基于井中微地震快速定位监测技术的煤系页岩气水平井压裂效果评价——以南华北地区J1HF井为例

井中微地震快速定位监测是评价非常规油气藏压裂效果的有效手段之一,鉴于研究区内压裂井和监测井距离较远,采集到的微地震数据信噪比低,纵横波初至拾取困难,直接影响微地震定位以及储层压后效果评价的准确性.针对该问题,本文对区内J1HF井的井中微地震事件的识别和初至拾取,采用了更具灵活布设、成本低廉的井中微地震快速定位技术,利用邻井埋设的三分量检波器组成的观测系统,采集了压裂井微地震信号,并对微地震信号进行数据精细处理,利用微地震快速定位算法,实现岩石破裂事件的有效监测.通过对压裂过程岩石破裂能量的时空特征分析,获得了压裂裂缝几何形态及扩展模式,认为本井采用的“暂堵球+纤维暂堵剂”双暂堵工艺较为合理,可有效提高压裂裂缝复杂程度,获得较理想的储层改造体积,研究成果对南华北地区煤系页岩气压裂改造具有一定的指导和借鉴作用.     

微破裂向量扫描原理的研发进展

微破裂向量扫描原理是为了适应微震监测的目标特性、恶劣的地表监测环境、和对应用的一般监测要求,而逐步发展起来的.它不得不放弃记录要求较高的传统定位处理方法与可能使很多台站噪声极大的等距等角阵列,使用离散稀疏台网,处理分析完整的空间记录向量.在数学上,它计算各台记录对准各扫描点的向量间的相关性程度;在物理上,则反映了破裂释放能量的分布.选择安静处布设地震台网并在数据处理中去除和压制干扰信号以获得较小振幅的随机记录,是应用向量扫描技术的必要条件.这种条件应当数值化地由地震仪器、地震台网分布、监测环境、与去噪过程判定.一般情况下,为保证监测质量,它放弃振幅较小的纵波,而使用到达地表时携带能量较多的横波,并对扫描计算使用的台站记录附加以不同的权重;为提高性价比和使微震监测成为常规手段,在满足应用必要条件的基础上,它使用一个估计的最小扫描台站数,以及携行布设的最大台站数.利用相关性的概念,它可对速度模型引起的误差进行适度校正.微破裂向量扫描是专门针对微小破裂、三分量浅地表埋设观测、稀疏布设台阵、实时监测并4D处理解释、且考虑了微震多有剪切破裂特性的地震学监测方法;它扩展了传统定位方法的监测范围,能够在地表快速施工并"看到"微破裂,性价比高,可发展成为一种日常生产监测手段.     

水力压裂微地震实验研究

微地震震源机制解包含储层及裂缝特征信息,对于地质力学建模和水力压裂储层评价都有十分重要意义.然而,目前微地震震源机制类型仍存在争议,该方面的基础实验仍需要进一步的研究.本文针对花岗岩和页岩两类岩石,开展了水力压裂微地震实验研究.在实验进行前,分析了实验条件和数据采集方式.根据实验室测定的岩石物性参数和各级检波器微震事件的P波初动信息等,利用射线追踪进行微震事件的反演定位.定位的结果同岩石CT扫描观测到的裂缝有较高吻合度.利用微震事件在各级检波器处的P波初动极性及检波器在岩石表面的位置信息,进行微地震事件的震源机制反演,得出了水力压裂实验下微地震震源机制以剪切型占优的结论.结合微地震事件定位结果,震源机制反演结果和岩石CT扫描裂缝结果等,进行对比和分析,得出了一些新的结论和认识,为今后的实际微地震监测裂缝解释提供指导意见.     

卷积神经网络在地面微地震多道P波极性分类中的应用

微地震监测技术是监测水力压裂过程、评价压裂效果的重要手段。对于地面监测,P波极性能够直接、快速地反演震源机制,同时极性校正能够提高绕射叠加定位方法的成像精度。因此,准确而迅速地确定P波极性对地面微地震实时监测具有重要意义。卷积神经网络是一种深度学习算法,具有强大的特征学习与分类能力,可用来确定微地震事件的P波极性。地面监测多采用星型、网格型等规则观测系统,本文使用目标道及其相邻检波器记录作为输入样本,构建基于卷积神经网络的多道P波极性分类网络模型。实际数据应用结果表明,相比于单道记录的网络模型,多道的网络模型能够将目标道与相邻道相结合来预测目标道的极性,提高规则观测系统下地面微地震P波极性分类的准确率。     

