微破裂向量扫描在L606-6井压裂微震监测中的应用

赵超峰, 张 伟, 田建涛, 任丽莹, 王建立, 杜 明, 郭启良, 梁北援

(1.东方地球物理勘探有限责任公司辽河物探分公司, 盘锦 124010； 2.北京科胜伟达石油科技股份有限公司, 北京 100085； 3.中国地震局地壳应力研究所, 北京 100085； 4.GeoImage LLC, Co., 奥罗拉 80016)

油气储层的压裂是油气开发的重要手段之一[1],确定压裂诱发的岩石破裂的微震分布是目前监测压裂效果的首选方法[2-6]。在微震监测各类手段中,目前应用较可靠的两类是井中临近监测[2-3]和微破裂向量扫描(vector scanning,VS)[2-3,7-10]的地面监测。

井中监测距离压裂点较近,易于实施确定震源初始破裂点的地震定位,但需要额外的监测井,且检波器距离压裂点几百米外就由于误差增大而失效；更严重的是,井中邻近监测由于使用很小区域的速度模型,即使事先加以矫正,而在短时间内,如每段压裂开始后10～20 min,压裂触发的大量破裂会引起模型内较大速度值及其各向异性的变化,导致了定位失真[2-3]。

VS是专门针对微小破裂、三分量安静点稀疏浅地表埋设台点、使用从淹没在背景噪声中提取有用微震信号的方法、可实时监测并4D处理解释、且考虑了微震主要是剪切破裂的地震学监测方法；它扩展了传统定位方法的监测范围,能够在地表快速施工并“看到”微破裂,性价比高,可成为伴随生产的日常监测手段[7-10]。

微震专用仪器性能、布台原则、数据有效去噪、微震活动解释是影响微地震监测效果的几个重要方面。VS经历了十几年的研发过程,在采集处理解释各个环节进行研究,现在已经实现可靠的工程化应用。

针对L606块L606-6井的邻近5个油层水力压裂合压效果评价需求,应用VS在地面实施了微震监测。通过这次较典型的水力压裂及其监测,油田仔细考察了VS的监测质量,并结合地质和石油工程数据,检验压裂设计和评估压裂效果。

1 微破裂向量扫描监测原理

VS改造和发展了Semblance叠加公式[1]。为与信噪比建立关联,引入数字信号处理中的相关性思路[11-12],改进并使用式(1)实施向量扫描计算。

(1)

式(1)中:k为扫描体积中第k个点；(±)号为正相关或负相关的实数，以保证叠加时使用同一相关方向；M为所有的台站数量；fij为记录的同波型到时的时间窗口内L个样点数值求和；P(k)为使用的各台记录信号的总能量。C(k)为可理解为无量纲化的破裂辐射能量比。当C(k)高(低)时,表示k点破裂释放能量高(低)。式(1)与Semblance公式或一般相关性思路最大的不同是考虑了震源机制效应[13-14]。

式(1)的计算通常使用横波的分量Sv或Sh波[7,13],它的结果可导出一个时段对一个目标体扫描的最小信噪比[10],但扫描计算用时较长。式(1)的输出直观表明了数据本身是否可靠，故在讨论扫描质量时用式(1)重算压裂点附近有微震活动的重要时段,说明数据本身的可靠性。

为保证监测质量,应用VS的必要条件为[7-10]:①使用针对微震研发的专用仪器；②地震台各观测点应处于安静地点离散分布；③一般放弃叠加振幅小得多的纵波,而使用到达地表时携带能量较多的横波(即Sv和Sh)；④使用大于等于一个有统计意义的最小扫描台站数实施扫描,地震台网应是大于等于25个三分量专用微震台站；⑤有效去噪,特别是地面机器的干扰。

检查是否在较安静处布设微震台站来躲避，并在数据处理中压制干扰，以获得较小振幅的随机记录,从而获得最大信噪比,并判断监测数据质量是否可靠。

2 野外数据采集

文献[8]对VS应用中专用微地震监测的仪器特性、仪器数量、微震监测台网布设原则和安静点的数值定义等进行了详细的总结。

如图1～图3所示,首先使用快速背景探测仪测试了L606-6井口周围半径2 km内的噪声水平。因监测时井口有压裂车群,故井口半径1 km内无法安置台站。L606-6井西部1 km左右为村落,村西有一条南北向公路且车流量较大,也需躲避。最终将仪器布设在井北部、东部、以及南部。共测试了38个点,使用噪声平均振幅0.9以下的25个较安静点布台。各测试点背景噪声振幅如图1所示,振幅水平在虚线以下的为监测所用台点。最终台站分布情况如图2所示。

