微地震裂缝监测技术讲解

《微地震裂缝监测技术讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微地震裂缝监测技术讲解（182页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、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、压裂监测吐哈油田注水、压裂监测 第八章 结语 附 录 目目 录录 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

2、.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

3、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 附附 录录 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，20

4、02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，

5、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

6、，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

7、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： 0 +(S1+S2-2 P0)/2+(S1S2)cos(2)/2 (1) = (S1S2)sin(2)/2 (2) (1)式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，是作用在裂缝 面上的剪切应力；0 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

8、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；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0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

9、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

10、； (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=KB (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

11、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=AB-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；n是裂缝面的法向应力；kIC是岩

12、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=1，2，3 WN = MPP G NP 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

13、幅可以写为： A=AD(,) / (4r3)u3(t-r/)S (13) A2D(,)=cos4+2sin4cos4+ (+2)2sin4sin4 +22cos2sin2cos2+2(+2)sin2cos2sin2+2 (+2)2 sin4cos2sin2 (14) 第二章 2.1 裂缝扩展机制 这里：,分别是观测点相对于震源的仰角和方位角，是P波 波速，、是拉梅常数，u3(t-r/)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，是传播介质密度。 地面观测时，可以假定=0，在观测点的P波位移可以写为： A=/(4r3)u(t-r/)S (15) 井下观测时，可以假定=/2，在观测点的

14、P波位移可以写为： A=(2cos4+(+2)2 sin4+2(+2)2cos2sin2)u(t- r/)S /(4r3) (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=00 /(41 r11 3)u(t

15、-r/)S0 K1 F1 H1 (17) A2=(02 cos4+(0+20)2sin4+20(0+20)2cos2sin2)0 / (42 r22 3)u(t-r/)S0 K2 F2 H2 (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，0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/)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; 0是震源的角频率,取为0=2f=300，地震频 率f取为50Hz