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微地震监测技术及其在油田中的应用现状20050505[1]

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地震 监测 技术 及其 油田 中的 应用 现状 20050505
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书书书第28卷第5期2005年10月勘探地球物理进展ProgressinExplorationGeophysicsVol.28,No.5Oct.,2005收稿日期:20050321;改回日期:20050623。第一作者简介:刘百红(1971),男,2004年毕业于成都理工大学,获固体地球物理学硕士学位,主要从事四维地震研究。文章编号:16718585(2005)05032505微地震监测技术及其在油田中的应用现状刘百红,秦绪英,郑四连,杨强(中国石化石油勘探开发研究院南京石油物探研究所,江苏南京210014)摘要:简要介绍了微地震监测技术的知识背景及其应用领域。重点介绍了在油田中用微地震监测技术进行水力压裂裂缝成像、水驱前缘监测、储层描述和地应力监测的应用原理。最后对微地震监测技术在油田中的应用前景作了展望,认为随着微地震监测技术的应用研究和基础研究的不断深入,它在油气藏开发和其他方面的应用都会更加得到重视。关键词:微地震;监测;油气藏;地应力;储层;压裂;注水中图分类号:P631.4       文献标识码:A微震动(包括微地震)监测技术是20世纪90年代发展起来的一项新的物探技术,它可以应用于油气藏开发、煤矿“三带”(冒落带,裂隙带和沉降带)监测、矿山压力监测、地质灾害监测等多个领域。微震动监测技术在国外的应用已经比较普遍,而在国内还处于起步阶段。1 微地震监测技术微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。与地震勘探相反,微地震监测中震源的位置、发震时刻和震源强度都是未知的,确定这些因素恰恰是微地震监测的首要任务。完成这一任务主要是借鉴天然地震学的方法和思路。微地震事件发生在裂隙之类的断面上,裂隙范围通常只有1~10m。地层内地应力呈各向异性分布,剪切应力自然聚集在断面上。通常情况下这些断裂面是稳定的,然而,当原来的应力受到生产活动干扰时,岩石中原来存在的或新产生的裂缝周围地区就会出现应力集中,应变能量增高;当外力增加到一定程度时,原有裂缝的缺陷地区就会发生微观屈服或变形,裂缝扩展,从而使应力松弛,储藏能量的一部分以弹性波(声波)的形式释放出来产生小的地震,即微地震。大多数微地震事件频率范围为200~1500Hz,持续时间小于1s。在地震记录上微地震事件一般表现为清晰的脉冲,微地震事件越弱,其频率越高,持续时间越短,能量越小,破裂长度也就越短。微地震监测分为地面监测和井中监测2种方式。地面监测就是在监测目标区域(比如压裂井)周围的地面上,布置若干接收点进行微地震监测。井中监测就是在监测目标区域周围临近的一口或几口井中布置接收排列,进行微地震监测。由于地层吸收、传播路径复杂等原因,与井中监测相比,地面监测所得到的资料存在微地震事件少、信噪比低和反演可靠性差等缺点。微地震监测主要包括数据采集、震源成像和精细反演等几个关键步骤,监测仪要能自动识别并长期连续工作,检波器布于井中或布在地面,目前记录的主要是三分量信号,微震信号的记录和处理与天然地震信号的相同。文献[1]详细论述了这些关键技术的原理。首先当震源产生脉冲能量时,通过地震检测算法分析连续地震信号,然后将地震记录归档。微震信号地震记录等同于包含P波和S波的局部小规模的天然地震。但这2种波的相对振幅主要取决于变形机理和相关的辐射模式。当传感器部署在井中时,主要取决于记录的自然环境,这时噪音中包括管波。一般来说,利用信号特征可以识别真实的微震层位。在井眼中,三分量数据用于确定各入射射线的传播方向,声波资料可用于构建精细的速度模型,然后可在不同相位和射线旅行时间的相应点处确定层位位置。