微地震监测技术在油田开发中的应用

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1、微地震监测技术在油田开发中的 应用 微地震监测技术是计算机及信号识别 技术高度发展的产物。国内外很多科研机 构、生产服务单位应用这一技术服务于油 田生产，并取得重要成就。我们发展、并 应用该技术于国内油田的生产、开发，仅 在近3年，就监测了近1500口井。在油田 井网调整，压裂裂缝转向，油田调、堵、 压施工中发挥了不可替代的作用，提高了 施工的科学性，为油田增产、增效作出贡 献。理论与技术 1.1理论依据 地下经常有微地震发生，压裂或注水时， 地层压力升高，根 据摩尔-库伦准则，压力变化区会有诱发 微地震发生，记录、定位这些微地震源， 其分布可以反映裂缝轮廓。摩尔-库伦准 则可以写为： =0

2、+（S1+S2-2 P0）/2+（S1S2） cos（2）/2 (1) =（S1 S2）sin（2）/2 （2）微地震源定位 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。 经变换，上式可以改写为： 式中，T1-T6 是各分站的P波到时，T0是发震时刻 ，是待求的未知数；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，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。 但只有五个以上的站记录到信号，才会保证足够的定位 精

3、度。 式（1-4）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；再把解出的结果代入式（1-3） 中就可以得出深度，深度分布给出裂缝高度，由于计算 过程的累积作用，高度误差较大。 矩阵A写为： 矩阵B写为： 矩阵K写为： 矩阵求逆，（1-5）式可改写为： B-1是B的逆矩阵。矩阵求逆和式计算有 很多通用的解法，我们可以取得 K中的未知数 的 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 ：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

4、高度：依据上述过 程可以确定 微地震点的 空间位置。 理论上的精确深度可以写为：式中参数均假定为真实值。由于存在测试误差，实际 测试到的深度可以写为： 展开上式并忽略二级小量：式中，i=1，2，3，4，5，6， H0 是真 实深度， vp是真实波速， v 是速度误差， x0 ，y0 是震源的水平坐标，x ， y 是 x0 ，y0 的定位误差。 把式（1-12）写成： 把式（1-12）写成： 写成矩阵形式： 测试深度的矩阵方程可以写为： 矩阵求逆： 深度可以表示为： 由求出的系数用下式可以估计各项参数的 测试误差： 式中，d是速度误差的平方，e、f给出水平定位误差，对 估计测试结果的可靠性是有意

5、义的。 计算出初始T0，X0，Y0，Z0后，用式（1-11）-式（1- 20）去迭代。如果计算出的b、c、d、e、f中任何一个 的绝对值较大，则须相应改变T0、Vp、X0、Y0，再返 回式（1-11）-式（1-20）的迭代计算过程。直至b、c 、d、e、f接近于零，这时的x0、y0、Z0就是真实的微 地震点空间坐标。实际上常设定一个允许的小值，以减 少迭代过程。 计算时需输入速度初值，越接近实际值，计算过程越简 单。速度初值与实际值差别大，影响计算过程，不影响 最后结果。速度初值应该选择速度下限，保证迭代趋势 明显。如果c大于零，应有： Vp=Vp-V 如果e大于零，应有： X0=X0+X 如

6、果f大于零，应有： Y0=Y0+Y 我们有6个方程，可以把深度作为待求量在式（1-3）-（1-9）中直 接解出，若油田地面起伏过小，线性化后，Z0前面的系数接近于零 ，使计算出的Z0误差过大，也不稳定。实际解法是首先解出x0、 y0、T0三个可以线性化的参数，再在（1-11）-式（1-20）的计算 过程中，在b、c、d、e、f接近零时，由式（1-19）计算出Z0。 检验表明，计算高度范围大体与实际高度范围相同，说明校正后的 结果是可靠的。裂缝扩展机制 微地震源形成的力学条件可以写为: 式中是微裂缝的半长度；是裂缝中的水压；是 裂缝面的法向应力；是岩石断裂韧性，是岩石 的固有强度。由式可以看出，

7、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： 由式(1-22)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。式中, u3是裂缝面 位移,无论裂缝张开、或闭合，只要u3不等于零 ，就会形成微地震。由式可以看出,注水若使地 层压力稍有变化，裂缝宽度就会发生

8、变化，使 u3不为零，形成微地震。这为用微地震监测注 水前缘提供了理论基础。监测注水前缘本质上 是监测地层压力变化前缘。由位移形成的P波位 移震幅可以写为： 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，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。(1-24)式是(1-23)式的辐射图形因子 。 地震波传播理论为地震信号分析提供了依 据。 在地面观测时，可以假定=0，在观测点 的P波位移可以写为： 在井下观测时，可以假定=/2，在观测 点的P波位移可以写为：微地震信号强度预测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

9、于器前端分辨率，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 析波为依据。不记录也不分析S波震相。故仅使用以 上 二式估算到达仪器前端的电压强度。在实际计算中需把，二式改写为：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

