震源空間成像技術(shù)在瑪湖地區(qū)低信噪比微地震處理中的應(yīng)用

伍順偉,董 巖,李志宏,朱 越,朱 鍵,王英偉,鄧玉森

(1.中國石油新疆油田公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 克拉瑪依 834000;2.北京源烴泰克科技有限公司,北京100102)

在非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)過程中,微地震技術(shù)是壓裂縫網(wǎng)監(jiān)測的有效手段,對于描述壓裂縫網(wǎng)的延伸規(guī)律、計算壓裂改造體積、評價壓裂效果具有重要作用。近年來,在準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖致密礫巖油藏開發(fā)過程中,先后在瑪18井區(qū)及鄰區(qū)完成6口井的微地震監(jiān)測工作。統(tǒng)計分析表明,6口井的總壓裂段數(shù)為108段,有微地震事件的段數(shù)為70段,占65%,未監(jiān)測到的微地震事件的段數(shù)達35%。通過分析微地震事件、微地震計算的壓裂改造體積與油井初期產(chǎn)量關(guān)系,兩者之間存在差異。

從壓裂施工情況分析,無論是排量、砂比、總加砂量、總液量都保持了較高的水平,壓裂井初期日產(chǎn)量較高,表明儲層得到了有效改造。因此,預(yù)示著微地震監(jiān)測技術(shù)識別出的微地震事件與實際微地震數(shù)量之間存在較大差異。

工區(qū)及鄰區(qū)曾開展過大量微地震監(jiān)測工作,并取得了豐碩成果。劉博等［1］利用微地震監(jiān)測結(jié)果分析認(rèn)為吉木薩爾地區(qū)斷層和天然裂縫帶對微地震事件分布特征產(chǎn)生影響;杜金玲等［2］通過開展微地震與三維地震融合研究認(rèn)為吉木薩爾地區(qū)斷裂、天然裂縫、脆性指數(shù)、水平應(yīng)力差等與人工改造縫網(wǎng)形態(tài)直接相關(guān),可影響儲層的改造效果及后期產(chǎn)能;鄔元月等［3］利用微地震監(jiān)測結(jié)果描述了瑪湖地區(qū)礫巖儲層壓裂縫網(wǎng)形態(tài);李國欣等［4］利用微地震監(jiān)測結(jié)果評價了瑪131井區(qū)小井距示范區(qū)壓裂改造效果。段碧山［5］認(rèn)為,瑪湖地區(qū)采集到的微地震數(shù)據(jù)中多數(shù)事件能量弱,P波初至特征不明顯,采用傳統(tǒng)的走時拾取法,無法準(zhǔn)確拾取初至和定位,導(dǎo)致最終監(jiān)測結(jié)果僅包含距監(jiān)測井600 m以內(nèi)的中-強能量的微地震事件,而對于距監(jiān)測井600 m以外或低信噪比的弱能量事件無法進行有效處理,影響了壓裂改造效果的準(zhǔn)確性評價。

本文針對瑪湖地區(qū)信噪比低于5的微地震信號,由于P波初至拾取困難導(dǎo)致微地震事件不能準(zhǔn)確定位的問題,分析了目前國內(nèi)外微地震處理普遍采用的走時拾取和震源空間成像兩種主要技術(shù)方法的原理和適用條件,對瑪18井區(qū)M6004井微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)開展了兩種微地震方法的處理,波形振幅偏移疊加的震源空間成像技術(shù)處理結(jié)果與實際生產(chǎn)吻合較好,且微地震事件密度和水力裂縫長度與彈性模量呈正相關(guān)?，F(xiàn)以瑪18井區(qū)M6004井為例探討震源空間成像技術(shù)在工區(qū)的適應(yīng)性。

