李淅龙

( 中煤科工集团 西安研究院有限公司， 西安 710077)



基于干涉成像的水力压裂裂隙监测模拟

李淅龙

( 中煤科工集团 西安研究院有限公司， 西安 710077)

水力压裂是对低渗油气藏进行经济开采与增产的重要手段，其主要是根据力学原理，增加井眼两侧的流体压力，当压力超过岩石强度，岩石破裂诱发微地震波。而对压裂裂隙的监测对于确定井网井距，提高油气田的采收率至关重要。目前微震定位方法大都依赖于初至拾取的准确性,因此，这里研究了不需要进行初至拾取的干涉成像法，并将该方法用于裂隙监测。通过对自建模型的成像结果进行研究，验证了干涉成像法对裂隙监测的可行性。

水力压裂； 干涉成像； 互相关； 裂隙

0 前言

随着低渗透油藏越来越多，水力压裂成为油田开发的重要手段。对水力压裂的人工裂隙描述在提高产量和油气藏的采收率方面有着重要意义，因此，对裂隙监测技术的研究是十分必要的[1-2]。美国在1973年和1976年进行了水力压裂的微震监测试验，当时主要是用地面布点观测的方式进行微震监测[3]。由于地面监测信号比较差，随后人们开始进行井下微震观测。随着处理软件与现代技术的发展，裂隙监测技术精确度越来越高，常用的裂隙监测技术主要有：①地面微地震监测技术；②地面测斜仪监测技术；③井下微地震监测技术；④电位法裂缝监测技术[4]。在这些裂隙监测方法中，井下微震监测技术仍是裂隙监测的主要手段[5]，该技术原理是压裂井在压裂过程中诱发的微地震波由布置在临井中的检波器监测到，然后对接收的记录进行成像，最终定位到裂隙的位置。因此，了解裂隙形态即对震源成像是微地震数据处理的首要任务。

德国物理学家Geiger[6]提出了地震源定位方法，其主要是通过最小二乘原理求解非线性方程组。随着计算方法和计算机技术的快速发展，新的定位方法随之出现，如：牛顿法、台偶时差法、Bayesian法、EHB法、双重残差法、全局搜索发等[7]。这些方法主要是根据观测初至与理论初至时间来定位震源的位置，因此，初至时间拾取的精度和准确度成为定位准确度的主要因素。

这里研究了一种新的算法将其用于水力压裂的裂隙监测，即干涉成像法。这种方法不需要进行初至拾取，可以处理震源激发时间未知的记录。该方法对水力压裂裂隙监测有着一定的优势，可以作为裂隙监测的手段或者辅助手段。

1 成像原理

假设采用如图1所示的观察系统:地下某点处有一震源S激发地震波，地面放置一列检波器用来接收上行信号，这里检波器接收到的都是直达波。

图1 干涉成像示意图Fig.1 Schematic diagram of interferometric imaging

在A道记录的震源激发时间未知的被动震源数据在频率域中可以表示为：

(1)

其中：W(ω)表示震源子波；G(A,S,ω)表示s处一个埋藏点源激发且在A处接收的格林函数；eiωτs项表示由于未知激发时间的震源产生的相位延迟。

Schuster等[8]提出用互相关偏移的方法去定位未知激发时间的震源位置，被动道集通过互相关消去未知的震源时间，然后通过对互相关数据进行偏移来推断埋藏源的位置：

(2)

(3)

根据式(2)得出的具体算法如下：①对于接收到的n道被动记录，将每1道(如A道)与所有道进行互相关得到n个互相关道集(与自己互相关即为自相关)；②对于一个互相关道集(如A道产生的道集)，假设地下任意一点为震源a，算出该震源由A

道到所有道的每个时间差Δτ，得到每个互相关结果上时间为Δτ处的振幅值，将这些值叠加作为地下a点的振幅值，可以得到一个偏移剖面；③将n个互相关道集得到的偏移剖面进行叠加，最终得到对震源进行定位的成像结果。

2 成像结果分析

2.1 模型建立

我们建立如图2所示的地质模型。假设采用分层压裂方式，在地下2 000 m左右处的岩层进行压裂，检波器排列在压裂层及其上、下两层，地层由上到下的速度分别为3 000 m/s、3 200 m/s、3 500 m/s。监测井位置距离压裂井横向为200 m(假设压裂井为x坐标原点)处，检波点在深度为1 850 m～2 100 m处布置，道间距为10 m。假设压裂产生的一个震源位于第二层中，其坐标为x=150 m，y=2 000 m，距离检波器(监测井)横向50 m处，如图2中红色“☆”位置。利用Tesseral软件对该模型分别进行无噪音和有噪音正演模拟，结果如图3所示。

图2 模型示意图Fig.2 The model chart

图3 正演记录Fig.3 Forward recording(a)无噪音；(b)有噪音

2.2 成像结果分析

根据干涉成像原理，对用Tesseral正演模拟得到的两个记录进行偏移。偏移范围为200 m×600 m，即纵向对1 600 m～2 200 m这段深度进行偏移，网格为1 m×1 m。偏移时需要计算地下任一点到检波点的旅行时间，计算方法参考参考文献[9]中的水平层状介质中的快速两点间射线追踪方法。算取旅行时后，使用自主编制程序进行成像。这里给出对有噪音与无噪音记录偏移后的部分数据(表1)及能量图(图4)。图4(a)、图4(b)为根据偏移值绘制的能量图，其中，蓝色为背景值，越接近红色表明能量越强。

