CN113176611B - 基于频率谐振的微地震压裂监测方法 - Google Patents

基于频率谐振的微地震压裂监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其包括：步骤1，利用震动传感器采集地下介质形成裂缝时所发出的震动信号时间序列数据Г(t)；步骤2，将所述时间序列数据Г(t)经过预处理和傅里叶变换成频率域数据Г(f)；步骤3，对所述频率域数据Г(f)依照所应用的弹性波速度和深度转换规则转换成深度域数据Г(d)；步骤4，对所述深度域数据Г(d)进行成像处理，获得波阻抗比率或波阻抗数据Image(d)；步骤5，对所述波阻抗比率或所述波阻抗数据Image(d)进行压裂监测地质解释。该方法能够利用裂缝带的波阻抗变化进而密度变化评估压裂程度，在常规压裂监测施工较为困难的地区具有明显优点。

Description

基于频率谐振的微地震压裂监测方法
技术领域
本发明涉及压裂监测领域，特别涉及一种利用地震频率谐振原理进行微地震压裂监测的方法。
背景技术
常规微地震压裂监测方法是利用压裂过程中裂缝产生的微地震信号到达地面或井中各个物理点的传播时间差异，获得裂缝位置。依此原理，派生了众多的压裂监测技术，其均可称为时间域微地震压裂监测技术。该方法的基本原理基于裂缝形成过程中微地震波随时间传播的原理，应用采集装置测量波源到达检波器的时间差，进而转换成射线路径找到震源点，再利用震源的能量密度或者空间几何分布确定压裂裂缝的地质信息。常规时间域压裂监测技术被广泛应用于地下油气、地热以及煤炭资源的压裂监测领域。
发明内容
本发明涉及一种基于频率谐振的微地震压裂监测方法，利用弹性波传播过程中波场谐振原理，检测出压裂裂缝产生的微地震信号在压裂带谐振时振幅的变化信息，在频率域对信号进行分析，进而对地下介质进行成像，获得压裂点附近的视波阻抗的空间变化，从中对压裂裂缝进行地质解释。
本发明的目的是为石油、天然气压裂监测、地热田压裂监测、煤田顶板硬岩泄压压裂监测提供一种新的可供地质属性分析的压裂监测技术。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于频率谐振的微地震压裂监测方法，包括如下步骤：步骤1，利用震动传感器采集地下介质形成裂缝时所发出的震动信号时间序列数据Γ(t)；
步骤2，将所述步骤1采集的所述时间序列数据Γ(t)经过预处理和傅里叶变换成频率域数据Γ(f)；
步骤3，对经过所述步骤2处理后的所述频率域数据Γ(f)依照所应用的弹性波速度和深度转换规则转换成深度域数据Γ(d)；
步骤4，对经过所述步骤3所获得的所述深度域数据Γ(d)进行成像处理，获得波阻抗比率或波阻抗数据Image(d)；
步骤5：对前述步骤4所获得的波阻抗比率或波阻抗数据Image(d)进行压裂监测地质解释。前述步骤5中，根据视波阻抗剖面对压裂区域进行压裂裂缝地质解释和评估。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，前述步骤1可以采集弹性波单一分量数据，该情况下，深度域频谱振幅Γ(d)＝Amp(d)为单一分量谱振幅；前述步骤1中采集的也可以是多分量数据，将多个分量进行矢量合成得到深度域频谱振幅。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，前述震动传感器的频率F0满足如下条件：
F0＜V0/(4D)
其中V0为地层震动的平均速度，D为目的层深度；
前述步骤1中采集得到的地震信号的时间长度大于10/Fmin，前述步骤1的数据采样时间间隔ΔT满足：
Figure BDA0002406578900000021
其中，Fmin为最低频率，Fmax为最高频率。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，前述步骤1中的所述震动传感器布设在压裂点对应的地面位置，前述震动传感器覆盖的水平面积大于预估计的裂缝所形成的水平范围。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，前述步骤2中的预处理包括野值剔除、自动增益。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，前述步骤3中，将频率域数据转换成深度域数据的方法为利用下述公式进行转换：
