油气田勘探开发中的威震监测方法.pdf

书书书 油气田勘探开发中的 微震监测方法 梁兵朱广生编著 石 油 工 业 出 版 社 内容提要 微震监测是一种主要用于油气田开发的新的地震方法它用的不是专门人工震源产生的 地震波“ 而是利用水力压裂“ 油气开采“ 常规注水或热驱等石油工程作业而产生的地震波这 种诱生地震很微弱“ 须在井中进行观测对观测到的微震资料进行处理和解释“ 可给出水力压 裂裂缝空间图像“ 以及裂缝发育过程的详细信息 或对油气田开发过程中孔隙流体的运动前 缘“ 热驱时被加热区空间范围的变化进行监测并可为优化井身结构设计“ 延缓油井损坏提供 地下应力场相关数据最终达到提高采收率“ 降低油气田开发成本的目的书中“ 系统叙述了 微震监测方法的技术发展史 基本原理 诱生微震特点 数据采集 数据处理及资料解释方法“ 给出了各种典型实例 本书是为石油物探专业学生编写的教材“ 也可供石油地质和石油工程专业的生产 科研人 员及相关专业的师生参考“ 并可供采矿业应用声发射技术的工程师 核废料处理安全监测的工 程技术人员参考 图书在版编目 “ “ 数据 油气田勘探开发中的微震监测方法梁兵“ 朱广生编著 北京 ; “ “ 对这些报道进行了综合研究“ 并提出自己的 理论 ; “ 根据实验室的岩心测试得出结论 脆性岩石里微震发射是小裂缝生成触发 的尽管采矿业界关心的是预测岩石破坏“ 与区域构造及天然地震无关的人类活动对构造稳 定性的影响“ 但 9技术 A 3 B 1 - A C - - 3 5 - A . 3 7 - C - AF G F公司等在美国科罗 拉多州的 * 1 1 7 5 H 7 . 油田进行的目的层为含气致密砂岩“ 深约 L * H 3 . * 1 3 . M 在橡树岭做了水力压裂裂 缝地震作图试验“ 也是采用地面观测方式 “ /年美国著名的国家实验室桑地亚国家实验室 9 * 5 J - *K * 1 - 3 * ;L * H 3 . * 1 3 . M 在 * 1 1 7 5 H 7 . 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证明“ 由于水力压裂诱发微震的能量“ 频率等特点“ 以及地层 * C 3 K * 1 - 3 5 * ;L * H 3 . * 1 3 . M 已开始了井下微震观测研究的现场工作 在N 7 5 1 7 5山热干岩中进行了E年现场试验 “ / “ “ “ 获得了大量资料“研究结果证明 水力压裂时 发生大量的可记录水平的微震 利 用这些微震可以确定水力裂缝的方位“ 人们从 “ E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9 A 4 B 1 7 . “ H . - 4 1等 “ H . - 4 1等 “ 7 M 3 .等 “ E 日本的政府部门也曾资助有关储层描述的微震监测 方法研究N 7 4 ; 7 .等 - AN . * A 1 B . - 5 6 - J ; 7 M等 “ “ 中译本 水力压裂技术新发展 蒋阗等译 石油工业出版社 “ “ ’年版 其中第十六章 裂缝方位和几何形状的确定 专门讨论确定裂缝方位和形状的方法“书中列出三种裂缝方 位测定方法 第二种便是 三轴地震法 即这里的微震监测法 “值得注意的是 这本书是 9 0 理事会选定的 E位作者分章撰写的 作者们都是站在水力压裂各项技术发展前沿的专 家 每个人都是学有所长 硕果累累 并富有实践经验 由此不难知道该书的权威性“可见 在 ; 等 “ “ 今天已发展出多种性 能良好的多级检波器串 记录到的微震主频可达 , * .等 “ “ 这可以使永久性检波器安置在E * 5 J . 7等 “ “ Z 7 V ; * 5 J . 