1 技術(shù)方法

微地震處理方法按照地震資料處理原理可大致分為兩類,一類是基于走時拾取(初至識別)的方法,另一類是基于波形振幅偏移疊加的震源空間成像方法。

通常情況下,初至識別以信號與噪聲在振幅、頻率、偏振等方面的差異為基礎(chǔ),目前常采用的方法是借鑒天然地震中的長短時窗平均能量比(STA/LTA)法［6］、基于自回歸模型的Aksike信息準(zhǔn)則(AIC)法、相關(guān)法等單一識別模式［7］。近年來,盛冠群等［8］提出了基于小波分解與高階統(tǒng)計量的微地震初至拾取方法,譚玉陽等［9］提出了基于多道相似系數(shù)的微地震事件自動識別方法,秦晅等［10］提出了基于同步壓縮變換微地震弱信號提取方法在不同地區(qū)均取得了一定成效。

但基于走時拾取的方法要求先檢測到微地震事件,并拾取P波和S波的初至,通過找到與P波和S波初至?xí)r差最吻合的空間位置來進行定位［11］。由于微地震事件的能量相對較弱,如何準(zhǔn)確地識別微地震事件以及如何在低信噪比情況下準(zhǔn)確判斷初至并進行拾取是研究工作面臨的挑戰(zhàn)。

基于波形振幅偏移疊加的震源空間成像方法是借鑒地震勘探中偏移成像的思路,采用基于Kirchhoff全波形數(shù)據(jù)疊加原理,通過對目標(biāo)工區(qū)地層進行網(wǎng)格劃分,將各個檢波器上的P波信號和S波信號進行繞射成像,計算每個網(wǎng)格點η在τ時刻函數(shù)br(η,τ),函數(shù)定義如下

式中：un是檢波器n記錄的波形;N是檢波器總數(shù);tηn是從網(wǎng)格點η到檢波器n計算的某個最大振幅點走時。如果所有的最大振幅都是由網(wǎng)格點η在時間τ產(chǎn)生,那么br(η,τ)=1;同樣,br(η,τ)=0.1意味著網(wǎng)格點η在τ時刻的震源產(chǎn)生的最大振幅在每個檢波器只有10%被觀測到。通過系統(tǒng)地搜索η點和時間τ來尋找P波和S波的亮度函數(shù)最大值,我們便可以有效地重構(gòu)了震源的時空分布(圖1),自動確定震源位置［12-13］。該方法優(yōu)點是整個定位過程相對自動化,不需要事先識別事件并且拾取走時。

圖1 震源空間成像定位法原理示意圖Fig.1 Schematic diagram showing focal space imaging positioning method(1 ft=0.3048 m)

2 震源空間成像處理

2.1 地質(zhì)背景

瑪湖凹陷處于準(zhǔn)噶爾盆地中央拗陷和陸梁隆起的西側(cè),是準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的山前拗陷。研究區(qū)(瑪18井區(qū))構(gòu)造上屬于準(zhǔn)噶爾盆地中央拗陷瑪湖凹陷西斜坡,西北上傾方向與克百斷裂帶相接,東北方向與瑪北油田相鄰。

研究的層位為三疊系百口泉組(T1b),地層厚度穩(wěn)定在41.0～53.0 m,共分為3段,主要研究對象為百口泉組第一段(T1b1,簡稱“百一段”),以灰綠色-褐色砂礫巖為主,夾棕灰色含礫泥巖,電性曲線呈高阻指狀特征。瑪湖凹陷西斜坡區(qū)三疊系整體為向東南傾的單斜構(gòu)造,在瑪18井區(qū)發(fā)育低幅度鼻狀構(gòu)造?，斘餍逼掳l(fā)育兩組不同方向斷裂,一組為北東走向,一組為北西走向。瑪18井區(qū)百一段儲層孔隙度平均為9.9%,滲透率平均為5.6×10-3μm2。

工區(qū)構(gòu)造簡單,巖性復(fù)雜,儲層非均質(zhì)性強,百口泉組油藏主要為受斷裂控制的巖性-構(gòu)造油藏,采用水平井體積壓裂的主體開發(fā)方式。因此,微地震監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用在該區(qū)顯得十分重要。

2.2 水平井基本情況

M6004井完鉆深度為3 909.47 m,水平段長度為938 m,穿行于T1b1,儲層鉆遇率100%,井軌跡與最大水平主應(yīng)力方向近垂直。測井解釋孔隙度平均為11.2%,含油飽和度平均為57.0%。劃分為12段進行壓裂,單段施工液量為1 034.1～1 474.1 m3,單段施工砂量為50～85.6 m3,總液量為13 534.8 m3,總砂量為836.1 m3。

