微地震裂缝监测技术研究

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
4、正演地质建模
层状均匀介质模型
假设介质呈水平层状分布，每一层内介质均 匀分布，同层速度每个方向上都是相同的。
利用测井，地震以及其它方法获得目标地质 体的详细速度分布，确定层状均匀模型的地层深 度H,以及相对应地层P波，S波的传播速度。
速数据流（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。
采用48级,三分量井下检波器
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）。
微震监测方法与技术
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
5、反演定位方法研究
R为实测到时与初始参数计算到时之差，是已知 量；a，b，c为时距函数在初始点的偏微分，也是已知 量；e是二次以上的高截误差；σx、σy 、σz 、是待 求的震源参数修正量。下一步利用最小二乘原理，令e 的平方和最小化，从而建立下列线性方程组：
n n n n nT aix biy ciz Ri i 1 i 1 i 1 i 1 n n n n n 2 aiT ai x ai biy ai ciz ai Ri i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 n n n n n 2 b T ai bix bi y bi ciz bi Ri i i 1 i 1 i 1 i 1 i 1 n n n n n 2 ciT ai cix bi ciy c.i z ci Ri i 1 i 1 i 1 i 1 i 1
4、正演地质建模
X V0
Z
H1 E
Z1
V1
H2
Z2
V2 Z
4、正演地质建模
旅行时求取示意图
旅行时t4 旅行时t3 旅行时t1 地层界面 旅行时t5 旅行时t2
4、正演地质建模
介质模型的建立
P波路线追踪
S波路线追踪
P波旅行时的求取
S波旅行时的求取
P波，S波记录合成
合成记录输出
正演模拟流程图
4、正演地质建模
P
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）。
1、微震的产生机理
微地震裂缝监测的数据__裂缝监测图与侧视图
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
2、数据采集
地面记录系统
地面记录系统： HDSeis GeoRes Imagine 采样率：0.25ms 监测方式：连续监测、事件触发 数据格式：SEG-2 记录长度：3s（连续监测数据）、0.5s（触发事件数据） 监测窗口：256ms
[(x pi xqk ) ( y pi yqk ) ( z pi zqk ) ]
2 2
1 2 2
Tki v p vs
(v p v s )
Qk ( xqk , yqk , zqk )
5、反演定位方法研究
同型波时差法
当在点记录的信号上无法确定出S波和P波的 到时之差，但不同测点的P波或S波到时可以确定 时（以S波到达时可以确定为例），也可以得到 求解Qk(xqk,yqk,zqk)的基本方程组：
裂缝外圈 裂缝内圈
S 波
引言
微地震采集－裂缝监测的结果
Plan View 平面图 Well
Well 压裂井
Passive Monitor Well 观测井
原来的,绝对确定的 震源位置
在采用了主波组,相对成 像技术后得到的震源位置
由美国Los Alamos国家实验 室和联合太平洋资源公司在 美国COTTON 山谷所作的压裂 裂缝检测试验
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
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、数据处理、精细反演等 几个关键技术。
引言
C8b C11
压裂事件空间计算图
C16
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。
[( x pi x qk ) ( y pi y qk ) ( z pi z qk ) ] 2
2 2 2 1
[( x p1 x qk ) ( y p1 y qk ) ( z p1 z qk ) ] 2 Vs (Tki Tk1 )
2 2 2
1
当测点数大于4时，可由上述方程组求得Qk(xqk,yqk,zqk) 。
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 • 今天 发展到高性能多级检波器串，即每口
观测井中可一次安置多个三分量检波器。 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
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。
3、压裂监测处理方法
微地震的频谱
频率超过1500Hz
3、压裂监测处理方法
• 数据处理的困难:
▼微震能量弱、频率高、持续时间短，因此容易 受周围噪声影响或遮蔽。 ▼不知微震绝对能量; ▼速度场测不准:裂缝带及其周围膨胀区地震波速 度降低,其速度分布随时间变化.
微震资料处理
微 地 震 资 料 预 处 理
压力/砂比（Mpa/%）
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 时间（分钟） 50 60 70
排量（m3/min）
60 50 40 30 20 10 0
压力 套压 砂比 排量
2、数据采集
井下检波器的位置设计
2570m
wenku.baidu.com
微地震
2592.8m
检波器
3.2m/1层
2596.0m
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。
引言
C – SeisPTTM微地震监测解释软件 声发事件的探测 声发事件的分析 微地震的定位 压裂裂缝绘制
左图:模拟无裂缝的均匀介质中P波和S波的传播.(图中小圆圈为接收点,星号为震 源-小裂缝) 右图:模拟有裂缝时的波传播情况( a. 40毫秒时 b. 75毫秒时. P波和S波的速度从 外部岩石向裂缝内部明显下降)
谱分析
3、压裂监测处理方法
带通滤波器设计
3、压裂监测处理方法
带通滤波后效果分析
3、压裂监测处理方法
低通滤波器设计
3、压裂监测处理方法
低通滤波后效果分析
3、压裂监测处理方法
高通滤波器设计
3、压裂监测处理方法
高通滤波后效果分析
3、压裂监测处理方法
带阻滤波设计
3、压裂监测处理方法
带阻滤波后效果分析
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。
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
压裂作业曲线
老22斜-5压裂施工曲线（2008-12-7） 70
频 域 相 关 时 间 空 间 域 极 化 滤 波
微 地 震 信 号 滤 波
微 地 震 信 号 相 关 滤 波
微 地 震 信 号 综 合 滤 波 处 理
微 地 震 信 号 波 场 分 离
F-K
3、压裂监测处理方法
方位角校正
3、压裂监测处理方法
方位角校正
3、压裂监测处理方法
方位角校正结果
3、压裂监测处理方法
裂缝
检 波 器
检 波 器
P波的水平/垂直 速度比
S波的水平/垂直 速度比 (无裂缝时)
P波的水平/垂直 S波的水平/垂直 速度比 速度比 (有裂缝时)
左图:在一个裂缝中由10个微地震所产生的导波在400毫秒时的传播情况 右图:有一个微地震时在低速裂缝带附近波的传播情况(图中虚线为裂 缝 边界
P 波
裂缝
2630m
184.2m
2、数据采集
射孔记录
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
3、压裂监测处理方法
微震事件能量弱、频率高、持续时间短，因此容易 受周围噪声影响或遮蔽。鉴于微震资料的这些特点， 为了可以精确的进行初至拾取和震源定位，故需要对 微震资料进行一系列处理。首先通过预处理和合理滤 波，使过滤背景噪音的微震信号显示一致；然后选择 有利的微震事件做极化分析和初至拾取，获取相对震 源的方位角和纵横波时差，同时依据纵横波时差建立 速度模型，从而达到震源精确定位的目的。
微震波形组合及初至排列
时距曲线成 双曲线状
正演特征分析
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
Qk ( xqk , yqk , zqk )
5、反演定位方法研究
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Qk(xqk,yqk,zqk)为第K次破裂时的破裂源，Pi (xpi,ypi,zpi)为第i个测点.
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,高孔隙压力以剪切 破裂和张性破裂两种方式引起岩石破坏。岩石破 裂时发出地震波，储存在岩石中的能量以波的形 式释放出来。诱发微震以剪切破裂为主要诱因。
1、微震的产生机理
压裂示意图
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
Qk ( xqk , yqk , zqk )
5、反演定位方法研究
Geiger修正法
由于以上两种方法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Geiger法进一步修正，得到 震源坐标的精确解。Geiger修正法包含2步，首先 利用Tayler展开建立各观测点的关于震源参数（坐 标和/或到时）修正量的线性方程组：