微地震监测与模拟技术在裂缝研究中的应用

论文摘要

油田注水和压裂微地震实时监测是目前国内外方兴未艾的研究热点课题,在油田的推广应用中主要面临着如何实现自动化监测、提高系统灵敏度和实时精确定位的难题。为此研制了一套以三分量MEMS检波器为核心硬件的微地震监测系统,并结合GPS系统对监测过程进行精确授时。同时编制数据化记录和处理软件,实现网络化自动监测功能,通过开发计算机判别标准和实时定位理论系统,对数据和微震源进行自动化处理和计算。利用本系统对花岗岩单轴压裂过程的声发射事件进行了研究。由于当岩石受力变形和断裂时会产生声发射现象（弹性波）,因此对其声发射事件的分析可用来研究岩石裂纹形成机制和断裂过程。研究发现岩石试样破裂失稳可划分为四个过程。在整个应力加载过程中,发现声发射事件次数随岩石应变呈增长趋势,后在岩石发生宏观断裂前呈减少趋势;声发射能量一直呈增长趋势,在岩石宏观断裂时达到最大;其声发射信号的频率一般为:0-800Hz;研究同时也表明可通过统计声发射事件数量来判断现场实际应用中岩石断裂发生几率,也可通过对事件本身的定位（微震源定位）来研究岩石断裂位置,因此这套系统可应用于煤矿、水库、和油田压裂等微地震的监测。利用该系统对东辛油田营11进行了六个月现场注水微震监测,对监测数据的处理表明营11注水区域裂缝发育方向基本上为NE90°-NE125°;同时营11地区油藏地应力数值模拟结果分析表明其水平最大主应力的方向主要分布在NE90°-NE130°的范围内,研究范围中西北区块的水平最大主应力方向近似为东西向,研究区块的东部边界的水平最大主应力方向近似为NE130°左右,模拟结果与裂缝监测方位相符较好,两者结合给出了这个地区合理开发部署建议。裂缝误差分析表明监测结果可以控制在一个合理的范围内,监测结果表明系统还应该进一步提高监测灵敏度和完善算法功能,以符合在低渗透油田开发管理中的推广应用。油田水力压裂是改造低渗透油气藏的重要手段,并且水力压裂的破裂能量更高,更有利于监测。在油田生产过程中,水力压裂产生裂缝有多长,裂缝朝哪个方向延伸,压裂井是否和周围的水井连通等问题在以前都无法即时直接地解决。因此利用微地震监测系统对西南油气分公司新场和马井地区进行了水力压裂监测试验,水力压裂微地震试验研究结果给出了可靠的裂缝三维图像,揭示了裂缝发育状况。同时发现水力压裂裂缝生长速率是不均匀的,在水力压裂的不同时间段,裂缝生长速率差别很大,在开始断裂的一段时间内,裂缝生长的最为迅速,而后裂缝生长速度减慢;通常裂缝两翼常常是不对称的;裂缝面基本上是垂直的。研究发现岩石破裂与晶体结构有重要关系,而储层岩石的矿物成分及晶体结构也影响了岩石的破裂,宏观及微观上岩石的裂缝都是呈Z字型发展,具体的发展模式还要看储层的岩石性质。并且水饱和对岩石的波速具有影响,一般水饱和的岩石比干燥岩石波速要大,而与油气饱和的关系有待进一步进行实验研究。水-岩化学作用对岩石的断裂也有重要的影响,一方面可以增强岩石的破裂强度,另一方面也可能降低岩石的破裂强度,具体的影响还要看岩石的结构和成分,以及地层水的化学性质。另外,地温场也能够对岩石的破裂起到一定的辅助作用,其主要表现为高温增加岩石的裂缝孔隙度,从而加剧水-岩作用。总之,本文利用自行研制的微地震监测系统对油田生产中的注水和水力压裂诱生微地震进行了监测,监测结果可以合理的解释出裂缝的发育规律,这一技术在未来油田的生产中具有重大的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 油气田微地震监测研究
• 1.1.1 微地震监测研究简述
• 1.1.2 国外研究现状及发展趋势
• 1.1.3 中国微地震监测研究
• 1.2 微地震监测的现场应用
• 1.2.1 用微地震监测技术在水力压裂时对裂缝成像
• 1.2.2 用微地震监测技术进行水驱前缘监测
• 1.2.3 用微地震监测技术进行储层描述
• 1.2.4 微地震在地应力监测中的应用
• 1.2.5 微地震监测技术在其它工程方面的应用
• 1.3 地下流体化学性质对裂缝的影响
• 1.3.1 烃类与岩石矿物之间的化学发应
• 1.3.2 水与岩石之间的化学发应
• 1.4 论文的研究意义
• 1.5 本文主要研究内容和研究工作中的一些新作法
• 第二章 岩石化学属性与裂缝预测技术优选
• 2.1 岩石化学性质与裂缝预测方法
• 2.2 岩石化学特征与裂缝定量预测的基本理论
• 2.2.1 格里菲斯破裂准则
• 2.2.2 库伦—纳维破裂准则
• 2.2.3 岩石破裂率计算
