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微地震监测技术及其在油田开发中的应用

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地震 监测 技术 及其 油田 开发 中的 应用
资源描述:
· 方 法 研 究 ·微 地 震 监 测 技 术 及 其 在 油 田 开 发 中 的 应 用董 世 泰 1   高 红 霞 2(1. 中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院   北 京 )   (2. 西 安 石 油 勘 探 仪 器 总 厂   陕 西 西 安 )摘     要 : 微 地 震 监 测 是 指 将 井 下 地 震 技 术 用 于 探 测 由 于 岩 石 内 应 力 发 生 变 化 而 引 起 的 微 地 震 事 件 ,即 将 高 灵 敏 度 的地 震 传 感 器 布 放 于 压 裂 邻 近 的 井 中 ,连 续 记 录 因 压 裂 引 起 的 油 气 藏 物 理 特 性 改 变 而 产 生 的 微 地 震 活 动 。 该 技 术 用 于 油藏 和 气 藏 水 力 压 裂 裂 缝 的 成 图 ,通 过 对 压 裂 过 程 中 的 微 地 震 数 据 连 续 采 集 记 录 并 实 时 处 理 ,标 定 出 微 地 震 事 件 即 压 裂 裂缝 的 位 置 。 借 助 于 微 地 震 裂 缝 诊 断 ,在 压 裂 作 业 过 程 中 可 以 有 效 地 优 化 压 裂 和 压 裂 方 案 设 计 ,提 供 油 气 藏 资 源 评 价 、 油气 藏 趋 替 信 息 和 未 来 钻 井 位 置 图 ,达 到 增 产 目 的 ,并 为 二 次 勘 探 的 规 划 提 供 依 据 。关 键 词 : 微 地 震 监 测 技 术 ; 水 力 压 裂 裂 缝 ; 裂 缝 空 间 位 置 ; 油 田 增 产中 图 法 分 类 号 : 4 + 13     文 献 标 识 码 : B     文 章 编 号 : 100429134 (2004) 05200052040   引   言微 地 震 监 测 技 术 早 在 1962 年 就 已 提 出 ,随 后 此 技术 被 广 泛 应 用 在 油 气 藏 动 态 监 测 、 地 热 动 态 监 测 、 煤 田动 态 监 测 、 工 程 动 态 监 测 等 方 面 。 在 过 去 几 年 中 ,微 地震 监 测 技 术 大 量 应 用 在 地 热 和 碳 酸 岩 油 气 藏 的 监 测中 。 目 前 微 地 震 监 测 技 术 被 用 于 油 田 生 产 监 测 、 自 然裂 缝 活 动 监 测 ,同 时 还 应 用 在 油 田 流 体 驱 动 中 追 踪 流体 前 沿 ,以 提 高 产 能 [1 ]。多 分 量 地 震 数 据 定 位 压 裂 裂 隙 1982 年 见 诸 于 《 勘探 地 球 物 理 学 家 》 杂 志 ,它 的 成 功 使 用 ,使 得 此 项 技 术成 为 石 油 工 业 不 可 或 缺 的 技 术 之 一 。 这 项 地 震 技 术 ,可 以 精 确 地 测 量 附 近 井 注 入 流 体 、 气 体 、 聚 合 物 或 其 它材 料 的 作 业 而 产 生 岩 石 断 裂 时 的 声 发 射 的 震 中 (微 震的 震 中 ) ,从 而 定 位 裂 缝 的 空 间 位 置 。 微 地 震 监 测 技 术大 量 使 用 在 压 裂 诊 断 中 是 从 1992 年 开 始 的 ,1997 年开 始 逐 渐 商 业 化 。 压 裂 是 油 田 增 产 的 一 个 主 要 措 施 ,特 别 对 低 渗 油 田 、 碳 酸 盐 油 田 压 裂 占 有 十 分 重 要 的 位置 [2 ]。