崔慶輝

1.中國(guó)石化勝利油田分公司物探研究院, 山東 東營(yíng) 275022;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500

水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量監(jiān)控方法研究

崔慶輝1，2

1.中國(guó)石化勝利油田分公司物探研究院, 山東 東營(yíng) 275022;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500

微地震監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)油氣井水力壓裂效果的一種重要方法,在非常規(guī)油氣田水力壓裂效果評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)如何保證微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量這一問(wèn)題,從微地震波形特征、理論合成數(shù)據(jù)處理、射孔信號(hào)定位及微地震事件時(shí)空分布特征等方面研究了微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量監(jiān)控方法,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,研究所取得的成果基本符合實(shí)際情況,保證了微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)用于壓裂評(píng)價(jià)的可靠性。

水力壓裂；微地震監(jiān)測(cè)；質(zhì)量監(jiān)控

0 前言

水力壓裂已成為開發(fā)低滲透油氣藏的一項(xiàng)重要技術(shù),成為致密頁(yè)巖油氣等非常規(guī)油氣資源成功開發(fā)的關(guān)鍵因素[1]。微地震監(jiān)測(cè)通過(guò)記錄巖石破裂產(chǎn)生的信號(hào)及震源反演獲得裂縫的幾何參數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓裂效果的評(píng)估,近年來(lái)日益受到重視并得到廣泛應(yīng)用[2-4]。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究,主要集中于微地震去噪[5]、速度模型[6-10]、定位方法[11-12]等方面。微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有噪音廣、信號(hào)弱、速度建模困難等特點(diǎn),有效實(shí)施質(zhì)量監(jiān)控,保證微地震監(jiān)測(cè)處理質(zhì)量是確保壓裂評(píng)價(jià)可靠性的必要步驟,遺憾的是國(guó)內(nèi)外缺少這方面的研究。

本文基于微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理,從微地震信號(hào)波形、模擬微地震數(shù)據(jù)處理、射孔信號(hào)定位及微地震事件時(shí)空分布特征等四個(gè)方面探討了微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制方法,為水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供了有力保障。

1 微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量監(jiān)控方法

1.1 微地震信號(hào)波形特征

成功記錄到微地震信號(hào)是微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ),微地震信號(hào)信噪比較低導(dǎo)致了在數(shù)據(jù)處理中常常把噪音錯(cuò)誤識(shí)別成有效信號(hào),進(jìn)而得出錯(cuò)誤的定位結(jié)果,誤導(dǎo)后續(xù)的壓裂效果評(píng)價(jià)。為了保證有效信號(hào)識(shí)別的準(zhǔn)確率,需要對(duì)識(shí)別出的有效信號(hào)從波形特征上加以判別。微地震信號(hào)波形特征主要表現(xiàn)在分布范圍、道間相似程度及時(shí)差曲線特征等方面。

同一微地震信號(hào)往往表現(xiàn)為大部分或全部的檢波器上可見(jiàn),同時(shí)在各檢波器之間還表現(xiàn)出高度相似性。水力壓裂通過(guò)射孔后向地層注入液體,引起巖石破裂并產(chǎn)生微地震信號(hào),因此微地震信號(hào)發(fā)生位置具有特定的范圍,在該范圍內(nèi)的信號(hào)與地表的各種噪音在時(shí)差曲線上具有完全不同的特征。

圖1為在地表模擬布置檢波器,計(jì)算地下某一范圍內(nèi)不同位置的時(shí)距曲線(不同顏色代表不同位置),可以看出,在一定范圍內(nèi)不同位置處的時(shí)距曲線具有高度相似性。因此,實(shí)際應(yīng)用中可以利用射孔點(diǎn)計(jì)算出的時(shí)差曲線作為模板,來(lái)判斷微地震信號(hào)的真實(shí)性。其做法是:計(jì)算地層等效速度,根據(jù)射孔點(diǎn)坐標(biāo),計(jì)算射孔點(diǎn)到各檢波器的走時(shí)并轉(zhuǎn)換成相對(duì)時(shí)差,繪制出時(shí)差曲線顯示在微地震數(shù)據(jù)體上,道間時(shí)差與時(shí)差曲線相似的信號(hào)可認(rèn)為是有效地震信號(hào)。

