段銀鹿，李倩，姚韋萍

（中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心，陜西 西安 710201）

0 引言

微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來(lái)低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域應(yīng)用的一項(xiàng)重要技術(shù)。由于其具有驗(yàn)證或修正壓裂模型、指導(dǎo)壓裂液的選取和加砂量的判斷、保證壓裂施工按設(shè)計(jì)順利進(jìn)行、提高壓后產(chǎn)量和延長(zhǎng)壓后有效期等優(yōu)點(diǎn)，逐漸引起了人們的廣泛關(guān)注［1-4］。水力壓裂通過(guò)向致密低滲透、無(wú)油氣開(kāi)采價(jià)值的地層注入高黏度的高壓流體，使儲(chǔ)層巖石中形成裂縫；沿著裂縫，能量可以不斷地向地層中輻射，造成裂縫周?chē)貙拥膹埩鸦蝈e(cuò)動(dòng)，同時(shí)各種張裂或錯(cuò)動(dòng)會(huì)向外輻射彈性波地震能量。利用壓裂裂縫微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以很好地檢測(cè)彈性波地震能量，從而達(dá)到對(duì)地下裂縫進(jìn)行解釋的目的［5］。因鉆井工程本身無(wú)法確定鉆井和壓裂的效果，故需用開(kāi)發(fā)地震中的人工主動(dòng)震源資料和油藏工程誘發(fā)的被動(dòng)震源資料對(duì)油藏動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；而微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)是水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)的可靠手段［6-8］。

微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)起源于20世紀(jì)40年代的采礦業(yè)，而水力壓裂微震監(jiān)測(cè)技術(shù)則始于對(duì)地?zé)岬拈_(kāi)發(fā)研究。到了1976年，美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室方確立了水力壓裂誘發(fā)微震的井下觀測(cè)方法，隨后這種方法的可行性逐漸得到了人們的認(rèn)可［9-11］。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，微地震水力壓裂技術(shù)研究主要集中于裂縫成像反演方法研究和井下觀測(cè)儀器研發(fā)［12-14］；90年代，井中高性能多級(jí)檢波器陸續(xù)出現(xiàn)，并得到廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的相關(guān)研究也取得了許多成果，但對(duì)于水力壓裂裂縫成像技術(shù)的研究還不夠成熟，其軟硬件的商業(yè)化程度較低，因此，深入開(kāi)展水力壓裂微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究具有十分重要的意義。

1 原理及數(shù)據(jù)處理

1.1 原理

水力壓裂是向儲(chǔ)層注入高黏度的高壓流體，并配以適當(dāng)比例的砂子和化學(xué)物質(zhì)，使儲(chǔ)層巖石形成裂縫，從而順利開(kāi)采儲(chǔ)層中的油氣［15-18］。水力壓裂時(shí)，大量高黏度、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2種方式引起巖石破壞：當(dāng)高孔隙流體壓入儲(chǔ)層時(shí)，高孔隙流體壓力使有效圍應(yīng)力降低，導(dǎo)致剪切裂縫產(chǎn)生；當(dāng)孔隙流體壓力超過(guò)最小圍應(yīng)力和整個(gè)巖石抗張強(qiáng)度之和時(shí)，巖石會(huì)形成張性裂縫。水力壓裂形成裂縫可看成是聲發(fā)射事件。