压 裂 是 一 个 复 杂 的 实 施 过 程 ,通 过 已 有 的 地 质 模型 和 地 应 力 剖 面 ,设 计 压 裂 模 型 ,并 将 模 型 输 入 到 压 裂系 统 中 。 然 而 ,已 有 的 资 料 和 应 力 剖 面 都 不 是 十 分 准确 的 ,所 设 计 的 压 裂 模 型 往 往 与 实 际 情 况 有 一 定 的 差距 。 而 压 裂 活 动 造 成 的 岩 石 的 断 裂 在 地 下 ,很 难 确 定压 裂 所 产 生 的 裂 缝 的 空 间 准 确 位 置 ,而 采 油 工 程 技 术人 员 、 压 裂 技 术 人 员 、 地 质 人 员 都 想 明 了 人 为 改 造 的 裂缝 的 位 置 ,即 裂 缝 的 高 度 、 长 度 、 宽 度 、 延 伸 、 方 位 的 准确 位 置 ,以 便 合 理 地 调 整 开 发 方 案 ,确 保 油 井 的 安 全 和整 个 油 田 的 完 整 性 ,达 到 长 期 高 效 的 油 田 开 发 和 增 产的 目 的 。 借 助 于 微 地 震 监 测 技 术 可 以 实 现 这 一 愿 望 。微 地 震 监 测 是 将 一 种 新 的 能 够 保 证 实 时 数 据 采 集的 三 分 量 地 震 接 收 系 统 , 以 大 级 距 的 排 列 方 式 ,多 级布 放 在 压 裂 井 旁 的 一 个 邻 近 井 中 ,接 收 由 于 压 裂 导 致地 下 岩 石 断 裂 所 产 生 的 微 地 震 信 号 ,经 过 资 料 处 理 得到 裂 缝 的 空 间 位 置 [2~ 4 ]。1   微 地 震 监 测 技 术 优 势倾 斜 测 量 、 建 模 法 、 井 基 测 量 等 压 裂 监 测 技 术 , 都具 有 其 自 身 的 局 限 性 ,不 能 完 全 监 测 裂 缝 的 长 度 、 高度 、 宽 度 、 方 位 角 。 微 地 震 监 测 方 法 除 能 指 明 裂 隙 的 方向 和 展 布 ,还 可 以 提 供 裂 隙 的 方 位 角 、 高 度 、 长 度 、 不 对称 性 和 延 伸 范 围 等 。 裂 缝 的 几 种 监 测 技 术 效 果 比 较 见表 1。高 保 真 地 震 响 应 系 统 装 在 井 壁 推 靠 的 三 分 量 探 测系 统 中 ,接 收 到 的 垂 直 分 量 数 据 用 于 裂 缝 高 度 的 探 测 ,水 平 分 量 主 要 用 于 方 位 的 探 测 。 通 过 裂 隙 的 监 测 和 控制 ,可 以 明 确 压 裂 裂 缝 的 展 布 和 范 围 。 微 地 震 裂 缝 监测 能 够 使 得 开 发 工 程 师 在 压 裂 作 业 过 程 中 最 节 约 成 本的 情 况 下 有 效 合 理 地 优 化 液 压 压 裂 或 压 裂 方 案 设 计 。此 项 技 术 还 能 够 提 供 油 气 藏 资 源 评 价 ,主 要 是 油 气 藏第 一 作 者 简 介 : 董 世 泰 ,男 ,1965 年 生 ,博 士 ,高 级 工 程 师 ,1989 年 毕 业 于 石 油 大 学 (华 东 )地 球 物 理 勘 探 专 业 ,现 在 中 国 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 从 事 物探 装 备 研 究 工 作 。 邮 编 :100083·5·  2004 年   第 18 卷   第 5 期                  石   油   仪   器          趋 替 信 息 和 未 来 钻 井 构 图 以 及 二 次 勘 探 的 规 划 等 。