CN108226995B - 一种主动源微震监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主动源微震监测装置，包括监测井Ⅰ、压裂井、监测井Ⅱ；所述监测井Ⅰ和监测井Ⅱ分别设在压裂井的两侧，在监测井Ⅰ的一侧设有地震仪，监测井Ⅱ的一侧设有电火花仪。本发明采用地震波的互换原理，在压裂前，用电火花在压裂位置进行模拟替代试验，测定地层地震波速度、建立震源能量与裂缝级另关系，并在保持整个监测系统不变的情况下，在压裂施工期间进行微地震监测，使其较好地符合了地震互换的条件；在微震反演过程中，使用现场标定的地层地震波速度和能量换算关系表，保证裂缝定位精确，级别判断准确，使得监测评价科学可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种主动源微震监测装置及方法，属于检查非常规天然气储层压裂改造技术领域。
背景技术
非常规天然气不同于常规天然气，可供开采的气体以吸附状态存贮在岩体中，开采时需要对岩体进行压裂造缝，气体才能沿裂缝产出。压裂造缝都在地下数千米深的钻井中进行，压裂效果的好坏与气井的产气量密切相关，当前评价压裂效果的方法技术是微地震监测，该方法是在钻井口地表或相邻钻井内布置地震检波器，接收井下压裂施工过程中岩层破裂产生的微地震信号，利用各个检波点的地震波进行微地震定位和能量分析，确定裂缝的空间位置分布和裂缝级别。由于该方法只进行被动微震信号监测，不能解决定位反演过程中的速度唯一性和能量唯一性问题，造成裂缝定位精度和裂缝级别偏差大，影响施工造缝效果的评价。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种主动源微震监测装置及方法，该主动源微震监测装置及方法采用微地震主动源模拟与被动源接收的监测方法，通过压裂前进行人工模拟地层破裂的波速和能量参数，建立监测区的岩体速度和破裂参数，在压裂施工中进行微地震监测，用数据分析，将模拟试验参数用于反演，使裂缝定位和裂缝级别判断精度得到很大提高，避免了估算误差的产生，提高了压裂效果评价质量。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提供的一种主动源微震监测装置，包括监测井Ⅰ、压裂井、监测井Ⅱ；所述监测井Ⅰ和监测井Ⅱ分别设在压裂井的两侧，在监测井Ⅰ的一侧设有地震仪，监测井Ⅱ的一侧设有电火花仪；所述监测井Ⅰ与压裂井之间、压裂井与监测井Ⅱ之间均设有地表检波器，地表检波器通过监测连接电缆与地震仪连接；所述监测井Ⅰ和监测井Ⅱ内设有井下检波器串，井下检波器串通过监测连接电缆与地震仪连接；所述电火花仪上设有电火花电缆，电火花电缆的一端连接有电火花探头，电火花探头位于压裂井内。
所述地震仪和电火花仪之间通过同步线连接。
所述压裂井内设有压裂造缝区段，电火花探头位于压裂造缝区段内。
所述地表检波器为地表三分量检波器，井下检波器串为井下三分量检波器串，井下检波器串在监测井Ⅰ、监测井Ⅱ中的位置高度与压裂造缝区段底边的位置高度相等。
所述监测井Ⅰ和监测井Ⅱ分别等距设置在压裂井的两侧。
所述地震仪的道数不少于72道。
所述地表检波器呈环形布置在距离压裂井的20cm处，形成环形层，间距环形层10～20m，再布置一个呈环形排列的地表检波器的环形层。
所述环形层至少有3层。
基于一种主动源微震监测方法；包括以下步骤：
①准备设备：开挖监测井Ⅰ、压裂井、监测井Ⅱ，准备压裂车、地震仪、电火花仪、接收检波器、电火花探头和压裂液注入管；
②布置检测系统：在监测井Ⅰ和监测井Ⅱ的一侧分别布置地震仪和电火花仪，压裂井内设置压裂造缝区段，将电火花探头连接在电火花仪上，把电火花探头放置在压裂井的压裂造缝区段处，并采用地表、井下、地表与井下联系布置的3种方式，布置接收检波器；地表的地表检波器呈环形布置在压裂井的周围，形成环形层，间距环形层10～20m，再布置一个呈环形排列地表检波器的环形层，环形层不少于3层，井下的井下检波器串分别放置在监测井Ⅰ和监测井Ⅱ中，井下检波器串的高度与压裂造缝区段底边的位置高度相等，地表检波器和井下检波器串均与地震仪连接，形成地表与井下联系布置；
