基于干涉成像的水力壓裂裂隙監(jiān)測模擬

李淅龍

( 中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 西安 710077)

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基于干涉成像的水力壓裂裂隙監(jiān)測模擬

李淅龍

( 中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司， 西安 710077)

水力壓裂是對低滲油氣藏進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開采與增產(chǎn)的重要手段，其主要是根據(jù)力學(xué)原理，增加井眼兩側(cè)的流體壓力，當(dāng)壓力超過巖石強(qiáng)度，巖石破裂誘發(fā)微地震波。而對壓裂裂隙的監(jiān)測對于確定井網(wǎng)井距，提高油氣田的采收率至關(guān)重要。目前微震定位方法大都依賴于初至拾取的準(zhǔn)確性,因此，這里研究了不需要進(jìn)行初至拾取的干涉成像法，并將該方法用于裂隙監(jiān)測。通過對自建模型的成像結(jié)果進(jìn)行研究，驗證了干涉成像法對裂隙監(jiān)測的可行性。

水力壓裂； 干涉成像； 互相關(guān)； 裂隙

0 前言

隨著低滲透油藏越來越多，水力壓裂成為油田開發(fā)的重要手段。對水力壓裂的人工裂隙描述在提高產(chǎn)量和油氣藏的采收率方面有著重要意義，因此，對裂隙監(jiān)測技術(shù)的研究是十分必要的[1-2]。美國在1973年和1976年進(jìn)行了水力壓裂的微震監(jiān)測試驗，當(dāng)時主要是用地面布點觀測的方式進(jìn)行微震監(jiān)測[3]。由于地面監(jiān)測信號比較差，隨后人們開始進(jìn)行井下微震觀測。隨著處理軟件與現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，裂隙監(jiān)測技術(shù)精確度越來越高，常用的裂隙監(jiān)測技術(shù)主要有：①地面微地震監(jiān)測技術(shù)；②地面測斜儀監(jiān)測技術(shù)；③井下微地震監(jiān)測技術(shù)；④電位法裂縫監(jiān)測技術(shù)[4]。在這些裂隙監(jiān)測方法中，井下微震監(jiān)測技術(shù)仍是裂隙監(jiān)測的主要手段[5]，該技術(shù)原理是壓裂井在壓裂過程中誘發(fā)的微地震波由布置在臨井中的檢波器監(jiān)測到，然后對接收的記錄進(jìn)行成像，最終定位到裂隙的位置。因此，了解裂隙形態(tài)即對震源成像是微地震數(shù)據(jù)處理的首要任務(wù)。

德國物理學(xué)家Geiger[6]提出了地震源定位方法，其主要是通過最小二乘原理求解非線性方程組。隨著計算方法和計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，新的定位方法隨之出現(xiàn)，如：牛頓法、臺偶時差法、Bayesian法、EHB法、雙重殘差法、全局搜索發(fā)等[7]。這些方法主要是根據(jù)觀測初至與理論初至?xí)r間來定位震源的位置，因此，初至?xí)r間拾取的精度和準(zhǔn)確度成為定位準(zhǔn)確度的主要因素。

這里研究了一種新的算法將其用于水力壓裂的裂隙監(jiān)測，即干涉成像法。這種方法不需要進(jìn)行初至拾取，可以處理震源激發(fā)時間未知的記錄。該方法對水力壓裂裂隙監(jiān)測有著一定的優(yōu)勢，可以作為裂隙監(jiān)測的手段或者輔助手段。

1 成像原理

假設(shè)采用如圖1所示的觀察系統(tǒng):地下某點處有一震源S激發(fā)地震波，地面放置一列檢波器用來接收上行信號，這里檢波器接收到的都是直達(dá)波。

圖1 干涉成像示意圖Fig.1 Schematic diagram of interferometric imaging

在A道記錄的震源激發(fā)時間未知的被動震源數(shù)據(jù)在頻率域中可以表示為：

(1)

其中：W(ω)表示震源子波；G(A,S,ω)表示s處一個埋藏點源激發(fā)且在A處接收的格林函數(shù)；eiωτs項表示由于未知激發(fā)時間的震源產(chǎn)生的相位延遲。

Schuster等[8]提出用互相關(guān)偏移的方法去定位未知激發(fā)時間的震源位置，被動道集通過互相關(guān)消去未知的震源時間，然后通過對互相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移來推斷埋藏源的位置：

(2)

(3)

根據(jù)式(2)得出的具體算法如下：①對于接收到的n道被動記錄，將每1道(如A道)與所有道進(jìn)行互相關(guān)得到n個互相關(guān)道集(與自己互相關(guān)即為自相關(guān))；②對于一個互相關(guān)道集(如A道產(chǎn)生的道集)，假設(shè)地下任意一點為震源a，算出該震源由A

道到所有道的每個時間差Δτ，得到每個互相關(guān)結(jié)果上時間為Δτ處的振幅值，將這些值疊加作為地下a點的振幅值，可以得到一個偏移剖面；③將n個互相關(guān)道集得到的偏移剖面進(jìn)行疊加，最終得到對震源進(jìn)行定位的成像結(jié)果。