Di＝V(di)/(4F)
其中Di为地i点的深度，V(di)为Di深度处的速度，F为弹性波频率。只要确定深度，就可以由此公式将频率域数据转换到深度域数据。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，还包括：根据下述公式由前述步骤4中所获得的波阻抗数据Image(d)获得视波阻抗：
Ω(i+1)＝Ω(i)Image(i)
其中，Ω为视波阻抗，i为地层序号，Image为深度域的视波阻抗比率。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法可以压裂前、压裂过程中、或者、压裂后实施。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，前述步骤1中，采集地下介质响应信号的最低频率应该与采集检波器频率F0相当，最高频率应该不低于n·10赫兹(n为1～10间整数)，以便于同时获得压裂目的层和近地表浅层的地质结构；
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，前述步骤1中，采集地下裂缝信号的时间长度应大于压裂时间，最合理的采集时间是在压裂前1-2小时到压裂后5-12小时。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法中，优选地，前述步骤2中，傅里叶变换的时间域数据窗口长度大于1/Fmin。
本发明的基于频率谐振的微地震压裂监测方法可以在下述的3个不同的阶段实施：
方案一：利用压裂前1-2小时对微地震数据采集、处理和解释；
方案二：在压裂中和其后5-12小时对数据进行采集、处理和解释；
方案三：在压裂数天时间后对数据进行采集、处理和解释。
前述方案一可用于对地质背景进行评估，前述方案二可用于对裂缝形成过程进行监测，前述方案三可对压裂裂缝进行最终地质效果评估。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：该方法依靠地下压裂裂缝形成过程产生的振动波在裂缝带谐振效应，实现对地下压裂点附近的波阻抗或其比率进行成像，人们可以观察裂缝带的波阻抗变化进而密度的变化评估压裂程度，在常规压裂监测施工较为困难的地区具有明显的优点；常规的压裂监测依靠压裂裂缝的微地震子波信号进行压裂点位置反演，在裂缝信号较弱、噪音较强、压裂点位置较深等情况都难以获得较好的成果；本发明的方法在野外施工技术、数据处理技术和地质解释技术方面具有方便快捷的优点，为解决诸如黄土塬覆盖区、复杂地表地形地区、深井等压裂监测提供一种快速和精确的解决方案。
附图说明
图1是本发明的微地震压裂监测方法的一个实施方式的流程图；
图2是本发明的微地震压裂监测方法的技术原理图；
图3是利用本发明的微地震压裂监测方法进行压裂监测的一个实施方式获得的三条剖面过压裂点剖面图；
图4是利用本发明的微地震压裂监测方法进行压裂监测获得的一条剖面实例图。
附图标记说明：
1：地面检波器
2：新井压裂裂缝区域
3：煤系地层；
4：老井早期压裂裂缝区域。
5：压裂井
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
实施例1
图1为本发明的微地震压裂监测方法的一个实施方式的流程图。根据图1，该实施方式的微地震压裂监测方法包括下述步骤：
步骤1：按照大于压裂裂缝长度和宽度范围的基准，在压裂点对应地面布设面积性的阵列式震动采集装置，点线距依赖于测量精度进行设定。应用采集装置采集随机震源和压裂裂缝形成所产生的震动信号，形成阵列式数据采集集和。
步骤2：对采集数据进行预处理和傅里叶变换，得到频率域数据集。
步骤3：将频率域数据依据地震波速度和相应转换规则转换成深度域数据。
步骤4：对深度域数据进行成像处理，获得视波阻抗比率或视波阻抗三维数据。
步骤5：对上述三维数据进行地质解释，获得裂缝的分布状态信息。
实施例1中，对目的层为1450米深度的煤层气压裂裂缝监测进行了实地监测，地面布设米字型过井剖面，长度大于1.6公里，采集时间2.5小时。对采集的数据依照所述监测步骤进行了数据处理和成像、地质解释。