基于微震特性的相对震级技术研究及应用

随着非常规气藏的开采开发,微地震监测成为压裂效果评估的关键技术.四川盆地非常规油气藏开采开发处于早期,井网密度极低导致在压裂井附近难以找到匹配深井作为观测井,而地面、浅井等替代观测方式面临无法有效探测微地震信号的风险.微地震事件能量弱和辐射的方向性使得观测方位预判及有效监测距离的评估成为微地震监测成败的关键因素.本文提出一种基于压裂微地震能量辐射模式和地层传播特征的相对震级计算技术,模拟微地震事件能量辐射模式及在地层传播过程中的动力学特征,达到评估微地震相对震级与检波器方位、地层传播距离的非线性关系的目的.通过理论分析和实际微地震监测资料验证,该方法能有效地解决微地震监测最佳观测方位的优选和有效传播距离的评估问题.     

微地震及其监测综述——走向基于低信噪比的微破裂向量扫描

微地震是岩石的微小破裂.微地震的另一个重要特性是剪切破裂或具有很强的剪切破裂成分.通常人们感兴趣的是监测与生产生活密切相关的微震活动，为环保、安全、提高生产效率、以及一般地学科研提供参数和建议.观测微震信号，以及对其实施的数理、地质、工程等的分析研究，构成整个微震监测系统.对此系统的每一步骤，从观测仪器研制、微震台网布设、微震记录的整理和去噪、微震或其释放能量分布的定位，到分析微震时空活动规律，以及这些规律与监测目标之间关联的解释，都必须从上述微震的两个特性出发.微震监测照搬常用勘探地震学和一般小震以上的天然地震学软硬件是不恰当的．微震监测方法的研发必须严格服从地震学基本原理并进行大量实验．本文对微震及其监测进行了一般综述，说明了由于微震的两个重要特性及其监测的艰难程度，也由于微震监测成为伴随生产生活的性价比较高的常规手段的需求，而不得不研发基于微小信噪比数据记录、实施地面监测的微破裂向量扫描技术，较详细地描述了其原理、微震仪器、台网布设原则、去噪、分析解释原则、和应用中所得到的重要分析结论，以及目前存在的技术问题和展望．     

微破裂向量扫描技术的数据采集

应用微破裂向量扫描技术的必要条件是避免、去除、和压制干扰信号以获得较小振幅的随机记录,故其工程化中的核心任务是尽力提高记录数据中的有效信噪比;而最关键和基础性的环节是数据采集,这也是当前微震监测的最大问题.应用向量扫描的专用微震监测仪器应当适合地表接收具有剪切成分的微弱地震信号、可独立布设、和无线高速传输数据,以适应地表恶劣监测环境和对监测的常规合理要求.记录仪和检波器参数或性能,均应围绕这些要求设计和研制;特别的,检波器应具有较高的灵敏度、恰当的3D地面运动响应频率范围(较低的自然频率)、与大地高度耦合为一个整体的特性.在地表实施向量扫描的理想微震监测台网,作为努力方向,应当是:每个台点非常安静;台点尽可能接近目标;台点越多越好;和台点均匀分布并包围覆盖监测目标地表投影点(域).为满足向量扫描应用的必要条件、适合地面监测环境、并照顾到对监测方法的常规要求,除按理想微震监测台网的条件去努力外,实际应用时,台网布设原则应当是:(1)台点距诸如压裂车等强干扰源的近边界约在1 km;(2)排除监测区域内所有强干扰源影响范围后,以满足安静点数值定义布设台点;(3)台点距强干扰源的远边界,应服从安静点定义和越接近目标越好的原则.     

水力压裂对速度场及微地震定位的影响

水力压裂是页岩气开发过程中的核心增产技术,微地震则广泛用于压裂分析、水驱前缘监测和储层描述.微地震反演过程中,用于反演的速度模型往往基于测井、地震或标定炮资料构建,忽略了压裂过程中裂缝及孔隙流体压力变化对地层速度的影响.本文首先基于物质守恒、渗流理论和断裂力学模拟三维水力压裂过程,得到地下裂缝发育特征和孔隙压力分布.继而根据Coates-Schoenberg方法和裂缝柔量参数计算裂缝和孔隙压力对速度场的影响,得到压裂过程中的实时速度模型.最后利用三维射线追踪方法正演微地震走时和方位信息,并采用常规微地震定位方法反演震源位置及进行误差分析.数值模拟结果表明,检波器空间分布影响定位精度,常规方法的定位误差随射线路径在压裂带中传播距离增加而变大,且不同压裂阶段的多点反演法与单点极化法精度相当.     