③连接设备：地震仪和电火花仪之间用同步线连接，电火花探头与电火花仪之间用电火花电缆连接，井下检波器串通过监测连接电缆与地震仪连接；
④进行模拟微震：用电火花仪进行微震，分别进行由大到小的10个级别的模拟，并用地震仪记录地震波形，用地表检波器和井下检波器串记录能量；
⑤进行压裂施工：完成模拟后，将电火花仪换为压裂车，进行压裂施工，使用压裂液注入管对压裂造缝区段的两端进行压裂封堵塞，在压力施工进行加压、稳压和泄压期间，地震仪、地表检波器、井下检波器串保持连续检测、采集；
⑥微震数据分析处理：把记录下来的数据拷贝到计算机内，对地震波形进行滤波处理，通过波形互相关、初至时间对比方法，划分识别微震事件，读取每个微震事件在地震仪上的纵横波初至时间和振幅，采用同一微震事件到各个地表检波器、井下检波器串的纵横波走时差，用反演公式进行最小微震源定位；
⑦确定每个微震事件的裂缝级别：剔除压裂成缝范围以外的微震事件，根据主动电火花震源率定的能量震级，确定每个微震事件的裂缝级别。
所述接收检波器为地表检波器和井下检波器串；
所述步骤⑥中，反演公式为：
其中，S为微震源积分路径矩阵，Mp为空间纵波慢度矩阵，Tp为纵波旅行时间矩阵，Ms为空间横波慢度矩阵，Ts为横波旅行时间矩阵，ΔTpi为纵波时差，ΔTsi为横波时差。
本发明的有益效果在于：采用地震波的互换原理，在压裂前，用电火花在压裂位置进行模拟替代试验，测定地层地震波速度、建立震源能量与裂缝级另关系，并在保持整个监测系统不变的情况下，在压裂施工期间进行微地震监测，使其较好地符合了地震互换的条件；在微震反演过程中，使用现场标定的地层地震波速度和能量换算关系表，保证裂缝定位精确，级别判断准确，使得监测评价科学可靠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明地表检波器的布置示意图；
图3是本发明压力施工工作图；
图中：1-监测井Ⅰ，2-压裂井，3-监测井Ⅱ，4-地震仪，5-电火花仪，6-地表检波器，7-井下检波器串，8-同步线，9-监测连接电缆，10-电火花电缆，11-电火花探头，12-压裂造缝区段，13-压裂液注入管，14-压裂车。
具体实施方式
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
如图1所示，一种主动源微震监测装置，包括监测井Ⅰ1、压裂井2、监测井Ⅱ3；所述监测井Ⅰ1和监测井Ⅱ3分别设在压裂井2的两侧，在监测井Ⅰ1的一侧设有地震仪4，监测井Ⅱ3的一侧设有电火花仪5；所述监测井Ⅰ1与压裂井2之间、压裂井2与监测井Ⅱ3之间均设有地表检波器6，地表检波器6通过监测连接电缆9与地震仪4连接；所述监测井Ⅰ1和监测井Ⅱ3内设有井下检波器串7，井下检波器串7通过监测连接电缆9与地震仪4连接；所述电火花仪5上设有电火花电缆10，电火花电缆10的一端连接有电火花探头11，电火花探头11位于压裂井2内。
所述地震仪4和电火花仪5之间通过同步线8连接，电火花仪5为大功率智能电火花充放电机，可提供220V的交流供电和调用500J—10000J的储能，采用电容器式快速重复充电方式，其充电能量自动设置，达到自动放电、高压保护的功能。
所述压裂井2内设有压裂造缝区段12，电火花探头11位于压裂造缝区段12内，电火花探头11为耐高温高压铂金放电头，重复放电保真度大于5000次。
所述地表检波器6为地表三分量检波器，井下检波器串7为井下三分量检波器串，3分向为一个垂直分量、2个互相垂直的水平分量，井下检波器串7和3地表检波器6有若干个，频率均为100Hz，井下检波器串7在监测井Ⅰ1、监测井Ⅱ3中的位置高度与压裂造缝区段12底边的位置高度相等。
