CN112748476B - 基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油开采注水开发技术领域，具体是一种基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法。所述方法包括：步骤一、建立注水开发井地质力学模型；步骤二、进行注水过程的地应力场、微地震场的模拟；步骤三、提前关井12h以上，在监测期间，把被监测井周围500m以内，有相同层位注水的注水井关停注水；步骤四、微地震检波器或拾震器安装；步骤五、微地震现场监测；步骤六、微地震监测数据分析，解释出注入流体前缘的空间位置；步骤七、将初步圈定注水的前缘位置和基于微地震数据解释的流体前缘位置进行交集计算，确定注入流体前缘。本发明可以有效确定注水推进方向、主力注水方位、注水前缘位置，对提高油田有效开发提供保障。

Description

基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法

技术领域

本发明涉及石油开采注水开发技术领域，具体是一种基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法。

背景技术

地下注水(注液)是确保地层能量、实现稳产、降低油田递减率、提高最终采收率的最直接、最简便和最主要的方法，目前国内外大多数油田都实施了注水开发。但是，注入水朝哪个方向推进、主力注水方位如何、注水前缘位于何处，这些问题以前都只能依靠油藏工程师的工作经验进行分析判断，或通过示踪剂监测进行粗略判断；目前对注液前缘的监测或者估算方法，大多数存在：人为干扰因素很多、精度不够、施工复杂、周期长、成本高。

微地震监测是一种新型的地球物理方法，主要利用声学传感器来监测储层岩石被压裂时产生的地震信号，通过这些信号来研究岩石破裂的程度。整个检测过程主要是通过相临的观测井中或者地面放置检波器，接收在注水加压过程中产生的微地震信号，利用处理后的信息来反映水力压裂之后产生的裂缝信息和在空间中的分布情况。该技术能实时给出操作过程中裂缝的参数信息，根据得到的信息指导注水加压方案、改进油井和管道分布等，从而提高出油井的采收率。

地应力在油气地质研究中的作用和意义包括四方面：(1)地应力对油气运移的影响；(2)地应力对含油气盆地形成演化的影响；(3)地应力对油气开采工艺的影响；(4)地应力对盆地构造的影响。地下的原生应力场和在压裂钻井过程中的应力场变化共同影响着整个油气田的开发，尤其是对地下的渗透性和裂缝发育有很大的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法，用以探究在注水开发的过程中，注入水朝哪个方向推进、主力注水方位如何、注水前缘位于何处。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明主要目的是提供一种基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法，所述方法包括：

步骤一、根据区块地质构造图、井斜数据、每口井的射孔段、注水基本数据、每口井电测解释成果数据，建立注水开发井地质力学模型；

步骤二、基于上述地质力学模型，进行注水过程的地应力场、微地震场的模拟，根据应力波动区初步圈定注水的前缘位置；确定现场监测用微地震检波器或拾震器的安装位置。

步骤三、提前关井12h以上，使已有的地层微裂缝闭合；同时需要保证：在监测期间，把被监测井周围500m以内，有相同层位注水的注水井关停注水，避免影响监测结果的准确性；

步骤四、微地震检波器或拾震器安装：在现场勘察被监测井周围地形、地貌的基础上，利用自带静压系统将拾震器按步骤二确定的位置，逐一压入地下疏松地层下；

步骤五、微地震现场监测：主站车进入现场，进行监测现场背景噪音确定，调试主、分站之间的通信联络，在微地震监测系统调试完毕、正常运行之后，开泵注水，主站与各分站进入监测状态，开始进行自动采集、处理、解释数据，实时显示微震点及其空间分布状态，根据情况持续监测2～3h结束；

步骤六、微地震监测数据分析：现场监测结束后，基于微地震震源的空间位置、能级、振幅信息，对监测数据进行整合分析处理，解释出注入流体前缘的空间位置；

步骤七、利用基于数模得到的应力波动区初步圈定注水的前缘位置和基于微地震数据解释的流体前缘位置进行交集计算，二者重叠的区域即可认为注入流体前缘。

优选地，注水开发井地质力学模型的建立方法包括：

步骤1.确定几何尺寸：选定模型在最大水平主应力方向X方向及最小水平主应力方向Y方向的几何尺寸，垂直地应力方向Z方向的尺寸；

步骤2.地质力学参数确定：根据油藏地质资料、连续测井数据以及实际取芯的岩心岩石力学试验测试数据，获得地质力学参数；

步骤3.模型边界条件确定：根据实际区块的原始地应力数据，获得包括最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、最大垂直主应力σ_V，将σ_H、σ_h和σ_V分别施加在模型的六个面；在模型注水层位置施加定流量边界条件，流量大小取值为注水施工设计参数。

