頁巖氣儲(chǔ)層水平井壓裂分布式光纖鄰井微振動(dòng)監(jiān)測及震源位置成像

武紹江, 王一博*, 梁興, 姚藝,3， 梁恩茂， 梅玨， 劉臣， 史樹有

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京 100029 2 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司， 杭州 311100 3 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 4 北京辰安科技股份有限公司， 北京 100094

0 引言

水力壓裂技術(shù)將高壓流體注入頁巖儲(chǔ)層產(chǎn)生復(fù)雜的人工裂縫，可以增加儲(chǔ)層的連通性并提高單井產(chǎn)量(Duncan and Eisner, 2010).對(duì)水力壓裂儲(chǔ)層改造不同階段(壓裂前、壓裂中、壓裂后)進(jìn)行監(jiān)測和評(píng)估，是實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)、安全生產(chǎn)的前提.目前，已經(jīng)有大量技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)層改造的監(jiān)測，例如地面微地震監(jiān)測、井中微地震監(jiān)測等.然而，地面監(jiān)測的檢波器與儲(chǔ)層距離較遠(yuǎn)，并且容易受到較強(qiáng)的施工噪聲干擾；井中監(jiān)測的檢波器數(shù)量較少且采集方位角較窄.這些數(shù)據(jù)采集的限制降低了儲(chǔ)層改造監(jiān)測評(píng)估的準(zhǔn)確度(Molenaar et al., 2012; Webster et al., 2013).

分布式光纖聲波傳感(Distributed Acoustic Sensing，DAS)是近年來快速發(fā)展的一項(xiàng)新興數(shù)據(jù)采集技術(shù).DAS一般由兩部分組成：一部分是解調(diào)儀，包括了光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)；一部分是用于傳感的普通光纖或特種光纖.DAS通過探測激光脈沖在光纖內(nèi)部散射體產(chǎn)生的后向瑞利散射光信號(hào)的相位變化，實(shí)現(xiàn)沿光纖軸向應(yīng)變信號(hào)的測量(Karrenbach et al., 2019).DAS最大的優(yōu)勢在于將光纖作為一體化融合的載體進(jìn)行信號(hào)接收和傳輸，具有很好的實(shí)時(shí)性；另外，光纖具有不受電磁輻射干擾、耐高溫、化學(xué)反應(yīng)呈惰性、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以很好地適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境.

DAS技術(shù)能夠顯著提升儲(chǔ)層改造過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，但目前國內(nèi)總體處于試驗(yàn)攻關(guān)階段，還沒有開始規(guī)模應(yīng)用.水力壓裂監(jiān)測中，光纖沿水平井進(jìn)行布設(shè)，可以獲得全井段測量數(shù)據(jù)，大幅度增加了數(shù)據(jù)的采集方位角(Molenaar et al., 2012)；DAS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)1 m的空間采樣，顯著提升了監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集密度和空間連續(xù)性.DAS技術(shù)已被用于水力壓裂過程中微地震監(jiān)測、流體監(jiān)測等方面(Richter et al., 2019; Karrenbach et al., 2019).

震源位置成像是微地震監(jiān)測的核心內(nèi)容，通過定位壓裂過程中產(chǎn)生的微地震事件，可以分析和解釋儲(chǔ)層中裂縫網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，從而進(jìn)一步優(yōu)化和指導(dǎo)壓裂過程(Duncan and Eisner, 2010).傳統(tǒng)的到時(shí)類定位方法需要從地震記錄中獲得清晰的縱橫波到時(shí)信息(Pujol, 2004)，但微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)信噪比低，到時(shí)精確拾取比較困難.近年來，基于波形的震源位置成像方法得到快速發(fā)展.這類方法使用波形對(duì)震源位置進(jìn)行成像，成像過程不需要進(jìn)行精確的震相到時(shí)拾取，比較適用于低信噪比的微地震數(shù)據(jù).這些方法大致可以分為兩類：(1)基于波動(dòng)方程，將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反傳模擬，反傳波場會(huì)在震源位置處聚焦成像(Gajewski and Tessmer, 2005; Artman et al., 2010; 王晨龍等, 2013;譚玉陽等, 2017)；(2)基于Kirchhoff偏移，將監(jiān)測數(shù)據(jù)沿等時(shí)線進(jìn)行繞射疊加，疊加波場會(huì)在震源位置處聚焦成像(Kao and Shan, 2004; Schuster et al., 2004; Zeng et al., 2014; Liang et al., 2016; Wu et al., 2018, 2022).

