微地震技术课件.ppt

1、油气井加砂压裂裂缝油气井加砂压裂裂缝地面微地震监测地面微地震监测本文档请勿随意外传本文档请勿随意外传CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM提纲1. 研究概况2. 水力压裂微地震监测原理3. 现场监测和数据处理方法4. X4井监测处理实例5. 总结CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM1. 研究概况课题组近年完成相关项目CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM1. 研究概况p 自主开发了微地震监测系统，第3代系统有19个监测站点，注册2项实用新型专利。正在开发第4代微地震监测系统，更易使用，站点个数更多（50100个）p 自主开发了基于层

2、析成像法震源定位的数据处理软件，已经注册软件版权p 自2007年以来，完成2个省部级研究项目，多个横向应用项目p 近地面微地震监测系统开发及应用于2008年12月31日通过山东省科技厅组织的专家鉴定，成果达到国际先进水平课题组主要研究成果CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM提纲1. 研究概况2. 水力压裂微地震监测原理2.1 微地震及应用2.2 水力压裂微地震监测2.3 震源定位方法2.4 地面微地震监测与层析成像3. 现场监测和数据处理方法4. X4井监测处理实例5. 总结CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM2.1 微地震及应用OYOu油气采出u水

3、力压裂u注水u注蒸汽等油气田开发过程中微地震产生原因微地震监测系统组成u高性能检波器：作为传感器u信号采集器：现场微震信号采集与数据存储u数据处理软件：数据分析处理，震源计算，三维显示等CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM微震监测的应用1)水力压裂过程裂缝监测 可以确定裂缝方向、长度、高度等参数，可描述裂缝破裂过程，评价压裂效果2)油藏动态监测（采油、注水、注蒸汽等） 可动态获得油藏状态、水驱前缘等TerraScience蒸汽驱微震监测3)油气藏低频异常信号分析 通过微地震信号的低频信号分析，判断是否有油气藏CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM2.2

4、 水力压裂微地震监测（1）井下微震监测在目标井附近的井中布置检波器 优点：靠近震源，能接受到更多信号，测量准确性高缺点：u 使用条件苛刻，需要停井u 操作复杂，有风险u 成本高，难以大面积广泛应用该方法比较成熟，多家公司有成套的硬件和软件系统代表公司:美国Pinnacle公司，加拿大Weir-Jones公司等CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（2）地面微震监测在目标井附近的地面埋置检波器MicroSeismic的PSET监测系统示意图优点：节约成本，施工条件要求简单，无伤害井筒的风险缺点：距离震源远，接收信号少；对检波器和采集器要求信噪比高；对数据处理技术要求高;要求站

5、点数量多CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM2.3 震源定位方法微地震数据处理的关键是求出震源位置，根据对震源位置计算方法的不同，分为两种方法：(1）方程求解定位法:根据多个站点的P波、S波的精确到时，利用到时差定位计算公式计算一个震源的位置坐标井下微地震监测采用此方法，因为信号信噪比高(2）层析成像法:利用各站点接收同一震源信号有相似性的原理，对地质体能量发射强度成像，发射强度最大的区域就认为是震源地面微地震监测采用此方法，因为信号信噪比低，通过站点个数来弥补信号的劣势CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(1) 方程求解定位法根据多个站点的P波、S

6、波的精确到时，利用定位计算公式计算一个震源的精确位置坐标.定位法有以下关键要求：1）微震事件比较明显，可以精确提取地震波初至时间2）初至时间必须提取准确，否则对计算结果准确性影响很大3）采用自动算法实现初至时间自动拾取误差大，可信度低CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(2) 层析成像法层析成像并不根据某个具体的微震事件进行计算，而是根据一个时间窗内信号的相似性计算监测介质的信号发射能量，绘制能量分布图逐个深度进行层析成像，就可以得到三维图像CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM2.4 地面微地震监测与层析成像微地震数据处理的关键是求出震源位置，地面微

7、地震监测一般使用层析成像方法 基本原理 当传输距离比较短时，从一个震源点释放的地震波被各地面站点接收后波形变化比较小，具有相似性，各站点接收到的地震波有时差具体方法1）对监测目标区域进行网格划分CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM信号偏移叠加示意图 2）计算每个格点到地面各接收点的走时，对实际接收到的信号进行偏移叠加 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3）计算出每个格点的成像值，绘制出图像，图像中成像值最大的点就认为是震源 逐个深度进行层析成像，就可以得到三维图像CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4）通过确定一些列微地震事件