巖石破裂會(huì)發(fā)出地震波，儲(chǔ)存在巖石中的能量以波的形式釋放出來(lái)，即誘發(fā)微地震。根據(jù)摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，水力壓裂或高壓注水時(shí)，由于地層壓力升高，沿著進(jìn)水邊緣會(huì)發(fā)生微地震。這種地震波能量包括縱波和橫波，類(lèi)似于地震勘探中的震源，但其頻率相當(dāng)高，在100～2 000 Hz范圍內(nèi)變化，能量相當(dāng)于-2～-5級(jí)地震。其波形特征與儲(chǔ)層、地層剖面有關(guān)，也與注水和壓裂的過(guò)程及參數(shù)有關(guān)。絕大多數(shù)微地震發(fā)生在注水過(guò)程中，當(dāng)?shù)貙邮艿降膲毫Υ笥跉v史上承受的最高壓力時(shí)，微震開(kāi)始明顯發(fā)生；注水壓力越高，微震發(fā)生率越高，注入流體量越大，微震發(fā)震次數(shù)就越多［19］。一般1次水力壓裂可記錄到的微地震達(dá)上百次至上萬(wàn)次，平均發(fā)生率為0.5～1.0次/min，最高可達(dá)60次/min。

1.2 數(shù)據(jù)處理

微地震具有能量弱、頻率高、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，容易受周?chē)肼曈绊?，因此，為了精確地進(jìn)行初至拾取和震源定位，需要對(duì)微地震資料進(jìn)行處理。首先，通過(guò)預(yù)處理和合理濾波，使過(guò)濾背景噪音后的微震信號(hào)顯示一致；其次，選擇有利的微震事件作極化分析和初至拾取，獲取相對(duì)震源的偏振角和微地震事件的時(shí)間；最后，依據(jù)相應(yīng)的反演理論進(jìn)行計(jì)算，從而達(dá)到對(duì)震源精確定位的目的［20］。

1.2.1 微地震事件識(shí)別

由于微地震信號(hào)能量較弱，因此準(zhǔn)確識(shí)別微地震信號(hào)是微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成敗的關(guān)鍵。應(yīng)在對(duì)微地震信號(hào)特征（幅度譜、頻譜、能量包絡(luò)、頻帶范圍等）分析計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷和識(shí)別，以確定有效事件。

1.2.2 拾取P波初至和S波波至

微地震時(shí)間的拾取是一項(xiàng)基礎(chǔ)性處理工作。由于水力壓裂時(shí)有較大的壓力作用，可能存在大量的有效事件，因此，需要在人工干預(yù)、識(shí)別的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)拾取。初至重拾取是對(duì)初至波作2次拾取的方法，即先初步確定各微地震的震源位置，在直線傳播路徑的假設(shè)下，將每個(gè)三分量記錄轉(zhuǎn)換為P，SH，SV波，然后將微地震群在縱向上分成幾組，分別將每組里的P，SH，SV波按位置順序重排，再根據(jù)重排后同相軸的相似性進(jìn)一步拾取初至?xí)r間。

1.2.3 偏振分析

偏振分析主要用于三分量數(shù)據(jù)的波場(chǎng)分離（采用2次定向和1次空間定向方法，分離P，SV，SH波）；用于估計(jì)P波的矢徑方向，從而估計(jì)波的空間傳播方向。

1.2.4 微地震震源定位

微地震震源定位是數(shù)據(jù)處理的直接目標(biāo)。由于對(duì)反演結(jié)果準(zhǔn)確度的要求越來(lái)越高，該過(guò)程是最重要也是最困難的步驟。處理的主要方法有縱橫波時(shí)差震源定位法、震源-速度聯(lián)合反演法、繞射疊加法和相對(duì)震源定位法［20］。

2 應(yīng)用實(shí)例

利用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)水力壓裂裂縫進(jìn)行檢測(cè)，可以記錄水力壓裂過(guò)程中的微地震事件，并根據(jù)微地震走時(shí)對(duì)震源定位［5，21-22］。由微地震震源的空間分布可以描述裂縫區(qū)輪廓。根據(jù)微地震空間分布在柱坐標(biāo)系3個(gè)坐標(biāo)面上的投影，可以給出裂縫的俯視圖、側(cè)視圖和前視圖，它們可以分別描述裂縫的平面分布、方位、參考性高度、起伏，以及裂縫面的傾斜方向、傾角等［5，21］。

