微地震裂缝监测技术

前言第一章人工裂缝监测原理第二章地震波传播理论第三章裂缝尺度讨论与置信度分析第四章实际应用领域第五章应用实例第六章可靠性检验第七章吐哈油田注水、压裂监测第八章结语附录目录1.1人工裂缝监测方法1.2微地震人工裂缝监测原理1.3微地震源定位第一章人工裂缝监测原理2.1裂缝扩展机制2.2微地震信号强度预测2.3微地震信号识别2.4软件功能第二章地震波传播理论3.1测试裂缝与进水裂缝比较3.2置信度分析第三章裂缝尺度讨论与置信度分析4.1人工裂缝监测4.2人工裂缝转向监测4.3注水前缘监测4.4采油波及区监测4.5对井井底连通监测4.6核废料处理过程中的微地震监测第四章实际应用领域自本系统开发成功以后，我们在不同领域成功地应用了这项技术。5.1辽河曙2-3-33井人工裂缝监测结果及分析5.2中原油田卫357井压裂转向监测5.3华北油田注水监测5.4对井井底连通实例5.5核废料处理监测5.6堵水、调剖前后的微地震监测5.7爆破压裂监测5.8二氧化碳压裂监测第五章实例应用6.1复测井监测结果6.2本技术可靠的最直接证明6.3对比监测实例第六章可靠性检验附录1电路原理图附录2电路图附录3程序使用说明附录4设备外观图附录5相关的理论文章附录前言在现有研发水平上，参照国际先进水平，研发人工裂缝实时监测系统。该系统的研究目标是：参照国际上的最新研究成果，以监测微地震方法，现场即时给出人工裂缝形态(方位，长度，参考性高度，产状)及延伸过程。为油田压裂设计，压裂质量判断，注水前缘分析提供及时依据。该项工作于2001年1月份启动，2001年6月份进入现场，2001年10月份取得第一次成功观测，提出项目的改进目标。2001年10月至2001年12月份根据观测中发现的问题改进硬件，2002年2月份改进后的软件观测成功。之后，完善软件功能，2002年6月分项目完成,2002年8月分项目通过评审验收,整个项目研制历时二十个月(项目验收评委及意见见附录1、2)。前言整个项目包括:深井、深埋式、嵌入式的硬件系统;电路及无线传输系统，计算机分析记录系统；及配套软件(附录3、4、5、6)。该系统可以在井下几百米进行深井监测，也可以在地面监测。在现场实时监测，显示裂缝监测结果的同时，记录下全部原始波形数据。原始波形数据可以由自动识别程序再分析，分析结果可以与实时监测结果对比，检测分析结果的重复性。也可以以不同速度复现监测结果，再分析微地震出现过程。前言经历时二十个月，紧跟国际先进水平的攻关研究，双方认为，该项研究达到了预期目标，完成了自动识别，实时监测和后自动处理压裂和高压注水所形成的人工裂缝的完整硬﹑软件系统。该系统于2001年12月进入现场，经6个月的磨合与改进，通过实时监测与后自动处理对比；同一口高压注水井连续二次监测结果的对比(相隔仅一小时)；监测结果与现场其它资料的对比；监测结果与开发效果的对比。我们认为：该系统监测结果可靠，重复性好。研究达到了国外同类研究的水平。人工裂缝监测有多种方法：示踪剂方法、电位法、地倾斜方法等等。示踪剂方法滞后，可靠性受监测井的周围分布井所在位置限制；电位法受气候、深度限制，且需较多的测点，测区范围局限；地倾斜方法也受深度限制，且与覆盖层厚度、品质有关，需较多的测点，测区范围局限；只有微地震方法即时，控制范围大，适应面广，近年来在国际上得到广泛的应用。使用微地震方法，近年来取得了一些令人瞩目的成就。我们参照国际上的先进经验，发展了自己独立的观测系统，在不同领域的应用中，也取得了可观的成绩。第一章1.1人工裂缝监测方法压裂或高压注水时，由于地层压力的升高，根据摩尔-库伦准则，沿着裂缝边缘会发生微地震。实际微地震的频段从几十到几百周，相当于-2至-5级地震。一般来说，震级越小，频率越高。我们仪器的工作频段为50-200周，仅取较大的微地震(-2级)。记录这些微地震，并根据微地震走时进行震源定位，由微地震震源的空间分布可以描述人工裂缝轮廓。微地震震源空间分布在柱坐标系三个坐标面上的投影，可以给出裂缝的三视图(俯视图、侧视图、前视图)，分别描述人工裂缝的长度、方位、产状及参考性高度。