根據(jù)瑪18井區(qū)6口井資料分析,通過橢圓井眼施密特圖、誘導(dǎo)縫走向施密特圖共同確定最大水平主應(yīng)力方向為近東西向,方位角為95°～275°。井筒水平段閉合方位角為179.95°,人工裂縫走向與井筒方向基本垂直,井筒處于對壓裂改造有利的方位?，?8井百口泉組巖心和FMI圖像顯示,儲層天然裂縫不發(fā)育,僅在中上部發(fā)育誘導(dǎo)縫。

2.3 觀測系統(tǒng)

M6229井是M6004井的監(jiān)測井,具有12級三分量檢波器,監(jiān)測井與水平井垂直距離為267.3 m,與A點距離為472.1 m,與B點距離為490.3 m(圖2)。

圖2 M6004井微地震監(jiān)測觀測系統(tǒng)Fig.2 Microseismic monitoring and observation system of Well M6004

2.4 微地震處理流程

2.4.1 信號定位與優(yōu)化

根據(jù)射孔時間拾取高品質(zhì)射孔信號的P波初至,利用不同壓裂段的射孔信號P波振幅能量在各個檢波器上的差異,估算各個檢波器水平分量的偏振角?；谄窠菍λ行盘栠M行旋轉(zhuǎn)處理,獲得極性一致的徑向分量與切向分量,并基于信號傳播特征將三分量信號分離為P波、Sh波和Sv波,然后對數(shù)據(jù)開展平滑、譜白化及濾波等優(yōu)化處理,增強波組特性,為后續(xù)微地震定位奠定基礎(chǔ)(圖3)。

圖3 M6004井?dāng)?shù)據(jù)優(yōu)化處理前后對比Fig.3 Comparison before and after data optimization processing of Well M6004

2.4.2 速度模型建立

首先利用監(jiān)測井M6229井的聲波測井資料,計算層速度,然后將原始曲線按照30 m間隔進行重新采樣和平滑濾波,除去奇異值,并根據(jù)速度的變化趨勢,離散為多個層段;最后采用非線性的模擬退火-蒙特卡羅法進行P波和S波速度反演,建立速度模型(圖4)。最終定位的射孔信號定位誤差在10 m以內(nèi)(M6004井：x方向平均絕對誤差為7.7 m,y方向平均絕對誤差為11.7 m,z方向平均絕對誤差為9.8 m)。

圖4 M6004井微地震定位速度模型Fig.4 Microseismic positioning velocity model of Well M6004(虛線為初始速度模型,實線為迭代后的速度模型)

2.4.3 微地震信號綜合識別

傳統(tǒng)的P波與S波拾取法依賴于初至拾取,識別出來的微地震事件為初至清楚的高信噪比資料。從典型微地震事件的剖面特征分析(圖5),高信噪比資料(信噪比>5)P波和S波信號的初至特征明顯,可以拾取;低信噪比事件(信噪比<5)只有S波信號初至清晰,P波信號隱約可見,因此采用走時拾取法處理低信噪比資料時準(zhǔn)確拾取初至較難,定位誤差較大,微地震事件一般分布在井周圍。

圖5 走時拾取微地震事件典型原始道集Fig.5 Travel time picking up of the typical original trace set of microseismic events

震源空間成像技術(shù)基于全波形成像,不依賴于拾取初至,所以可以定位低信噪比信號。圖6為圖5所對應(yīng)的3個典型微地震事件的縱波和橫波震源疊加圖,采用走時拾取法不能定位的信噪比為3.7的微地震事件在縱波和橫波震源疊加圖上能夠有效識別。

圖6 典型縱波和橫波震源疊加圖Fig.6 Diagram of typical P-wave and S-wave source superposition

2.5 兩種微地震處理結(jié)果對比

從表1的對比分析可以看出,M6004井利用走時拾取法和震源空間成像法得到的微地震事件存在較大的差異。主要體現(xiàn)在識別出的微地震事件數(shù)量上后者是前者的6.7倍,計算出的平均縫長和縫高也高于前者(圖7)。

