微地震技术在裂缝监测中的应用研究_严永新

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｎ ｔｈｅ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｃｒｕｓｔａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｉｎ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｔｈｅ Ｗｅｌｌ ＢＹＨＦ１ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｙ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｐｏｌｅ ｌｏｇｇｉｎｇ ａｎｄ ＶＳＰ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅａ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ ｇｕｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄａｔａ ａｎｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ，ｗｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ｓｉｚｅ，ｓｐａｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｗｅｌｌ－ｂｌｏｃｋ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｕｓｉｎｇ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｍａｉｎｌｙ ＮＥ３４°，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｉｎｃｉｄｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｌｏｇｇｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ；ｓｈａｌｅ ｏｉｌ；ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｒｕｓｔａｌ ｓｔｒｅｓｓ
随着 油 气 资 源 需 求 的 不 断 增 长，常 规 油 气 藏 越 来 越 少 ，非 常 规 油 气 藏 ，特 别 是 页 岩 油 气 的 勘 探 越 来 越受到重视 。 ［１－３］ 美国、加拿大等国家已成功 实 现 页 岩气的工业开采，且 具 有 较 为 广 阔 的 前 景。 我 国 也 在页岩油气方面开 展 了 大 量 工 作，在 多 个 盆 地 相 继
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅａｒｔｈｓｃｉｅｎｃｅｆｒｏｎｔｉｅｒｓ．ｎｅｔ．ｃｎ 地 学 前 缘 ，２０１３，２０（３）
严永新 ，张永华 ，陈 祥 ，等／ 地学前缘 （Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ）２０１３，２０ （３）
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裂造缝的识别一直 以 来 是 一 个 难 点，采 用 微 地 震 技 缝发生。τ０为零时，式 （１）左 端 大 于 右 端，这 时 会 发
中所产生的微地震 事 件，通 过 分 析 计 算 预 测 出 裂 缝 后，在井周围就会发生微地震事件，通过确定微地震
的方位、产状，了解 压 裂 增 产 过 程 中 人 工 造 缝 情 况， 事件出现地位置可以检测裂缝的分布范围。
以达到增产的目的。其理论依据是声发射学和地震
由断 裂 力 学 理 论 可 知，当 地 层 应 力 强 度 因 子 大
是微地震监测方法的理论依据。
１ 压裂诱发微震机理
２ 微地震震源定位
地应力是由一个垂直主应力和两个水平主应力 构成的三维应力。国内外研究结果表明，压裂施工中 挤压的裂缝形态和延伸方向受地层中三向应力所控 制。在压裂过程时，当注入井内的压裂液的压力达到 地 层 破 裂 压 力 的 临 界 点 时 ，地 层 开 始 破 裂 。 若 继 续 注 入 液 体 ，破 裂 缝 就 不 断 生 长 。 由 于 地 层 中 压 力 的 变 化 造成裂缝向前延伸，而每次破裂延伸的能量是以弹性 波的形式向外传播。其地层岩石破裂不仅与空隙压 力的大小有关，还与地层的岩石力学性质有关。
式（２）左 侧 是 地 层 应 力 强 度 因 子；ｋｉｃ是 断 裂 韧
经过数据处理 和 定 位 后，可 确 定 发 生 破 裂 的 位 置， 性；ｐｄ是井底注入压力；ｓｎ是裂缝面上的法 向 应 力；Ｙ
利用三维可视化技 术 给 出 人 工 裂 缝 空 间 图 像，研 究 是裂缝 形 状 因 子；ｌ是 裂 缝 长 度；ｘ 是 自 裂 缝 端 点 沿
