水力压裂微地震监测技术国内外现状_赵争光.pdf

水力压裂微地震监测技术水力压裂微地震监测技术 国内外现状国内外现状 赵争光赵争光 Zhengguang Zhao Centre for Geoscience Computing School of Earth Sciences zhengguang zhao au October 2016 汇报提纲 六微震监测应用领域 三国内外微震监测市场分析 二微震技术发展历程 一微地震监测原理 五国内微震公司软硬件配置 四国外微震公司软硬件配置 Microseismic 3D Seismic Hydraulic Fracture 2016 10 28 微地震监测原理 概念 水力压裂 利用水力压裂方法改造油气储 层性质 已经逐步成为油气田 开发 尤其针对低渗透油气藏 的一项重要技术手段 准确获 取压裂过程中裂缝的位置 方 位 尺寸等信息 对于优化压 裂施工 指导井网部署 油藏 动态管理以及提高采收率等方 面都具有重大意义 水力压裂示意图 2016 10 28 微地震监测原理 概念 微地震 裂缝尖端形成很大的张应力并由此形成大量 的剪切应力 孔隙压力和地层压力会随之增 大 并影响水力压裂周围的不牢固表面 如 天然裂缝和薄层 的稳定性 从而使它们发 生剪切错动 这些剪切错动和沿断层面的天 然地震类似 所以被称为 微地震 微地震监测 Microseismic Monitoring 是目前压裂施工过程中应用最广泛的一项监 测技术 该项技术利用了对储层进行水力压 裂的过程中会诱发大量微弱地震 通过接收 这些微地震信号并进行震源作图 可得到裂 缝的方位 长度 高度及缝型等参数 微地震监测示意图 MicroSeismic Inc 2014 2016 10 28 微地震监测原理 概念 岩石破裂声发射实验 据Bohnhoff et al 2010 美国内华达州火山灰凝灰岩矿井试验中水力裂 缝因天然裂缝发生偏移 据Fisher 2011 2016 10 28 微地震监测原理 各种监测方式对比 2016 10 28 水力压裂微地震监测 地面监测 星形排列 FracStar Patch Array 标准网格 台站式 井下监测 浅井监测 BurriedArray 水力压裂微地震监测观测系统 图片来源 美国MicroSeismic公司 微地震监测原理 监测方式 2016 10 28注 以上图片均来自 美国MicroSeismic公司 微地震监测原理 监测方式 地面微地震监测观测系统 FracStar 井下微地震监测观测系统 浅地表微地震监测观测系统 BurriedArray 2016 10 28 采集参数 200个三分量检波器 间距 250m 覆盖面积 11km2 高灵敏度 1500V m s 带宽 0 025 100Hz 左图 Spectraseis地面台站式监测观测系统 下图 其中一条测线剖面微震事件 5 90Hz滤波 Birkelo et al 2012 微地震监测原理 国内地面主要监测方式 2016 10 28 观测方式观测方式 对比项目对比项目 井下观测地面观测浅井观测 仪器要求高低低 检测周期短期短期 长期长期 检测范围小大大 数据质量好差较好 可操作性复杂简便复杂 成本花费高低高 微地震监测原理 监测方式对比 微地震监测目前主要采用两种监测方式 即井下监测 地面监测和浅地表监测 来源 谭玉阳 2016 汇报提纲 六微震监测应用领域 三国内外微震监测市场分析 二微震技术发展历程 一微地震监测原理 五国内微震公司软硬件配置 四国外微震公司软硬件配置 Microseismic 3D Seismic Hydraulic Fracture 2016 10 28 微震技术发展历程 1920s 1940s 1970s1980s2000 1990s 19261926年 美年 美 国国TexasTexas的的 Goose GreekGoose Greek 油田因采油而油田因采油而 引起地面下陷 引起地面下陷 并诱发地震并诱发地震 采矿业从采矿业从2020世世 纪纪4040年代以来一年代以来一 直在做微震 震直在做微震 震 级小于级小于0 0 监测 监测 并进行相关研究并进行相关研究 ThillThill 19721972 得出结论 脆性得出结论 脆性 岩石里微震发射岩石里微震发射 是小裂缝生成触是小裂缝生成触 发的 发的 19731973年 年 AMOCOAMOCO公司公司 首次地面微震监测试首次地面微震监测试 验 试验失败验 试验失败 19761976年美国桑地亚年美国桑地亚 国家实验室试验用地国家实验室试验用地 面观测方法 失败面观测方法 失败 19761976年年3 3月 美国洛月 美国洛 斯阿拉莫斯国家实验斯阿拉莫斯国家实验 室开始井下微震观测室开始井下微震观测 研究的现场工作 成研究的现场工作 成 功功 8080年代初 摆脱年代初 摆脱 地面监测失败影地面监测失败影 响 确立了水力响 确立了水力 压裂诱发微震的压裂诱发微震的 井下观测方法井下观测方法 2020世纪世纪8080年代中期 年代中期 