表1 兩次處理微地震結(jié)果對比Table 1 Comparison of microseismic results between two treatments

圖7 M6004井兩次微地震處理結(jié)果對比Fig.7 Comparison of two microseismic processing results of Well M6004

圖8是M6004井典型段兩次處理結(jié)果對比,圖中代表微地震事件的球體越大越紅代表該事件具有越高的信噪比,從圖中可看到走時拾取定位結(jié)果普遍位于井筒周圍80 m范圍內(nèi),且信噪比普遍較高,而震源空間成像定位結(jié)果中的高信噪比事件也基本集中于井筒周圍80 m范圍以內(nèi)。

圖8 M6004井Stage 3兩次微地震處理事件分布對比Fig.8 Distribution comparison of two microseismic processing events in stage 3 of Well M6004

兩種方法最大差異表現(xiàn)為震源空間成像技術(shù)對低信噪比微地震事件處理效果較好,從而獲得了更豐富的微地震事件。

2.6 應(yīng)用效果分析

分析兩種處理方法得到的微地震事件數(shù)量與單段產(chǎn)液量之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)走時拾取定位結(jié)果相關(guān)性不明顯(圖9-A),震源空間成像定位微地震事件數(shù)量與單段產(chǎn)液量有明顯的正相關(guān)趨勢,趨勢更合理(第11段差異較大)(圖9-B)。對第11段進行分析發(fā)現(xiàn),該段在相同的施工排量和加砂工藝條件下,施工壓力比鄰段低5～10 MPa,結(jié)合三維地震相干屬性分析,認(rèn)為該段周圍存在天然裂縫,壓裂時巖石破裂能量低,所以識別出有效微地震事件信號數(shù)量較少。因此,利用震源空間成像法得到的微地震事件與實際生產(chǎn)情況更符合。走時拾取法計算的壓裂改造體積為284.4×104m3,震源空間成像法計算的壓裂改造體積為467.1×104m3。但是從實際生成情況分析,該井日產(chǎn)液量達到123.2 t,反映后者計算的壓裂改造體積與生產(chǎn)實際情況契合度更高。

圖9 M6004井各段微地震事件數(shù)量和產(chǎn)液占比交匯圖Fig.9 Intersection diagram of the number of microseismic events and the proportion of liquid production in each section of Well M6004

基于M6004井震源空間成像解釋的各壓裂段水力裂縫長度與測井解釋的平均彈性模量進行交匯分析,表現(xiàn)出水力裂縫長度和彈性模量呈正相關(guān)趨勢(圖10)。

圖10 各壓裂段水力裂縫長度與平均彈性模量交匯圖Fig.10 Intersection diagram of hydraulic fracture length and average modulus of elasticity in each fracturing section

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演技術(shù),預(yù)測了瑪18井區(qū)彈性模量三維展布,反演結(jié)果和實際曲線誤差小于5%,驗證井誤差也小于5%。平面上,微地震事件密度較大且分布較寬的第5～第10段彈性模量比其他段略高2～3 GPa,微地震信號明顯偏多,表明彈性模量大小是影響該區(qū)水力裂縫擴展的重要參數(shù)之一(圖11)［14］。

圖11 M6004井周圍T1b12平均彈性模量與微地震事件疊合圖Fig.11 Superposition diagram of T1b12average modulus of elasticity and microseismic events around Well M6004

3 結(jié) 論

a.走時拾取和震源空間成像方法對于高信噪比微地震事件都能夠較好定位,震源空間成像方法優(yōu)勢在于對低信噪比微地震事件的準(zhǔn)確定位,對于微地震事件較弱的區(qū)塊能夠拓展微地震事件。

b.震源空間成像技術(shù)方法得到的微地震事件是走時拾取方法的6.7倍,并且與M6004實際生產(chǎn)情況較為匹配,表明拓展的微地震事件是有效的。

c.彈性模量越高的壓裂段,水力裂縫越長,并且在平面上彈性模量高的壓裂段對應(yīng)的微地震事件數(shù)量也相對較多,表明彈性模量是影響該區(qū)壓裂效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。