本文首先介紹了基于水平井DAS的水力壓裂鄰井監(jiān)測和震源掃描算法原理，然后使用合成算例分析了全井段、寬方位、高密度空間采樣的DAS技術(shù)對(duì)震源位置成像的優(yōu)勢，最后對(duì)實(shí)際水力壓裂微振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了震源位置成像.

1 方法原理

當(dāng)光纖測點(diǎn)附近存在地震波場時(shí)，這種外部振動(dòng)使光纖產(chǎn)生彈性拉伸或壓縮，進(jìn)而引起光纖內(nèi)后向散射瑞利光的相位變化，通過探測光信號(hào)的相位變化，可以計(jì)算出光纖應(yīng)變和外界振動(dòng)信息.沿光纖走向方向應(yīng)變?chǔ)排c后向散射瑞利光信號(hào)的相位Δφ變化關(guān)系可以表示為(Karrenbach et al., 2019)：

(1)

其中，L為光纖標(biāo)距 (gauge length)，nc是光纖折射率，λl是激光波長.其中，光纖標(biāo)距的設(shè)定對(duì)地震波場的采集具有重要影響：光纖標(biāo)距越小，其測量空間分辨率越高，但是信號(hào)信噪比越低；光纖標(biāo)距越大，信號(hào)信噪比越高，但是測量空間分辨率越低(Dean et al., 2017).

一般情況，DAS測量的是光纖的應(yīng)變或應(yīng)變率信息.假設(shè)平面地震波u(x,t)以一定角度入射到光纖，光纖中的點(diǎn)應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(2)

因此DAS測量的線應(yīng)變率，在均勻介質(zhì)且波長遠(yuǎn)大于標(biāo)距長度的情況下，與地震波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之間的關(guān)系為(Bakku, 2015)：

(3)

震源掃描算法是一種基于地震波形的震源位置成像方法(Kao and Shan, 2004; Zeng et al., 2014).它通過掃描一定范圍內(nèi)的成像空間和震源激發(fā)時(shí)間，對(duì)波形進(jìn)行疊加以獲得震源信息(震源位置和激發(fā)時(shí)間).該算法首先對(duì)數(shù)據(jù)u進(jìn)行振幅歸一化得到un，然后假設(shè)激發(fā)時(shí)間τ，計(jì)算成像空間位置η到臺(tái)站n的到時(shí)tη n，可以獲得該參數(shù)對(duì)應(yīng)的亮度函數(shù)：

(4)

亮度函數(shù)代表不同掃描參數(shù)對(duì)應(yīng)真實(shí)震源的可能性.遍歷激發(fā)時(shí)間τ，成像空間位置η，可以獲得成像空間所有位置及所有可能激發(fā)時(shí)間的四維數(shù)組，對(duì)該數(shù)組的能量聚焦程度進(jìn)行分析可以確定震源位置.

2 合成數(shù)據(jù)算例

我們采用與實(shí)際DAS監(jiān)測現(xiàn)場一致的數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)進(jìn)行合成數(shù)據(jù)分析.該現(xiàn)場位于昭通國家級(jí)頁巖氣示范區(qū)，包含4口水平井，其中HB1-2號(hào)水平井為監(jiān)測井(圖1中藍(lán)色所示)，光纖布設(shè)于該井套管外.我們假設(shè)震源發(fā)生在HB1-4號(hào)井(圖1中粉色所示)施工時(shí)，其震源位置為(280 m，400 m，-1200 m)，其震源函數(shù)為50 Hz主頻的雷克子波.根據(jù)HB1工區(qū)的測井解釋資料，我們建立了該井場的水平層狀速度模型.基于程函方程計(jì)算并存儲(chǔ)了走時(shí)信息表(Sethian and Popovici, 1999)，在后續(xù)步驟中進(jìn)行重復(fù)調(diào)用.