8、的震源点，绘制震源点的空间分布，即可查看裂缝形态，计算裂缝参数NORSAR的效果图CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM提纲1. 研究概况2. 水力压裂微地震监测原理3. 现场监测和数据处理方法3.1 监测设备3.2 监测施工方法3.3 数据处理软件3.4 层析成像数值模拟4. X4井监测处理实例5. 总结CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.1 监测设备自主开发的微地震监测系统，包括19个微地震监测数据采集站点和1个GPS坐标采集站每个采集站包括的设备：1）1个高精度、低噪声、低功耗的24位采集器，包括大容量电池和U盘2）1个GPS天线3）1个高灵

9、敏度的检波器CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM设备主要性能指标：1）24位ADC，具有Sinc+FIR数字滤波器，采样率从12000 SPS可选，采集时使用1000SPS2）GPS授时精度50ns(RMS)，使用精度为1 ppm的高精度晶振，使用1000 SPS采样20分钟时，采样误差不超过1个采样点3）电路综合噪声最低1uV(RMS)，信噪比达到110dB以上 4）检波器灵敏度200V/m/s左右，失真度0.03%0.05%5）在一个电池盒供电情况下可连续采集12个小时CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.2 监测施工方法n提前12天勘测现场布

10、点，用地钻和洛阳铲打孔11.5米深n对于斜井，在选点时就记录GPS坐标，并绘制站点分布图，保证站点分布合理n检波器严格压实，保证与地层的耦合，并减少地面噪声干扰n至少在压裂施工开始前1小时开始监测，压裂结束后继续监测至少1小时CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.3 数据处理软件自主开发的微地震数据处理软件CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.3.1 软件功能软件功能分为三大部分：（1）项目基本信息管理n项目基本信息设置n监测站点GPS坐标提取和转换n局部坐标系建立n速度资料管理n监测目标区域网格定义n计算或导入目标区域各网格点到地面站点的走时数

11、据n层位定义n井斜数据管理CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.3.1 软件功能（2）文件预处理n采集器文件检查，剔除错误文件n采集器文件转换为SGY格式文件n各站点SGY格式文件的同步合并，合并后有19个道，且时间是严格一致的nSGY文件处理，如文件分割、道提取、道删除，信号的去直流、滤波、频谱分析、时频分析、小波分析等（3）震源计算与裂缝显示n层析成像反演求速度n数据扫描层析成像n提取微震事件震源坐标n事件序列的三维显示和裂缝参数计算CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.3.2 数据处理流程1.坐标系建立3.走时计算或导入4.文件格式转换5.

12、 文件同步合并7.层析成像确定事件及震源2.目标区域网格化6.SGY文件处理8.裂缝三维显示与参数计算CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(1)坐标系建立1）采集器的文件记录了所在位置的GPS坐标，单次GPS坐标有误差，采用多个文件分析统计求平均确定最准确的GPS坐标，平面误差小于2米。多文件GPS坐标分析窗口CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(1)坐标系建立2）根据井口、靶点和各监测站点的GPS坐标，转换为绝对坐标数值，并以井口为原点建立坐标系，计算各点的相对坐标 局部坐标系定义站点坐标管理窗口CHINA UNIVERSITY OF PETROL

13、EUM(2)目标区域网格化定义目标区域中心点，网格边长，东西、南北、上下扩展网格数,利用平均速度计算走时等目标区域网格网格定义窗口CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(3)文件格式转换将采集器的GW1格式文件转换为SEGY格式文件，可检查GW1文件采样率是否正确。正常情况下一个文件存20分钟数据，采样误差不超过1毫秒。转换时根据设置将一个GW1文件分割为多个SEGY文件，一般60秒一个SEGY文件。CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(4)各站点文件同步合并单个站点的SEGY文件只有1个道，按照时间同步合并所有道，合并后的SEGY文件最多有18道CH

14、INA UNIVERSITY OF PETROLEUM(5)SEGY文件处理SEGY文件处理功能：波形显示，文件分割与道提取，信号去除直流、滤波、频谱分析、时频分析、小波分析等功能很丰富，可以参考软件使用手册CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(7) 层析成像确定震源逐个文件、逐个时间窗内的数据扫描成像，以确定微地震事件和震源坐标。CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(7)数据扫描层析成像成像添加事件原始波形CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(8) 裂缝三维显示裂缝三维显示窗口CHINA UNIVERSITY OF PETRO