表 1   裂 缝 的 几 种 监 测 技 术 效 果 比 较技 术 方 位 角 高 度 长 度 对 称 性 范 围微 地 震 ★ ★ ★ ★ 远井 斜 测 量 ★ ■ ■ ■ 远压 裂 模 型 ★ ■ 远 踪 ■ ■ 井 周温 度 测 井 ■ 井 周井 基 测 量 ■ 远生 产 数 据 分 析 ■ 远★ — — — 高 确 定 性 ; ■ — — — 低 确 定 性2   微 地 震 监 测 技 术 原 理2. 1   原 理 简 介通 俗 的 讲 ,微 地 震 监 测 是 利 用 声 学 运 动 学 原 理 ,起源 于 天 然 地 震 的 监 测 。 水 力 压 裂 井 中 ,由 于 压 力 的 变化 ,地 层 被 强 制 压 开 一 条 大 的 裂 缝 ,沿 着 这 条 主 裂 缝 ,能 量 不 断 地 向 地 层 中 辐 射 ,形 成 主 裂 缝 周 围 地 层 的 涨裂 或 错 动 。 这 些 涨 裂 和 错 动 向 外 辐 射 弹 性 波 地 震 能量 ,包 括 压 缩 波 和 剪 切 波 ,类 似 于 地 震 勘 探 中 的 震 源 ,其 频 率 相 当 高 ,通 常 在 200 2 000 范 围 内 变化 。 震 源 信 号 被 位 于 压 裂 井 旁 的 井 中 检 波 器 所 接 收 ,将 接 收 到 的 信 号 进 行 资 料 处 理 ,反 推 出 震 源 的 空 间 位置 ,这 个 震 源 位 置 就 代 表 了 裂 缝 的 位 置 。 微 地 震 监 测示 意 图 如 图 1 所 示 。图 1   微 地 震 监 测 示 意 图2. 2   微 地 震 波 的 运 动 学 [2 ]设 有 一 个 微 地 震 事 件 位 于 O 点 ,引 起 地 层 的 剪 切错 动 ,这 个 错 动 形 成 了 一 个 微 地 震 波 的 震 源 。 它 与 常规 地 震 勘 探 的 震 源 不 同 ,能 量 比 较 微 弱 ,大 约 相 当 于 几克 到 几 十 克 的 炸 药 能 量 。 微 地 震 震 源 所 产 生 的 子 波 向图 2   微 地 震 波 传 播 示 意 图外 传 播 ,与 常 规 地 震 不同 的 是 在 这 里 波 的 传播 既 有 纵 波 ( P) ,也 有横 波 (S) ,在 时 间 纵 波 和 横 波 传 播 到 了A 点 , 在 时 间 纵波 和 横 波 传 播 到 了 处 于 B 点 的 三 分量 接 收 器 接 收 到 了 P 波 和 S 波 的 振 动 ,如 图 2 所 示 。3   微 地 震 监 测 技 术 的 资 料 处 理微 地 震 事 件 的 处 理 主 要 分 三 个 部 分 : (1)所 有 的 数据 都 需 要 搜 索 出 微 地 震 事 件 来 ; (2)必 须 对 所 搜 索 到 的事 件 进 行 振 幅 恢 复 ; (3)用 这 个 事 件 的 属 性 计 算 微 振 动的 位 置 。 其 中 的 难 点 是 识 别 微 地 震 事 件 ,搞 清 哪 些 是微 地 震 事 件 哪 些 是 噪 声 ,然 后 找 到 这 个 微 地 震 事 件 的P 波 到 达 时 及 其 质 点 振 动 方 向 。 多 级 接 收 系 统 可 以 帮助 有 效 地 完 成 这 一 作 业 ,因 为 微 地 震 事 件 在 多 级 系 统上 都 有 反 映 且 具 有 一 定 的 规 律 性 ,P 波 在 多 级 排 列 上是 成 像 的 。 而 S 波 的 识 别 就 比 较 困 难 ,一 般 被 掩 盖 在了 反 射 或 者 其 他 的 续 至 波 当 中 ,可 以 依 据 S 波 与 P 波的 三 个 差 异 来 诊 断 :低 频 、 振 幅 漂 移 、 直 角 质 点 振 动 漂移 ,同 时 多 级 接 收 是 追 踪 S 波 的 必 须 条 件 。