致密砂岩水力压裂裂缝微地震成像技术的研究

孙明 闫顺来 高磊 高永利 高新奎

【摘要】本文利用微地震成像技术分析气田开发过程中水利压裂裂缝增长规律。研究发现在远离裂缝分析井1300英尺的监测井中可以发现微地震事件，并明确了当监测井偏离裂缝面时微地震信号（纵波和横波）的特征。认为只要速度场已知，只要在野外工作站上可以实现足够快速的识别和事件定位，那么时时可靠地监控裂缝的增长情况将成为可能。

【关键词】微地震成像技术 水力压裂 致密砂岩

通过微地震数据来描绘人工裂缝的几何形态，显示裂缝面，包括裂缝方位、缝高和裂缝对称性。尤其重要的是，当人工裂缝与应力不同的天然裂缝相交时，微地震成像技术能够确定裂缝复杂的发育情况。

1 微地震事件實例

1994年5月，为了更好的理解Cotton 流域致密含气砂岩裂缝形态或发育情况，为了探测Carthage 油田的微地震事件，Union Pacific Resources 公司 （UPRC）组织了个初步研究^[5]。位于德克萨斯Panola镇的Carthage油田发现于1968年，其储层系位于250000英尺深处的低渗含气薄砂岩。当前 Carthage油田正处于第四钻井活动期，为数众多的井以80英亩的间隔分布于该区。

此次初步研究意在探讨两个重要问题：

（1）在远离裂缝分析井1300英尺的监测井中能否发现微地震事件？

（2）当监测井偏离裂缝面时，微地震信号（纵波和横波）是什么样的？

初步数据处理和解释后我们总结了以下几点：

（1）在地下9500英尺处通过水力压裂激发的地震同相轴，可在超过1300英尺远、位于Carthage砂岩和页岩地层、远离裂缝面的监测井里接收到。

（2）估计裂缝方位为北偏东65度。

（3）微地震成像相对于处理井是不对称的，在井的一侧长约600英尺，另一侧则长约800英尺。

（4）地震同相轴记录在水力压裂进行之前就是离散的，这极有可能和前期的生产压裂井有关。

（5）为了估计同相轴的方位和距离，用来自于单个三分量检波器的数据确定纵波和横波的波至是至关重要的。

（6）当不能依赖表面的炸药激发进行机械定位时，假如第一个同相轴出现在紧靠注入井的附近，那么利用简单的定位技术估计裂缝方位看来是可行的。

2 微地震记录

在地表和井下的全部过程中，微地震事件和其他的干扰都会被持续记录。井下仪器是一种谐振频率为10Hz的三分量VSP器械。考虑到井内的压力，部署时加了个长度超过24英寸、重达260磅的沉杆。离监测井200英尺远的地表三分量器械是一个带有LRS-1011 10Hz组件的三轴系统。采用的采样率为0.5ms，记录长度为60s。在处理井位于9508英尺深的Cotton Valley段Taylor砂岩钻了孔。

3 数据处理与解释

涉及微地震事件处理和解释的步骤有三步：同相轴鉴别、同相轴定位和误差分析。

3.1 同相轴鉴别

研究中，由于我们在一个监测井中只有一个单独的三分量工具，只有含纵波和横波波至的事件被利用。经仔细分析，当输入数据到事件定位程序时识别了18个事件。其中三个在泵输送之前，14个在泵输送期间，1个在泵输送停止后。

3.2 同相轴定位

研究中，数据处理和解释的关键在于以下事件定位方法的利用：首先，矢端图分析决定了微地震事件的方位。如图1.所示，在一个时窗（通常是2-3个周期）内，通过用抽样样本绘制H1分量相对于H2分量的振幅（质点速度）这一方法，决定了向下传播压缩的波前（或者叫波径）的方位角。利用这一方法显示出的“趋势”描绘出方位角。

第二，检波器和微地震源间的距离（D）是通过一个同相轴纵波和横波初至时间（Tp和Ts）的差（ΔT ）估算得到的，假定适当的速度为已知：在天然地震定位中，地震学家们都会使用上述图中方程。在此次研究中，纵波的平均速度取1500 ft/s（基于测井曲线信息），横波的平均速度取9250 ft/ s（根据Castagna的Vp-Vs关系推测）。一旦估计出它们的方位和距离，事件就会标志在图像平面上。这里假设第一个事件在注入井附近。

3.3 误差分析

误差与分析、绘制出的方位及分布的估计有关，误差区域为椭圆形，它有以下特性：a=[VpVs/Vp-Vs]Δ（ΔT ）

b=DSin（ΔΘ）

其中：a和b是椭圆的两个半轴的长度；Δ（ΔT ）是纵波和横波初至时间间隔的误差，ΔΘ是通过失端图分析估计出的方位角误差。在b半轴平均误差区域延伸了150ft，在a半轴平均误差区域延伸了400ft。这通常这不会严重影响裂缝长度的估计，但如果使用失端图分析的话，就会成为确定裂缝高度的一个问题。

4 结论和建议

研究达到：我们发现由9500英尺深处水力压裂导致的微地震事件在离事件源超过1300英尺远的地方可以被探测到。事件定位技术认为：当采用用近地表炸药激发为三分量检波器定向的方法不太可靠时，可以假设在注入井附近，事件在小型压裂处理启动之后会立即出现。这个理论目前看起来还是可行的。很多从业人员已经认识到：即使井下检波器的初至波能被拾取，采用近地表炸药激发也经常不能为检波器定向。因此，我们建议在井间观测系统中（钻孔前）使用井下脉冲源来定位检波器。

参考文献

[1] 白莉，王士斌.微地震裂缝成像技术在水力压裂作业中的应用[J].国外油田工程，2007（11）

[2] 王爱国，周瑶琪，陈勇，王强.基于微地震技术的油田裂缝监测及模拟[J].中国海洋大学学报，2008（06）

[3] 刘百红，秦绪英，郑四连，杨强.微地震监测技

术及其在油田中的应用现状[J].勘探地球物理进展，2005（05）

“*”为通讯作者。