基于深度学习和无线传输的非常规页岩气压裂微地震实时自动监测

水力压裂能有效沟通天然裂缝形成复杂缝网系统,极大地提高低渗透油气藏的产能．为有效评估储层水力压裂改造效果及规避潜在的地质安全隐患,需要建立完善的压裂改造监测技术,而微地震监测是目前最为有效的监测手段之一．近年来,国内外微地震监测技术取得了较快的发展,但数据处理仍基本依赖于人工,成本昂贵,且较难提供连续的监测信息以完整反映压裂全过程．为进一步推动非常规压裂生产过程中的实时微地震监测及现场反馈,减轻人员负担、降低成本,我们发展了基于无线4G实时传输节点地震仪和深度学习的软硬件一体化微地震实时监测技术．在川南某页岩气开发平台的微地震监测试验中,该一体化实时监测技术通过4G无线网络实时回传采集的地震波形,并利用最新的深度学习技术对实时数据流进行处理,实现了从地震数据采集、数据实时传输、微地震检测、震相拾取、地震定位、震级分析等一系列功能,并通过云端将微地震分析结果实时反馈至压裂现场,实现了对压裂施工过程不间断地实时自动监测．同时,通过对比地面两套不同密度观测系统人工处理与自动处理的结果,对实时监测技术的准确性和可靠性进行了定量分析和验证．该软硬件一体化微地震实时自动监测技术的研发为我国今后非常...     

基于大型水力压裂实验系统的室内模拟研究

室内水力压裂模拟实验是认识裂缝压裂机理、获取水力压裂信号的有效手段,可为进一步提高水力压裂技术在页岩气等非常规油气资源开发方面的应用提供技术支持.本文根据野外水力压裂施工工艺和微压裂地震信号监测的特点,设计并制造了大模型水力压裂模拟装置,该装置包括真三轴围压系统、水压裂系统和微压裂信号采集系统,可以实现相同或不同围压状态下的水力压裂试验,并对裂缝产生、裂缝扩展的整个物理过程进行水力压力信号和岩石压裂破裂信号的采集,形成了一套完整的微压裂实验技术.通过水力压裂实验,首次在实验室内获得了真三轴围压下大模型的水利压力和水力压裂信号的关系,为水力压裂信号的分析和压裂裂缝的定位提供了基础.     

DAS技术在油气地球物理中的应用综述

光纤分布式声波传感技术(DAS)基于相位敏感光时域反射,是一种利用光纤后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术.在油气勘探开发领域,近年来在井中VSP、地表地震采集、时延或永久油藏监测、水力压裂监测等方面开展了试验和应用,取得了初步的成功.相比常规地面检波器及井中检波器,DAS技术具有低成本、高效率、密集采样、资料品质不低于传统地震检波器等优势.但DAS技术的局限性在于数据信噪比受光纤布设方式影响、单分量采集、保真距离有限.在综合分析的基础上,展望DAS技术未来发展方向:(1)螺旋缠绕技术等多分量DAS技术的发展及实用化和工业化,以及新型光纤电缆的发展,将大幅度地提高光纤的灵敏度和动态范围,DAS将逐渐克服其局限性.(2)DAS解调技术的发展和光纤采集方式的优化,包括新型采集观测系统、光纤与地层耦合技术等,以及针对性处理、成像技术发展将进一步提高DAS数据的信噪比和成像质量.(3)由于DAS具有成本低、采样率高等优点以及未来DAS技术在提高信噪比方面的进展,DAS技术在油气地球物理技术领域的应用前景将更广阔.     