微 地 震 事 件 位 置 的 确 定 :如 上 所 述 ,微 地 震 事 件 位置 的 处 理 需 要 一 个 新 的 方 法 ,第 一 ,接 收 处 于 一 条 线上 ,不 能 全 部 处 于 一 个 圆 周 上 ,第 二 ,压 裂 产 生 的 微 地震 事 件 虽 然 是 一 个 近 场 问 题 (接 收 距 震 源 只 有 几 百米 ) ,考 虑 到 微 地 震 事 件 的 能 量 很 弱 ,当 其 到 达 接 收 时可 以 将 它 近 似 为 平 面 波 。3. 1   微 地 震 事 件 的 距 离 和 高 度首 先 根 据 P 波 和 S 波 随 着 传 输 距 离 的 衰 减 公 式 来计 算 微 地 震 事 件 的 高 度 和 距 离 [5、 6 ]。设 : 纵 波 速 度 , 横 波 速 度 , 初 始 水 平距 离 (震 源 位 置 ) , 初 始 高 程 距 离 (震 源 位 置 ) , 始 时 间 (震 源 位 置 ) 。设 震 源 处 的 纵 波 信 号 为 :f p ( t) =∫ G ( w) ej 号 改 写 为 :f p ( t) = 震 源 处 的 横 波 信 号 为 :f s ( t) =∫ G ( w) ej 号 改 写 为 :f s ( t) = W s ∑ 即 震 源 处 的 信 号 为 :·6·                  石   油   仪   器                       2004 年 10 月   +W s ∑ 当 震 源 信 号 即 微 地 震 信 号 传 播 到 时 刻 i 时 ,波 的描 述 可 以 用 以 下 的 方 程 来 表 示 : +W s ∑ 那 么 在 i 时 刻 波 的 衰 减 就 可 以 用 以 下 的 公 式 表 示F = tp i - - ( 2( 2 + ts i - 2 - ( 22( 2 2式 中 , i 时 刻 的 水 平 距 离 , i 时 刻 的 高度 , i 时 刻 的 时 间 。 F 没 有 特 殊 的 物 理 含 义 ,当 时 ,微 地 震 事 件 的 距 离 和 高 度 最 逼 近 ,可 以 确 定 微地 震 事 件 的 距 离 和 高 度 。 P 波 和 S 波 在 接 收 点 的 “ 能量 ” 与 震 源 点 的 能 量 的 残 差 的 平 方 和 为 最 小 时 ,则 这 些参 数 就 是 最 佳 值 。 多 级 接 收 可 以 保 证 反 复 几 次 的 最 佳逼 近 ,准 确 求 出 微 地 震 事 件 的 距 离 和 高 度 。在 这 个 式 子 当 中 ,如 果 有 12 级 接 收 系 统 接 收 ,针对 每 个 接 收 级 ,都 可 以 得 到 一 个 这 样 的 等 式 ,求 解 这 些等 式 ,就 可 以 得 到 . 2   微 地 震 事 件 的 方 位 角 确 定为 了 完 全 定 位 微 地 震 事 件 的 位 置 ,确 切 的 方 位 角是 至 关 重 要 的 。 对 于 每 一 个 接 收 级 (三 分 量 检 波 器 ) ,两 个 水 平 分 量 的 数 据 就 可 以 用 来 计 算 入 射 到 这 个 点 的波 的 方 位 。设 一 个 水 平 分 量 指 向 东 ,振 幅 和 速 度 分 别 为 A E和 另 一 个 水 平 分 量 指 向 北 ,振 幅 和 速 度 分 别 为 那 么 这 个 点 的 震 源 方 位 角 α 为 : ( A E/ ( 了 准 确 地 求 出 方 位 角 ,采 用 正 交 直 方 图 方 法 ,取每 个 接 收 级 的 水 平 分 量 的 前 一 个 相 位 (P 波 ) 的 质 点 振动 ,两 个 水 平 分 量 (相 互 垂 直 ) 的 质 点 振 动 图 可 以 放 置在 一 个 直 角 坐 标 系 中 ,如 图 3、 4 所 示 。 