优选地，步骤1选定模型在最大水平主应力方向X方向及最小水平主应力方向Y方向的几何尺寸分别为2000m，垂直地应力方向Z方向的尺寸是以待注水层为中心、上下各增加300m。

优选地，步骤2所述地质力学参数包括待注水层及隔层的弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、孔隙度及渗透率。

优选地，步骤二具体步骤为：利用具有油水两相流渗流-应力耦合模拟功能的数值计算软件，进行注水开发井地质力学模型注水过程的模拟，注水时长为注水施工设计参数，在注水模拟的过程中，模拟得到应力扰动区，在注水结束时，得到的同心圆、同心椭圆或不规则包络面即是最大的注水应力扰动区；在地表布置检波器的设计上，在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°方向且在沿应力扰动区同心圆的切线上，每个方向布置4个检波器。可大大减少常规注入流体前缘微地震监测所需的检波器数量。

优选地，步骤六中根据微地震监测数据，可以得到注水诱发的地层内微破裂点的空间位置、破裂点所释放的能量和破裂点的震源半径；基于能量耗散与释放原理，定义微震震源尺寸范围内的储层岩石单元损伤变量D为该岩石单元分配到的基于微地震监测得到的释放能量U与岩石单元可释放应变总能U_e的比值：

考虑能量释放对注水开发井地质力学模型力学参数的影响，模型的内聚力c_r和弹性模量E_r可表示为：

式中：c₀和E₀分别是注水开发井地质力学模型的初始内聚力和弹性模量；以井眼处注水点的空间坐标为原点，三维空间上最外围的微地震事件的空间坐标所包络的不规则三维空间，即是注入流体前缘的粗略空间位置。

优选地，根据公式(1)和(2)对注水开发井地质力学模型的区域参数进行修正。

优选地，以注水井井眼注水点的空间坐标为原点，利用数值模拟得到的应力扰动区三维包络空间与微地震监测得到的微地震事件三维包络空间做空间坐标交集，二者重叠包络的不规则空间曲面即是注入流体前缘。

本发明有益效果：

如果只建立三维地质力学模型进行注入流体前缘的数值模拟，其模型及参数的可靠性和适用性缺乏实际物理信息的反馈验证；如果只对注入流体前缘进行单一的微地震监测，则不足以对注入流体前缘的演化过程做出精细表征。所以，可充分考虑三维地质力学模型的应力场、注入流体前缘孕育过程、微地震信息(时空坐标、源尺寸、能量释放等物理信息)的内因影响和联系，两种方法从不同角度有机结合，互为补充：数值模拟可以帮助理解、推演所观测到的微地震事件的成因和模式；微地震物理信息可以和数值模拟结果互为修正敏感的系统参数和标定模型。本发明正是基于这一思路。

本发明利用地层的应力场分析和微地震监测相结合以实现对水驱前缘进行更好的解释，因为应力场分析和微地震监测是从不同角度有机结合，互为补充。由于注液井在注液过程中，会引起流体压力前缘移动和随之而来的孔隙压力、地层有效应力的变化，并可能产生局部微破裂、进而产生一系列向四周传播的微震波，只有注液诱发的有效应力大于储层岩石强度，才产生能级很小的微破裂。而应力场的数值分析结果可以解释修正监测得到的微震活动的特征和模式；注液过程中的应力场演化可与微震活动性的加速、平静和转移规律相互印证，微震监测物理信息中的微破裂点及能级变化可以反应局部地应力场的应力集中与迁移扩散规律。

本发明提供了利用应力场分析和微地震联合反演的注入流体前缘识别方法，克服了现有技术中单独利用应力场分析、微地震监测进行反演的缺陷，且可减少所需微地震检波器的数量。本发明可以有效探究在注水开发的过程中，可更准确地确定注水推进方向、主力注水方位、注水前缘位置；解决了油田现场传统技术无法明确注入水朝哪个方向推进、主力注水方位如何、注水前缘位于何处的问题，对提高油田有效开发提供保障。