7等 “ “ ’ 即 将检波器永久性固定在井中观测点上“ 如用水泥胶结在井壁中 目前已可将多达约’ , 7 .等 “ “ I B 1 ; 7 J 7等 7 J 7等 * 5 J . 7等 “ “ ’ 5 5 B * ;I 7 U 3 . 1“ 7 M提出了 仪表化油 田 V - 7 ; J 7 M ;等 H . - 4 1 “ Z 3 H 7 A , - “ E * . U - 5 , - “ “ “岩石中总是存 在岩层层面或节理 以及微小的天然裂隙 或其它低强度的构造 水力压裂诱生了沿这些薄弱 构造的剪切破裂 激发出地震波“在震源物理研究中 一般认为摩尔’库伦摩擦定律可很好描 述这种剪切运动 郭增建等 “ “ 刁桂苓等 “ 刁守中等 “ “ 根据摩尔’库伦摩擦定 律 当岩层中任意截面上的剪切力达到临界值 即摩擦力 ; 7 M气田 法国 * M 7 1 \J 7 \ 3 5 1 * * 5 7地区及北海的 , 3 V - ,油田 / 微震研究发现 计算出的地震矩相对震源半径很小 这意味着岩石破裂时没有多少能量发出 “ ; H . - 4 1 “ ; “ “年E月据 ; H . - 4 1等 “ 3 W 7 3 W 7 ; - U 等 “ “ / 微震折射波是在地层中存在地震折射界面时 微震源发出的波以临界角入射到折 射界面 产生折射波被井中检波器记录下来这里说的套管折射波是因套管中0波“ 或9波 的波速通常明显高于地层中波速 当微震源发出的波以临界角入射到套管上时 产生沿套管滑 行的波 有的文献称其为套管折射波“G * - 5 . 7 V . * A 1 7 J * W 7 “9 * . J *等 “ 0波或9 P波 入射角达临界角时可产生沿套管滑行的0波 也会产生沿套管滑行的9波 ;的一口斜井中记录到 的 可以看到8分量初至先到“9 * . J *等 “ ;的一口斜井中观测 到的沿套管滑行的套管折射波 注意8分量的波至时间与9分量和分量的明显不同等 “ “ 而由多个国家研究者联合研究项目’ 超越微震云 “ 3 . 7 L公司与日本国家石油公司联合进 行的一个微震监测示意图“ 地点 美国加利福尼亚F . A B 1 1油田“ 时间 “ “ 年 - V 3 . 5 - *州 A , - 1 1 . - A ,附近的9 3 B 1 4 7 ; c . - J 7油田“其中井和井用作压裂井“F - V 3 . 5 - *州9 3 B 1 4 7 ; . - J 7油 田 其 中F “ F “F 和L F 井作微震观测和其它地震观测“井 和 井为压裂井P - 5 7 * .等“ “ “ 为了准确确定微震震源位置以准确确定裂 缝空间形态“ 微震观测点要足够多在单井作业 时“ 如用单分量检波器“ 则至少应在四个观测点 上同时观测如果使用三分量检波器“ 从理论上 讲在一个点上观测就够了“ 然而“ 如要获得最佳 裂缝图像“ 至少也应有个观测点同时工作Z 7 c V ; * 5 J . 7等“ “ “ 从现有资料看“ 通常使用 至个三分量检波器在不同点上同时观测“ 也有 在两口观测井中每口井安置 ’个三分量检波器 串同时观测的 - 1 4 7 . 等“ “ “ ’ “ 甚至在三口 观测井每井固定’ 7 7 V 7等“ “ “ E * 5 J . 7等“ “ “ c H . - 4 1等 “ ’O * . 1等 “ ’ * 4 . c 7 . “ “ ’9 1 7 * . 1等 “ “ ’9 ; 7 7 V 7等 “ “ E’9 A 4 7 C 7 1等 “ “ ’Z 7 V ; * 5 J . 7等 “ “ ’’ - 1 4 7 . 等 “ “ /’O 3 B 7等 “ “ ’ ; H . - 4 1等 “ “ 根据图8 “中 个微震及从背景噪音中随机抽出的两个噪音画出 7 J 7等 ; 7 M气田 实际应用表明 该方法可使初至拾取误差降低到普通方法拾取误差的 7 J 7等 7 .