微震监测技术

2、数据采集
井中检波器
用于水力压裂微震监测的井中检波器，以可回收的检波 器为主，少数情况下使用永久性井下检波器。常规的井壁推靠 式检波器规VSP检波器不能在宽频带上精确测量质点运动。这 有两方面的限制： 第一个限制是锁定谐振（Locking resonance） 第二个限制是常规VSP检波器会出现某些寄生波型,不能 精确测量宽频带范围内的质点运动，常规检波器会出现某些寄 生波型； 永久性井下检波器，实际上是将检波器胶结在井壁里或 固定在套管壁上。
十二级接收器
岩石破裂
微地震事件
微地震监测主要包括数据采集、微震数据处理、震源成像和精细反 演等几个关键步骤。
引言
微震事件空间展布图
引言
1965年：美国滨州岩石力学实验室开始声发射和微震研 究，称为AE/MS技术。 1973年：首次开始现场试验工作，这次现场试验研究是 AMOCO公司等在美国科罗拉多州的Wattenberg油田进行的。 目的层为含气致密砂岩，深约2440m。当时人们沿袭传统的 地震勘探数据采集方法，采用布置在地面的检波器排列来监 测水力压裂裂缝的发展。由于地面噪音太高而诱发微震的水 平很低，加之那时的记录仪器及数据处理方法水平都不高， 无法从这种低信噪比的记录中识别出微震信号来。试验没有 成功。
③降低和识别消除地表噪音
微震监测作业时，应暂停一切地面活动，以免产生干扰。有时需要在井口安臵 一个检波
④选好井中观测点 ⑤选好监测井位
当有条件时，应恰当选择监测井位
⑥多级检波器观测
2、数据采集
数据采集的仪器装备
微震对数据采集仪器的要求：微震主要特点是 ：能量弱； 频带宽；注水加压期间发震率高，可高达60 次/分。因此要 求接收和记录仪器具有高灵敏度、宽频带、高采样率及连续记 录，井下检波器及信号传输系统必须耐高温高压，高绝缘度。 此外，要求井中检波器在宽频带内与井壁耦合良好,需要进行 三分量观测。 水力压裂微震监测时用的仪器设备，国外各公司和研究单 位实际配臵不尽相同，但通常包括井中检波器组，井中传输系 统和地面记录系统三部分。
2、数据采集
井中传输系统
井中传输系统的功用是收集检波器接收到的微震信号， 并将其传输到地面记录系统。 越来越多地使用多级三分量检波器，动辄每口井数 十个三分量检波器，如每口井用50个三分量检波器，这样
便有150个检波器在接收微震数据。传输系统必须实现多
道信号的同时实时传输，必须具有高速传输能力。这种情 况下更多时候用光缆传输。有时候传输系统里还包括模数
微震产生机理 数据采集 数据处理 正演地质建模 反演定位 压裂效果解释
微震数据采集方法决定于微震的特点，尤其是微震强度， 它涉及到检波器的有效探测范围。由于水力压裂诱生微震本 身能量很小，而其高达100-2000Hz的高频成分极易被地层衰 减吸收，因此传播距离不长。这些微震能被检波器检测到并 可靠定位，除取决于其本身能量外，还与检波器的灵敏度等 性能密切相关。较早的文献里认为检波只能在半径200m内可 靠地诱生微震，近十年来，井下检波器的性能虽已明显提高， 但诱生微震能量太小，检波器能可靠探测到微震的有效半径 依然有限。
1、微震的产生机理
模型计算
C.Pearson (1981) 利用简单裂缝滑动模型计算 了岩石产生破裂必须的最小孔隙压力增长，利用微震 源分布的一维扩散模型计算了孔隙压力分布，并对这 种分布进行比较，结果证明: 高孔隙压力使岩石产生破裂能够产生微震;
1、微震的产生机理
水力压裂作业初期，由于大量的超过地层吸收能力的 高压流体泵入井中，在井底附近逐渐形成很高压力，其值 超过岩石围应力抗张强度之和，便在地层中形成张性裂缝。 随后，带有支撑剂的高压流体挤入裂缝，使裂缝向地层深 处延伸，同时加高变宽。
2、数据采集
水力压裂诱生微震能量非常微弱，通常在传 播不远后便衰减到难以检测水平。早期水力压裂 微震监测试验是将检波器布臵在地面上，因信噪 比太低而失败。井中的环境噪音比地面要低许多， 并且检波器接近微震源。因此水力压裂微震监测 都是将检波器放在井中观测。
2、数据采集
微震观测几个要点
①观测点数要足够多
引言
