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微地震技术在裂缝监测中的应用研究_严永新

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地震 技术 裂缝 监测 中的 应用 研究 永新
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第 20卷 第 3期2013年 5月地学前缘 (中国地质大学 (北京 );北京大学 )Earth Science Frontiers(China University of Geosciences(Beijing);Peking University)Vol.20No.3May 2013http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)收稿日期 :2012-07-20;修回日期 :2012-11-27基金项目 :中国石化集团公司科技开发部项目 “泌阳凹陷陆相页岩油气成藏条件评价 ”(P11081)作者简介 :严永新 (1968—),男 ,高级工程师 ,现主要从事石油天然气地质综合研究 、勘探生产及科研管理工作 。E-mail:hnytyyx@126.com微地震技术在裂缝监测中的应用研究严永新1,2,张永华2,陈祥2,罗家群2,章新文21.成都理工大学,四川 成都6100592.中国石化 河南油田分公司 勘探开发研究院,河南 南阳473132YAN Yongxin1,2,ZHANG Yonghua2,CHEN xiang2,LUO Jiaqun2,ZHANG Xinwen21.Chengdu University of Technology,Chengdu,610059,China2.Petroleum Exploration &Development Research Institute of Henan Oilfield,Sinopec,Nanyang473132,ChinaYAN Yongxin,ZHANG Yonghua,CHEN Xiang,et al.The application of micro-seismic technologyin fracture monitoring.Earth Science Frontiers,2013,20(3):270-274Abstract:This paper discusses the stimulating mechanism of inducing micro-seismic in the fracturing process,analyzes the relationship between artificial fractures and crustal stress and describes the orientation method ofseismic events.Using the micro-seismic monitoring technology,we monitored in real-time the Wel BYHF1horizontal fracturing process by real-time positioning theory system.Based on the dipole logging and VSPdata,the initial velocity model of monitoring area was established,which can be calibrated through perforationgun.On the basis of comprehensive analysis of real-time monitoring system data and identification of effectiveseismic events,we calculated the position of micro-seismic events using the information of compression andshear wave analysis.The direction,size,space distribution of fractures of fracturing wel-block was describedin detail using visualization technology,and the monitoring results show that the direction of fractures aremainly NE34°,which is basicaly coincided with the results of imaging logging.Keywords:micro-seismic monitoring;fracture;micro-seismic events;shale oil;fractures network;crustalstress摘要 :论述压裂过程中诱发微地震的激发机理,分析人造裂缝与地应力关系并叙述了微震事件的定位方法。