水力压裂物理实验模拟初探

为了研究水力压裂中岩石的破裂及裂缝延展规律,开展水力压裂实验模拟.采用大型真三轴压裂设备对花岗岩岩样(300 mm×300 mm×300 mm)进行水力压裂,16道检波器接收,在识别的声发射信号上拾取初至走时,Geiger定位结果表明,压裂中声发射事件位置与压裂示踪剂显示相一致,CT扫描制作的数字岩心准确反映实际的破裂面.从压裂曲线上提取的破裂压力,结合围压分析表明,整个破裂面与初始破裂相一致,岩石破裂后沿该破裂面延展,直至结束.实验分析表明,裂缝发育由裂缝方向和裂缝类型共同决定,遵循裂缝发育能量消耗最小原则,合理解释了本次实验压裂现象;针对实验中单一破裂现象,提出了改进水力压裂设计的建议.     

水力压裂微地震井地联合监测系统及仪器

水力压裂技术是油气田增产和低渗透油田开发的有效技术手段,通过监测油层裂缝延展过程中产生的微地震事件,能够有效地判断裂缝走向.现有的井中监测方法存在成本较高、施工难度大的问题;地面监测存在信号信噪比低、垂向分辨能力差等问题.本文采用井地联合微地震监测的方法,在地面布置采集仪器的同时,选择邻近的单口监测井放置井中仪器,对微地震事件进行联合监测定位.采用联合监测的方法,在水平方向和垂直方向上都能够获得较好的监测视角,对比单一监测方法提高了微地震事件的定位精度.在此方法的基础上研制的井地联合微地震监测仪器系统,解决了现有仪器系统在进行联合监测时通讯链路不通的问题,实现了在压裂施工现场对微地震联合监测数据的实时回收、处理及结果呈现.应用本系统在大庆油田进行现场监测,获取的微地震事件对压裂裂缝进行了有效评价;通过对已知射孔点进行反演定位,采用井地联合监测将定位误差由地面监测的32 m降低至14 m,验证了本文技术的有效性.     

基于机器学习和台阵相关性的水力压裂微地震事件自动识别及到时拾取

利用密集台阵对水力压裂微地震进行监测将有助于优化储层压裂、揭示断层活化.为满足密集台阵海量采集数据的处理需求,本文建立了一种综合运用多种机器学习方法和台阵相关性的、无需人工干预的自动处理流程,从而能够快速得到高质量的密集台阵震相到时目录.该综合策略包括：(1)利用迁移学习在连续波形中快速检测地震事件;(2)利用U型神经网络PhaseNet自动拾取P波、S波震相;(3)利用三重线性剔除法,结合密集台阵到时相关性剔除异常到时数据和地震事件;(4)利用K-means和SVM两类机器学习算法,进一步区分发震时刻接近的多个地震事件,减小事件漏拾率.通过将该流程应用于四川盆地长宁—昭通页岩气开发区微地震监测数据,并将自动处理结果与人工拾取结果进行比对发现,二者在震级测定、定位以及走时成像结果等方面具有很好的一致性,表明本文处理流程结果精度可达到手动处理精度.本文结果为密集台阵地震监测数据的高效、高精度处理提供了新思路.     

不同倾角煤层气井的水力压裂微震监测

在2017和2018两年中,我们对新疆18口煤层气井的水力压裂,应用微地震向量扫描技术,实施了微震监测.这批井的特点是,除3口井煤层的倾角小于30°外,余均为高倾角,其中6口井的倾角大于70°,近乎直立.由于煤层在强度上较常规油气储层显著得低,因而压裂设计预期裂缝沿煤层延展.然而,经反复校核,尽管多数井的裂缝带满足预期(占总井数的72％),还是确认了3口井(17％)的裂缝延展面同已知煤层在倾向上有一个40°～60°的夹角;另一类特例是2口井(11％)的类似X型的破裂,即一个裂缝面满足了预期的倾向和倾角,同时也有一个倾向相反、倾角相似的破裂面.因而在机理上,若视煤层为已有断层,在构造应力场作用下,煤层的压裂破裂面有三种可能性:(1)仅沿煤层延展;(2)仅沿已有断层裂隙面延展;(3)同时沿这两个层面破裂.此外,破裂面展布以相对压裂点向上为主.研究这些压裂裂缝面的产状、发育机理、与对其微震监测的解释方法特性,对具有不同倾角的煤层的压裂设计与压裂监测,有重要意义.     