本文選取某油田水力壓裂微地震資料進(jìn)行比較和分析。井下儀器錄制參數(shù)為：壓裂井和監(jiān)測(cè)井水平間距為219 m；10級(jí)檢波器接收，布設(shè)深度為2 083～2 173 m；時(shí)間采樣間隔0.5 ms，記錄長(zhǎng)度5 s，傳輸間隔時(shí)間34 s，記錄格式為SEG-2。射孔段共有3個(gè)，分別為深層2 185～2 187 m、 中層 2 176～2 179 m、 淺層 2 167～2 170 m。射孔及壓裂監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 射孔及壓裂監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.1 射孔資料處理

處理的目的：首先，估計(jì)三分量井下檢波器推靠到井壁上的姿態(tài)，即估計(jì)Z分量檢波器的取向與垂直方向的夾角θ和H1，H2兩水平分量檢波器合成的方向與過(guò)2井（壓裂井和監(jiān)測(cè)井）連線剖面方向的夾角φ；其次，估計(jì)2井之間儲(chǔ)層射孔段的速度分布。

表1是各級(jí)檢波器利用水平X分量、Y分量計(jì)算出的偏轉(zhuǎn)角及經(jīng)過(guò)定位旋轉(zhuǎn)之后的角度。圖2和圖3分別是10級(jí)檢波器中第5、第10級(jí)水平分量按估計(jì)的夾角φ定位前后的矢端曲線（標(biāo)值均乘以105）對(duì)比?？梢钥闯?，估計(jì)夾角是合適的，各級(jí)水平分量定位之后都轉(zhuǎn)到一致的坐標(biāo)系。

表1 各級(jí)檢波器水平偏轉(zhuǎn)角及旋轉(zhuǎn)定位后的角度

圖2 第5級(jí)檢波器水平分量定位前后矢端曲線對(duì)比

圖3 第10級(jí)檢波器水平分量定位前后矢端曲線對(duì)比

圖4a為第3段射孔接收到的原始X和Y分量記錄，圖4b為水平分量旋轉(zhuǎn)定向后的記錄。由圖4可以看出，由于10級(jí)檢波器都旋轉(zhuǎn)到一致的坐標(biāo)系，因而縱波和橫波的同相軸都能更方便地進(jìn)行對(duì)比追蹤，另外，縱波和橫波也得到了較好的分離。該記錄顯示，由于各級(jí)檢波器的水平偏轉(zhuǎn)方向不同，導(dǎo)致一些接收道存在極性反轉(zhuǎn)及接收時(shí)間上的差異。如X分量中的第3，4，6，9道與其他的接收道極性相反，這導(dǎo)致了同相軸的不連續(xù)性，對(duì)波至?xí)r間的拾取造成困難。

通過(guò)X，Y分量旋轉(zhuǎn)定位，可以將縱橫波分離，縱波投影到X分量，橫波投影到Y(jié)分量。從圖4中能明顯看到縱、橫波波至，且X，Y分量旋轉(zhuǎn)的角度可為實(shí)際壓裂采集記錄的三分量旋轉(zhuǎn)提供參數(shù)。

2.2 壓裂監(jiān)測(cè)資料處理

2.2.1 微地震事件識(shí)別標(biāo)志和方法

首先，在連續(xù)記錄的波形中識(shí)別出微地震波至，其標(biāo)志是振幅明顯增大、相鄰道相位相近、相鄰道波形相似，可以看出是一個(gè)同相軸；其次，估計(jì)這個(gè)波至或這個(gè)同相軸的微地震波類(lèi)型，再根據(jù)壓裂井和監(jiān)測(cè)井之間的位置和井旁速度模型，估計(jì)整個(gè)排列10道檢波器記錄的地震同相軸的時(shí)差范圍，并判斷其是否在合理的范圍之內(nèi)；最后，再考慮其他約束條件。