利用微地震监测技术,通过实时定位理论系统对深凹区BYHF1井页岩水平井分段大型压裂过程实时监测,运用偶极子测井和VSP资料建立监测井区的初始速度模型,并通过射孔炮对其校正。在对实时监测定位理论系统数据进行综合处理分析,及有效微震事件识别的基础上,利用纵波和横波信息分析计算得到微地震事件的位置,通过可视化技术对压裂井区裂缝发育的方向、大小、空间分布进行了描述,监测结果是裂缝发育方向基本上为NE34°,与成像测井结果吻合良好。关键词 :微地震监测;裂缝;微震事件;页岩油;缝网;地应力中图分类号 :P642.27文献标志码 :A文章编号 :1005-2321(2013)03-0270-05随着油气资源需求的不断增长 ,常规油气藏越来越少 ,非常规油气藏 ,特别是页岩油气的勘探越来越受到重视[1-3]。美国 、加拿大等国家已成功实现页岩气的工业开采 ,且具有较为广阔的前景 。我国也在页岩油气方面开展了大量工作 ,在多个盆地相继发现了具有工业价值的页岩油气资源[4-7]。在国内 ,河南油田首次实现了页岩油的工业开采 ,在 对BYHF1井地质评价基础上[4,8],进行水平井压裂后取得了较好的产量 。对于页岩油气资源的开发 ,在很大程度上取决于水平井压裂技术[9-10],而人工压严永新 ,张永华 ,陈祥 ,等 /地学前缘 (EarthScience Frontiers)2013,20(3)271 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)裂造缝的识别一直以来是一个难点 ,采用微地震技术在裂缝监测中取得了不错的效果 。微地震监测技术是一种基于交叉学科的新技术 ,微地震监测技术是通过观测 、分析液体压裂过程中所产生的微地震事件 ,通过分析计算预测出裂缝的方位 、产状 ,了解压裂增产过程中人工造缝情况 ,以达到增产的目的 。其理论依据是声发射学和地震学[11-13],在求解过程上与石油地震勘探相反 。石油地震勘探是求解地下物性界面的信息 ,而微地震监测是求解震源的位置 、发震时刻 、震源强度 。求解这些参数可借鉴天然地震学的方法和思路[14]。采用震动定位原理 ,在监测区域周围附近空间内布置多个检波器实时采集因岩层破裂而产生的微震数据 。经过数据处理和定位后 ,可确定发生破裂的位置 ,利用三维可视化技术给出人工裂缝空间图像 ,研究压裂后裂缝的几何形态及延伸方向 ,其监测成果对合理制定非常规油气藏的开发方案 、提高开采效果 、评价压裂效果具有重要意义 。1 压裂诱发微震机理地应力是由一个垂直主应力和两个水平主应力构成的三维应力 。国内外研究结果表明 ,压裂施工中挤压的裂缝形态和延伸方向受地层中三向应力所控制 。在压裂过程时 ,当注入井内的压裂液的压力达到地层破裂压力的临界点时 ,地层开始破裂 。若继续注入液体 ,破裂缝就不断生长 。由于地层中压力的变化造成裂缝向前延伸 ,而每次破裂延伸的能量是以弹性波的形式向外传播 。其地层岩石破裂不仅与空隙压力的大小有关 ,还与地层的岩石力学性质有关 。由摩尔-库仑准则可知 ,当地层压力不断增大时 ,就会产生微地震事件 。对微地震事件产生的震动信息进行采集 ,并通过处理手段对微震事件进行定位就可以描述地下破裂缝的变化情况 。摩尔-库仑准则可以写为[15]τ≥τ0+μ(δ1+δ2-2p0)/2+μ(δ1-δ2)cos(2φ)/2(1)式中 :τ为作用在裂缝面上的剪应力 ,MPa,且τ=(δ1-δ2)sin(2φ)/2;τ0为岩石固有的无法向应力抗剪断强度 ,MPa;δ1、δ2分别是最大和最小主应力 ,MPa;p0为地层压力 ,MPa;φ为最大主应力与裂缝面法向的夹角 ,(°);μ为岩石的内摩擦系数 。由式 (1)可知 ,微震事件易在已有裂缝面上沿裂缝发生 。τ0为零时 ,式 (1)左端大于右端 ,这时会发生岩石破裂 ;p0增大 ,也会使左端大于右端 。这两种因素都会更容易造成岩石破裂而诱发微地震事件 。试验结果表明 ,压裂作业的压力达到一定的值后 ,在井周围就会发生微地震事件 ,通过确定微地震事件出现地位置可以检测裂缝的分布范围 。由断裂力学理论可知 ,当地层应力强度因子大于地层中断裂韧性时 ,已有的裂缝产生扩展 ,即当公式成立时 ,裂缝发生扩展现象[16-17],即满足下式[(pd-sn)Y/(πl)1/2∫10[(1+x)/(1-x)1/2]dx≥kic(2)式 (2)左侧是地层应力强度因子 ;kic是断裂韧性 ;pd是井底注入压力 ;sn是裂缝面上的法向应力 ;Y是裂缝形状因子 ;l是裂缝长度 ;x是自裂缝端点沿裂缝面走向的坐标 。