15、LEUM3.4 层析成像数值模拟利用理想介质模拟地震数据，测试层析成像震源成像效果1.网格化2.走时计算3.模拟数据4.层析成像5.切片成像处理流程3.4.1 数值模拟方法CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(1) 坐标系建立和监测站点设置设置30个监测站点，假设直井，以井口为中心CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM高斯平面站点显示直角平面站点显示30个监测站点覆盖区域：东西600米，南北400米(1) 坐标系建立和监测站点设置CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(2) 网格化与走时计算网格化与走时计算东西41格，南北41格，边

16、长10米；垂直21格，步长10米CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(2) 网格化与走时计算网格化与走时计算东西41格，南北41格，边长10米；垂直21格，步长10米中心坐标（EW,NS,UD）=(0,0,1500)监测目标区域：南北：-200米+200米东西：-200米+200米垂直：1400米1600米计算量：垂直分层=21层每层格点数=41*41=1681每格点走时数据30个单层走时记录1681*30=50430全部走时记录21*50430=1059030CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(2) 网格化与走时计算网格化与走时计算速度选择：以深

17、度所在平均速度作为速度，假设理想介质走时数据存储：以TRV格式文件存储，可以导入其他软件计算的走时数据文件复杂速度模型的走时计算可采用专业的正演算法和软件计算CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(3) 波形模拟波形模拟根据计算的走时，假设某一个格点发射地震波，模拟出地面各站点接收到的波形数据，并保存为SGY文件。CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(4) 层析成像层析成像对一个时间窗内的波形数据层析成像，确定是否有事件，及震源坐标CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.4.2 数值模拟对比对比不同站点个数、噪声水平情况下的成像效

18、果(1)相同信号，相同网格划分，10、20、30、48站点的比较(2)30站点时，有事件和无事件的比较(3)30站点时，噪声不同的比较假设UD0011-EW0010-NS0015格点发射地震波，采用相同的子波模拟从格点（11,10,15）发出的信号，叠加方差为0.2高斯白噪声CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.4.2-1 不同个数站点的比较不同个数站点的比较(1) 方差0.2高斯噪声，固定调色板10站点20站点30站点48站点CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM方差0.2高斯噪声，固定调色板（站点越多，震源点越突出）10站点20站点30站点48站

19、点不同个数站点的比较不同个数站点的比较CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(2) 方差0.2高斯噪声，自动调色板(站点越多，聚焦性越好)10站点20站点30站点48站点不同个数站点的比较不同个数站点的比较CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(3) 方差0.4高斯噪声，自动调色板(站点越多，聚焦性越好)10站点20站点30站点48站点不同个数站点的比较不同个数站点的比较CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(4) 无噪声，固定调色板(站点越多，聚焦性越好)10站点20站点30站点48站点不同个数站点的比较不同个数站点的比较CHINA

20、 UNIVERSITY OF PETROLEUM3.4.2-2 30个站点个站点,有无事件的对比有无事件的对比(1) 方差0.2高斯噪声，有事件自动调色板，有明显的极点CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM30个站点个站点,有无事件的对比有无事件的对比(2) 方差0.2高斯噪声，无事件自动调色板，无明显极点CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM(3) 方差0.6高斯噪声，有事件，信号几乎被噪声淹没自动调色板，有明显极点，虽然S值比较小30个站点个站点,有无事件的对比有无事件的对比CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM3.4.2-3 3

21、0个站点个站点,噪声不同的对比噪声不同的对比0.2高斯噪声0.6高斯噪声固定调色板，噪声有影响（实际处理中先滤波）CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM层析成像震源定位的特点层析成像震源定位的特点(1)计算量很大(2)站点个数越多，成像效果越好(3)水平分辨率较好，垂直分辨率较差，易出现垂直定位误差(4)如果各站点噪声不存在相关性，即使信号被噪声淹没也可以成像，实现所谓噪声成像CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM1. 研究概况2. 水力压裂微地震监测原理3. 现场监测和数据处理方法4. X4井监测处理实例4.1 压裂与微地震监测施工情况4.2 须四下层