收 稿 日 期 ：２０１２－０７－２０；修 回 日 期 ：２０１２－１１－２７ 基 金 项 目 ：中 国 石 化 集 团 公 司 科 技 开 发 部 项 目 “泌 阳 凹 陷 陆 相 页 岩 油 气 成 藏 条 件 评 价 ”（Ｐ１１０８１） 作 者 简 介 ：严 永 新 （１９６８— ），男 ，高 级 工 程 师 ，现 主 要 从 事 石 油 天 然 气 地 质 综 合 研 究 、勘 探 生 产 及 科 研 管 理 工 作 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｎｙｔｙｙｘ＠１２６．ｃｏｍ
压裂后裂缝的几何 形 态 及 延 伸 方 向，其 监 测 成 果 对 裂缝面走向的坐标。
合 理 制 定 非 常 规 油 气 藏 的 开 发 方 案 、提 高 开 采 效 果 、
由式（２）可知，在压裂过 程 中，ｐｄ 增 大 到 一 定 的
评价压裂效果具有重要意义。
值，就要造成地层 破 裂，从 而 诱 发 微 地 震 事 件，这 就
ＹＡＮ Ｙｏｎｇｘｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｈｕａ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ，２０１３，２０（３）：２７０－２７４
微地 震 震 源 定 位 是 微 震 监 测 的 核 心 和 目 的，其 依据就是在地层压 裂 造 缝 过 程 中，由 于 压 力 增 大 造 成岩石开裂，类 似 于 沿 断 层 发 生 的 微 地 震。 这 些 微 地震事件产生的地震波动信息被附近监测井的地震 检波器接收（图 １），同 时 采 集 系 统 对 接 收 到 的 微 震 信号进行严格判别，保 证 每 个 接 收 到 的 微 震 信 号 的 真 实 性 ，避 免 伪 信 号 的 进 入 。 通 过 数 据 分 析 处 理 ，可 得到震源的信息。 在 压 裂 过 程 中，裂 缝 延 伸 所 产 生 的微震能量以弹性 波 的 方 式 向 前 传 播，随 着 微 地 震 事件在时间和空间 上 的 产 生，微 地 震 定 位 结 果 便 连 续不断更新，形 成 一 个 裂 缝 延 伸 的 动 态 图。 通 过 求 解这一系列 微 震 源 点，便 可 直 观 得 到 裂 缝 方 位、长 度 、宽 度 、顶 底 深 度 以 及 两 翼 长 度 。
学［１１－１３］，在求解过 程 上 与 石 油 地 震 勘 探 相 反。 石 油 于地层中断裂韧性时，已有的裂缝产生扩展，即当公
地震勘探是求解地 下 物 性 界 面 的 信 息，而 微 地 震 监 式成立时，裂缝发生扩展现象 ，即 ［１６－１７］ 满足下式
∫ 测 是 求 解 震 源 的 位 置 、发 震 时 刻 、震 源 强 度 。 求 解 这
１．Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００５９，Ｃｈｉｎａ ２．Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ＆ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ｏｉｌｆｉｅｌｄ，Ｓｉｎｏｐｅｃ，Ｎａｎｙａｎｇ４７３１３２，Ｃｈｉｎａ
微地震技术在裂缝监测中的应用研究
严 永 新１，２， 张 永 华２， 陈 祥２， 罗 家 群２， 章 新 文２
１．成都理工大学，四川 成都 ６１００５９ ２．中国石化 河南油田分公司 勘探开发研究院，河南 南阳 ４７３１３２
ＹＡＮ Ｙｏｎｇｘｉｎ１，２， ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｈｕａ２， ＣＨＥＮ ｘｉａｎｇ２， ＬＵＯ Ｊｉａｑｕｎ２， ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎｗｅｎ２
术在裂缝监测中取得了不错的效果。
生岩石破裂；ｐ０ 增 大，也 会 使 左 端 大 于 右 端。 这 两
微地震监测技术是一种基于交叉学科的新技 种因素都会更容易造成岩石破裂而诱发微地震事
术，微地震监测技术是通过观测、分析液体压裂过程 件。试验结果表明，压 裂 作 业 的 压 力 达 到 一 定 的 值
发现了具有工业价值的页岩油气资源 。 ［４－７］ 在 国 内， 河 南 油 田 首 次 实 现 了 页 岩 油 的 工 业 开 采，在 对 ＢＹＨＦ１井地质评价 基 础 上［４，８］，进 行 水 平 井 压 裂 后 取得了较好的产 量。 对 于 页 岩 油 气 资 源 的 开 发，在 很大程度 上 取 决 于 水 平 井 压 裂 技 术 ，而 ［９ 年 ５ 月
地 学 前 缘 （中 国 地 质 大 学 （北 京 ）；北 京 大 学 ） Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ（Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｂｅｉｊｉｎｇ）；Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２０１３
由摩尔－库 仑 准 则 可 知，当 地 层 压 力 不 断 增 大 时，就会产生微 地 震 事 件。 对 微 地 震 事 件 产 生 的 震 动信息进行采集，并 通 过 处 理 手 段 对 微 震 事 件 进 行 定位就可 以 描 述 地 下 破 裂 缝 的 变 化 情 况。 摩 尔－库 仑 准 则 可 以 写 为 ［１５］