由式 (2)可知 ,在压裂过程中 ,pd增大到一定的值 ,就要造成地层破裂 ,从而诱发微地震事件 ,这就是微地震监测方法的理论依据 。2 微地震震源定位微地震震源定位是微震监测的核心和目的 ,其依据就是在地层压裂造缝过程中 ,由于压力增大造成岩石开裂 ,类似于沿断层发生的微地震 。这些微地震事件产生的地震波动信息被附近监测井的地震检波器接收 (图1),同时采集系统对接收到的微震信号进行严格判别 ,保证每个接收到的微震信号的真实性 ,避免伪信号的进入 。通过数据分析处理 ,可得到震源的信息 。在压裂过程中 ,裂缝延伸所产生的微震能量以弹性波的方式向前传播 ,随着微地震事件在时间和空间上的产生 ,微地震定位结果便连续不断更新 ,形成一个裂缝延伸的动态图 。通过求解这一系列微震源点 ,便可直观得到裂缝方位 、长度 、宽度 、顶底深度以及两翼长度 。图2是根据一个三分量检波器记录到的波列进行微地震震源定位的示意图 。如图所示 ,检波器布置在监测井中 ,记录压裂井中因压裂改造形成的纵波P波和横波S波微地震信号 。在已知地层的纵 、横波速度的条件下 ,监测井中的检波器记录到的微地震信号中 ,因纵波速度快 ,最先到的是纵波P,质点振动方向平行于波的传播方向 ,即平行于震源到观测点的径向矢量L。随后是横波S,其质点振动272     严永新,张永华 ,陈祥 ,等 /地学前缘 (EarthScience Frontiers)2013,20(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)图1 多级压裂微地震监测示意图Fig.1 Sketch map of micro-seismic monitoring inmultistage fracturing矢量垂直于径向矢量L,并位于垂直于L的平面内[18-19]。通过拾取纵 、横波波至时间TP与TS,根据已知的地层纵 、横波速度vP及vS,可得到震源距离检波器的距离L。图2 微地震监测原理图Fig.2 The principle of micro-seismic monitoring当记录上同时存在同一微地震事件的足够高信噪比的纵波信号和横波信号且纵波速度 、横波速度都已知时 ,可采用纵 、横波时差法 。震源定位过程采用矩阵分析理论判别微地震震源坐标 。设Qk(Xqk,Yqk,Zqk)点为第k次破裂时的破裂源 ,pi(Xpi,Ypi,Zpi)为第i个测点 ,Lki为两点间的距离 ,则有Lki=[(Xpi-Xqk)2+(Ypi-Yqk)2+(Zpi-Zqk)2]1/2(4)设介质内的平均速度为已知 ,且在点记录信号可以确定S波和P波的到达时之差 ,则有ΔTki=Lki/vS-Lki/vP(5)经整理可得 :[(Xpi-Xqk)2+(Ypi-Yqk)2+(Zpi-Zqk)2]1/2=ΔTkivPvS/(vP-vS) (6)测点的坐标是已知的 ,式 (3)中仅含有3个未知量 ,即破裂源坐标 。当测点的个数i≥3时 ,由其中的任意3个方程都可以解出一组来 ,所以方程组 (6)是求解点坐标的基本方程组 。通过求解方程组可以得到微地震震源坐标 。3 现场裂缝监测及效果在泌阳凹陷深凹区 ,利用微地震监测技术对BYHF1井水平井分段压裂进行了现场实时监测 。BYHF1井是针对凹陷核桃园组核三段的页岩油而部署的水平井 ,页岩水平层段靶点A的垂深2 446m,靶点B的垂深2 410m,在该井测量深度2 700~3 642m井段 ,分15级进行分段压裂 。为了对本次大型压裂过程中造成的裂缝进行描述以及对压裂效果进行评价 ,在其东侧340m的AS1井2 128~2 458m井段放置12级三分量检波器进行微震监测 ,检波器间隔30m,图3是深凹区压裂井与监测井侧视图 。图3 深凹区压裂井与监测井侧视图Fig.3 Lateral view of fracturing wel and monitoring wel在压裂过程中 ,首先利用安深1井VSP测井及偶极子测井资料建立初始速度模型 ,并利用压裂井中的射孔炮对速度模型进行校正 ,使模型误差在10m以内 。通过对现场压裂过程中微地震信号进行采集 ,获得了50GB的微地震信息 ,共采集到微地震事件13 912个 ,对采集到的观测信息通过分析其频率严永新 ,张永华 ,陈祥 ,等 /地学前缘 (EarthScience Frontiers)2013,20(3)273 http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)谱 、幅度谱 、拐点特征等参数 ,将有效信号与噪音进行分离 。