其他的地震属性也可从地震记录的振幅和频率中进行计算,这些属性在解释地震变形的应用中非常有用。另外由于微地震的发生与岩体内部的能量释放以及进一步的裂纹演化、破裂有着密切的关系,所以微震的震源辐射方式也可用于检测岩石变形期间外力变化同天然地震的关系,同时也可用于局部地震的层析成像。微地震的这种特性决定了其具有强大的潜在应用价值。例如,在油气田开发领域,该技术可用于储层压裂和流体驱油的实时监测和动态监测,描述人工裂缝的发生、发展和空间分布以及水动力前缘分布,为油田的合理开发规划提供重要依据。在油气田中,微地震监测分为临时性监测和永久性监测2类。临时性监测是为配合某一临时性生产活动(比如水力压裂)所做的监测,其周期短至几个小时,长至几周。这是微地震监测发展最快,应用最多的领域,也是技术上比较成熟的领域。永久性监测对监测设备的要求较高,目前除了在北海等地有应用外,在其他油田应用得不多。2 微地震监测技术的研究及应用现状微地震监测的基础是声发射学和地震学。声发射是指材料内部应变能量快速释放而产生的瞬态弹性波现象,又称Kaiser效应,它是利用微地震监测技术估计地下岩层中地应力大小的理论基础。在国外这方面的研究开展得很早也很广泛,1975年在德国举办了第1届“地质构造和材料中的声发射/微地震活动”会议,并已经成功举办了6届。目前微地震监测技术的研究已从简单的震源定位转向震源机制和辐射方式方面的深入研究[2]。其实对于地震震源机制和辐射方式的研究已经进行很久了,但是,对微地震监测而言,在进行震源定位的同时如果能知道震源的其他参数,则可以根据这些参数确定更多的信息。例如根据不同类型的岩石、均质度不同的岩石及同类岩石的不同破裂阶段所产生的微地震的事件频率、地震波的频率及波的振幅等特征就可以推断岩石的类型或均质度[3~7],从而进行岩性或裂缝预测或进行各向异性分析、地震衰减、频率分析和矢端分析[8]。所以微地震震源机制和辐射方式的研究及其应用仍然是热点,但是其应用在国内还未广泛开展。目前微地震监测最主要的应用还是基于震源定位,这方面的技术难题已经基本解决,因此这方面的研究主要是针对现场应用。比如,根据现场的具体情况进行微震监测系统的开发研制,包括传感器、数据采集及存储、传输器件的选型组配技术,整套监测系统的现场布设技术[9]。为客户提供的信息也还仅局限于微震事件发生数量、频度和简单的定位。但是随着对震源参数的不断深入研究和掌握,微地震的应用范围还会进一步扩大。特别是在复杂地质条件下,精细的常规地震勘探所需的成本很大,这时用成本相对低的微地震三分量数据来进行速度建模、岩性分析(狏P/狏S)或提取其他的储层参数[10]就很有意义了。3 微地震监测技术在油藏开发中的应用最近许多学者应用微地震技术解决了许多具体的问题,如在实施压裂期间用微地震对裂缝的发育过程进行成像。另外其他的研究也涉及了与一采、二采或开发驱注相关的油藏成像问题。很多石油公司对微地震监测技术在油气田开发阶段的应用进行了大量的试验研究,该项技术在油气工业的应用虽未普及,但技术本身却日趋成熟。国内在该领域虽然起步较晚,但在方法研究和技术开发方面(如实时成像)已取得了明显进展。归纳起来,微地震监测在油气田开发方面有以下几个方面的应用[1,11]:①储层压裂监测;②油藏动态监测;③识别可能引起储层分区或充当过早见水流动通道的断层或大裂缝,描述断层的封堵性能;④对于裂缝为主的储层,微地震事件也可以作为位于储层内部的有效纵波和横波震源,用于速度成像和横波各向异性分析,对裂缝性储层有关的流动各向异性进行成像;⑤对微地震波形和震源机制的研究,可提供有关油藏内部变形机制、传导性裂缝和再活动断裂构造形态的信息,以及流体流动的分布和压力前缘的移动情况;⑥微地震监测和其他井中地震技术和反射地震技术结合起来,提供功能强大的常规预测工具,大大降低储层监测的周期和费用。3.1 用微地震监测技术在水力压裂时对裂缝成像水力压裂在油气田的勘探开发中具有举足轻重的作用,是改造低渗透油气藏的重要手段。通过压裂可在地下形成人工裂缝,改善地层的渗流条件、疏通堵塞,提高油井的产能。而准确测量裂缝方位和几何尺寸对优化压裂施工,合理布署开发、注水井网有一定的指导作用。