井中微地震技术与应用

52井中微地震技术与应用陈泽东物探公司三大队摘要低渗透油田的水力裂缝特征决定了井网的部署、射孔的方位、压裂设计的优化等，对于储层改造起着指导性作用，直接影响着油田开发的好坏。我们通过掌握这项技术开拓了勘探面向开发的新领域，进一步认识到水力压裂的裂缝延伸的复杂性，明确了压裂裂缝的延伸情况，在指导油田开发中的井网部署、压裂优化设计、压裂后效果评估方面发挥关键作用。关键词低渗透油气藏水力压裂井中微地震技术应用效果一、前言中国低渗透油气资源十分丰富，目前国内已探明低渗透油田（油藏）共有300个左右，地质储量40×108t,占全部探明储量的24.5%，广泛分布于全国勘探开发的20多个油区，其中储量在1×108t以上的就有11个油区。因此，对已开发的低渗透油气田如何进一步提高开发效益，对于石油工业的发展有着十分重要的意义。区块整体压裂改造技术作为低渗透油田高效开采的有效方法，在各个低渗透油田被广泛采用。因此必须对区块整体压裂改造技术进行系统研究，以期对不同类型的低渗透油藏提出相应的开发模式，以提高开采效益与开发水平。低渗透油田的水力裂缝特征决定了井网的部署、射孔的方位、压裂设计的优化等，对于储层改造起着指导性作用，直接影响着油田开发的好坏。但是目前常用的各种测试方法由于受地貌条件、井斜及仪器位置的限制，使得测试结果可信度低。因此采用目前国际上最先进的井下微地震裂缝测试技术对压裂过程中水力裂缝的特征进行监测与描述，对于提高裂缝测试水平、促进压裂工艺及开发技术进步意义重大。二、井中微地震技术原理及特点井中微地震技术原理起源于天然地震的监测。水力压裂井中，由于压力的变化，地层被强制压开一条大的裂缝，沿着这条主裂缝，能量不断的向地层中辐射，形成主裂缝周围地层的张裂或错动，这些张裂和错动可以向外辐射弹性波地震能量，包括压缩波和剪切波，类似于地震勘探中的震源，但其频率相当高，其频率通常从200Hz到2000Hz左右的范围内变化。震源信号被位于压裂井旁的井中检波器所接收，将接收到的信号进行资料处理，反推出震源的空间位置，这个震源53位置就代表了裂缝的位置。1.微地震波的运动学设有一个微地震事件位于O点，引起了地层的剪切错动，这个错动形成了一个微地震波的震源，它与常规地震勘探的震源不同，能量比较微弱，大约相当于几克到几十克的炸药能量。微地震震源所产生的子波以所处地层的速度向外传播，与常规地震不同的是在这里波的传播既有纵波（P），也有横波（S），在时间t1时纵波和横波传播到了A，在时间t2时纵波和横波传播到了B。处于B点的三分量接收器接收到了P波和S波的振动。2、资料处理微地震事件的处理与自然地震的处理不同，主要分三个部分，首先，所有的数据都需要搜索出微地震事件来；必须对所搜索到的事件进行振幅恢复；用这个事件的属性计算微振动的位置。其中的难点是识别微地震事件，弄清那些是微地震事件那些是噪音，然后找到这个微地震事件的P波到达时及其质点振动方向，多级接收系统可以帮助我们有效的完成这一作业，因为微地震事件在多级系统上都有反映且具有一定的规律性，P波在多级排列上是成像的。而S波的识别就比较困难，一般被掩盖在了反射或者其他的续至波当中，但是我们可以依据S波与P波的三个差异来诊断它：低频、振幅漂移、直角质点振动漂移，同时多级接收是追踪S波的必须条件。现在我们来讨论微地震事件位置的确定，如上所述，微地震事件位置的处理需要一个新的方法，第一，接收处于一条线上，不能全部处于一个圆周上，第二，压裂产生的微地震事件虽然是一个近场问题（接收距震源只有几百米），考虑到微地震事件的能量很弱，当其到达接收时我们可以将它近似为平面波。a).微地震事件的距离和高度：首先根据P波和S波随着传输距离的衰减公式来计算微地震事件的高度和距离。设：Vp是纵波速度，Vs是横波速度，r0为初始水平距离（震源位置），z0为初始高程距离（震源位置），t0为初始时间（震源位置）。