為了驗(yàn)證DAS全井段、寬方位特點(diǎn)對(duì)震源位置成像的影響，我們設(shè)計(jì)了三套不同采集方位角的觀測系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析.第一套觀測系統(tǒng)模擬常規(guī)直井監(jiān)測，使用200～400 m內(nèi)的數(shù)據(jù)，其方位角相對(duì)較窄，如圖1a所示；第二套觀測系統(tǒng)模擬直井和斜井監(jiān)測，使用200～1000 m內(nèi)的數(shù)據(jù)，其監(jiān)測方位角隨著光纖長度的延伸而增加，如圖1b所示；第三套觀測系統(tǒng)模擬全井段監(jiān)測，使用200～2400 m內(nèi)的數(shù)據(jù)，其包含豎直段、傾斜段和水平段部分，方位角較大，如圖1c所示.以上三套觀測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)均使用1 m空間采樣.圖1d—1f是對(duì)應(yīng)圖1a—1c中三種觀測系統(tǒng)的合成數(shù)據(jù).

圖1 分布式光纖布設(shè)于監(jiān)測井HB1-2中(藍(lán)色)，HB1-4號(hào)井為當(dāng)前壓裂井(粉色)，微地震震源位于該井段附近(紅色點(diǎn))(a) 常規(guī)直井觀測系統(tǒng)1，數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)用綠色進(jìn)行標(biāo)記； (b) 直井和斜井觀測系統(tǒng)2； (c) 全井段觀測系統(tǒng)3; (d)—(f) 分別為觀測系統(tǒng)(a)—(c)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù).Fig.1 The distributed optical fibers are deployed in monitoring well HB1-2 (blue), HB1-4 is the fracturing well (pink),and the microseismic source is set nearby (red dot)(a) Geometry of vertical well, sampling points are marked with green dots; (b) Geometry of vertical and deviated wells; (c) Geometry of the entire well (vertical, deviated and horizontal wells); (d)—(f) are the related data acquired by (a)—(c), respectively.

我們采用相同處理參數(shù)進(jìn)行震源位置成像，震源位置成像結(jié)果以切片方式顯示，分別為震源位置處沿XY、YZ和XZ平面的圖像(如圖2a—2c所示).常規(guī)微地震直井觀測系統(tǒng)由于監(jiān)測方位角較窄，導(dǎo)致震源位置成像結(jié)果不聚焦，分辨率較低(圖2a—2c).而使用直井和斜井監(jiān)測的數(shù)據(jù)，則能部分提升空間約束能力，獲得更加聚焦的震源位置(圖2d—2f).全井段監(jiān)測中水平段的寬方位信息可以顯著降低震源位置成像的不確定性，獲得最高的分辨率(圖2g—2i).為了對(duì)三種觀測系統(tǒng)的成像分辨率進(jìn)行對(duì)比分析，我們提取了經(jīng)過震源位置的X、Y和Z方向的成像值，結(jié)果如圖3所示，使用全井段寬方位監(jiān)測數(shù)據(jù)的成像結(jié)果在三個(gè)方向均能獲得最優(yōu)分辨率，另外由于光纖水平井主要沿Y方向分布，其在Y方向的成像分辨率也獲得了最為顯著的提升(圖3b).

圖3 (a) 圖2a、圖2d、圖2g中沿紅色虛線位置的三種觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)震源成像分辨率對(duì)比圖; (b) 圖2b、圖2e、圖2h中沿紅色虛線位置的三種觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)震源成像分辨率對(duì)比圖; (c) 圖2c、圖2f、圖2i中沿紅色虛線位置的三種觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)震源成像分辨率對(duì)比圖Fig.3 (a) Source location image resolution comparison using the data along the red dotted lines in Figs.2a, 2d and 2g; (b) Source location image resolution comparison using the data along the red dotted lines in Figs.2b, 2e and 2h; (c) Source location image resolution comparison using the data along the red dotted lines in Figs.2c, 2f and 2i

為了驗(yàn)證DAS高密度采樣特點(diǎn)對(duì)震源位置成像的影響，我們對(duì)全井段觀測系統(tǒng)設(shè)置三套不同空間采樣率進(jìn)行對(duì)比分析.第一套數(shù)據(jù)如圖4a所示，為100 m低密度空間采樣；第二套數(shù)據(jù)如圖4b所示，為10 m常規(guī)密度空間采樣；第三套數(shù)據(jù)如圖4c所示，為1 m高密度空間采樣，以上數(shù)據(jù)具有相同的采集方位角.為了了解實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)噪聲干擾對(duì)震源成像的影響，我們在合成數(shù)據(jù)中添加不同強(qiáng)度的隨機(jī)噪聲，其噪聲最大值分別為無噪聲波形峰值的100%(圖4d—4f)、200%(圖4g—4i)和300%(圖4j—4l).