表1 偏移后的部分数据结果

图4 成像结果Fig.4 The result of imaging(a)无噪音记录偏移后能量图；(b)有噪音记录偏移后能量图

我们对正演模拟结果(图4)进行对比分析后可以得出：有噪音与无噪音的记录成像后的数据有一定的差异，但是差异不大。能量图基本一致，在能量图中都存在一个明显高于背景值得椭圆状的能量团，能量最大的位置(即震源位置)都在(153 m，2 002 m)处，见图4中蓝色“﹢”。这与正演模型的震源位置(150 m，2 000 m)基本吻合。因此，根据程序结果显示，这种方法是有效可行的，且噪音对其影响不大。

2.3 分辨率分析

在上述模型基础上，将震源位置移到x=100 m，y=2 000 m处，即距离检波器(监测井)横向100 m处进行正演，正演记录见图5，对模拟结果进行成像，结果见图6，图6中蓝色表明能量弱，红色表明能量强。相比图4(b)的结果，图6中有个相对较长的能量带，说明能量有所分散，最大值即震源位置为(116 m，2 003 m)，与理论位置相比，偏移后得到的震源位置横向上与正演模型有一定的偏差，纵向上基本吻合。

图5 有噪音记录Fig.5 The record of adding noise

图6 震源在(100 m，2 000 m)的成像结果Fig.6 The imaging result of the other position

分析结果可以得出，震源与检波器距离越远，分辨率越低。由于微地震波本身信号弱，频率高的特点，一般要求监测井与压裂井之间的距离不应过大[9]。

3 结论

从20世纪80年代末开始，微地震监测法逐渐成为水力压裂裂缝定位的一种重要而实用的方法。作者基于井中微震监测技术，将干涉成像用于定位水力压裂裂隙，通过研究对自建模型进行干涉成像的结果，发现干涉成像法对裂隙监测是可行的，且噪音对其影响不大，可以作为裂隙监测的一种手段或者辅助手段。

[1] 王爱国.微地震监测与模拟技术在裂缝研究中的应用[D].北京:中国石油大学,2008.

WANG A G. Application of micro-seismic monitoring and simulation technology in the research of fracture[D].Beijing : China University of Petroleum,2008.(In Chinese)

[2] 张娜玲.基于微地震监测的油井压裂裂隙成像算法研究[D].吉林:吉林大学,2010.

ZHANG N L.Research on the image algorithms of the fracture of the microseismic monitoring oil well[D].Jilin:Jilin University,2010.(In Chinese)

[3] 徐照营. 井中微震监测资料处理解释方法应用研究[J].工程地球物理学报,2014,11(4):451-456.

XU Z Y.The application of the method of processing and interpretation for micro-seismic monitoring data in wells [J].Chinese Journal of Engineering Geophysics. 2014,11(4):451-456.(In Chinese)

[4] 王树军,张坚平.水力压裂裂隙监测技术[J].吐哈油气,2010,15(3):270-273.

WANG S J,ZHANG J P.Hydraulic fracture monitoring technology[J].Tuha Oil & Gas,2010,15(3):270-273.(In Chinese)

[5] 王长江,姜汉桥,张洪辉,等.水平井压裂裂隙监测的井下微地震技术[J].特种油气藏,2008,15(3):90-92.

WANG C J,JIANG H Q,ZHANG H H, et al. Downhole microseismic technique for fracture monitoring in horizontal well fracturing process[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2008,15(3):90-92. (In Chinese)

[6] GEIGER L.Probability method for the determination of earthquake epicenters from arrival time only[R]. Bul1.St.Louis.Univ,1912:60-71 .

[7] 田玥,成晓非.地震定位研究综述[J].地球物理学进展,2002,17(1):148-152.

TIAN Y,CHENG X F. Review of seismic location study[J].Progress In Geophysics,2002,17(1):148-152. (In Chinese)

[8] SCHUSTER G T , YU J, SHENG J, et al. Interferometric/daylight seismic imaging[J]. Geophysical Journal International,2004,157:838-852.

[9] 田玥,陈晓非.水平层状介质中的快速两点间射线追踪方法[J].地震学报,2005,27(2):147-154.

TIAN Y,CHENG X F. A rapid and accurate two-point ray tracing method in horizontally layered velocity model[J]. Acta Seismologica Sinica,2005,27(2):147-154. (In Chinese)

[10]崔荣旺.微地震压裂监测应在井中进行[J].大庆石油地质与开发,2007,26(4):138-142.CUI R W.Microseismic fracture monitoring should be carried out in wells[J].Petroleum Geology & Oilfield Development In Daqing,2007,26(4):138-142.(In Chinese)

Simulation of interferometric imaging in hydraulic fracturing monitoring

LI Xi-long

(Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group , Xi’an 710077,China)

Currently, we usually use hydraulic fracture to economically extract and stimulate the low permeability gas reservoir. Hydraulic fracture is a method according to mechanics principle, it increases the fluid pressure beside the hole. When the pressure exceed the strength of rock, the rock will crush and release seismic wave. Besides that, fracture monitoring is important for us to establish the pattern of well spacing and to enhance the recovery ratio. Recently, the method of microseismic source location is based on accuracy of picking the primary arrival times. A new method which don’t require to pick the first arrival times is presented in this paper. This method is interferometric imaging which has applied to monitor the fracture. We analyzed the results of simulated experiments, showing that it is feasible for hydraulic fracturing monitoring.

hydraulic fracture; interferometric imaging; cross-correlated; fracture

2015-08-14 改回日期：2015-10-25

中煤科工集团西安研究院有限公司2015年度科技创新基金项目(2015XAYMS27)

李淅龙(1984-)，男，硕士，主要从事煤田地震勘探及煤田地质相关工作，E-mail：lixilong1130@163.com。

1001-1749(2016)05-0681-05

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.18