图1 各测点平均背景噪声振幅柱状图Fig.1 Average amplitudes of background noise for each station

3 数据处理

数据处理分为数据处理准备、去噪、扫描计算、解释等步骤。其中,数据处理准备应在正式监测前实施；去噪和扫描计算为一个完整的自动化过程；解释则为人机对话的半自动化过程。

3.1 数据处理准备

数据处理准备分为建立监测区域的速度模型与扫描计算几何设计。扫描计算时,需要确定空间中每点辐射出的地震射线到达台站的路径和走时,这就需要知道监测域的速度分布。建立地震波速度模型主要根据区块评价的较完整的速度模型和已有的监测域内外的声波测井数据[9]。使用L606-6及附近共13口井的声波测井数据。经光滑消除测量中的异常,根据一般平原速度分布经验补充了浅层速度(图3)；随后据此插值出3D速度模型(图4)。由于地下构造为分层介质,扫描计算中使用了最常用的泊松比0.25实施纵波至横波的速度转换。

如图1、图3所示，获得台站坐标、井轨迹数值点、压裂点几何位置后,这里对扫描范围定义一个1 000 m×1 000 m×200 m的体积,可得到此段的监测扫描计算几何设计(图3)。采用20 m,即台站的全球定位系统(global positioning system,GPS)定位最大误差[15]或平均扫描误差[7,16],与1 min的网格及时间间隔进行扫描计算,据此描述压裂裂缝的时空分布。

图2 压裂井和台站分布平面图Fig.2 Distribution of fracturing wells and the stations

图3 3D P波速度模型和扫描范围设计Fig.3 3D P wave velocity model and design of scanning range

图4 建立3D速度模型所用的L606-6井声波测井数据Fig.4 Acoustic log of well L606-6 used in construction of 3D velocity model

3.2 去噪和扫描计算

数据处理中心收到各台的记录数据后,按时间同步自动整理为120 s的台网记录、去噪、并投入扫描计算。文献[9]详细叙述了数据去噪的步骤和要求。去噪的重点是地面机器的干扰,如行驶汽车,抽油机有规律的抽油气激励、及其臂的抖动共振；取时段长120 s,是因为地面抽油机的周期一般为几秒到十几秒,120 s可含有足够实施统计的周期数,以便寻找规律加以去除。

以时段20180210_102100-102159为例(60 s,图5),是从一个2 min数据中抽出的。数据处理中心整理出这120 s的数据后,去噪过程如下。

(1)对临时受地面噪声干扰较大的台站记录,若它们三个分量的平均振幅大于台网的平均振幅n倍,将被移走。取n=3.0,于是剩下18个站台(图5)。

(2)带通(7～35 Hz)滤波。取此带通范围是因为检波器自然频率的下限是7 Hz,而地面的很多机器的运行频率为50 Hz。要用到达地面频率较低的横波,因而这个带通向低端靠拢。

(3)带阻滤波去除机器干扰的谐振[9](葫芦状干扰),如台站F1和F12。

(4)如果附近存在抽油机等类似机器,那么其固定周期的干扰需要去除,如F25，隐含在记录中的也要去除。

(5)检查120 s内,获得可能受到较大的外来能量的干扰的时段并移除,将这120 s时段分成若干子时段。外来能量指台网附近临时行驶的车辆、远处天然或人工小震和钻井的强干扰等。若外来能量仅影响个别站台,且时间短,则仅简单压制,使其丧失干扰作用,如图5(b)中几处3个分量均显空白处所示。

依序每3道为一个台的Z、N、E分量图5 60 s时段180210_102100-102159(格林尼治时间)记录数据去噪前后Fig.5 Before and after denoising the data of 60 s interval, 180210_102100-102159 (Greenwich time)

然后投入扫描计算,其中通过向量数据叠加,最后压制一次残余干扰。

3.3 解释

解释的基本原则和过程[10]如下。

(1)解释人员检查每一时段的不同S波形(Sv、Sh、或它们的合成S)[7]的扫描输出破裂能量空间分布。

(2)由于微震活动的间歇性和跳跃性,排除外来能量占主要成分的干扰时段和微震累积能量平静期。

(3)确定压裂点附近有高破裂能量分布的某种波型的重要时段,得到微震活动随时间的变化和累积,包括阶段变化特征。

(4)集成所有重要时段,确定与压裂裂缝相关的微震活动带,或压裂缝网的空间分布,此即最后压裂总效应。

4 压裂微震活动的4D分布

4.1 压裂裂缝随时间的变化

在2 h的压裂过程中,共发现了22个压裂点附近有较高能量辐射的重要时段,2D过压裂点平面图如图6、图7所示。图6中,每两个分图为一组,各组之间由黑线隔开；每组第1个分图为当前某时段内,某种波型(Sh、Sv、或S)的高破裂能量分布,第2个分图为到此时段所有重要时段归一化后的累积；每图标题中的数字表示起止时间，依次为时、分、秒。每个分图纵坐标由南向北,横坐标由西向东,跨度均为600 m。