圖4 全井段監(jiān)測時(shí)不同空間采樣率的監(jiān)測數(shù)據(jù)(a) 100 m空間采樣率，綠色點(diǎn)為采樣點(diǎn)位置； (b)和(c) 分別為10 m和1 m空間采樣率.對(duì)合成數(shù)據(jù)加入隨機(jī)噪聲生成含噪聲數(shù)據(jù),其中，(d)—(f)、(g)—(i)和(j)—(l)中噪聲最大值分別為無噪聲波形峰值的100%、200%和300%.Fig.4 Different spatial sampling rates of the entire well monitoring and related data(a) 100 m spatial sampling rate and the green dots denote the sampling points； (b) and (c) are 10 m and 1 m spatial sampling rate, respectively. We generate the noisy data by adding random noise into the simulated noise-free data, and the maximum noise amplitudes in (d)—(f), (g)—(i) and (j)—(l) are 100%, 200% and 300% of the maximum amplitudes of noise-free data, respectively.

我們使用相同的處理參數(shù)，對(duì)上述不同強(qiáng)度噪聲、不同空間采樣率的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖5顯示了100%噪聲時(shí)的震源位置成像結(jié)果.圖5a—5c是在震源位置處沿XY、YZ和XZ平面的圖像.低噪聲時(shí)不同采樣密度數(shù)據(jù)均能準(zhǔn)確獲得震源位置，但100 m空間采樣數(shù)據(jù)的震源位置成像結(jié)果較差，如圖5a—5c所示，1 m空間采樣數(shù)據(jù)的震源位置成像結(jié)果最佳，如圖5g—5i所示.圖6和圖7分別顯示了200%和300%噪聲時(shí)的震源位置成像結(jié)果.隨著噪聲強(qiáng)度的不斷增加，震源位置成像結(jié)果的信噪比逐漸降低，但300%噪聲時(shí)1 m空間采樣數(shù)據(jù)仍能獲得準(zhǔn)確的震源位置成像結(jié)果.上述結(jié)果表明DAS數(shù)據(jù)的高密度空間采樣特性能夠有效提升低信噪比數(shù)據(jù)的震源位置成像精度.

圖5 100%噪聲時(shí)的震源位置成像結(jié)果(a)—(c) 分別為圖4d數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)震源位置成像結(jié)果XY、YZ和XZ三個(gè)平面顯示，真實(shí)震源位置用紅色點(diǎn)表示；(d)—(f)和(g)—(i) 分別為圖4e和圖4f數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的震源位置成像結(jié)果.Fig.5 Source location images with 100% noise(a)—(c) The source location image sections along XY, YZ and XZ planes, respectively, the data comes from Fig.4d and the true source location is plotted as red dot; (d)—(f) and (g)—(i) The source location image sections using the data from Figs.4e and 4f, respectively.

3 實(shí)際數(shù)據(jù)算例

我們在昭通淺層頁巖氣田HB1平臺(tái)進(jìn)行了水平井DAS水力壓裂監(jiān)測試驗(yàn)，并對(duì)壓裂過程中監(jiān)測到的微振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理.圖8a顯示了該數(shù)據(jù)的觀測系統(tǒng)，圖8b顯示了該監(jiān)測數(shù)據(jù)中的一個(gè)微地震事件.該微地震事件包含完整的P波(上側(cè)紅線)和S波(下側(cè)紅線)，其水平段(800～2000 m)P波和S波震相清晰，能量較大，左側(cè)豎直段(100～800 m)P波能量相對(duì)較弱，井口附近(0～100 m)存在較強(qiáng)的周期干擾，一般作為噪聲直接切除.相比P波，S波振動(dòng)能量在全井段均相對(duì)較強(qiáng)，更加清晰，因此，我們通過窗口函數(shù)提取S波的相關(guān)波場信息進(jìn)行掃描疊加成像.

