyxxzzyyxx當(dāng)測(cè)點(diǎn)數(shù)大于當(dāng)測(cè)點(diǎn)數(shù)大于4時(shí)，可由上述方程組求得時(shí)，可由上述方程組求得qk(xqk,yqk,zqk) 。5、反演定位方法研究、反演定位方法研究geiger修正法修正法),(qkqkqkkzyxq 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(xiàn)性方程組：nininiiiiiiniiiniinininiiiiiiniiiniinininiiiiiiiniiniinininiiiiniirczcycbxcatcrbzcbybxbatbrazcaybaxatarzcybxatn1112111112111111211111. 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；x、y 、z 、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(xiàn)性方程組：5、反演定位方法研究