根 据 多 个 级 所图 3   两 个 水 平 分 量 的 质 点 振 动 图得 到 的 方 位 角 的 综 合 ,就 可 以 准 确 地 得 到 这 个 微 地 震事 件 的 方 位 [2、 7 ]。求 出 了 α ,这 个 微 地 震 事 件 的 空 间 位 置 就可 以 确 定 了 。4   资 料 解 释 及 应 用根 据 微 地 震 事 件 (裂 缝 ) 空 间 分 布 图 ,结 合 微 地 震事 件 发 生 的 时 间 顺 序 ,结 合 压 裂 裂 缝 产 生 的 机 理 ,就 可以 进 行 压 裂 裂 缝 的 解 释 。图 4   正 交 直 方 图根 据 这 个 解 释 就 可 以调 整 压 裂 模 型 ,得 到 比 较 准确 的 压 裂 裂 缝 空 间 展 布 情况 ,油 藏 工 程 师 可 以 根 据 这个 图 准 确 确 定 裂 缝 的 空 间位 置 ,确 定 产 层 的 分 布 ,进而 确 定 开 发 方 案 ,设 计 新 井的 位 置 [8 ]。世 界 各 地 大 量 的 应 用实 例 证 明 [8~ 11 ] ,微 地 震 监测 技 术 是 一 种 有 利 于 油 田 开 发 的 技 术 ,搞 清 楚 裂 缝 的空 间 发 育 情 况 ,直 接 关 系 到 油 田 生 产 产 量 的 部 署 ,也 直接 影 响 到 油 田 的 总 体 产 量 。国 外 已 经 将 此 技 术 作 为 一 个 常 规 生 产 手 段 ,使 用在 重 点 大 型 压 裂 的 动 态 监 测 中 ,在 美 洲 、 欧 洲 等 地 有 大量 的 使 用 [10 ]图 5 是 一 实 例 ,给 出 了 压 裂 裂 缝 动 态 检 测得 到 的 裂 缝 空 间 展 布 图 。图 5   裂 缝 空 间 展 布 图图 5 是 在 压 裂 开 始 以 后 200 监 测 到 的 裂 缝发 育 空 间 分 布 图 ,真 实 地 反 映 了 两 压 裂 裂 缝 的 发 育 过程 ,从 图 上 可 以 看 出 ,位 于 长 方 体 内 部 的 彩 色 点 代 表 的压 裂 裂 缝 位 置 与 预 先 设 计 好 的 压 裂 模 型 菱 型 之 间 有 较大 的 差 异 ,实 际 裂 缝 的 发 育 远 比 设 计 的 模 型 要 快 ,这 个结 果 可 以 提 醒 压 裂 工 程 师 注 意 裂 缝 前 沿 ,防 止 压 穿 层或 者 压 穿 井 的 情 况 发 生 。 同 时 这 个 压 裂 结 果 也 告 诉 压裂 工 程 师 和 油 藏 工 程 师 真 实 的 裂 缝 位 置 在 哪 里 。对 于 低 渗 油 气 田 ,压 裂 是 实 施 开 采 的 唯 一 措 施 ,压裂 的 好 坏 ,裂 缝 的 发 育 程 度 ,对 油 藏 工 程 人 员 来 说 至 观重 要 。 我 国 许 多 油 田 ,例 如 长 庆 、 新 疆 、 四 川 、 吉 林 、 辽·7·  2004 年   第 18 卷   第 5 期           董 世 泰 等 :微 地 震 监 测 技 术 及 其 在 油 田 开 发 中 的 应 用河 、 大 庆 等 都 以 低 渗 透 为 主 ,压 裂 是 生 产 的 必 须 手 段 。以 前 为 了 搞 清 压 裂 裂 缝 的 发 育 ,广 泛 使 用 了 地 面 电 极法 、 生 产 测 井 法 、 测 温 度 法 、 放 射 性 追 踪 法 等 方 法 来 监测 压 裂 裂 缝 的 发 育 。 如 前 所 述 ,这 些 方 法 都 具 有 其 自身 的 局 限 性 ,不 能 完 全 监 测 裂 缝 的 长 度 、 高 度 、 宽 度 、 方位 角 。2004 年 10 月 初 在 长 庆 油 田 庄 19 井 区 实 施 了 3 个井 的 微 地 震 压 裂 监 测 ,这 是 此 项 技 术 首 次 在 中 国 的 应用 。 