類似于合成數(shù)據(jù)，我們提取成像結(jié)果的最大值位置作為震源位置，并顯示震源位置處沿XY、YZ和XZ的圖像(圖9a—9c).與合成數(shù)據(jù)結(jié)果相比，實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果中震源位置的聚焦程度相對(duì)較差.該結(jié)果在沿水平井方向的成像不確定性相對(duì)較小，而沿水平井垂直方向的成像不確定性相對(duì)較大，這與合成算例的結(jié)果基本一致.圖10是微地震震源位置定位結(jié)果在三維觀測系統(tǒng)中的顯示，可以看到微地震產(chǎn)生在壓裂井附近，初步認(rèn)為是由于水力壓裂導(dǎo)致裂縫起裂擴(kuò)展產(chǎn)生的.

圖6 200%噪聲時(shí)的震源位置成像結(jié)果(a)—(c) 分別為圖4g數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ三個(gè)平面顯示，真實(shí)震源位置用紅色點(diǎn)表示; (d)—(f)和(g)—(i) 分別為圖4h和圖4i數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的震源位置成像結(jié)果.Fig.6 Source location images with 200% noise(a)—(c) The source location image sections along XY, YZ and XZ planes, respectively, the data comes from Fig.4g and the true source location is plotted as red dot; (d)—(f) and (g)—(i) The source location image sections using the data from Figs.4h and 4i, respectively.

圖7 300%噪聲時(shí)的震源位置成像結(jié)果(a)—(c) 分別為圖4j數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ三個(gè)平面顯示，真實(shí)震源位置用紅色點(diǎn)表示;(d)—(f)和(g)—(i)分別為圖4k和圖4l數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的震源位置成像結(jié)果.Fig.7 Source location images with 300% noise(a)—(c) The source location image sections along XY, YZ and XZ planes, respectively, the data comes from Fig.4j and the true source location is plotted as red dot; (d)—(f) and (g)—(i) The source location image sections using the data from Figs.4k and 4l, respectively.

圖8 昭通頁巖氣田HB1平臺(tái)DAS觀測系統(tǒng)及其監(jiān)測到的微振動(dòng)數(shù)據(jù)(a) DAS數(shù)據(jù)采集觀測系統(tǒng)，壓裂井用粉色線表示，監(jiān)測井用藍(lán)色線表示，采樣點(diǎn)位置用綠色表示；(b) DAS采集的微振動(dòng)數(shù)據(jù)，包含P波和S波信息.Fig.8 Geometry of HB1 platform in Zhaotong Shale Gas Field and the observed data(a) The DAS data acquisition geometry, fracturing well is plotted using pink color, monitoring well is plotted using blue color,and the sampling points are plotted using green color; (b) The observed DAS data, which contains P and S waves.

圖9 微地震事件震源位置成像結(jié)果將成像結(jié)果的最大值位置認(rèn)為是震源位置(紅色圓點(diǎn)表示).(a)—(c)分別是震源成像結(jié)果的XY、YZ和XZ三個(gè)平面顯示.Fig.9 Microseismic source location imagesThe maximum value in the image is considered as the source position (represented by red dot).(a)—(c) The source location image sections along XY, YZ and XZ planes，respectively.

4 結(jié)論

本文介紹了基于DAS技術(shù)的水力壓裂微振動(dòng)鄰井監(jiān)測，并使用震源掃描算法對(duì)監(jiān)測到的微地震有效事件進(jìn)行了震源位置成像.合成數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果證實(shí)了DAS技術(shù)具有全井段寬方位采集和高密度空間采樣的技術(shù)優(yōu)勢，可以有效提升震源位置成像的精度，有助于提高儲(chǔ)層改造效果評(píng)估的準(zhǔn)確性.作為一項(xiàng)新興的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，DAS技術(shù)仍然有許多方面需要研究和提升：(1) DAS技術(shù)一般只能獲得單分量的波場記錄，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)和布設(shè)多分量光纖獲得更加完備的多分量波場；(2) DAS技術(shù)通過使用全井段監(jiān)測來增加沿水平井方向的采集方位角，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)多井聯(lián)合監(jiān)測方案，提升垂直于水平井方向的采集方位角；(3) DAS技術(shù)一般將光纖固定在套管外，光纖的耦合情況將直接影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度，可以進(jìn)一步通過改進(jìn)光纖的布設(shè)方式或進(jìn)行耦合校正等途徑來提升數(shù)據(jù)采集質(zhì)量；(4) DAS技術(shù)可以獲得高密度、連續(xù)的波場記錄，可以進(jìn)一步識(shí)別和利用波場記錄中的全波場信息為震源位置成像提供約束.

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