根據(jù)同相軸特征，識(shí)別的微地震事件可分為正常和異常微地震事件2類(lèi)：1）正常微地震事件，存在于50～160 Hz的頻帶范圍內(nèi)，根據(jù)射孔和檢波點(diǎn)深度上的位置關(guān)系（射孔在第10級(jí)檢波點(diǎn)深度或略深的位置，因此，第10級(jí)檢波器和第1級(jí)檢波器的事件時(shí)差應(yīng)為正值，縱波約為8 ms，橫波約為15 ms），則認(rèn)為這些記錄對(duì)應(yīng)的事件為正常事件。射孔段1，2，3正常事件分別共出現(xiàn)在105，101，105個(gè)數(shù)據(jù)文件中。2）異常微地震事件，存在于10～60 Hz的頻帶范圍內(nèi)，反映在各射孔段其余的記錄文件中，時(shí)差為-20～-30 ms，則認(rèn)為這些記錄為異常事件。

圖4 射孔段3水平分量記錄

2.2.2 波至?xí)r間拾取

在識(shí)別微地震事件的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)微地震事件可以自動(dòng)或手工拾取每道的波至?xí)r間。圖5是對(duì)射孔段2的第44號(hào)文件記錄識(shí)別出的微地震事件，黃色線條標(biāo)注的是波的初至?xí)r間位置。

圖5 初至識(shí)別和拾取

可以看出，壓裂監(jiān)測(cè)接收到的微地震事件中，有縱波也有橫波。另外，圖5右側(cè)圖顯示了Z分量上的異常微地震事件。分析認(rèn)為，其波型縱波、橫波均存在，是由檢波器上方的震源引起。

2.2.3 震源位置定位

由各道拾取的波至?xí)r間，用反演的方法估計(jì)每個(gè)微地震震源的位置和每個(gè)微地震的發(fā)震時(shí)間［3］。假設(shè)待求的某一個(gè)微地震震源的位置坐標(biāo)是 Xs，Ys，Zs，發(fā)震時(shí)間為 ts。 10 個(gè)接收點(diǎn)的空間坐標(biāo)為 Xj，Yj，Zj（j=1，2，…，10），則拾取的微地震事件的波至?xí)r間為 tj（j=1，2，…，10）。

2.2.4 監(jiān)測(cè)資料解釋

將3次壓裂每次微地震震源位置反演的結(jié)果分別畫(huà)出來(lái)，就可據(jù)此推斷每次水力壓裂生成裂縫的空間分布，延伸的長(zhǎng)度、寬度和發(fā)育的方位，估計(jì)裂縫發(fā)育和演化的過(guò)程［3，22］（見(jiàn)圖 6、圖 7）。

圖6 3個(gè)射孔段反演結(jié)果

圖7 3個(gè)射孔段俯視

根據(jù)每個(gè)射孔段壓裂誘導(dǎo)的微地震震源分布，可解釋每次壓裂產(chǎn)生的裂縫參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

3 結(jié)論

1）微地震事件的識(shí)別和波至?xí)r間的拾取需要考慮的因素較多，因此，自動(dòng)拾取方法具有較高的可靠性。

2）微地震位置的反演精度依賴于壓裂井周?chē)橘|(zhì)速度模型的精確性，模型的建立除與反演方法和建模方法有關(guān)外，還依賴于地質(zhì)、測(cè)井、地震資料提供信息；因此，微地震資料的處理應(yīng)綜合運(yùn)用多種資料。另外，微地震位置的反演往往具有多解性，特別是Y方向（即微震源偏離壓裂井和監(jiān)測(cè)井構(gòu)成剖面的距離）的正負(fù)，故需適當(dāng)增加約束條件。

3）微地震的震源分布，指示壓裂裂縫的位置和發(fā)育情況，是水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)的最重要目標(biāo)；但能否根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)的情況估計(jì)它們與水力壓裂壓力大小、射孔方向、壓注液體配置、加砂量和程序等的關(guān)系，還需加強(qiáng)與地質(zhì)、油藏工程和地震監(jiān)測(cè)等方面的配合。

表2 3次壓裂的裂縫參數(shù)

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