BA剪切错动O接收器54设震源处的纵波信号为：f(t)=∫G(w)eiwtdw，此信号改写为：f(t)=Wp∑[V²pt²0-r²0–z²0]²震源处的横波信号为：f(t)=∫G(w)eiwtdw，此信号改写为：f(t)=Ws∑[V²st²0-r²0–z²0]²其中：Vsi是横波的速度，r0为初始水平距离，z0为初始高程距离，t0为初始时间。即震源处的信号是：F0＝Wp∑[V²pt²0-r²0–z²0]²+Ws∑[V²st²0-r²0–z²0]²当震源信号即微地震信号传播到时刻i时，波的描述可以用以下的方程来表示：Fi＝Wp∑[V²pt²i-r²i–z²i]²+Ws∑[V²st²i-r²i–z²i]²那么在i时波的衰减公式就可以用以下的公式表示，F＝Wp∑[V²p(tpi-t0)²-(ri-r0)²–(zi-z0)²]²+Ws∑[V²s(tsi-t0)²-(ri-r0)²–(zi-z0)²]²式中ri是i时刻的水平距离，Zi是i时刻的高度，ti是i时刻的时间。F没有特殊的物理含义，当F最小时，微地震事件的距离和高度最逼近，可以确定微地震事件的距离和高度。这个理论是基于最小二乘法修正震中的原理，P波和S波在接收点的“能量”与震源点的能量的残差的平方和为最小时，则这些参数就是最佳值，多级接收可以保证反复几次的最佳逼近，准确求出微地震事件的距离和高度。在这个式子当中，如果我们有12级接收系统接收，针对每个接收级，我们都可以得到一个这样的等式，求解这些等式，就可以得到r0,z0,t0。b).方位角的确定：为了完全定位微地震事件的位置，确切的方位角是至关重要的。对于每一个接收级（三分量检波器），两个水平分量的数据就可以用来计算入射到这个点的波的方位，设一个水平分量指向东，振幅和速度分别为AE和VE，另一个水平分量指向北，振幅和速度分别为AN和VN，那么这个点的震源方位角α为：tanα=（AE/VE）/（AN/VN）为了准确的求出方位角，我们采用正交直方图方法，取每个接收级的水平分55量的前一个相位（P波）的质点振动，两个水平分量（相互垂直）的质点振动图可以放置在一个直角坐标系中，根据多个级所得到的方位角的综合，就可以准确的得到这个微地震事件的方位来。求出了r0,z0,α,这个微地震事件的空间位置就决对可以确定了。两个水平分量的质点振动图正交直方图三、技术设计与实施1、前期准备1）地面采集仪器GEOSPACE的地面采集仪器HDSeisGeoResImagine地面高精度成像记录系统主要包括：124个数字输入道、60个模拟输入道（本系统可以扩充）；80Gb硬盘；WindowsNt操作系统；19英寸彩显；DVD刻录机；SCSI接口。一整套HDSeisTMGeoResImagine野外采集软件。SEISNET工作站。2）井下接收仪器本次施工采用12级DDS-250型井下检波器组成的井下接收仪器系统，由HDSeis24×24井下模数转换系统（24×24ADC）对采集数据在井下进行模数转换，每一级为三轴正交检波器带电推靠，三分量井下接收。OMNI-2400全向检波器具有360度方向；独有的机械设计减少机械共振以提高记录频率；机电推靠系统啮合可靠；采用灵活的接收配置，可配置为软连接和硬连接或软硬连接混合使用。3）接收仪器下井方式设计首先在主要生产层射孔段上部下入可捞式桥塞，对生产层进行封堵，井下仪器推靠于桥塞位置以上。井下仪器的光缆头到磁定位短节的总长度为83.925m。从检波器1到7的所有检波器两两之间采用10m长的柔性软56连接串联，从检波器1到7的所有检波器两两之间采用两根短的刚性硬连接串联。10m10m10m10m10m10m4.425m4.425m4.425m4.425m4.425m1.8m检波器1检波器2检波器3检波器4检波器5检波器6检波器7检波器8检波器9检波器10检波器11检波器12磁定位器电缆头83.925m572、现场实施1）下井记录射孔信号定位作业完成后地面仪器到达监测井场就位，井下仪器检测合格后下井到指定层位并推靠好。