所述监测井Ⅰ1和监测井Ⅱ3分别等距设置在压裂井2的两侧。
所述地震仪4的道数不少于72道，最小采样时间不大于1微秒，最大采样时间不小于3小时。
所述地表检波器6呈环形布置在距离压裂井2的20cm处，形成环形层，间距环形层10～20m，再布置一个呈环形排列地表检波器6的环形层；所述环形层至少有3层，如图2所示。
基于一种主动源微震监测方法；包括以下步骤：
①准备设备：开挖监测井Ⅰ1、压裂井2、监测井Ⅱ3，准备压裂车14、地震仪4、电火花仪5、接收检波器、电火花探头11和压裂液注入管13，其中，所有接收检波器的位置坐标和深度应测量，均以施工孔口为原点建立三维坐标系；
②布置检测系统：在监测井Ⅰ1和监测井Ⅱ3的一侧分别布置地震仪4和电火花仪5，压裂井2内设置压裂造缝区段12，将电火花探头11连接在电火花仪5上，把电火花探头11放置在压裂井2的压裂造缝区段12处，并采用地表、井下、地表与井下联系布置的3种方式，布置接收检波器；地表的地表检波器6呈环形布置在压裂井2的周围，形成环形层，间距环形层10～20m，再布置一个呈环形排列地表检波器6的环形层，环形层不少于3层，深入基岩地层中，井下的井下检波器串7分别放置在监测井Ⅰ1和监测井Ⅱ3中，井下检波器串7的高度与压裂造缝区段12底边的位置高度相等，且井下检波器串7中的每个检波器之间的距离为1m～2m，地表检波器6和井下检波器串7均与地震仪4连接，形成地表与井下联系布置；
③连接设备：地震仪4和电火花仪5之间用同步线8连接，电火花探头11与电火花仪5之间用电火花电缆10连接，井下检波器串7通过监测连接电缆9与地震仪4连接，监测连接电缆9和电火花电缆10为高压连接电缆，漏电防水深度达5000m，电阻小于100欧；
④进行模拟微震：用电火花仪5进行微震，分别进行由大到小的10个级别(100J、200J、500J、800J、1000J、2000J、3000J、5000J、8000J、10000J)的模拟，并用地震仪4记录地震波形，要求地震波形完整、初至清晰，用地表检波器6和井下检波器串7记录能量；
⑤进行压裂施工：完成模拟后，将电火花仪5换为压裂车14，进行压裂施工，使用压裂液注入管13对压裂造缝区段12的两端进行压裂封堵塞，在压力施工进行加压、稳压和泄压期间，地震仪4、地表检波器6、井下检波器串7保持连续检测、采集，如图3所示；
⑥微震数据分析处理：把记录下来的数据拷贝到计算机内，对地震波形进行滤波处理，使波形清晰，震相明显，通过波形互相关、初至时间对比方法，划分识别微震事件，读取每个微震事件在地震仪4上的纵横波初至时间和振幅，采用同一微震事件到各个地表检波器、井下检波器串的纵横波走时差，用反演公式进行最小微震源定位；
⑦确定每个微震事件的裂缝级别：剔除压裂成缝范围以外的微震事件，根据主动电火花震源率定的能量震级，确定每个微震事件的裂缝级别。
所述接收检波器为地表检波器6和井下检波器串7；
所述步骤⑥中，反演公式为：
其中，S为微震源积分路径矩阵，Mp为空间纵波慢度矩阵，Tp为纵波旅行时间矩阵，Ms为空间横波慢度矩阵，Ts为横波旅行时间矩阵，ΔTpi为纵波时差，ΔTsi为横波时差。
实施例
水城大寨煤层气场试采孔压裂改造试验：采用单井、地顼监测方式进行，地面围绕改造布置96个地表检波器6，监测井深800米，压裂井2中的压裂造缝区段12深度为560m～780m，压裂前在580m、650m、750m三个设计压位置进行电火花正演模拟Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，共4级能量，对应造缝长度为10m、6m、5m、3m，正演出地震纵横波速度和波形振幅幅度值；在之后的压裂施工中，保持观测系统、仪器、参数不变，对施工过程进行监测，采集到全部压裂信号，采用电火花正演的地震纵横波速度和信号幅值进行反演，得到压裂改造的裂缝长度和裂缝空间分布情况。