随后，1976年美国著名国家实验室桑地亚国家 实验室在Wattenberg油田做了大量工作，试验用地 面地震观测方式记录水力压裂诱发微震。试验结果 表明，由于水力压裂诱发微震的能量，频率等特点， 以及地层吸收因素等，在地面是不能可靠检测到的， 因而也就不能用地面观测的方法确定水力裂缝方位 和几何形状，而是应该在靠近这种裂缝附近记录诱 发微震。
据流的要求。
引言
数据处理和解释方法－－经历了单粗糙的纵横波时差法，
到现在的多种精细处理解释方法。
在20世纪90年代后期，微震绝对定位误差仅为12∽40m，裂 缝走向方位角精度为2°∽6°。
在21世纪初，绝对定位误差已降到10m以下。并可从微震能 量、频谱、波形特征等参数，以及微震位置时空变化等数据得 到有关微震发震机制、水力压裂裂缝发育过程的可靠信息，促 进了水力压裂理论和技术的发展。但是，水力压裂裂缝成像技 术还不是很成熟，其软硬件的商业化程度还不高。
Mc Garr理论
上世纪70年代中期，根据南非金矿深井，美国丹佛、 日本Matsushiro等地的诱发地震研究，McGarr得出结论： 从地下移出的物质（或移入地下物质）所做的总功， 作为一段时间里位能变化的度量，将以地震能量释放的方 式来调节。 并指出，在无其它调节方式时，单个地震的震级及其 频率取决于区域应力的大小，以及岩石的刚度. 虽然McGarr本人明确指出，油田生产时采出和注入流 体的体积与诱生微震的关系并不精确符合上述关系。
1、微震的产生机理
• 滑动产生P和S波 (压缩波和剪切波) • 速度不同 P 波 > S 波 • 可用三分量检波器接收
P
wk.baidu.com
岩石破裂
S(t1) P(t1)
S X 检波器 S(t2) P(t2)
Y
1、微震的产生机理
三分量检波器记录的原始数据，经简单处理后可 得到微震记录，其中每个微震都是P波在前，S波在 后，它们都有三个分量;一个垂直分量（V），两个水 平分量（H1和H2）。
引言
• 20世纪70年代 普通井中检波器或VSP测井用检波器，
其技术性能低。
• 20世纪90年代 发展到高性能多级检波器串，即每口观
测井中可一次安臵多个三分量检波器。 • 今天 多级检波器串，记录主频可达1000Hz以上，可耐
150℃，承受69Mpa高压。井下检波器的连接件和电缆或光
缆可满足多级（如50级）三分量检波器同时观测的高速数
这种加压的张开的裂缝，在它周围的高孔隙压力区 引起剪切破裂 .岩石破裂时发出地震波。这是储存在岩石 中的能量以波的形式释放出来。容易理解，由于岩石这种 破裂规模有限，释放出的能量很小，这种地震波是很微弱 的，震级在0级以下。人们普遍认为，水力压裂诱发微震 里的绝大多数，尤其是其中较大者，是由岩石的剪切破裂 引起的，而不是张性破裂引起的。
地面记录系统的功能是接收和记录来自井中传输系统的数 据。有的地面记录系统还具有现场实时处理和分析能力。能对 微震数据进行自动检测，对振幅大于一定门槛值的信号实时自 动定位，对裂缝面走向，倾向、倾角、高度和长度进行自动分 析，并在监视器上显示出来，或作图输出。 如需将微震数据远距离传到基地计算中心，多通过卫星， 或现代化互联网实现。
1、微震的产生机理
水力压裂时，大量高粘度高压流体被注入储层, 使孔隙流体压力迅速提高,以两种方式引起岩石破 坏: 第一 高孔隙流体压力使有效围应力降低， 直至岩石抵抗不住被施加的构造应力，导致剪切 裂缝产生； 第二 如孔隙流体压力超过最小围应力与整 个岩石抗张强度之和，则岩石便会形成张性裂缝。
1、微震的产生机理
转换器，信号放大器和信号转发器等。
2、数据采集
电缆头 检波器1
井下采集仪器
10m
检波器2
10m
检波器3
10m
检波器4
10m
60m
检波器5
井下检波器：OYO Geospace DDS-250 检波器级数：7级（采用10m柔性连接） 前放增益：42db
检波器7 检波器6
10m
10m
2、数据采集
地面记录系统
引言
压裂事件记录
引言
引言
微震事件水平投影图（白线所指方向为震源密集带的方向）
微震产生机理 数据采集 数据处理 正演地质建模 反演定位 压裂效果解释
1、微震的产生机理