地震学方法在滑坡体结构及破裂过程的应用研究进展

地震学是利用地震波的传播特性来研究内部结构及震动源的一门学科,在获取滑坡体物性参数、监测其变化,以及探测滑坡发育过程中的变形和微破裂等信息具有天然的优势,这些信息对于滑坡的监测、治理、以及预警至关重要.本文调研了国内外近年来地震学手段在滑坡监测中的应用,分为滑坡体结构研究、滑坡发育过程中滑坡震研究以及滑坡启动后的动态过程研究三部分,主要概括了其原理及结论.调研结果表明,结合密集台阵长时间观测,地震学方法可以有效地获取滑坡体三维结构,局部及内部的变形、破裂情况,以及滑坡发生后的动力学过程.滑坡物性参数变化和滑坡震活动性异常等可能是滑坡灾害发生前的前兆信号,能被地震学手段获取.     

地面与井中观测条件下的微地震干涉逆时定位算法

勘探和开发非常规油气藏已经成为国际油气工业界的新热点.由于这类油藏具有低渗透率的特点,开采过程中往往需要多级压裂形成能够使烃类自由流动的裂隙.通过定位分析压裂过程中诱导的微地震震源能够帮助人们刻画裂缝属性(走向、密度等),评价压裂效果,分析断裂模式,推定震源机制等.微地震定位可以采用波动方程逆时聚焦方法实现.由于微地震数据信噪比低,加之速度模型不准确、稀疏观测等诸多因素使得定位的精度大打折扣.本文将波动方程逆时聚焦定位原理与干涉"成像"原理相结合,探讨多源微地震信号的干涉逆时定位算法,尤其扩展该算法到三维多分量地面、井中以及井地联合观测条件下.通过理论合成数据与实际射孔资料的数值试验,展示了该微地震定位算法的精度优势与抗噪特点,并指出波场聚焦微地震定位方法在实际应用中的制约因素与应对策略.     

微地震监测定位精度分析

随着非常规致密砂岩气、页岩气藏的开采开发,压裂技术在储层改造中起着举足轻重的作用,而微地震监测技术是评价压裂施工效果的关键且即时的技术之一.根据微地震监测处理高精度地反演微震位置,从而预测压裂裂缝的发展趋势及区域,对压裂施工效果进行跟踪及评判,同时也为后期油气藏的开采和开发提供技术指导.定位精度直接影响地下裂缝的分布特征,错误或精度不高的定位结果,必将导致对裂缝趋势的误判.文章结合理论和数值模拟方法,对初至拾取精度的影响因素进行了分析,讨论初至误差对定位精度的影响.同时结合地层岩石物理特性、射孔资料对速度模型的校正、速度各向异性、地层倾角、多段压裂等因素,分析了这些因素对精细速度模型及定位精度的影响.最后结合定位方法本身所存在的局限,探讨反演方法及方位角对定位精度的影响.通过理论及数值模拟分析表明,初至误差、速度模型精度及定位方法对定位精度有着紧密关系,并将其归类为可控误差及系统误差,通过区别对待可控误差和系统误差,可最终为高精度微地震监测定位技术的研究及应用提供指导.     

强烈地震震源破裂和深层过程与地震短临预测探索

强烈地震震源区和其周边地域的介质,在力源作用下开始破裂,即微破裂,而当其在应力不断积累、逐渐发展并形成具有一定规模的“破裂链”时,即应力集中达到临界状态时,震源介质所积累的巨大能量以波动的形式瞬间释放,并冲出地表发生地震,且在地表产生一系列的破坏和大型断裂.在强烈地震发生后依据设定的初始模型和远、近地震台网记录,通过震源机制解计算,可求得震源介质的破裂长度和破裂过程.事实表明,一系列大地震的“孕育”、发生和发展,由震源深处到地表均呈现出强烈的破裂效应,其破裂长度可由几公里、几十公里、乃至千余公里长.有的地震在发生前确亦存在着破裂响应和迹象.为此,若在地表和深井中能进行破裂效应的观测,以捕捉初始微破裂和其形成“破裂链”的动力过程,这对于短临地震预测可能是一个十分重要的途径.     

微地震震源机制研究进展

非常规油气开采中实施的储层改造,通常是利用水力压裂技术向储层注入高压流体,改变储层原有的孔缝连通结构,实现油气开采.水力压裂会改变储层应力并使岩石破裂,从而产生微地震事件.微地震研究的重要内容之一是其震源破裂的机制.通过对微地震震源机制的研究,可揭示微地震的产生机理和地下储层的应力变化规律,有效地优化水力压裂和储层改造...