Claims (5)
1.一种主动源微震监测装置，包括监测井Ⅰ（1）、压裂井（2）、监测井Ⅱ（3），其特征在于：所述监测井Ⅰ（1）和监测井Ⅱ（3）分别设在压裂井（2）的两侧，在监测井Ⅰ（1）的一侧设有地震仪（4），监测井Ⅱ（3）的一侧设有电火花仪（5）；所述监测井Ⅰ（1）与压裂井（2）之间、压裂井（2）与监测井Ⅱ（3）之间均设有地表检波器（6），地表检波器（6）通过监测连接电缆（9）与地震仪（4）连接；所述监测井Ⅰ（1）和监测井Ⅱ（3）内设有井下检波器串（7），井下检波器串（7）通过监测连接电缆（9）与地震仪（4）连接；所述电火花仪（5）上设有电火花电缆（10），电火花电缆（10）的一端连接有电火花探头（11），电火花探头（11）位于压裂井（2）内；
该主动源微震监测装置的检测方法，包括以下步骤：
①准备设备：开挖监测井Ⅰ（1）、压裂井（2）、监测井Ⅱ（3），准备压裂车（14）、地震仪（4）、电火花仪（5）、接收检波器、电火花探头（11）和压裂液注入管（13）；
②布置检测系统：在监测井Ⅰ（1）和监测井Ⅱ（3）的一侧分别布置地震仪（4）和电火花仪（5），压裂井（2）内设置压裂造缝区段（12），将电火花探头（11）连接在电火花仪（5）上，把电火花探头（11）放置在压裂井（2）的压裂造缝区段（12）处，并采用地表、井下、地表与井下联系布置的3种方式，布置接收检波器；地表的地表检波器（6）呈环形布置在压裂井（2）的周围，形成环形层，间距环形层10~20m，再布置一个呈环形排列地表检波器（6）的环形层，环形层不少于3层，井下的井下检波器串（7）分别放置在监测井Ⅰ（1）和监测井Ⅱ（3）中，井下检波器串（7）的高度与压裂造缝区段（12）底边的位置高度相等，地表检波器（6）和井下检波器串（7）均与地震仪（4）连接，形成地表与井下联系布置；
③连接设备：地震仪（4）和电火花仪（5）之间用同步线（8）连接，电火花探头（11）与电火花仪（5）之间用电火花电缆（10）连接，井下检波器串（7）通过监测连接电缆（9）与地震仪（4）连接；
④进行模拟微震：用电火花仪（5）进行微震，分别进行由大到小的10个级别的模拟，并用地震仪（4）记录地震波形，用地表检波器（6）和井下检波器串（7）记录能量；
⑤进行压裂施工：完成模拟后，将电火花仪（5）换为压裂车（14），进行压裂施工，使用压裂液注入管（13）对压裂造缝区段（12）的两端进行压裂封堵塞，在压力施工进行加压、稳压和泄压期间，地震仪（4）、地表检波器（6）、井下检波器串（7）保持连续检测、采集；
⑥微震数据分析处理：把记录下来的数据拷贝到计算机内，对地震波形进行滤波处理，通过波形互相关、初至时间对比方法，划分识别微震事件，读取每个微震事件在地震仪（4）上的纵横波初至时间和振幅，采用同一微震事件到各个地表检波器（6）、井下检波器串（7）的纵横波走时差，用反演公式进行最小微震源定位；
⑦确定每个微震事件的裂缝级别：剔除压裂成缝范围以外的微震事件，根据主动电火花震源率定的能量震级，确定每个微震事件的裂缝级别。
2.如权利要求1所述的主动源微震监测装置，其特征在于：所述地表检波器（6）为地表三分量检波器，井下检波器串（7）为井下三分量检波器。
3.如权利要求1所述的主动源微震监测装置，其特征在于：所述监测井Ⅰ（1）和监测井Ⅱ（3）分别等距设置在压裂井（2）的两侧。
4.如权利要求1所述的主动源微震监测装置，其特征在于：所述地震仪（4）的道数不少于72道。
5.如权利要求1所述的主动源微震监测装置，其特征在于：所述地表检波器（6）呈环形布置在距离压裂井（2）的20cm处，形成环形层，间距环形层10~20m，再布置一个呈环形排列的地表检波器（6）的环形层。
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