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微地震监测技术在油田开发中的应用

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地震 监测 技术 油田 开发 中的 应用
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收 稿 日 期 : !""#$"%$"&; 改 回 日 期 : !""!$"!$!&。作 者 简 介 : 张 山 , 男 , #’%! 年 生 , 高 级 工 程 师 , 曾 先 后 从 事 过 超 多 道 、高 分 辨 率 、 多 波 地 震 勘 探 以 及 工 程 物 探 和 微 地 震 监 测 等 方 法 技 术研 究 工 作 。文 章 编 号 : #"""$#((#( !""!) "!$"!!%$"%微 地 震 监 测 技 术 在 油 田 开 发 中 的 应 用张 山 , 刘 清 林 , 赵 群 , 姜 宇 东( 中 国 石 化 石 油 勘 探 开 发 研 究 院 石 油 物 探 研 究 所 , 江 苏 南 京 !#""#()摘 要 : 微 地 震 监 测 技 术 是 近 !" 年 才 出 现 的 地 球 物 理 新 技 术 , 其 基 本 做 法 是 通 过 在 井 中 或 地 面 布 置 检 波 器 排 列 接收 生 产 活 动 所 产 生 或 诱 导 的 微 小 地 震 事 件 , 并 通 过 对 这 些 事 件 的 反 演 求 取 微 地 震 震 源 位 置 等 参 数 , 然 后 , 应 用 这些 参 数 对 生 产 活 动 进 行 监 控 或 指 导 。 在 油 气 开 发 领 域 , 该 方 法 主 要 用 于 油 田 低 渗 透 储 层 压 裂 的 裂 缝 动 态 成 像 和油 田 开 发 过 程 的 动 态 监 测 , 主 要 是 流 体 驱 动 监 测 。 介 绍 了 微 地 震 监 测 方 法 的 基 本 原 理 、 数 据 采 集 方 法 和 数 据 处理 方 法 及 应 用 实 例 , 并 对 其 应 用 效 果 和 发 展 前 景 进 行 了 分 析 。关 键 词 : 微 地 震 ; 监 测 ; 定 位 ; 偏 振 ; 成 像 ; 压 裂 ; 流 体 驱 动 ; 人 工 裂 缝 分 布 ; 油 田 开 发中 图 分 类 号 : )%*#+(,! 文 献 标 识 码 : -!""#$%&’$() (* +$%,(-.$-+$% +()$’(,$)/ ’.%0)(#(/1 $) ("+.)’ (* ($# *$.#2./012 3/01, 456 7512851, ./09 761, :5012 ;6?5?6?@ 9A B@9C/D>5@E?512, G@>@0=1>?5?6?@ 9A )@?H 91 01@5>915?9> 0 1@R ?@E/19892D @H@ T/5> H@?/95>?> A * >?@C>5>L@1?> 5169F 51 0 98@S T/@51L@F?@ >6E/ 0> 8991> 9A 5>96S T/@ F@>68?@ 0F@ ?/@1 6>@S=1 ?/@ @5>915?9> >@@ 015E 9A 5>91$5?9> R@88 0> 0?591 01>512 9A 5>6>>@9H@ 091 @ 0F@08>9 @1?@5> 9A 091 @?> 01@5>915?(,2-: 5>>968912; 91; 5; 958@F 发 现 , 声 发 射 活 动 对 材 料 载 荷 历 史 的 最大 载 荷 值 具 有 记 忆 能 力 。 这 一 现 象 被 称 为 。 #’%* 年 , 效 应 。 地 下 岩 石 因 破 裂 而 产 生 的 声 发 射现 象 又 称 为 微 地 震 事 件 。 F 效 应 是 利 用 微 地震 监 测 技 术 估 计 地 下 岩 层 中 地 应 力 大 小 的 理 论 基础 。 与 地 震 勘 探 相 反 , 微 地 震 监 测 中 震 源 的 位 置 、发 震 时 刻 、 震 源 强 度 都 是 未 知 的 , 确 定 这 些 因 素 恰恰 是 微 地 震 监 测 的 首 要 任 务 。 完 成 这 一 首 要 任 务的 方 法 主 要 是 借 鉴 天 然 地 震 学 的 方 法 和 思 路 。