22、监测数据处理4.3 须四下层裂缝监测结果5. 总结提纲CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.1 压裂与微地震监测基本情况第1段监测时间：7：3012：00，未进行有效压裂第2段监测时间：15：3022：30压裂监测时间测试压裂：18：4118：59缝网压裂：19：3720：02主压裂：20：2921：44须四上压裂时间测试压裂：15：3315：50缝网压裂：16：3316：53主压裂：17：1418：04须四下压裂时间两层压裂，每层有测试压裂、缝网压裂和主压裂，施工较复杂其他须四下段（测深18101818m）须四上段（测深16211634m）压裂层位2010年10月监测

23、日期构造位置重庆地理位置开发井/定向井井 类 型X4压裂井号CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM391 mNE 287(-366,114,1484.3)14801489m16211634m须四上536 mNE 288(-504,166,1597.5)15951600m18101818m须四下距井口水平距离距井口水平距离中心点方位中心点方位中心坐标中心坐标(EW,NS,UD)(EW,NS,UD)垂深垂深测深测深层位层位两个靶点位置的高斯平面图通过井斜数据确定靶点位置CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM监测站点分布根据靶点位置布设18个站点，由于地形限制

24、，在南边的站点多CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.2 须四下层微震监测数据处理（1）测试压裂过程 ： 15:3313:50之间，持续17分钟4.2 .1压裂过程（2）缝网压裂过程 ： 16:3316:53，持续20分钟（3）主压裂时间：17:1418:04，持续时间50分钟CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.2 .2 区分各种波形（1）安静背景18点21分时的安静背景，信号压裂设备停止工作，环境比较安静，各站点附近也没有干扰 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（2）地面干扰9点44分时的信号，压裂设备停止工作，11号

25、站点受到很强的干扰，11号附近几个站点没有明显的受到干扰，地面干扰传播距离短CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM9点53分，多个站点都有干扰，9,10,19站点相互之间距离比较近，也都有干扰，但不是同一个干扰源，没有相似性。这进一步说明地面的干扰传播距离很短，不会同时影响多个站点。CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（3）压裂设备干扰16点53分，压裂设备停止工作前后，影响较明显，使每个站点背景噪声都增强，靠井场近的干扰很强CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM有压裂干扰时信号的幅频特性 无压裂干扰时信号的幅频特性 有、无压裂干扰

26、时信号的幅频特性 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（4）有效微地震信号压裂时，有干扰压裂停止后，没有干扰CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM前面两图信号的幅频特性曲线 压裂时，有干扰压裂停止后，没有干扰CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.2 .3 信号滤波与去噪（1）数字滤波数字滤波器设计窗口 基于频带特性的滤波器，如低通、高通、带通、带阻可灵活设计各种FIR、IIR滤波器CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM信号滤波40Hz 低通滤波滤波前的原始信号 40Hz 低通滤波后 CHINA UNIVERS

27、ITY OF PETROLEUM信号滤波40Hz 低通滤波滤波前的原始信号 40Hz 低通滤波后 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM原始信号的幅频40Hz滤波后幅频，18#低频还有强信号，属于低频干扰带干扰的微地震信号滤波前后的频谱CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（2）DCT滤波数字滤波后仍然有压裂的干扰，特别是18号站点DCT变换CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUMDCT与FT类似，但是变换后形态更集中，且没有相位信息，常用于信号压缩第18号站点的DCT系数（虚线为阈值70） 压裂设备干扰是单一频率附近的持续干扰，DCT

28、系数很大，切除这部分能量就可以大大削弱压裂干扰（2）DCT滤波CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM滤波前信号滤波后信号能量保留率（2）DCT滤波CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（3）小波去噪小波分析窗口 小波是信号处理的一种有效方法，可以用于去噪CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUMDCT滤波后信号DCT滤波后信号再经过小波去噪（3）小波去噪CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.2 .4 微地震信号识别与统计（1）测试压裂过程 15:3313:50之间，注入量38立方米15:39微地震事件信号（经过数字

29、滤波与DCT滤波） 右图原始信号中4,13,15三个站点靠近一个砖瓦厂，受到比较严重的干扰 什么是有效的微地震信号：信号不一定强，但是要被几乎所有站点接收到，信号初至跳变明显CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（2）缝网压裂过程 ： 16:3316:53之间16:35微地震信号 15:39微地震事件信号CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（3）主压裂过程 ： 17:1418:04之间 微地震事件比较多 主压裂期间的事件文件列表（部分） CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM主压裂期间两个信号段 左图的信号比较弱，右图的信号比较强，