使 用 12 级 井 下 三 分 量 检 波 器 采 集 数 据 ,级 距 6m ,采 样 率 0. 125 记 录 长 度 根 据 压 裂 时 间 的 长 短调 整 ,仪 器 采 用 连 续 记 录 模 式 ,分 别 记 录 了 6 h ,接 收 井与 压 裂 井 之 间 的 距 离 约 为 400 m 左 右 。 从 现 场 记 录 面貌 和 现 场 资 料 分 析 看 ,得 到 了 比 较 丰 富 的 微 地 震 事 件 ,初 步 处 理 出 了 裂 缝 的 空 间 位 置 ,精 细 处 理 待 后 期 完 成 。随 着 微 地 震 监 测 技 术 的 不 断 发 展 ,已 经 具 备 了 可视 化 的 能 力 ,监 测 到 的 压 裂 裂 缝 可 以 从 空 间 任 何 方 位进 行 研 究 ,可 以 进 行 裂 缝 的 有 效 利 用 。5   结 束 语实 施 微 地 震 监 测 技 术 确 定 压 裂 裂 缝 空 间 位 置 ,明确 压 裂 裂 缝 的 展 布 和 范 围 可 以 改 善 井 场 的 操 作 , 节 省开 发 费 用 。微 地 震 裂 缝 监 测 技 术 允 许 大 级 距 、 安 全 井 场 操 作 ,同 时 可 以 实 时 井 场 处 理 和 形 象 化 结 果 解 释 , 获 得 裂 缝的 准 确 位 置 图 。 用 这 一 新 工 艺 的 物 探 技 术 能 得 到 高 质量 的 精 确 数 据 。 数 据 结 果 除 指 出 裂 隙 以 外 ,还 有 额 外价 值 :指 导 油 田 压 裂 的 过 程 , 得 到 比 二 维 模 型 更 快 、精 度 更 高 的 真 实 压 裂 模 型 数 据 ,指 导 油 气 田 开 发 。参 考 文 献[1 ]   B. E. D. D a 2003 (资 料 )[ 2 ]   . 1998(资 料 )[3 ]   1999 (资 料 )[4 ]   W. S. . S. of 2002 (资 料 )[5 ]   中 国 科 学 院 地 球 物 理 研 究 所 . 地 震 学 基 础 [M ]. 北 京 :科学 出 版 社 ,1976[6 ]   谢   靖 . 地 球 物 理 场 正 反 演 问 题 近 代 数 学 方 法 [M ]. 长春 :吉 林 科 学 出 版 社 ,2000[7 ]   F. D. on a 2001 (资料 )[ 8 ]   . 1999 (资 料 )[9 ]   S. C. T. I. M. et 2001 (资 料 )[10 ]   S. C. T. I. C. 2003 (资 料 )[11 ]   B. T. E. et a 2003 (资 料 )(收 稿 日 期 :2004 - 05 - 12   编 辑 : 姜   婷 )·8·                  石   油   仪   器                       2004 年 10 月   18 5 2004 of 2004 ,18( 5) :1~ 4on it of a of to is by to be of to 2004 ,18( 5) :5~ 8is to to by in in by to of of . to as to in of to 2004 ,18( 5) :9~ 12to of in of to to to of it in of as ue i s 2004 ,18( 5) :13~ 15is to of is on of of of C of NC of u of 2004 ,18( 5) :16~ 18on in of is ·  18 5                                            
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