图2为本发明的微地震压裂监测方法的压裂监测施工技术原理图。监测检波器置于地面，地下压裂裂缝产生微地震振动波在裂缝区形成谐振效应，与裂缝自激频率相关的子波频率能量被放大传达到地面，从而被地震检波器1接收到。对谐振信号分析和处理以及成像完成对裂缝的压裂监测任务。
实施例2
实施例2为地震频率谐振压裂监测的一个实例。如图3所示，图3中左图为施工采集布设图，右图为地面微地震压裂监测三分量频率谐振高精成像的成像剖面图。该实施例2中，检波点距为100m，被动源。监测深度为2000米，纵向辨识力≤25m。压痕有效深度为1450～1550米，裂缝有效长度为南北向200～210米，东西向180米。地面布设三条过压裂井米字型测线，获得48个点压裂裂缝三分量微地震数据。对该数据的处理和成像获得了压裂点附近视波阻抗分布数据图，由该数据图能够获得裂缝缝高、缝长和水平涉及范围等信息。在该实例中，非常精确地确定了压裂裂缝的水平范围和涉及的裂缝高度(包括裂缝未张开尾端)。
图4是利用本发明的微地震压裂监测方法进行压裂监测获得的一条剖面实例图。图4中，上图为反射地震图，纵坐标为时间，中部的线为压裂井，其剖面为反射地震勘探剖面，下图为过井剖面上展示的频率谐振视波阻抗剖面图，纵坐标为深度。在压裂点附近可见到波阻抗明显降低，附近老井压裂造成的波阻抗降低现象也很明显。上下两图均可见到断层分布。
对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述导引，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用震动传感器采集地下介质形成裂缝时所发出的震动信号时间序列数据Г(t)；
步骤2，将所述步骤1采集的所述时间序列数据Г(t)经过预处理和傅里叶变换成频率域数据Г(f)；
步骤3，对经过所述步骤2处理后的所述频率域数据Г(f)依照所应用的弹性波速度和深度转换规则转换成深度域数据Г(d)；
步骤4，对经过所述步骤3所获得的所述深度域数据Г(d)进行成像处理，获得波阻抗比率或波阻抗数据Image(d)；
步骤5，对所述步骤4所获得的所述波阻抗比率或所述波阻抗数据Image(d)进行压裂监测地质解释。
2.根据权利要求1所述的基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其特征在于，所述步骤1采集的是弹性波单一分量数据，深度域数据Γ(d)＝Amp(d)为单一分量谱振幅。
3.根据权利要求1所述的基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其特征在于，所述步骤1采集的是多分量数据，将多个分量进行矢量合成得到深度域频谱振幅。
4.根据权利要求1所述的基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其特征在于，所述震动传感器的频率F0满足如下条件：
F0<V0/(4D)
其中V0为地层震动的平均速度，D为目的层深度；
所述步骤1中采集得到的地震信号的时间长度大于10/Fmin，所述步骤1的数据采样时间间隔ΔT满足：
Figure QLYQS_1
其中，Fmin为最低频率，Fmax为最高频率。
5.根据权利要求1所述的基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其特征在于，所述步骤1中的所述震动传感器布设在压裂点对应的地面位置，所述震动传感器覆盖的水平面积大于预估计的裂缝所形成的水平范围。
6.根据权利要求1所述的基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其特征在于，所述步骤2中的所述预处理包括野值剔除、自动增益。
7.根据权利要求1所述的基于频率谐振的微地震压裂监测方法，其特征在于，其还包括：根据下述公式由所述步骤4中所获得的波阻抗数据Image(d)获得视波阻抗：
Ω(i+1)＝Ω(i)Image(i)
其中，Ω为视波阻抗，i为地层序号，Image为深度域的视波阻抗比率。
8.根据权利要求1所述的微地震压裂监测方法，其特征在于，所述方法在压裂前、压裂过程中、或者压裂后实施。
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