录制井下噪音。噪音合格后通知压裂井场的射孔队，在射孔开始前2分钟开始记录，直至射孔完成并得到良好的射孔记录。现场对射孔记录进行处理以确定每一个检波器的方位。通常需要接收两次射孔信号对数据进行检验与校正。方位定好以后仪器关机等待压裂作业准备工作完成，通常需要等待1-2天的时间。在等待过程中井下检波器始终处于推靠状态，不能有任何动作改变检波器的方位。2）压裂监测在压裂作业开始前5分钟开始记录，连续记录文件与时间记录文件会同时在仪器上显示，数据可通过内建的局域网传到处理便携机上进行初步处理得到初步结果。记录过程中密切监视仪器状态，通常压裂过程持续几个小时，在压裂结束后继续记录20分钟左右以保证不漏掉微地震事件。所得到的数据量一般在4-5GB，数据大小视压裂规模大小与压裂持续时间长短而不同。由图可见微地震事件形态比较明显，能量较强。左图是在压裂初期得到的一个很好的微地震信号，信号来自于检波器的下部储层。右图是压裂后期得到的微地震信号，信号的斜率刚好相反，来自于检波器的上部储层。压裂井压裂过程中典型的微地震事件58四、应用效果上图是两口井压裂井在压裂过程中所产生的所有微地震事件解释结果。压裂井A裂缝方位为NE75。，西南向压裂产生的微地震事件的长度为420m。由于受选井条件的限制，监测井的相对位置正好处于压裂井的西南方向，监测井距压裂井的北东方向较远而为监测到微地震信号；B井裂缝方位为NE80。，西南向压裂产生的微地震事件的长度为215m，北东方向压裂产生的微地震事件的长度为150m。压裂井A井显示裂缝高度为260m,裂缝高度向上严重失控，在垂直深度1960m处有相当多的微地震事件，说明在垂直深度1960m处存在大的漏失层；压裂井BA井压裂裂缝方位图B井压裂裂缝方位图59井显示裂缝高度为135m,目的层与上部储层长81之间的小的泥质遮挡层对裂缝的延伸没有起到限制作用，但是长81层上部的长7层起到了遮挡作用。根据A、B井的压裂施工数据进行净压力分析发现，整个主压裂施工过程中的净压力在7-10MPa左右，高出目的层上下储层压力3-4MPa，本身对裂缝高度控制极为不利，而且在整个施工过程中净压力有三次大幅度下降的过程，说明裂缝高度延伸过大，反映出微地震监测出的裂缝高度与储层特点、压裂施工反映出的的特征相吻合。由于A井裂缝高度的过度延伸，使得裂缝不仅相向上延伸超出储层（砂体厚度22m）233m,向下延伸超出储层5m。检波器在垂深1960m处收到了大量的微地震信号说明在垂直深度1960m处可能存在大的漏失层。从微地震事件的分布密度来看，在缝高260m的区域内可能存在两条裂缝。根据小型压裂得出的液体效率和闭合应力及微地震监测结果，再运用FracproPT压裂软件进行裂缝模拟的计算，得出压裂在目的层上部产生了一条裂缝长度为170m的大裂缝，在目的层内部只产生60m的小裂缝，说明裂缝延伸是非常复杂的。五、结论及建议1、井中微地震压裂监测是目前国际上公认的最先进的裂缝测试技术，该技术具有处于贴近储层全方位接受纵横波信号、采样率高、传输速率高、接收频率响应高、精确度高、噪音小等特点。2、通过在某一区块施工所得出的解释结果，表明压裂裂缝方位为NE75。-NE80。,与其它方法测试结果相比，裂缝方位范围缩小，准确度更高。3、两口压裂井微地震裂缝半长为150-240m,微地震裂缝高度为135m和260m,反映出在油层附近固井质量不好或油层内部不同层之间存在大的滤失通道或断层。4、该监测方法的应用，进一步深刻认识到了水力裂缝延伸的复杂性，明确了压裂裂缝真实的延伸情况，在指导井网部署、压裂优化设计、压裂后效评估方面发挥了重要作用。5、对于特低渗致密油层，在储隔层地应力差较小，遮挡条件不好的情况下进行压裂改造时，应结合应用缝高控制技术，以增加裂缝长度，提高压裂改造效果。60井中微地震解释结果