等 ; 7 M气田 利用油田标准射孔枪激发爆炸索 钢丝绳每次起下作业可放炮 每一炮 5 用爆炸索长8 / C 相当炸药量约 , 7 . “ “ “8 8 8 4波型分析 导波的识别 一般情况下 将记录到的微震都作为直达0波和9波进行震源定位和其它分析 但在某 些情况下 如某个观测点上记录到的微震与其它观测点上记录到的相关微震有明显差别 难以 准确定位等 可能要作专门分析 例如判断它是否属于导波“ 导波是地震能量被封闭在特殊地层中形成的一种特殊波型“L 3 B等 “ “ “ “ E 理论研 究证明 速度比围岩低 0传播9波以较低速度;9传 播 所以0波首先到达观测点 其质点运动矢量平行于波的传播方向 即平行震源到观测点的 径向矢量9波到达较晚 其质点振动矢量垂直于径向矢量 并位于垂直于的平面内实 际观测可以得到0波和9波波至时间交会图 ;试验结果“ “ E年 H8法国9 3 B ; 1 X试验结果“ “ “ E年 “ 据9 4 * U - . 3等 1 X “ “ E年 ‘/_ 1 X其它E次水力压裂和F * A 4 -两次水力压裂诱生微 震资料计算出的渗透率见表8 “ 1 X6 0 T “ “ E8 “’’ 1 X6 0 T “ “ E8 1 X6 0 T “ “ ’8 /E’ 1 X6 0 T “ “ /8 “ ’ 3 - 5 或叫Oa法I * 1 - 33 V 1 4 74 3 . c - X 3 5 1 * ; 1 31 4 7P 7 . 1 - A * ; - A . 3 7 - C - A * A , . 3 B 5 J 3 1 - 3 5 OaC 7 1 4 3 J 该方法要求在处理 井中布置检波器 根据处理井中记录到的微震波形分析 获得裂缝高度等信息 压裂处理井中记录到的微震数据与非压裂井里记录到的微震有本质上差别 非压裂井里 记录到的微震 一般表现为明显的体波相0波和9波 它可用来作极化分析确定震源位置’ 而处理井中记录到的微震通常没有呈现出这两种波相这可解释为 水力压裂使受影响的地 层内形成一个地震低速区该低速区与压裂井相连通 它起着地震波导作用 使压裂井中观测 到的微震波形被明显改变 * 4 . 7 . “ “ 水力压裂引起的微震数量是巨大的 它们大多都 能被目前使用的仪器记录下来 但是具有能被识别和分析的有足够能量的诱生微震数量 只是 诱生微震中的一小部分 而大部分在记录上表现为连成一片的背景振动具有能被识别和分 析并有足够能量的诱生微震 则表现为突出于背景振动之上的较强脉冲 参见图 8 ’ 图 8 与水力压裂无关的噪音绝大多数也叠加在背景振动里 微震测井利用的是诱生微震里的背景 振动的能量研究发现 水力压裂井中背景振动特征随深度变化 这种变化与裂缝相关为了 研究背景振动与裂缝关系 将背景振动的平均矢量分解为两个分量 水平分量H和垂直分量 R在压裂发生作用的井段 裂缝区 微震背景振动的H分量较大’ 而在裂缝区以上和以下 井段 R分量较大即在水力压裂压开的裂缝层段HR大于 而在裂缝区上或下HR小 于当沿井孔计算分析HR随深度变化时 在裂缝区的上界和下界 就会发现HR比值发 生变化’ 从正常的没受压裂影响井段进入裂缝区HR由小于变为大于’ 而从裂缝区进入 正常井段HR值由大于变为小于 这种变化称为HR值反转 3 “HR ’ 作 图“ 图8 E “ 图中横轴为HR值“ 分贝数 纵轴为深度当HR时HR的分贝数为正 HR时HR的分贝数为负这样的图简洁明了 易于解释 图上HR值“ 分贝数 的正负 反转点便是水力压裂裂缝高度的界限 图8 E “HR法模型计算结果 * 8模型 其中 微震源区或微震源加低速区* 相当于实际井中水力压裂裂缝带H8 裂缝带* 仅是微震源区而没有加入低速区影响的情况A 8 裂缝带* 既是微震源区又是个低速区情况“ 据 * 4 . 