10、参数进行粗略的定量：是裂缝面错动或张开 的平均速度，可以用u3/T求取，u3是裂缝位错或张开位 移，取为2mm；T为地震周期，取为0.02秒; 0是震源 的角频率,取为0=2f=300,地震频率f取为50赫芝，由 于所使用的地震仪是速度型检波器,故分子上要乘以0 。，是拉梅常数，本文假定其平均值为 =1X104Mpa，井下接收时的P波速度取为 2=2000m/秒，地面接收时的P 波速度取为1=1200m/ 秒；r1 ，r2分别是地面，井下的P波传播途径，取为 3000米，500米；S0是震源面积，假定每次破裂仅有很 小的面积，取为1平方米；K1 ，K2是地面，井下的检波 器的换能系数，我们使用

11、中国地震局哈尔滨工程力学研 究所研制的专用检波器，分别取为0.5伏秒/cm，0.2伏 秒/cm。 H1 、H2分别是地面接收,井下接收的入射衰减 。前者是从高速层进入低速层，入射衰减很小 ，每层入射系数为0.85,假定有7层,整体入射系 数为0.35;后者是从地层进入水泥环和钢套管,是 从低速层进入高速层,速度差别可达2倍以上,每 层入射系数仅为0.3,整体入射系数小于0.1。F1 ，F2是路径衰减，也称为非弹性衰减。由于地 面接收路途远，覆盖层非弹性强烈，通过系数 取为0.1;井下接收,路途近,非弹性衰减小,通过系 数取为0.5。把上述结果代入公式，并考虑辐 射图形因子的影响,计算出在观测点

12、的检波器上 可形成的电压值（表1-1）。 可以看出，地面接收所获得的电压值是 5.8微伏,这已超过现有技术的检测水平,目 前的检测水平是1-2微伏，信号是可以被 检测出来的。井下接收信号要强得多，可 达26.8微伏,这主要是震源距比较小,辐射 图形因子较大的结果。从技术上，井下观 测效果最好。表2-1中列出了其它一些对 比，特别是油田的欢迎程度一项对方法的 采用有至关重要的影响。表1- 1.不同微地震监测方法的信号强度对比微地震信号识别微地震信号识别技术是本技术成败的键， 识别不出可用的信号，自动识别，实时监测 就 是一句空话。只有微地震信号大于折算到仪 器 前端的仪器噪音,信号才是可以检测的

13、。由于 低噪音运算器件的广泛使用，及我们对仪器 电 路结构的独到改进，目前，折算到仪器前端 的 仪器噪音可以低于2微伏，微地震信号是可以 被检到。 微地震信号是与大地噪音同时进入检波器的。在噪 音背景中检测出信号是软件编制的主要内容。我们根据 计算机智能理论，编制了计算机自学习软件，输入多年 人工裂缝观测结果，由计算机进行训练，提取出压裂或 注水时的普遍信号特征。这些特征包括:幅度谱,频率谱, 信号段的频谱分布,包络前递增及后递减特征,包络的拐 点特征,导波特征,信号的升起特征,尾波特征等13个特征 。 在现场识别前训练5分钟，可以与计算机中已有的 信号特征对比，对监测地点的噪音及信号特征予以

14、鉴别 及留存，提取频率谱，幅度谱，导波，包络特征，拐点 特征等标志去区分当地的信号与噪音。 正式工作时，逐路、逐段的予以识别。经 严格检测，在其中任一路上检测出可用信号后 ，与其它路做互相关。在由台站分布所限定的 时段内，其它路也有可用信号，互相关存在， 则信号为真，否则为假；这一功能避免了压裂 、注水、过车等作业的干扰，只要不是各台同 时记录到的噪音，即使它很象信号，也可以被 剔除掉。如果震源间过近，彼此间可能形成干 扰；实时监测时会扔掉一些过密的信号，避免 干扰。后分析时会自动加大处理时间，拉大时 间间距，以避免干扰。后分析时会获得更多的 微地震信号。 采用前包络反向延伸技术提高时间服务精

15、 度，在采样率1000次/s时，时间服务精度 优于0.0002s。前包络反向延伸技术如图1 -1所示，做一包络线，包络线与横轴的交 点q是微震到时。图1-1.微地震波到 时确定方法示意图 包络反向延伸法提高到时精度的理论依据如图1-1所示 ：提取出包络的各个极大值点，用一个高次方程拟合包 络，再给定包络反向延伸线与时间轴的交点，该交点就 是微地震的初至到时。该交点是个数学点，有足够的分 辨精度，可以分辨出万分之一秒的到时，考虑到微地震 信号的噪音背景和失真，实际上认定的微地震到时的分 辨率为0.2ms。到时的具体计算过程如下: 采用线性方程拟合地震波的到时，在有些条件下难以满 足精度要求，故我们采用二次曲线拟合微地震波到时: t=ay2+by+c （1-29） 在微地震波形上选出三组（t、y）值，代入（1-29）式 中，有： 式（1-30）中: y1 ，y2 ，y3是微地震波的 极大值点, t1 ，t2 ，t3是相应的到时，a， b，c是待求的系数，c就是微地震波到时 。 理