图6、图7中时间为格林尼治时间,加8 h为北京时间。图6、图7中能量[无量纲,如式(1)所示]的颜色尺度并不一致,这是因为破裂释放能量与背景噪声、微震大小、岩石破裂前的性质等因素均有关联,为清晰显示破裂位置,未取统一绘图尺度。

黑点为压裂点图6 压裂点附近有较高释放能量的重要时段的2D平面(第1～12组)Fig.6 2D plans of the important intervals with greater released energy around fracturing point (groups 1～12)

在整个122 min的压裂过程中,破裂随时间的变化可分为具有代表性地6个特征时刻,如图8(a)～图8(f)所示,每图表示到压裂的总过程中那一时刻,破裂的累积图形。它们的特征依序如下。

(1)压裂初期15 min内,压裂点附近均已开始破裂活动，其形成顺序依次是西北、西南、东北、东南[图6(a)～图6(d)]。

(2)到第21分钟,最终破裂形状的主要轮廓已完成[图6(e)、图6(f)、图6(g)]。

(3)到第40分钟,没有新的形状扩展,仅不断加密缝网[图6(h)～图6(l)、图7(c)]。

(4)在第40～51分钟内,向东、向南扩展,且继续加密缝网[图7(d)、图7(e)]。

(5)在第51～84分钟内,除向南扩展了一点,继续加密缝网[图7(f)]。

(6)直到压裂结束后几分钟,长时间地继续加密缝网,形成最后的压裂总效应[图7(g)～图7(j)]。

微震活动总是间歇性的,即破裂能量一般是积累一段时间,然后释放出来[4-5,16]。压裂监测到的微震活动的间歇性非常明显；特别是开始的破裂需要的积累能量的时间较短,以后逐渐延长。这是因为随着裂缝所占体积的逐渐增大、滤失量也在增加,从而诱发新的微震群的能量需要累积较长的时间。

黑点为压裂点图7 压裂点附近有较高释放能量的重要时段的2D平面(第13～22组)Fig.7 2D plans of the important intervals with greater released energy around fracturing point (groups 13～22)

黑点为压裂点；每小图上方标题为距压裂开始的时间，括号内的数值表示图6、图7中相应重要时段的顺序号图8 压裂点附近有较高释放能量的几个特征时段Fig.8 2D plans of the important intervals with special feature of greater released energy

4.2 压裂裂缝的空间分布

所有重要时段的集成如图8、图7(j)所示,即压裂的总效应。集成时归一化后再组合平均,因为记录和组合的是微震释放弹性波的能量,并不一定与裂缝的大小、岩性的强弱等有必然联系[10]。图9为这个总效应的不同角度的显示。

从空间看,每个重要时段的微震群发生的地域和范围(图6、图7)仅是整个最后裂缝带中的局部,如一支、一个方位、或一小部分,直到形成最后压裂裂缝网；22个重要时段中未在图8特征时段画出的16个重要时段显示了这些微震活动在加密缝网,或者“填空”；这是微震活动的空间跳跃性。

跳跃性还表现在,压裂点近处的破裂诱发出远处的微震群,最后这些微震部分可能同近处的破裂连通[4-6,16]。较远处零星也有诱发的“破裂”；在当前重要时段[图6、图7(a)]中,部分能量较弱，可能是周期性函数叠加引起的,有干扰嫌疑,解释时可不考虑[10]。而远处能量较高域、但又同最终主裂缝不连通[图9(a)中西北、东、东南稍远处的黄色点以上的地域],很难将它们归入压裂总效应破裂网。只要监测可靠,就可看到微震活动情形。

黑点为压裂点；白实线表示裂缝带走向和长度；白虚线表示其他可能的缝走向；黄线表示井轨迹；黑线箭头表示在应力场作用下压裂时产生的宏观剪切方向图9 3D压裂总效应Fig.9 The final 3D microseismic distribution in released energy

因而,最后确定的压裂裂缝总效应范围，即图9中的压裂点附近的黄色以上集中的区域,其缝网参数和基本描述是:裂缝长度400 m,主走向NE30°,破裂面积6.4×104m2；这个缝网是由大量不同走向的子缝[图9(a)白虚线]组成的。