• 2.2.4 应变能密度准则
• 2.2.5 储层裂缝密度计算的二元法
• 2.3 岩石化学特征与裂缝定量预测与分布规律
• 2.3.1 岩石化学强度参数及裂缝评定标准
• 2.3.2 岩石化学性质与裂缝评定标准
• 2.4 储层化学性质与油藏裂缝系统评价
• 2.4.1 储层化学特征与裂缝成因、机制
• 2.4.2 裂缝系分类和组合模式
• 2.4.3 地化特征和构造对裂缝分布的控制因素
• 2.5 直接裂缝监测技术优选
• 2.5.1 化学监测方法
• 2.5.2 物理监测方法
• 2.6 小结
• 第三章 微地震监测系统研究
• 3.1 微地震监测硬件系统设计
• 3.1.1 微震仪设计
• 3.1.2 数据采集系统设计
• 3.1.3 硬件设计中的关键问题
• 3.2 数据采集软件开发
• 3.2.1 采集软件框架
• 3.2.2 主程序流程图
• 3.2.3 采集模块设计中的时间精度问
• 3.2.4 曲线显示流程
• 3.2.5 数据保存
• 3.3 采集系统的运行
• 3.4 GPS 授时软件
• 3.5 结论
• 第四章 岩石破裂声发射信号监测
• 4.1 室内样品和观测系统简介
• 4.2 实验过程与数据分析
• 4.2.1 实验过程
• 4.2.2 岩石断裂机制及声发射信号分析
• 4.2.3 施压过程中的噪声变化
• 4.2.4 声发射事件频率变化
• 4.2.5 声发射事件与岩石压裂损伤程度
• 4.3 地下岩石破裂机制
• 4.3.1 地下岩石破裂机制
• 4.3.2 微地震特征
• 4.4 结论
• 第五章 震源计算及数据处理方法研究
• 5.1 地面实时监测站的设立
• 5.2 震源求解方法
• 5.2.1 空间三分量极化分析
• 5.2.2 纵横波时差法
• 5.2.3 多级检波器定位
• 5.2.4 误差分析
• 5.3 微地震波形滤波方法
• 5.3.1 巴特沃斯滤波
• 5.3.2 切比雪夫滤波
• 5.4 FFT 频域分析
• 5.4.1 FFT 算法
• 5.4.2 实际波形FFT 转换
• 5.5 波初至时间拾取方法
• 5.5.1 纵横波初至时间
• 5.5.2 到时差计算
• 5.6 速度模型及微震特点
• 5.6.1 速度模型建立
• 5.6.2 现场微震的波形
• 5.6.3 微震强度
• 5.6.4 微震发生次数
• 第六章 油田注水开发微地震监测和模拟
• 6.1 区域概况
• 6.2 营11 现场监测
• 6.2.1 监测站
• 6.2.2 微震监测结果
• 6.2.3 全区域裂缝分布情况
• 6.3 注水前缘分析
• 6.3.1 监测理论
• 6.3.2 信号强度
• 6.3.3 利用微震点分析注水效果
• 6.4 营11 储层裂缝地应力数值模拟
• 6.4.1 构造应力场的数值模拟方法
• 6.4.2 油藏构造应力场数值分析平面模型的建立
• 6.4.3 主应力分布规律
• 6.4.4 平面内各向应力分布规律
• 6.4.5 应力强度和等效应力规律
• 6.4.6 裂缝对开发动态的影响
• 6.5 营11 区块建议
• 第七章 水力压裂微地震监测
• 7.1 水力压裂直接裂缝监测技术
• 7.1.1 水力裂缝的复杂形态
• 7.1.2 监测原理与地面站点布设
• 7.1.3 现场监测流程
• 7.2 现场试验工区选择
• 7.2.1 构造特征
• 7.2.2 储层特征
• 7.2.3 沉积特征
• 7.3 水力压裂与监测
• 7.4 微地震监测结果
• 7.4.1 新906-1 井的裂缝监测结果
• 7.4.2 监测揭示的裂缝生长特点
• 7.5 裂缝监测评价
• 7.5.1 裂缝发育方向与地应力的关系
• 7.5.2 天然地震资料的地应力方向分析
• 7.5.3 测井资料确定的地应力方向
• 7.5.4 岩心实验确定的地应力方向
• 7.5.5 监测裂缝与地应力
• 第八章 地层的地化特征与裂缝评价
• 8.1 地层的地化特征对岩石断裂和监测的影响
• 8.1.1 岩石晶体结构（或微结构）与岩石破裂
• 8.1.2 水饱和对地层地震波速和各向异性的影响
• 8.1.3 水-岩化学作用对岩石破裂的力学效应
• 8.1.4 现场宏观破裂分析
• 8.2 工区地层特征与裂缝评价
• 8.2.1 初始气水分布
• 8.2.2 压后储层与裂缝评价
• 8.2.3 新场气田
• 8.3 结论
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介