圖1 地下特定范圍內(nèi)不同位置計(jì)算的理論時(shí)距曲線

圖2所示為一實(shí)際地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),圖中紅色曲線為壓裂段的理論時(shí)差曲線,可依此判斷出圖2-a)為噪音,圖2-b)為有效微地震信號(hào)。

a)有效微地震信號(hào)

b)噪音

1.2 模擬數(shù)據(jù)處理

微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果受環(huán)境噪音、觀測(cè)系統(tǒng)、檢波器個(gè)數(shù)、壓裂深度、地質(zhì)特征等多種因素影響[13-14]。通過(guò)對(duì)模擬微地震數(shù)據(jù)的處理,可以評(píng)估以上因素能否實(shí)現(xiàn)微地震信號(hào)的識(shí)別和定位,為實(shí)現(xiàn)微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量監(jiān)控提供合理依據(jù)。以下將以一實(shí)際地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例,說(shuō)明模擬數(shù)據(jù)用于微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量監(jiān)控的過(guò)程。

1.2.1 有效信號(hào)的識(shí)別

提取工區(qū)在以往微地震監(jiān)測(cè)中記錄到的微地震信號(hào)波形,加入實(shí)際監(jiān)測(cè)的環(huán)境噪音合成模擬微地震數(shù)據(jù),計(jì)算該模擬微地震數(shù)據(jù)的長(zhǎng)短時(shí)窗能量比曲線,應(yīng)用長(zhǎng)短時(shí)窗能量比的方法識(shí)別有效信號(hào)[15]。

圖3-a)所示為地面監(jiān)測(cè)到的實(shí)際微地震信號(hào),圖3-b)為加入工區(qū)實(shí)際記錄到的背景噪音后形成的模擬記錄,圖3-c)為計(jì)算的長(zhǎng)短時(shí)窗能量比值(STA/LTA)曲線?？梢钥闯?雖然通過(guò)直接觀察很難發(fā)現(xiàn)微地震信號(hào),但是在長(zhǎng)短時(shí)窗能量比值曲線上可以清晰地發(fā)現(xiàn)有效信號(hào)出現(xiàn)的位置,由此驗(yàn)證了該工區(qū)進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)可識(shí)別出較弱的微地震信號(hào),保證了其信號(hào)識(shí)別結(jié)果的可靠性；反之,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別出的信號(hào)的真實(shí)性得不到保證。

a)實(shí)測(cè)的微地震有效信號(hào)

b)加入實(shí)際背景噪音的合成微地震數(shù)據(jù)

c)長(zhǎng)短時(shí)窗能量比值曲線圖3 合成微地震數(shù)據(jù)的信號(hào)識(shí)別

1.2.2 微地震事件的定位

建立一個(gè)均勻的速度模型,計(jì)算實(shí)際壓裂位置到地表各個(gè)檢波器的旅行時(shí)間,采用圖3-a)所示的波形及實(shí)際監(jiān)測(cè)的環(huán)境噪音制作模擬微地震數(shù)據(jù),通過(guò)調(diào)整圖3-a)所示的波形振幅,獲得不同信噪比的模擬數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4。利用能量掃描疊加定位方法[16-18],對(duì)不同信噪比模擬微地震數(shù)據(jù)進(jìn)行定位,最終結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明,在該工區(qū)進(jìn)行地面微地震監(jiān)測(cè),可實(shí)現(xiàn)信噪比大于等于0.5的微地震有效信號(hào)的定位,但不能保證更低信噪比下微地震有效事件的定位精度。

a)信噪比為1時(shí)的合成微地震數(shù)據(jù)

b)信噪比為0.75時(shí)的合成微地震數(shù)據(jù)

c)信噪比為0.5時(shí)的合成微地震數(shù)據(jù)圖4 不同信噪比的合成微地震數(shù)據(jù)