与其它方法相比，该方法即时，方便，适应性强，为国际上的同行广泛使用。第一章1.2微地震人工裂缝监测原理摩尔-库伦准则可以写为：Τ≥τ0+(S1+S2-2P0)/2+(S1–S2)cos(2φ)/2(1)τ=(S1–S2)sin(2φ)/2(2)(1)式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，τ是作用在裂缝面上的剪切应力；τ0是岩石的固有无法向应力抗剪断强度，数值由几兆帕到几十兆帕，沿已有裂缝面错断，数值为零；S1，S2分别是最大，最小主应力；P0是地层压力；φ是最大主应力与裂缝面法向的夹角。由式(1)可以看出，微震易于沿已有裂缝面发生。这时τ0为零，左侧易于不小于右侧。P0增大，右侧减小，也会使右侧小于左侧。这为我们观测注水，压裂裂缝提供了依据。第一章1.2微地震人工裂缝监测原理该监测系统采用6分站，无线传输，主站分析实时定位系统。监测压裂或高压注水时出现的微震点分布，用微震点分布描述裂缝形态。微地震震源以走时方法定位，假定自震源发出的微地震信号以直线传入地震检波器，把弧线传播途径拉直为一条直线，以方便油田使用。这一假设是测试误差的主要来源。由于随深度的减小，波速降低，近地表的地震波传播途径与地面趋于垂直。由于P波的振动方向沿传播途径，S波的振动方向与传播途径垂直。因此，P波的振动方向垂直于地面，S波的振动方向平行于地面。有的油田地层松软，S波不稳定。本系统检波器垂直放置，对沿传播途径振动的P波敏感；垂直于传播途径振动的S波衰减大，只记录分析P波。第一章1.2微地震人工裂缝监测原理震源定位过程如下：微地震定位采用矩阵分析理论，以下述走时方程为依据去计算微地震震源的空间坐标。第一章1.3微地震源定位经变换，(3)式可以改写为：第一章1.3微地震源定位式中，T1-T6是各分站的P波到时，T0是发震时刻；(X1，Y1，0)…(X6，Y6，0)是各分站坐标；VP是P波速度；(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标。T0，X0，Y0，Z0是待求的未知数。未知数的个数少于方程个数，方程组是可解的。解出四个未知数的最少方程个数是四个，这要求至少有四个分站，若有四个分站有记录信号，便可以进行震源定位。(4)式可以写成标准系数矩阵形式,有很多求解矩阵的方法可以解出T0，X0，Y0；再把T0，X0，Y0代入(3)式中就可以得出Z0，Z0就是相对压裂深度的裂缝高度，由于计算过程的累积作用，高度误差较大。[A]=[K][B](5)第一章1.3微地震源定位矩阵[A]写为：第一章1.3微地震源定位矩阵[B]写为：第一章1.3微地震源定位矩阵[K]写为：第一章1.3微地震源定位5)式可改写为：[K]=[A]×[B]-1(9)[B]-1是[B]的逆矩阵。矩阵求逆和(9)式计算有很多通用的解法，我们可以取得T0，X0，Y0值。实际采用确定深度的方法是综合考虑各站走时的方法，即对以下一组数据作为走时的函数进行线性回归，回归常数即为相对观测段的高度：第一章1.3微地震源定位依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。水力压裂裂缝扩展的力学条件可以写为:第二章2.1裂缝扩展机制(10)式中R是钻孔半径；a是裂缝半长度；Pf是裂缝中的水压；σn是裂缝面的法向应力；kIC是岩石断裂韧性，是岩石的固有强度。由(10)式可以看出，破裂的临界强度由岩石本身的性质决定，与激励条件无关，只在作用达到破裂条件瞬间才会有微地震发生，因此微地震信号的强度也与激励条件无关。而破裂发生的频度是与激励条件有关的，激励强度越大，单位时间发生的微地震也越多。地震矩张量MPP可以写为：第二章2.1裂缝扩展机制P=1，2，3WN=MPP·GNP·P（12）由(12)式可以得出5个位移分量:一个近场变形位移,二个近场波动位移，二个远场波动位移。远近场是以地震波长为标准的，在我们的使用频段范围内，波长约为几十米。