微 地 震 事 件 发 生 在 裂 隙 之 类 的 断 面 上 , 裂 隙 范围 通 常 只 有 ##" H。 地 层 内 地 应 力 呈 各 向 异 性 分布 , 剪 切 应 力 自 然 聚 集 在 断 面 上 。 通 常 情 况 下 这 些断 裂 面 是 稳 定 的[ #]。 然 而 , 当 原 来 的 应 力 受 到 生 产活 动 干 扰 时 , 岩 石 中 原 来 存 在 的 或 新 产 生 的 裂 缝 周围 地 区 就 会 出 现 应 力 集 中 , 应 变 能 增 高 ; 当 外 力 增加 到 一 定 程 度 时 , 原 有 裂 缝 的 缺 陷 地 区 就 会 发 生 微观 屈 服 或 变 形 , 裂 缝 扩 展 , 从 而 使 应 力 松 弛 , 储 藏 能量 的 一 部 分 以 弹 性 波 ( 声 波 ) 的 形 式 释 放 出 来 产 生小 的 地 震 , 即 所 谓 微 地 震 。 注 入 作 业 期 间 引 发 的 微地 震 事 件 在 空 间 和 时 间 上 的 分 布 是 复 杂 的 , 但 不 是随 机 的 , 可 以 在 # 围 内 用 适 当 的 灵 敏 仪 器 检测 到 。 大 多 数 微 地 震 事 件 频 率 范 围 介 于 !""#&""·%!!· 石 油 物 探 第 (# 卷万方数据!" 之 间 , 持 续 时 间 小 于 #$, 通 常 能 量 介 于 里 氏 % &到 ’ # 级 。 在 地 震 记 录 上 微 地 震 事 件 一 般 表 现 为清 晰 的 脉 冲 , 越 弱 的 微 地 震 事 件 , 其 频 率 越 高 , 持 续时 间 越 短 , 能 量 越 小 , 破 裂 的 长 度 也 就 越 短 。 因 此微 地 震 信 号 很 容 易 受 其 周 围 噪 声 的 影 响 或 遮 蔽 。另 一 方 面 在 传 播 当 中 由 于 岩 石 介 质 吸 收 以 及 不 同的 地 质 环 境 , 也 会 使 能 量 受 到 影 响 。微 地 震 监 测 分 为 临 时 性 监 测 和 永 久 性 监 测 两类[ #]。 临 时 性 监 测 是 为 配 合 某 一 临 时 性 生 产 活 动( 比 如 水 动 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 应 用 得 不 多 。微 地 震 监 测 分 为 地 面 监 测 和 井 中 监 测 两 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 化 等 原 因 , 与 井 中 监 测 相 比 ,地 面 监 测 所 得 到 的 资 料 存 在 微 震 事 件 少 、 信 噪 比低 、 反 演 可 靠 性 差 等 缺 点 。微 地 震 监 测 技 术 始 于 地 热 开 发 行 业 。 #()&年 , 美 国 开 始 执 行 干 热 岩 石 地 热 开 发 项 目 , 目 的 在于 利 用 水 流 通 过 * 口 深 井 之 间 无 渗 透 岩 石 内 的 人造 裂 缝 循 环 来 提 取 地 壳 中 的 热 量 。 #()+ 年 , !,-,!./01 成 功 地 运 用 声 发 射 技 术 进 行 了 地 下 水 压 裂 缝的 定 位 研 究 。 至 +2 年 代 初 , 微 地 震 监 测 经 常 成 功地 用 于 地 热 行 业 , 以 监 测 水 动 力 压 裂 作 业 并 模 拟 、追 踪 流 体 的 运 移 , 确 定 开 发 井 的 目 标 及 帮 助 描 绘 断裂 。 此 时 , 核 工 业 界 也 着 手 利 用 微 地 震 监 测 技 术 监测 埋 于 地 下 花 岗 岩 中 的 核 废 料 是 否 因 进 一 步 裂 变生 热 而 导 致 花 岗 岩 破 裂 , 从 而 引 起 核 废 料 的 泄 露 。由 于 油 藏 环 境 下 地 震 检 波 器 的 带 宽 性 能 和 布设 方 面 存 在 一 些 技 术 问 题 , 微 地 震 监 测 在 油 气 行 业的 应 用 进 展 较 慢 。 进 入 +2 年 代 中 期 , 上 述 问 题 大部 分 都 得 到 了 解 决 , 再 加 之 该 方 法 具 有 高 分 辨 率 覆盖 和 低 成 本 收 益 比 等 优 势 , 用 微 地 震 监 测 描 述 油 气藏 已 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视[ #]。 (2 年 代 进 入 高潮 , 先 后 有 挪 威 阿 莫 科 ( 34565) 公 司 、 菲 力 浦( 789::9;) 公 司 、 美 国 联 合 太 平 洋 资 源 公 司 、 3-.?09. 国 家 实 验 室 、 日 本 @37究 中 心 ( !等 对 该 项 技 术 进 行 实 验 研 究 。 这 些研 究 为 今 后 微 地 震 监 测 技 术 在 油 气 工 业 中 获 得 广泛 应 用 奠 定 了 理 论 和 实 验 基 础 。 现 在 , 国 外 油 气 工业 中 微 地 震 监 测 技 术 正 由 试 验 研 究 阶 段 向 商 业 应用 阶 段 过 渡 。# 微 地 震 监 测 技 术 的 主 要 技 术 方 法微 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 。#,# 数 据 采 集数 据 采 集 是 微 地 震 监 测 的 基 础 , 对 硬 件 设 备 要求 较 高 。 由 于 微 地 震 的 特 性 所 致 , 必 须 用 高 采 样率 、 宽 频 带 、 连 续 记 录 、 宽 动 态 范 围 ( (D 0E) 进 行 微地 震 信 号 采 集 。 常 规 F>7 检 波 器 的 谐 振 频 率 为*22G "。 因 此 , 它 不 能 以 宽 带 精 确 地 测 定 质点 的 运 动 。 另 外 , 由 于 常 规 检 波 器 弹 簧 片 的 非 轴 向激 励 而 出 现 伪 波 型 , 在 高 出 自 然 频 率 约 *I 倍 的 某一 频 率 上 产 生 谐 振 效 应 , 因 而 必 须 使 用 一 种 先 进 的井 中 地 震 检 波 器 , 以 便 把 有 用 的 频 率 范 围 扩 展 到 #" 以 上 。 使 用 固 态 的 加 速 度 计 作 为 传 感 装 置 ,可 以 消 除 伪 波 型 、 相 位 误 差 以 及 高 频 噪 声 的 限 制 。目 前 国 外 大 多 数 使 用 多 级 多 分 量 F>7 加 速 度 检 波器 串 。图 # 是 微 地 震 监 测 数 据 采 集 示 意 图 , 压 裂 井 与监 测 井 间 的 距 离 一 般 不 应 大 于 +22 4, 采 用 单 井 或多 井 监 测 。 单 井 监 测 时 井 下 三 分 量 检 波 器 不 少 于H 级 , 视 检 波 器 级 数 多 少 以 及 目 的 层 上 下 岩 层 构 造复 杂 程 度 , 检 波 器 排 列 可 置 于 目 的 层 的 上 方 、 下 方或 穿 越 目 的 层 ; 地 面 三 分 量 检 波 器 在 压 裂 井 周 围#22&22 4 的 范 围 内 埋 设 , 且 不 少 于 & 组 。 数 据 采 集过 程 中 检 波 器 位 置 、 相 关 接 收 参 数 始 终 保 持 不 变 。图 # 微 地 震 监 测 数 据 采 集 示 意 图在 正 式 记 录 前 需 通 过 射 孔 记 录 或 专 门 激 发 确定 井 中 检 波 器 的 方 位 , 标 定 地 层 速 度 。 图 * 是 井 中三 分 量 检 波 器 定 向 及 速 度 校 正 过 程 的 示 意 图 。 图 中( !, ") 为 检 波 器 在 水 平 面 上 的 位 置 ;!为 旋 转 角 , 从·)**·第 * 期 张 山 等 J 微 地 震 监 测 技 术 在 油 田 开 发 中 的 应 用万方数据! 波 偏 振 分 析 获 得 ;!从 射 孔 或 导 火 索 震 源 和 检波 器 位 置 中 获 得 。 速 度 校 准 计 算 公 式 如 下[ "]!( "#)$ !#( "#)%[ $%&"!#& ’ % &’("!#]( ))这 里*+(!#$"#( "#( )#( )#)"&( *#( *#)!"式 中 ,!#是 震 源 与 接 收 检 波 器 间 的 张 角 , 震 源 坐标 位 置 为 ( )#, *#, "#) ,( )#, *#, "#) 表 示 第 # 个 检波 器 位 置 坐 标 , !#( "#) 表 示 深 度 为 "#处 的 水 平速 度 ; ’ 表 示 随 深 度 变 化 的 函 数 。获 得 校 准 记 录 后 , 再 记 录 一 段 时 间 的 噪 声 背景 , 然 后 记 录 压 裂 过 程 的 微 地 震 信 号 。 