在去掉无效信号后 ,15级分级压裂过程中共得到有效微地震事件10 774个 。从每级压裂的微地震监测结果看 ,由于前5级监测点与压裂点较远 ,前5级采集到的微地震事件较少 ,总计才70个 。从第6级开始到第15级 ,采集到的事件数目逐渐增加 ,共计达到10 704个 。对每组微地震事件数据进行处理和校正 ,得到各级段裂缝网络的走向 、宽度和高度 。从裂缝的缝宽 、缝高来看 ,1至15级观测结果没有明显的差异 ,这表明前5级的压裂也是有效的 。最后对1~15级的微地震事件进行精细校正和处理 ,把所有的微地震事件叠合显示 ,图4是1~15级微地震事件立体显示图 。从图可以清楚知道网状裂缝包络的空间形态 。网状缝南北方向总长度约为907m,在东西方向的宽度约为431m,垂向上总高度约为185m。裂缝的总方位为北偏东34°,图5是1~15级裂缝方位平面图 。微地震裂缝方位参数与从成像测井得到的结果具有较高的吻合程度 ,其中第1~7级的微地震裂缝方位基本一致 ,为近东西向 。从第8级开始到第15级 ,其方位开始往北偏移 ,集中在30°~50°。通过对10 774个微地震事件定位处理 ,预测有效压裂体积约为2 384×104 m3,裂缝总方位为北偏东34°,取得了很好的微地震监测效果 。该页岩段地层压裂的工作完成后 ,在其随后的排液过程中 ,该井页岩油最高日产达到23.6m3油当量 ,目前产量稳定在2~3m3。图4 微地震事件立体显示图Fig.4 Elevation view of micro-seismic图5 裂缝方位平面图Fig.5 Horizontal plan of fractures orientation4 结论微地震监测技术是一种基于交叉学科的新技术 ,采用震动定位原理 ,监测压裂井区域周围地层破裂情况 。通过实时观测与分析处理不仅可以得到在压裂过程中裂缝延伸的动态图 ,还可以通过可视化手段直观给出裂缝方位 、长度 、宽度 、顶底深度以及两翼长度 。为非常规油藏勘探开发提供指导依据 。在微地震监测过程中 ,要求提高预测精度要做好如下工作 :(1)在压裂之前 ,进行精细固井质量分析 ,指导射孔方案 ,减少压窜的可能 ;(2)根据实时压裂监测结果 ,调整压裂方案 ;(3)做好速度模型的建立与校正工作 ,通过多次校正提高速度模型精度 ;(4)足够多的有效微地震事件是提高描述精度的关键 ;(5)液体压裂造缝的方向不仅仅受最大主应力方向控制 ,同时还受原地应力 、储层物性变化的影响 ,需要综合分析 。总之 ,随着非常规油气勘探的不断深入 ,利用当前最新的压裂技术与微地震监测技术 ,不但能有效地改善储层的性能 ,让过去低产或无油气的地区实现工业油气的突破 ,并维持较高的油气生产当量 ,而且通过微地震技术的应用 ,能够及时准确了解压裂后的储层特征 、岩石物性 ,从而进行更加经济有效的开发 。274     严永新,张永华 ,陈祥 ,等 /地学前缘 (EarthScience Frontiers)2013,20(3)http://www.earthsciencefrontiers.net.cn 地学前缘,2013,20(3)参考文献[1]张大伟 .加速我国页岩气资源调查和勘探开发战略构想 [J].石油与天然气地质 ,2010,31(2):135-150.[2]张金川 ,徐波 ,聂海宽 ,等 .中国页岩气资源勘探潜力 [J].天然气工业 ,2008,28(6):136-140.[3]米华英 ,胡明 ,冯振东 ,等 .我国页岩气资源现状及勘探前景 [J].复杂油气藏 ,2010,3(4):10-13.[4]陈祥 ,王敏 ,严永新 ,等 .泌阳凹陷陆相页岩油气成藏条件[J].石油与天然气地质,2011,32(4):568-577.[5]蒲泊伶 ,蒋有录 ,王毅 ,等 .四川盆地下志留统龙马溪组页岩气成藏条件及有利地区分析 [J].石油学报 ,2010,31(2):225-231.[6]潘继平 ,乔德武 ,李世臻 ,等 .下扬子地区古生界页岩气地质条件与勘探前景 [J].地质通报 ,2011,30(2/3):337-344.[7]周文 ,苏瑗 ,王付斌 ,等 .鄂尔多斯盆地富县区块中生界页岩气成藏条件与勘探方向 [J].天然气工业 ,2011,31(2):29-36.[8]陈祥 ,丁连民 ,刘洪涛 ,等 .南襄盆地泌阳凹陷陆相页岩储层压裂技术研究与应用 [J].石油地质与工程 ,2011,25(3):93-97.[9]孙海成 ,汤达祯 ,蒋廷学 ,等 .页岩气储层压裂改造技术 [J].油气地质与采收率 ,2011,18(4):90-96.[10]付永强 ,马发明 ,曾立新 ,等 .页岩气藏储层压裂实验评价关键技术 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