对油层实施水力压裂时,当迅速升高的井筒压力超过岩石抗压强度,岩石遭到破坏形成裂缝,裂缝产生和扩展时,必将产生一系列向四周传播的微震波,通过对接收到的微震波信号进行处理,就可确定微震震源位置,进而计算出裂缝分布的方位、长度、高度、缝型及地应力方向等地层参数;同时,结合井口压降监测还可获得闭合压力、液体滤失系数、液体效率、主裂缝宽度等参数。这不但可以给623勘探地球物理进展第28卷出压裂后裂缝的空间几何形态,评价压裂液性能和压裂工艺效果,而且可给出避免油、水井连通,发生水淹、水窜的排列方向以及为下一步制定地质方案提供科学依据。实际作业时一般通过在邻井(作为观察井)中放置12~48级三维地震传感器(通常为检波器)阵列进行裂缝检测。通常将现有的生产井作为观察井,在检测前取出井中的生产油管,并在储层上方放一个临时桥塞。检波器阵列位于待压裂地层的上方,分布范围从顶部到底部约230m。检测要求使用低固有噪声的灵敏检波器,并能连续提供井下测量数据。在压裂结束时使用低浓度支撑剂,应用四维微地震技术检测裂缝的形状,确定裂缝的方向、长度和高度。在压裂处理期间,微地震波的位置随时间从作业井向外移动,指示裂缝不断延伸。检测数据不仅可以描述射孔层附近的裂缝,也可提供相应的裂缝增长方向的图像。有时,压裂作业中,在开始注入支撑剂后,会出现滤砂现象,表现为地面压力开始上升。在此期间,在观察井附近发现地震波数目增加,由此可判断出发生堵塞的位置。以便立即停止注入支撑剂,并冲洗堵塞段,冲洗后再重新注入支撑剂。这时堵塞段被冲洗掉,裂缝得以继续延伸,裂缝末端会重新出现地震活动。3.2 用微地震监测技术进行水驱前缘监测微地震波进行的水驱前缘监测,旨在了解和掌握每口注水井的注入水的波及范围、推进方向及区块的水波及区,为合理部署注采井网、挖掘剩余油、提高最终经济采收率提供可靠的技术依据。根据最小周向应力理论、摩尔库仑理论、断裂力学准则等[12],分析岩层破裂形成机理,无论压裂还是注水都会诱发微地震。监测前先将注水井停注10h以上,使原来已有的微裂缝闭合。开始监测时再将注水井打开,注水井在注水过程中,会引起流动压力前缘移动和孔隙流体压力的变化,并产生微震波;同时,原来闭合的微裂缝会再次张开,并诱发产生新的微裂缝,从而引发微地震事件。在孔隙流体压力变化和微裂缝的再次张开与扩展时,必将产生一系列向四周传播的微震波,通过布置在被监测井周围监测分站接收到微震波的到达时差,形成一系列的方程组,求解这一系列方程组,就可确定微震震源位置,进而计算出水驱前缘、注入水波及范围、优势注水方向和注水波及区面积等资料。通过对裂缝成像和驱动前缘波及状况的分析,油藏工程师可以调整和优化开发设计方案,提高油气田采收率和油田整体开发效果。水驱前缘监测资料可以直观真实地反映油藏水驱状况,在一定程度上也反映了油藏平面非均质性的变化情况,该资料与油藏描述相结合,可以更准确地描述油藏的水驱状况,同时也可以给出油藏的渗透率和应力分布,为修正数值模拟结果提供了直接的依据。可以把监测结果转换成与常用数值模拟软件相适应的数据格式,使之直接服务于油藏描述,提高描述精度。同样的原理也可以用于稠油热采和气驱前缘的监测[13,14]。3.3 用微地震监测技术进行储层描述[15]在注水油田中,根据低频条件下的Biot理论,孔隙压力的扰动狆可以近似地由扩散微分方程描述狆狋=狓犻犇犻犼狆狓()犼(1)式中,犇犻犼为液体扩散率张量犇的分量,狓犻为笛卡尔坐标的3个分量(犻=1,2,3),狓犼为介质中由注入点到观测点的径向矢量,狋为时间。该方程相应于低频条件下的第二类Biot波(慢P波),并且描述了孔隙压力扰动的线性张弛。方程对含流体的均匀介质有效,也就是说犇犻犼在介质中是均匀分布,而犇与渗透率张量成正比。犇=犖犓η(2)式中,犓为介质的渗透率张量,η为孔隙流体的动态粘滞系数,犖为粘弹性张量。在一些情况下(即水力压裂时),水扩散率由于水的注入而改变,这就意味着方程(1)中的扩散率依赖于孔隙压力,即方程(1)变为非线性的。但是这样的变化出现在井筒附近有限的范围内,而我们的研究范围远远大于这个范围,大约在1km左右,所以仍然将流体的扩散率视为独立于孔隙压力。