因此，远场震相是我们观测到的主要震相。P波位移震幅可以写为：Aα=AD(Φ,θ)/(4πρrα3)·u´3(t-r/α)·S(13)A2D(Φ,θ)=λcos4θ+λ2sin4θcos4φ+(λ+2μ)2sin4θsin4φ+2λ2cos2θsin2θcos2φ+2λ(λ+2μ)sin2θcos2θsin2φ+2λ(λ+2μ)2sin4θcos2φsin2φ(14)第二章2.1裂缝扩展机制这里：θ,φ分别是观测点相对于震源的仰角和方位角，α是P波波速，λ、μ是拉梅常数，u´3(t-r/α)是考虑时间延迟的震源介质振动的速度幅度，r是传播途径，ρ是传播介质密度。地面观测时，可以假定θ=0，在观测点的P波位移可以写为：Aα=λ/(4πρrα3)·u‵(t-r/α)·S(15)井下观测时，可以假定θ=π/2，在观测点的P波位移可以写为：Aα=(λ2cos4φ+(λ+2μ)2sin4φ+2λ(λ+2μ)2cos2φsin2φ)·u‵(t-r/α)·S/(4πρrα3)(16)地震波传播理论为地震信号分析提供了依据。第二章2.1裂缝扩展机制检波器可以记到微地震信号是方法是否可行的关键，只有信号大于仪器前端分辨率，微地震检波器才可以把信号检测出来。由于人工裂缝形成以张裂为主，加之地层条件，辐射出的P波较为稳定。仪器设置及分析识别理论以记录分析P波为依据。不记录也不分析S波震相。故仅使用(15)，(16)式估算到达仪器前端的电压强度。在实际计算中需把(15)，(16)式改写为：A1=λ0ω0/(4πρ1r1α13)·u‵(t-r/α)·S0K1F1H1(17)A2=(λ02cos4φ+(λ0+2μ0)2sin4φ+2λ0(λ0+2μ0)2cos2φsin2φ)ω0/(4πρ2r2α23)·u‵(t-r/α)·S0K2F2H2(18)第二章2.2微地震信号强度预测式(17)，(18)中，下标为“0”的参数是与震源有关的参数，与传播路径无关；下标为“1”的参数是地面接收的路径参数，与震源无关；下标为“2”的参数是井下接收的路径参数，与震源无关。A1是地面接收的信号幅值，A2是井下接收的信号幅值，H是入射衰减，F是路径衰减，ω0是震源的角频率。为了判断信号的强度量级，我们根据理论及野外实际条件，对一些参数进行粗略的定量：u‵(t-r/α)是裂缝张开的平均速度，可以用u3/T求取，u3是裂缝张开宽度，取为2mm；T为地震周期，取为0.02s;ω0是震源的角频率,取为ω0=2πf=300，地震频率f取为50Hz，由于所使用的地震仪是速度型检波器，故分子上要乘以ω0。Λ,μ是拉梅常数，本文假定其平均值为λ=μ=1X104Mpa，井下接收时的P波速度取为α2=2000m/s，地面接收时的P波速度取为α1=1200m/s；r1,r2分别是地面，井下的P波传播途径，取为3000m，500m；S0是震源面积，假定每次破裂仅有很小的面积，取为1平方米；K1,K2是地面，井下的检波器的换能系数，我们使用中国地震局哈尔滨工程力学研究所研制的专用检波器，分别取为0.5v·s/cm，0.2v·s/cm。第二章2.2微地震信号强度预测H1,H2分别是地面接收，井下接收的入射衰减。前者是从高速层进入低速层，入射衰减很小，每层入射系数为0.85，假定有7层，整体入射系数为0.35；后者是从地层进入水泥环和钢套管，是从低速层进入高速层，速度差别可达2倍以上，每层入射系数仅为0.3，整体入射系数小于0.1。F1，F2是路径衰减，也称为非弹性衰减。由于地面接收路途远，覆盖层非弹性强烈，通过系数取为0.1；井下接收,路途近，非弹性衰减小,通过系数取为0.5。把上述结果代入公式(17)，(18)，并考虑辐射图形因子的影响，计算出在观测点的检波器上可形成的电压值(表2)。可以看出，地面接收所获得的电压值是5.8微伏，这已超过现有技术的检测水平，目前的检测水平是1-2微伏，信号是可以被检测出来的。井下接收信号要强得多，可达26.8微伏，这主要是震源距比较小，辐射图形因子较大的结果。从