30、右图的19道受到比较强的地面干扰,直接剔除了19道CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.2.5 网格划分与等效速度求取层析成像法震源定位的基本原理：将监测目标区域的地层进行网格划分，计算每个网格到地面站点的理论走时，然后用理论走时数据对接收到的信号进行偏移叠加，计算成像值 网格划分和网格到地面站点地震波的示意图 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM网格定义与走时计算窗口 东西中心：-504南北中心：166垂直中心：1598网格水平边长：10米网格垂直边长：5米东西网格个数：61个南北网格个数：61个垂直分层数：11个已计算须四下压裂井段的中心点（-

31、504,166，1598） 定义了11层网格，垂直深度范围15731623米，水平方向600米600米，每层有61*61=3721个网格 （1）网格划分 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.2 .6 成像计算（1）16:35信号段 16:35信号段 16:35信号段最佳成像从第6层成像图上取得成像中心点坐标是（-524,156,1598），这是以井口为中心点的坐标，以须四下中心点进行坐标平移。后平面坐标是（-20,-10）CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（2）弱信号成像 这段信号比较弱，周围没有异常干扰，成像效果比较好。从成像图上取得成像中心

32、点坐标是（-514,246,1593），偏移后（-10,80）17:22信号段 17:22信号段最佳成像计算量很大，8秒钟数据计算11层需要3分钟CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM（3）停止压裂后的一段信号18:04已经停止压裂，图像中心点是（-634,146,1588），偏移后坐标是（-130,-20）。 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.3 须四下层裂缝监测结果4.3.1测试压裂事件点分布测试压裂时间段15：3315：50，持续17分钟确定震源的只有2个点，是15:39和15:59，震源点在压裂井段的井筒附近 测试压裂期间两个事件点的分布

33、 CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.3.2测试压裂和缝网压裂事件点分布缝网压裂时间段16：3316：53，持续20分钟，确定震源位置比较好的有8个点，与测试压裂期间的点叠加在一起显示 测试压裂和缝网压裂事件点显示（红色：测试压裂；蓝色：缝网压裂） CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM4.3 .3全部事件点分布三段压裂所有事件点平面显示（红色：测试压裂，蓝色：缝网压裂，绿色：主压裂） CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM三段压裂所有事件点三维显示（红色：测试压裂，蓝色：缝网压裂，绿色：主压裂） CHINA UNIVERSIT

34、Y OF PETROLEUM 丹浅X4须四下监测结果3040米裂缝高度主裂缝北偏西10度左右，有西向分支裂缝方位150米西翼西向缝长220米西翼北向缝长170米东翼南向缝长监测计算结果项目监测到的有效微地震信号比较多，确定震源的事件点多，裂缝扩展形态比较明显，有缝网形态CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM1. 研究概况2. 水力压裂微地震监测原理3. 现场监测和数据处理方法4. X4井监测处理实例5. 总结提纲CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM5. 1 第3代系统应用效果2009和2010年我们应用自主开发的第3代微地震监测系统进行了10井次的压裂

35、裂缝监测，取得比较好的应用效果。主要的优点在于：n系统有19个监测站点，对于监测目标区域的覆盖比较全面，即使一两个站点出现故障也不影响总体的监测效果n每个站点独立采集和存储，采用GPS获取坐标和时间，便于野外施工和后期数据同步n检波器灵敏度高，埋置深度1米左右可以采集到明显的微地震信号n数据处理软件功能比较完善，震源定位的层析成像法理论完善，数据处理结果比较准确第3代微地震监测系统实际应用比较成功第3代微地震监测系统主要在易用性方面需要改进CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM正在研制第4代微地震监测系统，功能增强（1）采集器增加无线通讯功能，可以现场实时监测采集器状态，可以无线传输数据文件（2）增加LCD显示，可以现场测试检波器信号（3）站点个数达到50个左右，根据需要也可以增加到100个，达到更好的监测效果（4）进一步增强完善数据处理软件功能5. 2 第4代微地震监测系统功能CHINA UNIVERSITY OF PETROLEUM