7 . “ “ E 该方法于 “ /年 月由美国天然气研究院等在得克萨斯州的P * , 3 C油田进行了首次 试验 并取得了成功并且 计算机模拟研究证明了这个方法的可靠性从 “ /年底至 “ “ 年 该方法已成功地用于美国 - 3 5油田的一个试验 基地 图8 E“ 从 交联凝胶液的疏通处理 最 后一次“ 第次 是支撑压裂 注入带有 / H砂的交联凝胶等 流体总量为/ 除第 次外 其它/次处理根据压裂流体不同可分为两类注入流体注入速度“H H ;’C - 5砂“; H \ 疏通 “ 交联凝胶 ’ \ 阶跃注入试井 T G R线性凝胶 /\ 小型压裂 线性凝胶 \ 支撑压裂 / 交联凝胶 , 0 2 0 ; * C 3 西约E * C 3 国家实验室及一些公司多次在此进行水力压裂及其诱生微震 研究 表8 ’列出了其中的几次早期试验在 “ E年底的一次水力压裂采集的诱生微震数据 在以后十多年里被不同研究者用多种方法进行重新处理和解释 “8 B8 “8 场地及微震数据采集概述 图8 ’ N 7 5 1 3 5O - ; ;试验场检波点 及注水层段平面位置图 图中E分别为 6 ; * C 3 国家 实验室热干岩地热能开发计划“O 3 1Z . MI 3 A ,6 7 3 1 4 7 . c C * ; 5 7 . MZ 7 W 7 ; 3 U C 7 5 10 . 3 . * C 研究内容的一部分 这次试验共用了六口井 其中 井为水力压裂注水 井 E6 6 和0 G 五 口 井 为 监 测 井 “ 图8 ’ 井中的注水深度为E / H . - 4 1等 “ 7 .等 “ “ ; 3 A ,等 “ “ “S - 5 U - 5 L -等 “ “ “8 B8 “8 “微震数据处理与解释 这次试验获得的诱生微震原始数据 在以后的十多年里曾由不同研究者重新处理 方法各 不相同下面举其中重要的几次研究为例 8 /8 8 8 早期的处理成果O 3 B 7“ “ N 7 4 ; 7 .等“ “ 本例给出三点法处理实际微震数据的结果基础数据来自 “ E年那次大型水力压裂作 业诱发的微地震 O 3 B 7等 “ 在微震震源定位计算中 使用了0波和9波旅行时 它们是在五个以上 观测点记录到的 速度模型为半空间均匀介质模型 ;0‘’8 “ , C9‘E8 ’ 7 .等 “ 用三点法对这些数据作了重新处理和计算第一步发现一个最优发震平 面 走向K E [ 倾向 [ 然后用方程 8 发现有 E 3 A ,等“ “ “ L 8 P8 ; 3 A ,等 “ “ 年对N 7 5 1 3 5O - ; ; “ E年 月日水力压裂诱生微震数据作了重新处理 他用 的 是 震 源 一 速 度 联 合 反 演 法所 用 数 据 是 压 裂 后 第 “ 4里 ’ E’6 井的径迹发震平面 指出的裂缝带在井中位置与水力压裂前所作的温度测井结果相一致 N 7 4 ; 7 .等 “ “ 图8 ’ 走向K “ 7 .等 “ “ “. 0 G 四口井中记录的/ 3 A ,等认为这是纵波初至的信噪比较 低所致 图8 ’ ’N 7 5 1 7 5O - ; ;实际微震数据反演结果 纵波*和横波H速度模型水平剖面“ 深度E ’ 3 A ,等“ “ “ 8 /8 8 8 E相对震源定位法S - 5 U - 5 L -等“ “ “ S - 5 U - 5 L -等 “ “ 年 对N 7 5 1 3 5O - ; ;水力压裂诱生微震数据作了又一次处理“ 方法是 相对震源定位法所用的数据是 “ E年 月日g ; “ E年试验的 微震数据四种不同处理方法所得成果可以看到 除 早期’ 均匀半空间速度模型 O 3 B 7等 “ “ 所得结 果精度较低外 其余三种方法 