附图说明

图1为待注水单井的三维地质力学模型；

图2为本发明一具体实施例的注入流体前缘及注入流体诱发应力改变图，灰度的亮度高低代表应力大小：A注入流体前缘图；B注入流体诱发应力改变图；

图3为本发明一具体实施例的注水前缘微地震监测现场实施流程图。

图4为本发明一具体实施例的模拟注水流体前缘与微地震监测流体前缘的叠加图：a，模拟注水流体前缘图；b，微地震监测得到的注入流体前缘图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等，可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法，检测方法等，若无特别说明，均为现有技术中已有的常规实验方法，检测方法等。

实施例基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法

所述方法包括以下步骤：

步骤一、根据区块地质构造图、井斜数据、每口井的射孔段、注水基本数据、每口井电测解释成果数据，建立注水开发井地质力学模型，如图1所示，模型参数如下：选定模型在最大水平主应力方向X方向及最小水平主应力方向Y方向的几何尺寸分别为2000m，垂直地应力方向Z方向的尺寸是620m，其中注水井段的厚度为20m。地质力学参数：注水层的弹性模量25GPa、泊松比0.22、内聚力19MPa、内摩擦角30°、抗拉强度3MPa、孔隙度17％、渗透率150mD。隔层的弹性模量35GPa、泊松比0.20、内聚力25MPa、内摩擦角35°、抗拉强度4MPa、孔隙度7％、渗透率5mD。模型外边界条件：最大水平主应力σ_H＝55MPa、最小水平主应力σ_h＝48MPa、垂直主应力σV＝65MPa；模型内边界条件：在模型注水层位置施加定流量边界条件，流量大小取值注水施工设计的配注量，在2小时内注水30m³。

步骤二、基于上述地质力学模型，进行注水过程的地应力场、微地震场的模拟，根据应力波动区初步圈定注水的前缘位置，本实施例的数值模拟采用COMSOL软件，基于步骤一的注水井地质力学模型，进行2小时的注水过程的模拟。由于没有断层构造等的影响，本实施例模拟得到的注水应力扰动区，在垂直于垂向地应力方向Z方向的水平剖面上XY面是以注水井井眼为圆心、逐渐向外扩大的同心圆，如图2所示；根据模拟得到的注水应力扰动区，在地表布置检波器的设计上，在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°方向、且在沿应力扰动区同心圆的切线上，每个方向布置4个检波器即可，累计32个微地震检波器。

步骤三、提前关井12h以上，使已有的地层微裂缝闭合；同时需要保证：在监测期间，把被监测井周围500m以内，有相同层位注水的注水井关停注水，避免影响监测结果的准确性；

步骤四、微地震检波器或拾震器安装：在现场勘察被监测井周围地形、地貌的基础上，利用自带静压系统将拾震器按步骤二确定的位置，逐一压入地下疏松地层下；

步骤五、微地震现场监测：主站车进入现场，进行监测现场背景噪音确定，调试主、分站之间的通信联络，在微地震监测系统调试完毕、正常运行之后，开泵注水，主站与各分站进入监测状态，开始进行自动采集、处理、解释数据，实时显示微震点及其空间分布状态，根据情况持续监测2～3h结束，具体微地震监测的实施流程如图3所示；

步骤六、微地震监测数据分析：现场监测结束后，基于微地震震源的空间位置、能级信息，对监测数据进行整合分析处理：(1)根据各个微震事件的能量、震源半径，反演修正注水开发井地质力学模型的初始内聚力和弹性模量参数，之后重复步骤一和步骤二，模拟得到相对更为准确的地应力扰动区模拟结果。(2)注水过程诱发的微地震事件的空间坐标可以通过微地震监测系统实时得到，以井眼处注水点的空间坐标为原点，三维空间上最外围的微地震事件的空间坐标所包络的不规则三维空间，即是注入流体前缘的粗略空间位置。