压 裂 工 程关 机 后 , 通 常 还 要 进 行 #,- . ) / 的 记 录 , 以 记 录图 " 三 分 量 检 波 器 定 位 过 程 示 意 图后 续 微 地 震 信 号 。 图 0 是 典 型 的 单 井 多 级 多 分量 水 力 压 裂 微 地 震 记 录 , 左 侧 为 垂 直 分 量 , 右 侧为 水 平 分 量 。图 0 典 型 的 单 井 多 级 多 分 量 水 力 压 裂 微 地 震 记 录)," 震 源 成 像 方 法震 源 成 像 是 微 地 震 数 据 处 理 的 首 要 任 务 , 根 据数 据 采 集 观 测 系 统 的 不 同 和 可 记 录 到 信 息 的 不 同 ,有 多 种 不 同 的 成 像 方 法 。 借 助 于 高 性 能 计 算 机 ( 微机 ) , 这 些 方 法 基 本 上 都 能 实 现 现 场 实 时 成 像 。),",) 纵 横 波 时 差 法当 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 , 而 且 纵 、 横 波 速 度都 已 知 时 , 可 采 用 此 方 法 。设 +,( )-,, *-,, "-,) 点 为 第 , 次 破 裂 时 的 破 裂源 , .#( )/#, */#, "/#) 为 第 # 个 测 点 , 0, #为 +,和 .#两 点 间 的 距 离 , 则 有0,#$[ ( )/#( )-,)"&( */#( *-,)"&( "/#( "-,)"])" ( ")设 介 质 内 纵 、 横 波 的 平 均 速 度 !1和 !&为 已 知 , 且在 .#点 记 录 信 号 可 以 确 定 2 波 和 ! 波 的 到 达 时 之差!1,#, 则 有!1,#$0,#!1(0,#!&( 0)经 整 理 可 得0,#$!1,#% !1% !&!1( !&( 3)联 立 ( ") 式 和 ( 3) 式 得[ ( )/#( )-,)"&( */#( *-,)"&( "/#( "-,)"])"$!1,#% !1% !&!1( !&( -)测 点 .#的 坐 标 是 已 知 的 ,( -) 式 中 仅 含 有 0 个 未 知量 , 即 破 裂 源 坐 标 +,( )-,, *-,, "-,) 。 当 测 点 的 个数 #"0 时 , 由 其 中 的 任 意 0 个 方 程 都 可 以 解 出 一组 +,( )-,, *-,, "-,) 来 , 所 以 方 程 组 ( -) 是 求 解 +,点 坐 标 的 基 本 方 程 组 。),"," 同 型 波 时 差 法当 在 .#点 记 录 的 信 号 上 无 法 确 定 出 2 波 和 !·4""· 石 油 物 探 第 3) 卷万方数据波 的 到 时 之 差 , 但 不 同 测 点 的 ! 波 或 " 波 到 时 可以 确 定 的 情 况 下 ( 以 " 波 到 时 可 以 确 定 为 例 ) , 也 可以 得 到 求 解 !"( #$", %$", &$") 的 基 本 方 程 组[ ( #’() #$")#*( %’() %$")#*( &’() &$")#]$#)[ ( #’$) #$")#*( %’$) %$")#*( &’$) &$")#]$#+ ,%-( ."() ."$) ( &)式 中 , ."(为 第 !"次 破 裂 的 微 地 震 信 号 在 测 点 /(记录 上 的 到 达 时 , 通 过 求 差 回 避 了 发 震 时 刻 不 定 的 问题 。 当 测 点 数 不 少 于 ’ 时 , 可 由 上 述 方 程 组 求 得!"( #$", %$", &$") 。$(#() 偏 振 分 析 定 位 法在 单 井 观 测 的 条 件 下 , 所 有 观 测 点 的 水 平 坐 标都 相 同 ( 图 $) , 因 此 , 无 论 有 多 少 测 点 , 都 不 能 从 方 程组 ( *) 或 ( &) 确 定 震 源 点 的 平 面 坐 标 , 只 能 确 定 它 到观 测 井 的 水 平 距 离 和 深 度 。 幸 运 的 是 , 我 们 可 以 通过 偏 振 分 析 来 确 定 震 源 的 方 位 , 如 图 ’ 所 示 。 必 须指 出 , 偏 振 分 析 存 在 $+, 确 定 性 ; 但 这 一 缺 陷 在实 际 工 作 中 , 通 过 特 定 的 约 束 条 件 ( 观 测 排 列 、 观 测井 与 压 裂 井 的 相 对 关 系 等 ) 可 以 得 到 很 好 的 解 决 。