三点法 震源速度联合反演法 相对震源定位法“ 都具有可信 的结果和相当好的精度 注意他们使用的资料虽然来自N 7 5 1 3 5O - ; ;的同一次试验 但具体使 用的数据是不一致的 例如S - 5 U - 5 L -使用的仅仅是其中一个很小的数据子集“ 其中 相对 震源定位法的处理结果更精确 而震源速度联合反演法可与裂缝形状一起提供相关速度分 布图像 “ B 5O , P ; 7 M气田开始实施一项微震监测研究 这项研究持续多年 获得了丰富的成果 “8 B8 58 地质概况和水力压裂概况 G * . 1 4 * 7G 3 1 1 3 5P * ; ; 7 M气田位于美国 7 ] * 州0 * 5 3 ; *郡 图8 ’ ““ 是 “ / 年发现的一 个低渗透薄层砂岩气藏 面积 ; 7 M层里的 第E阶段水力压裂的微震监测“ 这次水力压裂的处理井是G 6Q \ ; 7 M气田地理位置图 据I B 1 ; 7 J 7等“ , 7 .“ “ “ , 7 .“ “ “ I B 1 ; 7 J 7等“ 7 M实验室等研制的一套软件’ 微震数据采集 技术状态和微震定位系统 “ 可在现场对微震数据进行自动检测“ 并现场对微震进行实时定位 * ; , 7 .“ “ “ 7 J 7等“ 7 J 7等“ ; 7 M气田G 6Q \ 7 J 7等 ; 7 M气田G 6Q \ 7 J 7等 7 J 7等 7 J 7等 7 J 7等 ;的 井 “ E年 月日水力压裂期间g ;水力压裂处理的地层是花岗岩地层 * ] 7 ; ;等 ; 7 M气田 ; 7 M气田 ;等 ; 7 M水力压裂射开的层位是致密砂岩“ 发育有垂直延伸的天然裂 缝“ 而其上下泥岩中几乎没有天然裂缝 还是在这个G 3 1 1 3 5P * ; ; 7 M气田“ “ “ 年’月在G 6Q \ , 7 .“ “ “ I B 1 ; 7 J 7等“ 7 J 7等“ . - J 7油田 加利福尼亚州 的硅藻岩层里“ 连续进行的’次小型压裂期间“ 在射孔层段的上部T层和下部层分别生成个独立的裂缝 图8 / / 这’次小型压裂注 入流体能量都很小“ 尤其是前E次 见表8 “ 但从图8 / / H可清楚看到“ 第次小型压裂 后“ 上裂缝高度已达到最后 第’次小型压裂后 裂缝高度“ 下裂缝高度也几乎达到最后高度 然而第次压裂后下裂缝长度仅为最后长度一半“ 而上裂缝形成长度很小“ 几乎像没有生成有 效长度 见图8 / / A 这说明连续’次小型压裂的早 . - J 7油田G井里’次小型压裂中的第E’次小型压裂诱生微震分布图 这些微震是在G井附近几口监测井中记录的“* 8平面图 压裂处理井坐标为 ;水力压裂是在花岗岩里进行的 图8 ’ 和图8 ’ 清 楚表明 在 g ;的 井水力压裂讨论中指出 微震分布表明裂缝 生长是不对称的 在水平方向上 裂缝主要向北西方向生长 参见图8 ’ “ G 3 1 1 3 5P * ; ; 7 M气田 3 . * J 3州的多井试验场我们可以看到类似情况 “ “ ’年在该试验场以 b\井作为水力压裂处理井 以b\E井 3 58 井为监测井作水力压裂微震监测 “ 参见图8 处理目的层是砂组 无天然裂缝图8 / 是砂组第/次注入三个不同时 间的微震分布剖面图 “ 图中椭圆是裂缝模拟得到的裂缝形状 与这里的讨论无关 由 图8 / *可见 在流体注入后第/ C - 5 在处理井b\井右边“ 南东方向 的微震最远已离 井约 ; 7 M气田压裂处理的砂岩层里发育有天然裂缝I B 1 ; 7 J 7 等 . - J 7 油田G井中’次小型压裂后的第二天 在原射开层段里又作了一次主压裂 处理参数见 表8 主压裂期间记录到的微震和头一天三次小型压裂记录到的微震定位后 这些微震分 布情况如图8 / 所示可以看到主压裂后 