表1 不同信噪比合成微地震數(shù)據(jù)定位誤差

信噪比SNRX/mY/mZ/m距離/m100000755510770512816215

1.3 射孔信號(hào)的定位

速度模型的準(zhǔn)確性直接影響微地震事件定位精度,利用模擬微地震數(shù)據(jù)驗(yàn)證定位結(jié)果時(shí)使用的是均勻速度模型,忽略了地下速度模型的復(fù)雜性對(duì)結(jié)果的影響[19]。射孔信號(hào)與實(shí)際的微地震信號(hào)相比能量較強(qiáng),其背景噪音、傳播路徑等均與實(shí)際微地震信號(hào)具有較高的相似性,并且射孔位置是已知的,因此對(duì)實(shí)際射孔信號(hào)進(jìn)行和微地震信號(hào)相同的處理流程,計(jì)算射孔信號(hào)的定位結(jié)果與射孔點(diǎn)實(shí)際位置的誤差,可以用來(lái)評(píng)價(jià)微地震定位結(jié)果的可信度。

1.4 微地震事件時(shí)空分布特征

微地震事件的分布受地應(yīng)力、天然裂縫、巖石物理性質(zhì)等影響往往表現(xiàn)出各向異性,很少對(duì)稱分布,但總體上微地震事件發(fā)生的時(shí)間具有以下時(shí)空特征:以壓裂段為起始點(diǎn)向外延伸,越近的微地震事件發(fā)生的時(shí)刻越早，見(jiàn)圖5。因此將最終監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行三維顯示并以不同顏色表示事件發(fā)生時(shí)刻的先后,也可以用來(lái)評(píng)價(jià)定位結(jié)果是否合理。

圖5 合理的微地震事件時(shí)空分布

2 應(yīng)用效果

Y砂礫巖體油藏位于我國(guó)東部,是常溫常壓稀油低孔特低滲油藏,深度近4 000 m,主地應(yīng)力呈北西向。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化形成平面、縱向立體縫網(wǎng),確保裂縫不竄通情況下,達(dá)到儲(chǔ)量控制最大化,對(duì)多口水平井進(jìn)行了水力壓裂。在地表布置了近900個(gè)檢波器對(duì)其中兩口井共26段的壓裂進(jìn)行了微地震監(jiān)測(cè),圖6為井軌跡與檢波器位置分布圖。應(yīng)用本文研究的質(zhì)量監(jiān)控方法對(duì)微地震監(jiān)測(cè)資料處理過(guò)程進(jìn)行了嚴(yán)格監(jiān)控,得到了圖7所示的最終結(jié)果。

根據(jù)最終對(duì)兩口井的監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析認(rèn)為:壓裂產(chǎn)生的裂縫方向主要為北西和北東兩組方向；解釋的裂縫長(zhǎng)度與壓裂設(shè)計(jì)基本一致；裂縫高度低于設(shè)計(jì)值,但沒(méi)有壓穿儲(chǔ)層,總體達(dá)到預(yù)期效果。圖8為對(duì)兩口壓裂井壓裂后產(chǎn)能的追蹤,從產(chǎn)量的提升上也驗(yàn)證了以上結(jié)論。

圖6 Y油藏微地震監(jiān)測(cè)檢波器分布

圖7 最終微地震監(jiān)測(cè)處理結(jié)果顯示

圖8 兩口井壓裂后的日產(chǎn)油曲線

3 結(jié)論

本文主要從微地震信號(hào)波形特征、模擬微地震數(shù)據(jù)處理、射孔信號(hào)的定位及微地震事件時(shí)空分布特征等四個(gè)方面探討了微地震監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制方法,所取得的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)有助于微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)服務(wù)人員進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控,有利于油田開發(fā)部門人員對(duì)微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),并合理地指導(dǎo)開發(fā)方案的調(diào)整,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。但所建立的方法基本上以定性評(píng)價(jià)為主,在定量分析方面需要進(jìn)一步的研究,以取得更精確的評(píng)價(jià)效果。

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.009

2016-03-07

國(guó)家863課題“陸上非一致性時(shí)延地震、微地震油藏監(jiān)測(cè)方法研究”(2011 AA 060303)

崔慶輝(1984-),男,陜西宜川人,高級(jí)工程師,在讀博士研究生,主要從事地震勘探近地表校正及水力壓裂微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。