由于板块运动,地壳内的主压应力主要在水平方向；由于太平洋板块与北美版块在日本东海沟向西的俯冲,故包括东北的东部地区的最大主压应力方向应在东方向或北东象限内。图10中,一组较明显的子缝构成的方位(NE90°)可以称为共轭方向；可以推断此地域的最大主压应力的方向很可能在水平方向且在NE30°～NE90°；其附近的有关地壳应力场的测试平均结果(NE80°)[17-18]在此范围内。

图10 3D压裂总效应中的分层2D显示Fig.10 Final 3D microseismic distribution in released energy shown in different layers

文献[16]讨论了VS的一般平均分辨率为20 m,水平方向可能更小；但在地面监测时,对较浅(如小于千米)的目标,垂向误差略大,而对较深的目标,垂向误差可能是水平方向的2～3倍[16,19]。但是对于重要时段的归一化集成,使用22个重要时段,如图9(b)所示,这个过程对垂向误差有所压制,微震活动或高破裂能量主要显示在压裂点垂向的30～40 m,尽管垂向的误差可能还是较大(集成后所有黄色以上的区域)。垂向误差大是VS性价比高的代价。图11显示了压裂总效应的分层的2D平面的高破裂能量分布,分别对应各射孔子层。

5 讨论

5.1 扫描质量判断

按照监测质量所需要的应用VS的必要条件,在监测过程中,野外背景噪声较低,野外数据采集质量合格以及台网分布符合布台原则,去噪可靠,投入扫描计算的台站数平均为18台,完全满足最小扫描台站数(大于10)的要求[7]。

将式(1)分子中的1/M和分母中的P合并简化为分母F=LM。在有用信号比较上,扫描结果是相对较高的破裂能量[11],但并不是准确的如式(1)所表明的最小信噪比[10],不利于判断扫描质量。因而,对22个重要时段(图6、图7)计算最小信噪比的输出,结果如表1所示,以直观地检查扫描数据本身是否可靠。两种算法的图形在解释微震活动性上没有大的差别,故不再画出类似的图形。仪器综合观测最小误差为0.5%,故最小信噪比无论如何应当是2倍左右,即1%为可靠。应当指出的是,实际比值大于最小信噪比[10]。

表1列出了重要时段的监测扫描输出质量参数,其中,Cmin为没有微震活动时的噪声相干(无量纲)；Cmax为本时段内微震信号和噪声相干的共同效应(无量纲)；S/N是Cmax和Cmin的差值,表示最小信噪比。这些重要时段的S/N的平均值为3.6%,其中最小值接近1%，结果表明扫描质量可靠。

表1 重要时段的监测扫描输出质量参数Table 1 The quality parameters of important intervals

5.2 压裂缝网的主要特征

缝网参数和基本描述是:①裂缝带长度400 m；②裂缝带走向或主方位NE30°；③裂缝带破裂面积为6.4×104m2；④缝网是由大量不同走向的子缝组成；相对于主方位,有具有共轭方位NE90°的一组子缝；⑤缝高≥50 m。

压裂监测的微震活动特性及相关推论,包括时期间歇性和空间随机跳跃性等，具体如下。①开始的破裂需要的积累能量的时间较短,以后逐渐延长；②缝网形成过程中每个重要时段的微震群发生的地域和范围仅是整个最后裂缝带中的局部,包括稍远处被诱发的震群。直到形成最后压裂裂缝网；③除几个特征时段外,多数重要时段显示了这些微震活动在加密缝网,或者“填空”；④此地域的最大主压应力的方向很可能在水平方向且在NE30°～NE90°。

5.3 对压裂及监测效果的评价

借鉴L606-6井地面监测结果,对该块的L1、L2、L3井实施了压裂,并进行了井中微地震监测[3,5],监测结果如图11所示。从图11可以看出,井中监测裂缝走向和尺寸与地面监测结果基本一致,某种程度上验证了地面监测结果的可靠性。

图11 L606区块微震监测结果俯视图Fig.11 Top view of microseismic monitoring results in L606 block

6 结论

针对L606-6井水力压裂地面监测实例开展地面微地震监测技术研究，并进行了同一区块不同压裂井的井中、地面微地震监测结果对比，有效评价了地面监测质量，得到以下结论。

(1)L606-6井压裂产生的微地震的时间间歇性和空间随机跳跃性明显，开始破裂需要的积累能量的时间较短；缝网形成过程中每个重要时段的微震群发生的地域和范围仅是整个最后裂缝带中的局部，包括稍远处被诱发的震群，直到形成最后缝网；除几个构成缝网主要形状的特征时段外，多数微震活动的重要时段显示了这些微震在加密缝网，或者“填空”。

(2)同一区块井中、地面微地震监测结果对比表明井中监测裂缝走向和尺寸与地面监测结果基本一致，某种程度上验证了地面监测结果的可靠性，展现了地面微地震监测技术应用前景。