图 ’ 偏 振 法 确 定 微 地 震 源 的 方 位$(#(’ ./01/2 修 正 法[ )]理 论 上 , 通 过 方 程 组 ( *) 或 ( &) 可 以 解 得 震 源 点的 坐 标 , 但 实 际 操 作 起 来 却 比 较 困 难 , 再 加 上 测 量误 差 和 速 度 场 扰 动 , 其 解 通 常 是 不 稳 定 的 。 通 常 的做 法 是 对 方 程 组 进 行 近 似 和 简 化 , 得 到 一 组 近 似解 , 然 后 再 用 ./01/2 法 进 一 步 修 正 , 得 到 震 源 坐 标的 精 确 解 。 ./01/2 修 正 法 包 含 两 步 , 首 先 利 用3456/2 展 开 , 建 立 各 观 测 点 的 关 于 震 源 参 数 ( 坐 标和 7或 到 时 ) 修 正 量 的 线 性 方 程 组0(+!. * 1(!# * 2(!% * 3(!& * 4(( + $, #, … , 5 ( 8)式 中 , 0 为 实 测 到 时 与 初 始 参 数 计 算 到 时 之 差 , 是已 知 量 ; 1, 2, 3 为 时 距 函 数 在 初 始 点 的 偏 微 分 , 也是 已 知 量 ; 4 是 二 次 以 上 的 高 截 误 差 ;!.,!#,!%,!&是 待 求 的 震 源 参 数 修 正 量 。 下 一 步 利 用 最 小 二 乘原 理 , 令 4 的 平 方 和 最 小 化 , 从 而 建 立 下 列 线 性 方程 组5!. *!5( +$1(!# *!5( +$2(!% *!5( +$3(!& +!5( +$0(!5( +$1(!. *!5( +$1#(!# *!5( +$1(2(!% *!5( +$1(3(!& +!5( +$1(0(!5( +$2(!. *!5( +$1(2(!# *!5( +$2#(!% *!5( +$2(3(!& +!5( +$2(0(!5( +$3(!. *!5( +$1(3(!# *!5( +$2(3(!% *!5( +$3#(!& +!5( +$3(0(( +)此 方 程 组 有 多 种 现 成 的 解 法 , 这 里 不 再 多 述 。$(#(* 三 圆 相 交 定 位 法三 圆 相 交 法 是 一 种 几 何 解 法 , 适 用 于 地 面 三 点观 测 , 用 于 确 定 微 地 震 源 的 平 面 分 布 , 要 求 预 期 出现 微 地 震 事 件 的 区 域 必 须 位 于 ) 个 测 点 之 间 。 三圆 相 交 定 位 法 基 本 原 理 如 图 *4 所 示 。 设 距 微 震 源点 最 近 的 检 波 器 为 6,( #,, %,) , 逆 时 针 的 第 # 个 检波 器 为 6$( #$, %$) , 第 ) 个 检 波 器 为 6#( ##, %#) ,则 微 地 震 信 号 首 先 被 6,位 置 检 波 器 接 收 到 , 这 时距 离 为 7+ ,8,; 信 号 到 达 6$的 距 离 为 7*"9$,其 中"9$9 ,· ( 8$: 8,) ; 信 号 到 达 6#的 距 离 为 7*"9#, 其 中"9#+ , -( 8#) 8,) ; 式 中 8,, 8$, 8#分 别是 微 地 震 信 号 到 达 6,, 6$, 6#的 时 间 , , 是 地 层 的视 水 平 波 速 。 分 别 以 6,, 6$和 6#所 在 检 波 器 点为 圆 心 , 以 7, 7*"9$和 7*"9#为 半 径 画 圆 , 三圆 交 点 的 弦 之 交 点 即 为 微 地 震 震 源 :;点 。$() 精 细 反 演上 述 成 像 方 法 通 常 都 假 设 速 度 场 是 均 匀 的 、 已知 的 , 但 实 际 情 况 并 非 完 全 如 此 。 速 度 场 的 扰 动 是客 观 存 在 的 , 有 时 甚 至 具 有 较 大 的 强 度 , 要 想 精 确定 位 微 地 震 源 并 了 解 速 度 场 的 精 细 变 化 , 有 必 要 进行 微 地 震 反 演 。 反 演 的 基 本 思 路 与 ./01/2 法 相 同 ,但 在 具 体 做 法 上 有 所 不 同 :#必 须 提 供 ); 或 #;·: 5:6=07 ?7@600 =7> 3H ;3==37B?550I 30< :7:37 3/0
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