在射开层位下部层里的下裂缝高度几乎没有 增长 图8 / H“ 长度却明显增长至 ’ . - J 7油田G井第E’次小型压裂和主压裂期间诱生微震分布图 * 8平面图 压裂处理井G的坐标为 ;“ 砂岩G 3 1 1 3 5P * ; ; 7 M气田 美国能源部G 3 ; 3 . * J 3州多井 试验场“ 以及有很好渗透性的硅藻岩 南 7 ; . - J 7油田“ 这意味着裂缝两翼长度的不对称性 与岩性关系不大 而可能与岩层的不均匀性等因素有关有些文献里 微震分布图上显示出的 裂缝两翼不对称无法确定是裂缝本身真实反映 还是监测井中检波器探测半径没达到短翼所致 还有一些文献中描述的裂缝两翼长度的确是相同的这就说明 水力压裂生成的裂缝在处理井 两边的长度往往不相等 但并非总是如此在复杂情况下 裂缝非但不对称 甚至会在走向上发 生分叉等复杂现象这可在 - 1 4 7 . 等 “ “ “ 以及I B 1 ; 7 J 7等 7 .等“ “ 发现水力压裂产生的五个裂缝面 倾角从 [到 [不等“ 参 见表8 和图8 ’ 和图8 ’ ’ 在法国的9 3 B ; 1 X地热田 从 “ “ E年月到 “ “ /年“月 在结晶岩里进行了一系列水力压 裂研究 诱生微震研究是主要内容之一表8 E列出了这些试验的水力压裂处理的主要参数 和记录下来的诱生微震数表中列出的这次水力压裂是在三个井段内进行的 其中后两次是 同一口井的同一井段每次水力压裂注入井在表中已经列出 微震观测是在注入井附近一口 监测井中进行的根据微震记录作出各次水力压裂诱生微震分布图 如图8 / “所示从 图8 / “的H JV4四幅图“ 俯视图 中可以看到 四次水力压裂生成的裂缝走向几乎一样 约 为K 1 X6 0 T \“ E“8 “8 1 X6 0 T \“ E 1 X6 0 T \“ ’/8 /8 / E 1 X6 0 T \“ /“8 E“8 ’ EE 1 X地热田 “ “ E8 “ “ “ E8 7 H -等“ “ “ 目前“ 井下多级检波器上都有专为检波器定向而置入的放射性示踪剂小丸 如浸过铱或钴 / ; 7 M气田的微震监测研究中 从第E阶段水力压裂诱生的 个微震中选 出了/ “ /个高质量的微震 对这/ “ /个微震数据作了两次处理“两次处理使用的微震定位方 法相同 只是在第二次处理流程中加了一个重新拾取初至的程序 以波形相似性原则和统计方 法高精度重新拾取了初至“结果 第二次处理的微震定位精度是第一次处理定位精度的倍 I B 1 ; 7 J 7等 ;地热田 “ E年 月一次大型水力压裂的微震监测采集的数据 不同的人进行了多次处理 表8 列出了其中四次处理的简况 其微震定位误差各不相同 除最早一次 B . U 4 M等 “ / 处理 方法不详外 其它三次的处理方法各不相同 3 A ,等 “ “ 用的是震源’速度联合反演法 而S - 5 U - 5 L -等 “ “ 用的是相对震源定位法“这三种方 法都给出了震源绝对位置的定位误差 以震源’速度联合反演法定位精度最高 绝对位置误差 为 C 而早期的简单的极化分析法 靠矢端曲线确定微震传播方向 以0波9波初至时差计 算微震距离 精度最低 绝对位置误差大到 ; - U 等 “ “ / “相对震源定位法也是一种比较 好的定位方法“ 表“8 4微震震源定位精度 地区岩性 数据采 集时间 采样 率 初至读 数误差 微震定位误差定位方法资料来源备注 新 墨 西 哥 州N 7 5 1 3 5 O - ; ; 花岗岩 “ E8 E ; 花岗岩 “ E8 C 绝对位置 ; 花岗岩 “ E8 0波 C 9波 C 绝对位置“ C 单检 波 器 多 井 观 测“ 震源一速度联 合反演 ; 3 A ,等“ “ “ 模拟磁带仪 科 罗 拉 多 州Z F 多 井试验场 砂岩绝对位置“ ’ C 多级