微地震技术1

国家地球物理探测仪器工程技术研究中心（吉林大学）长春国地探测仪器工程技术股份有限公司吉林大学仪器科学与电气工程学院2011年11月汇报提纲一．研究背景二．国内外研究现状三．现有监测系统存在问题四．解决方案（监测技术原理、施工设计）五．关键硬件设备及技术指标六．部分案例目前我国油田低渗透油藏储层改造主要采取的是压裂技术，以提高近井地带渗透率，增加油井产量，急需监测手段来了解压裂情况，指导压裂施工，提高压裂效果，对油田改造效果进行评价。一．研究背景监测技术的理论依据基于压裂实现对油层的人工造缝效果，以提高采收率，地层裂缝延伸必定产生微震波场。正是基于该思路，国内外目前均采用地面或井下布置拾震器的方式来检测这种微震信号，通过微弱信号检测、参数估计，然后反演计算震源方位，拟合多个震源而得到地层裂缝的走向和缝长，以评价压裂效果和指导后期压裂施工。(Schlumberger)二．研究现状-国外井下监测施伦贝谢示意图震源位置侧视、俯视图水力压裂施工井场监测井多级3三分量微地震检波器组微地震事件高压泵入产层裂缝300-1500M二．研究现状-国外井下监测Geospace公司示意图二．研究现状-国外地面监测美国微震公司(MicroseismicInc)二．研究现状-国内地面监测使用少数几个拾震器1.国外部分－井中观测：观测仪器成本太高；压裂井周围600m范围内寻找3口观测井，条件过于苛刻；单口井观测反演精度在远离井口时大大降低。三．现有监测系统存在问题2.国外部分－地面观测：动辄上万道地震仪，设备、施工成本极高三．现有监测系统存在问题3.国内外部分－地面观测：观测数据可信度存疑:环境干扰太大；衰减太大；微震数据采集同步问题；观测点定位精度不足。三．现有监测系统存在问题拾震器拾震器基于井中-地面微震信号联合观测的压裂裂缝评价技术水力压裂裂缝储层压裂井监测井微地震波四．解决方案——监测技术原理四．解决方案——监测技术原理两种微震定位方法：1.初动走时差定位法①拾取信号初动求解走时方程组②多用于天然地震观测③需要拾震器数目较少，计算速度快④对信噪比要求高2.振幅叠加法①把多个拾震器信号经过时间调整叠加到一起再判定微震事件的发生，用数量换质量②多用于勘探地震观测③需要较多的拾震器，数据处理计算量大④能更好地抗噪音，识别弱信号主控站采集站采集站采集站采集站采集站采集站地表采集站布置：1.采用6个采集站。2.布点方式：以目标区域为边界，圆形布点。3.半径依照无线通讯质量，在300-1000米之间选取。4.1初动走时差定位法震源点定位原理示意图（以二维为例）ABCR1R2R3监测点监测点监测点震源点三维定位方程222101010102222020202022230303030222404040402225050505022260606060ppppppTTXXYYZZVTTXXYYZZVTTXXYYZZVTTXXYYZZVTTXXYYZZVTTXXYYZZV221331441551661TTTTTTTTTTTTTTT已知：T1-T6:微震首波到时；VP:P波速度；(Xi,Yi,Zi),i=1-6:拾震器座标未知：T0:微震事件发生时间;(X0,Y0,Z0):微震事件震源座标四．解决方案——监测技术原理井中拾震器地表拾震器储层微震震源t1t2t3t4t5基于逆时偏移的概念，假定速度已知，将拾震器当作震源，逆时信号在震源处聚焦，压制噪声，提高信噪比。压裂井监测井4.2振幅叠加法四．