步骤七、利用基于数模得到的应力波动区初步圈定注水的前缘位置和基于微地震数据解释的流体前缘位置进行交集计算，具体过程是以注水井井眼注水点的空间坐标为原点，利用数值模拟得到的应力扰动区三维包络空间与微地震监测得到的微地震事件三维包络空间做空间坐标交集，二者重叠包络的不规则空间曲面即是注入流体前缘。该重叠包络的不规则空间曲面的长轴方向即是注水的优势推进方向，如图4。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于应力场与微地震联合反演的注入流体前缘识别方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、根据区块地质构造图、井斜数据、每口井的射孔段、注水基本数据、每口井电测解释成果数据，建立注水开发井地质力学模型；

步骤二、基于上述地质力学模型，进行注水过程的地应力场、微地震场的模拟，根据应力波动区初步圈定注水的前缘位置；确定现场监测用微地震检波器的安装位置；

步骤三、提前关井12h以上，使已有的地层微裂缝闭合；同时需要保证：在监测期间，把被监测井周围500m以内，有相同层位注水的注水井关停注水，避免影响监测结果的准确性；

步骤四、微地震检波器安装：在现场勘察被监测井周围地形、地貌的基础上，利用自带静压系统将微地震检波器按步骤二确定的位置，逐一压入地下疏松地层下；

步骤五、微地震现场监测：主站车进入现场，进行监测现场背景噪音确定，调试主、分站之间的通信联络，在微地震监测系统调试完毕、正常运行之后，开泵注水，主站与各分站进入监测状态，开始进行自动采集、处理、解释数据，实时显示微地震点及其空间分布状态，根据情况持续监测2～3h结束；

步骤六、微地震监测数据分析：现场监测结束后，基于微地震震源的空间位置、能级、振幅信息，对监测数据进行整合分析处理，解释出注入流体前缘的空间位置；根据微地震监测数据，可以得到注水诱发的地层内微破裂点的空间位置、破裂点所释放的能量和破裂点的震源半径；基于能量耗散与释放原理，定义微地震震源尺寸范围内的储层岩石单元损伤变量D为该岩石单元分配到的基于微地震监测得到的释放能量△U与岩石单元可释放应变总能U^e的比值：

考虑能量释放对注水开发井地质力学模型力学参数的影响，模型的内聚力c_r和弹性模量E_r可表示为：

式中：c₀和E₀分别是注水开发井地质力学模型的初始内聚力和弹性模量；以井眼处注水点的空间坐标为原点，三维空间上最外围的微地震事件的空间坐标所包络的不规则三维空间，即是注入流体前缘的粗略空间位置；

步骤七、根据公式(1)和(2)对注水开发井地质力学模型的区域参数进行修正；以注水井井眼注水点的空间坐标为原点，利用数值模拟得到的应力扰动区三维包络空间与微地震监测得到的微地震事件三维包络空间做空间坐标交集，二者重叠包络的不规则空间曲面即是注入流体前缘。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一注水开发井地质力学模型的建立方法包括：

步骤1.确定几何尺寸：选定模型在最大水平主应力方向X方向及最小水平主应力方向Y方向的几何尺寸，垂直地应力方向Z方向的尺寸；

步骤2.地质力学参数确定：根据油藏地质资料、连续测井数据以及实际取芯的岩心岩石力学试验测试数据，获得地质力学参数；

步骤3.模型边界条件确定：根据实际区块的原始地应力数据，获得包括最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、最大垂直主应力σ_V，将σ_H、σ_h和σ_V分别施加在模型的六个面；在模型注水层位置施加定流量边界条件，流量大小取值为注水施工设计参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1选定模型在最大水平主应力方向X方向及最小水平主应力方向Y方向的几何尺寸分别为2000m，垂直地应力方向Z方向的尺寸是以待注水层为中心、上下各增加300m。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤2所述地质力学参数包括待注水层及隔层的弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、孔隙度及渗透率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二具体步骤为：利用具有油水两相流渗流-应力耦合模拟功能的数值计算软件，进行注水开发井地质力学模型注水过程的模拟，注水时长为注水施工设计参数，在注水模拟的过程中，模拟得到应力扰动区，在注水结束时，得到的同心圆、同心椭圆或不规则包络面即是最大的注水应力扰动区；在地表布置检波器的设计上，在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°方向且在沿应力扰动区同心圆的切线上，每个方向布置4个检波器。

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