2 成像結(jié)果分析

2.1 模型建立

我們建立如圖2所示的地質(zhì)模型。假設(shè)采用分層壓裂方式，在地下2 000 m左右處的巖層進(jìn)行壓裂，檢波器排列在壓裂層及其上、下兩層，地層由上到下的速度分別為3 000 m/s、3 200 m/s、3 500 m/s。監(jiān)測井位置距離壓裂井橫向為200 m(假設(shè)壓裂井為x坐標(biāo)原點)處，檢波點在深度為1 850 m～2 100 m處布置，道間距為10 m。假設(shè)壓裂產(chǎn)生的一個震源位于第二層中，其坐標(biāo)為x=150 m，y=2 000 m，距離檢波器(監(jiān)測井)橫向50 m處，如圖2中紅色“☆”位置。利用Tesseral軟件對該模型分別進(jìn)行無噪音和有噪音正演模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖2 模型示意圖Fig.2 The model chart

圖3 正演記錄Fig.3 Forward recording(a)無噪音；(b)有噪音

2.2 成像結(jié)果分析

根據(jù)干涉成像原理，對用Tesseral正演模擬得到的兩個記錄進(jìn)行偏移。偏移范圍為200 m×600 m，即縱向?qū)? 600 m～2 200 m這段深度進(jìn)行偏移，網(wǎng)格為1 m×1 m。偏移時需要計算地下任一點到檢波點的旅行時間，計算方法參考參考文獻(xiàn)[9]中的水平層狀介質(zhì)中的快速兩點間射線追蹤方法。算取旅行時后，使用自主編制程序進(jìn)行成像。這里給出對有噪音與無噪音記錄偏移后的部分?jǐn)?shù)據(jù)(表1)及能量圖(圖4)。圖4(a)、圖4(b)為根據(jù)偏移值繪制的能量圖，其中，藍(lán)色為背景值，越接近紅色表明能量越強(qiáng)。

表1 偏移后的部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果

圖4 成像結(jié)果Fig.4 The result of imaging(a)無噪音記錄偏移后能量圖；(b)有噪音記錄偏移后能量圖

我們對正演模擬結(jié)果(圖4)進(jìn)行對比分析后可以得出：有噪音與無噪音的記錄成像后的數(shù)據(jù)有一定的差異，但是差異不大。能量圖基本一致，在能量圖中都存在一個明顯高于背景值得橢圓狀的能量團(tuán)，能量最大的位置(即震源位置)都在(153 m，2 002 m)處，見圖4中藍(lán)色“﹢”。這與正演模型的震源位置(150 m，2 000 m)基本吻合。因此，根據(jù)程序結(jié)果顯示，這種方法是有效可行的，且噪音對其影響不大。

2.3 分辨率分析

在上述模型基礎(chǔ)上，將震源位置移到x=100 m，y=2 000 m處，即距離檢波器(監(jiān)測井)橫向100 m處進(jìn)行正演，正演記錄見圖5，對模擬結(jié)果進(jìn)行成像，結(jié)果見圖6，圖6中藍(lán)色表明能量弱，紅色表明能量強(qiáng)。相比圖4(b)的結(jié)果，圖6中有個相對較長的能量帶，說明能量有所分散，最大值即震源位置為(116 m，2 003 m)，與理論位置相比，偏移后得到的震源位置橫向上與正演模型有一定的偏差，縱向上基本吻合。

圖5 有噪音記錄Fig.5 The record of adding noise

圖6 震源在(100 m，2 000 m)的成像結(jié)果Fig.6 The imaging result of the other position

分析結(jié)果可以得出，震源與檢波器距離越遠(yuǎn)，分辨率越低。由于微地震波本身信號弱，頻率高的特點，一般要求監(jiān)測井與壓裂井之間的距離不應(yīng)過大[9]。

3 結(jié)論

從20世紀(jì)80年代末開始，微地震監(jiān)測法逐漸成為水力壓裂裂縫定位的一種重要而實用的方法。作者基于井中微震監(jiān)測技術(shù)，將干涉成像用于定位水力壓裂裂隙，通過研究對自建模型進(jìn)行干涉成像的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)干涉成像法對裂隙監(jiān)測是可行的，且噪音對其影響不大，可以作為裂隙監(jiān)測的一種手段或者輔助手段。

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Simulation of interferometric imaging in hydraulic fracturing monitoring

LI Xi-long

(Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group , Xi’an 710077,China)

Currently, we usually use hydraulic fracture to economically extract and stimulate the low permeability gas reservoir. Hydraulic fracture is a method according to mechanics principle, it increases the fluid pressure beside the hole. When the pressure exceed the strength of rock, the rock will crush and release seismic wave. Besides that, fracture monitoring is important for us to establish the pattern of well spacing and to enhance the recovery ratio. Recently, the method of microseismic source location is based on accuracy of picking the primary arrival times. A new method which don’t require to pick the first arrival times is presented in this paper. This method is interferometric imaging which has applied to monitor the fracture. We analyzed the results of simulated experiments, showing that it is feasible for hydraulic fracturing monitoring.

hydraulic fracture; interferometric imaging; cross-correlated; fracture

2015-08-14 改回日期：2015-10-25

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司2015年度科技創(chuàng)新基金項目(2015XAYMS27)

李淅龍(1984-)，男，碩士，主要從事煤田地震勘探及煤田地質(zhì)相關(guān)工作，E-mail：lixilong1130@163.com。

1001-1749(2016)05-0681-05

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.18