解决方案——监测技术原理压裂井监测井井中拾震器地表拾震器储层数据采集过程：各拾震器的“滚筒记录仪”在地震波到达时记录下一个信号“走纸”方向滚筒记录仪“走纸”方向井中拾震器储层地表拾震器逆时叠加过程：逆转时间，把各个拾震器当作震源，把收到的信号按倒序以球面波发射出去，各拾震器发出的相应于微震的球面波将在微震发生的时刻在震源点汇聚，即叠加后的波场振幅将在这里聚焦。压裂井监测井滚筒记录仪层析成像求解速度模型井中拾震器地表拾震器储层微震震源1微震震源2在已知微震位置和发生时间初步结果的前提下，使用层析成像使各道数据在微震时窗内互相关，同时得到三维速度模型和更准确的微震位置。压裂井监测井震源深度d(m)阵列尺度x(m)200346100066320009163000111340001280应当能使最低频信号从最深震源到最近采集站和到最远采集站行程的差至少达到一个波长，这样，才有可能发生振幅抵消，得到相干相加的效果。阵列尺度要求微震信号频率下限f≈20Hz，地表P波最小速度V≈4000m/s，波长l=V/f≈200m，最小阵列尺度x=(d+l)2-d2采集站1震源采集站2ddlx视角四．解决方案——施工设计采集站密度要求应当能使最高频信号从最浅震源到两个相邻的采集站行程的差（或采集站间距）不大于半个波长，这样，才不至于发生错频（aliasing)。微震信号频率上限f≈200Hz，地表P波速度V≈4000m/s，最短波长l=V/f≈20m，采集站最大间距x=10m四．解决方案——施工设计如果采集站数目足够多，为取得更好的层析成像的效果（使地震射线在地下介质中均匀分布）,在目标区域把采集站均匀、对称排列，一般用星形放射状阵列。阵列设计目标区域四．解决方案——施工设计为精确确定震源点位置，采用高精度GPS定位技术，拾震器相对定位精度1分米高精度空间定位采集站硬件设计五．关键硬件设备及技术指标无GPS信号f2f1∆T对钟对钟GPS信号晶振时钟进行数据采集之前校正一次晶振，晶振一般需要771天漂移1秒为使各采集站同时开始采集信号，使用GPS授时信号同步，同步精度1微秒。采集站硬件设计高精度时间同步五．关键硬件设备及技术指标现有仪器采用单分量检波器工作方式，基于常规地震勘探原理，采集微地震波的P波分量进行数据处理。技术参数:频率范围：0--400Hz测量范围：±2g(±2V)输出噪声：2mg(2mV)采集站硬件设计前端拾震器加速度传感器五．关键硬件设备及技术指标性能指标:(1)频带范围：5Hz--4kHz;(2)系统噪声：2mV采集站硬件设计低噪声数据采集系统(原理框图)五．关键硬件设备及技术指标已成功研制地面观测基于无线以太网的地震数据采集系统无线以太网主机系统采集站6采集站4采集站5采集站3采集站1采集站2五．关键硬件设备及技术指标拾震器频率范围：5─400Hz测量范围：±2g分辨率：2mg(2mV)输出电压：±2V数据采集系统A/D分辨率：24位；采样频率：1kHz前置放大器增益：0─18dB；无线通讯距离：1000m拾震器相对定位精度：0.1m仪器系统的技术指标五．关键硬件设备及技术指标高精度GPS系统卫星授时无线以太网，传输速度20Mbps通过电磁兼容设计、阻抗匹配、电源滤波等手段，充分压制外界电气噪声仪器关键技术:五．关键硬件设备及技术指标已在大庆、辽河油田等单位开展40多井次的压裂微震监测服务六．部分案例Time/ms观测到的压裂微震信号原始数据沈286-1井处理结果解释裂缝的平面俯视三维图六．部分案例能量叠加不同阈值情况下的震源点分布六．部分案例陈古-5井解释报告1.裂缝分布于压裂井的北测，裂缝分布较散，长度为70m左右。2.压裂井产生裂缝的走向为北偏东92.16°，裂缝走向为右翼长而左翼短，分别为40米和30米左右，相对于压裂井对称分布3.裂缝为垂直裂缝六．部分案例陈古-5井曲面拟合震源点三维反演图六．部分案例