地震 地球介质的一种声发射现象。 岩石声发射: 岩石变形时，局部地区应力集中， 可能会发生突然的破坏，从而向周围发射出弹性波， 这就是岩石的声发射现象 . （陈颙等，1984）
单井作业时使用三分量检波器，从理论上讲在一个点上观测就够了，然而，如 要获得最佳裂缝图象，至少也应有4个观测点同时工作. 。多井作业时，也应在多 个观测点用三分量检波器同时观测,获得最佳裂缝图象.单井作业时观测点应布臵在 压裂层上面和下面。多井作业时观测点应布臵在压裂层对应深度上下。
②辅助放炮
多井数据采集时，检波器在井中固定后需在压裂井（或其它观测井）中人工激 发地震波.单井作业时,应在地面压裂井两侧布臵2__4个炮点.当监测井中采用多级 检波器（例如48个）观测，辅助放炮时也应采用多个井中炮点激发，炮点间隔应与 接收点间隔相等，并使炮点深度位臵与接收点深度位臵大体相匹配。
领域中的一项重要新技术。该项技术通过在邻井中的检波器
来监测相对应的压裂井在压裂过程中诱发的微地震波来描述 压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布。它能实时提供
压裂施工产生裂隙的高度、长度和方位角，利用这些信息可
以优化压裂设计、优化井网或其他油田开发措施，从而提高 采收率。
引言
高压泵 压裂作业井
监测井
水力压裂诱生微震监测 技术研究
Micro-seismic monitoring Technology of hydraulic fracturing
桂志先
引言 微震产生机理 数据采集 数据处理 正演地质建模 反演定位 压裂效果解释
引言
微地震压裂监测技术是近年来在低渗透油气藏压裂改造
2、数据采集
双井观测
施工时占用二口井，一口是常规水力压裂作业井，另一 口为微震观测的监测井，在监测井中布设三分量地震检波器 多个。二井距离一般不大于500米。这种观测方式可在水力 压裂作业各个阶段进行观测，下图为单井观测双井作业示意 图，该图是这种作业方法的一个井场布臵实例。这种方法可 得到高质量的清晰的P波和S波，并且数量充足，是微震监测 中使用较多的方式。有时在压裂处理井中同时布设检波器观 测。
2、数据采集
单井观测
检波器布设在压裂井里。这种情况下，虽然 微震在压裂作业开始不久便会产生，但微震记录 往往需要在关井后开始。这是因为压裂液注入时 流体流动的噪音、泵的噪音太高，而微震本身水 平很低，此时的微震记录信噪比一般很低，常常 不能用于后续的数据处理和解释。
一般水力压裂微震监测很少采用单井作业， 除非无现存钻井可供作监测井时才用单井作业。
引言
从1973年以来的一系列试验的失败中，终于摆 脱了几十年来地面地震勘探方法的影响，确立了水 力压裂诱发微震的井下观测方法。同时改进和发展 了井下记录仪器，以及相关的资料处理和解释方法。 约在20世纪70年代末，用水力压裂诱发微震研究裂 缝方法的可行性得到了人们的承认。 此后，更多的石油公司和大学、科研单位陆续 加入这项研究，使这一技术得到持续、稳定的发展， 并逐渐实用化。
引言
近二十年来
水力压裂微震监测的研究主要集中在裂
缝成像方法，资料解释方法及相关理论上，微震的裂缝成 像技术有不少重要进展，不仅使得裂缝方位和形态的确定 更加准确，能提供水力压裂时裂缝的发育过程的详细资料， 还可以提供储层中流体通道图象，甚至提供渗透率参数， 地层应力参数等.
引言
微震观测设备的关键部分是井下观测仪器。由于 诱生微震能量非常弱，频率很高（约为 100∽1500Hz），传播方向复杂，以及井下高温、高 压、高腐蚀性的恶劣环境，要求微震监测用井中检波 器是高灵敏度、高频、体积小的三分量检波器，其本 身及有关连接件、信号传输线等应具有耐高温、高压 和耐腐蚀的性能。
2、数据采集
2、数据采集
监测井中检波器记录的微震事件（依次为ZXY三个分量）
2、数据采集
双井或多井观测法
参加作业的井有三口或更多，其中一口作正常 水力压裂用，在另外两口或多口井中同时布设检波
器观测，每口井中布臵一个或多个三分量地震检波
器。 有条件时，采用三口以上监测井，以扩大微震 观测在水平方向张角，更全面地描述裂缝的空间图 象。