这样在均匀各向异性孔隙介质中,方程(1)变为狆狋=犇犻犼狓犻狓犼狆(3)对于各向同性介质,犇11=犇22=犇33=犇,犇犻犼=0(犻≠犼),方程(3)变为狆狋=犇Δ狆(4)假定在以注入点为圆心,半径为犪的球形表面上给一孔隙压力的扰动:狆0e-iω狋,则方程(4)的解为狆(狉,狋)=狆0e-iω狋犪狉e(犻-1)(狉-犪)ω2槡犇(5)723第5期刘百红等.微地震监测技术及其在油田中的应用现状式中,狉为注入点到目标点的距离。从方程(5)可以看出,方程(4)的解类似于球面波。实际上,孔隙压力的扰动不是时间的调和函数。假定,孔隙压力的扰动是阶梯函数狆(狋)=狆0 狋0>狋≥0狆(狋)=0 狋<0,狋>狋烅烄烆0式中,狋0为一次震动的发生时间。这个信号的功率谱为4狆20狋20sin2ω狋0()2ω2狋20(6)对于给定的狆0和狋0,用上式作图可以发现,功率谱的主值频率小于2π狋0。可以假定触发一次微地震的概率是随着孔隙压力扰动能量的增加而增大的,这样狋0时刻由ω≤2π狋0的信号触发地震的概率就很大,而ω≥2π狋0的高频率低能量的信号触发该地震的可能性就很小。但是由式(5)可见,如果孔隙压力扰动是时间的调和函数时,由此引起的地震波的速度是正比于槡ω的,因此对于给定的狋0,要确定一个空间距离以区分与震源距离不同,频率也不同的两个信号引发的地震,这个距离就是触发前缘。对于均匀各向同性介质有狉=4π槡犇狋(7)对于给定的犇,由式(7)给出的狉狋图就是地震群在时空分布的上限,反之由实际观测得到的地震群的时空分布就可以得到犇。对于张量犇,我们假定是均匀分布在介质中的,并用流体饱和的均匀各向异性孔隙弹性介质来说明问题。则有狉=4π狋狀T犇-1槡狀(8)式中,狀=狉|狉|。然后再用公式(2)来得出介质的渗透率,这样由微地震群就可以进行储层的渗透率描述。另外,应用注水引发的微地震事件的频率也可以估计注入过程中水的扩散率[16]。3.4 微地震在地应力监测中的应用[17]现代地应力场不仅对天然裂缝在油田注水开发中的作用有重要影响,而且与井网优化、人工压裂裂缝的取向和导流性能密切相关。一方面,由应力值可以预测地层破裂压力,并为注水压力设计提供依据;另一方面,可以通过应力测量进行应力场分析,找出地应力与孔隙度、渗透率之间的内在联系,地应力与油气运移的关系,从一个新的角度预测油田高低产区及剩余油的分布规律。水力压裂产生的裂缝受地层三向应力制约,裂缝的延伸方向与地层中最大主应力方向平行,而垂直于最小主应力,测量出水力裂缝的延伸方向也就知道了地层应力的方向。在制定压裂方案时,要考虑地应力的分布状态,它决定着水力裂缝的形态及延伸方向,这可避免裂缝上下窜,又可有效控制早期水淹水窜现象。在制定注采井网时也要考虑水力裂缝对注水波及面的影响,最大限度地利用裂缝的方向性和高渗流能力,避免油井早期见水及暴性水淹。原则上采油井和注水井不能沿最大水平主应力方向间隔排列,在满足地层应力要求下的井网布局,注水井可进行小型压裂,使注入地层中的水形成水线来驱油,这样可大幅度提高注水波及面,减少死油区。以上是微地震监测在油藏开发中最常用的,比较成熟的应用。4 结论与展望1)微地震监测技术把地球物理信息应用到油藏开发阶段,拓宽了地球物理在油气田开发中的应用。2)应用微地震监测技术进行水力压裂监测、水驱前缘监测和油藏描述都已经在实际生产中取得较好的效果,其应用前景是广阔的。3)根据国内外研究及应用状况看,微地震监测技术目前是地球物理界热门的技术之一,并且目前微地震监测的应用主要是基于震源定位的应用。随着对微地震震源机制和辐射方式的深入研究,在掌握更多的震源参数后,微地震监测的应用范围将会不断扩大,监测精度将会不断提高。4)由于微地震监测技术在油藏开发中的实用价值很大,同时由于技术问题现在大部分已经解决,再加之资料的高分辨率和低成本收益比,用微震监测油藏越来越受重视。安装永久性检测系统已使“深部查看”概念成为将来开发工作的一部分。参考文献1 张山,刘清林,赵群,等.微地震监测技术在油田开发中的应用[J].石油物探,2002,41(2):226~2312 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