水力压裂裂缝的井中水力压裂裂缝的井中 微震成像方法已得到微震成像方法已得到 石油工程专家的充分石油工程专家的充分 肯定肯定 2020世纪世纪8080年代 微震年代 微震 监测研究集中在 建监测研究集中在 建 立水力压裂裂缝空间立水力压裂裂缝空间 图像的方法上 包括图像的方法上 包括 微震观测方法的完善 微震观测方法的完善 数据处理方法的发展数据处理方法的发展 及专门仪器的改进及专门仪器的改进 2020世纪世纪9090年代初 已年代初 已 发展到高性能多级检发展到高性能多级检 波器串 如波器串 如5050级检波级检波 器串器串 2020世纪世纪9090年代后期 年代后期 微震绝对定位误差仅微震绝对定位误差仅 为为12 40m 12 40m 裂缝走向裂缝走向 方位角精度为方位角精度为2 62 6度度 Kiselevitch Kiselevitch 等等 19911991 研究出地面 研究出地面 微地震监测方法 称微地震监测方法 称 其为 发射层析成其为 发射层析成 像 像 Kiselevitch Kiselevitch 等等 19911991 利用发射层 利用发射层 析成像技术成功勘探析成像技术成功勘探 到冰岛地热田到冰岛地热田 2121世纪初 井中微世纪初 井中微 震监测绝对定位误震监测绝对定位误 差已降到差已降到10m10m以下以下 RutledgeRutledge等 等 20032003 20042004年 首次用年 首次用 地表检波器排列发地表检波器排列发 射层析成像技术监射层析成像技术监 测测BarnettBarnett页岩气页岩气 水平井水力压裂水平井水力压裂基础研究 地面监测地面监测 井中监测 基 础 理 论 研 究 基 础 理 论 研 究 先 导 试 验 与 工 业 应 用 先 导 试 验 与 工 业 应 用 地面地面监测监测 井中监测井中监测 地面地面监测监测 历程 2016 10 28 里程碑事件 EAGE 欧洲地球物理学会 已经召开六届被动地震国际研讨会 第四次被动地震Workshop于2013年3月17日晚在荷兰阿姆斯特丹召开 持续到20日 共三天半 会议中 HESS公司的高级顾问Craig L Cipolla和壳牌公司的高级顾问S Oates都肯定了微地震监 测技术在油气开发尤其在非常规油气开发中所起的作用 并且提出了长期动态监测将是未来的工 作重点及发展趋势 得到与会代表的广泛认可 美国阿帕奇公司的首席地球物理学家W Heigl提出了目前是微震时代 Microseismic Comes of Age 的口号 并高度总结了目前微地震监测技术的应用现状和发展趋势 微震技术发展历程 里程碑事件 2016 10 28 里程碑事件 2004年 MicroSeismic公司在Barnett页岩气井增产改 造储层时首次用地表检波器排列发射层析成像技术监测 水平井水力压裂并获得巨大成功 Lakings et al 2006 Peter M Duncan 在美国石油工业界及学术界力推 FracStar 2003 04年度美国勘探地球物理学家协会 Society of Exploration Geophysicists SEG 主席 2014年推出EventPick井下监测服务 2015年推出AlertArray压裂地质灾害风险预警监测服务 微震技术发展历程 里程碑事件 Peter M Duncan于2014年在北京CPS SEG国际会议上演讲 2016 10 28 SEG 美国勘探地球物理学家协会 第一届微震技术国际研讨会于 2014年8月17日至22日在北卡Asheville召开 吸引大量美国加拿大 及中国高校 微震服务企业参加 微震技术发展历程 里程碑事件 2016 10 28 2014年 SEG出版Shawn Maxwell著 Microseismic Imaging of Hydraulic Fracturing Improved Engineering of Unconventional Shale Reservoirs 一书 2015年 中石油东方物探专家翻译成中文 非常规储层水力压裂微地震成像 Shawn Maxwell 先后在 Schlumberger 和 Itasca 就职 目前负责 Itasca 在卡尔加里的 IMaGE 中心 微震技术发展历程 里程碑事件 2016 10 28 数据采集 数据处理 数据解释 引自Itasca Consulting 速度建模 滤波降噪 震相拾取 频谱分析 震源定位 震源机制反演 微震技术发展历程 内涵 一 体 化 汇报提纲 六微震监测应用领域 三国内外微震监测市场分析 二微震技术发展历程 一微地震监测原理 五国内微震公司软硬件配置 四国外微震公司软硬件配置 Microseismic 3D Seismic Hydraulic Fracture 2016 10 28 国内外微震监测市场分析 市场分析 北美 全球最大的压裂市场 每年大约25000口井的工作量 美国2009年共进行了约75000个压裂段的施工 其中大约3 的压裂段进行了微地震监测 Zoback et al 2010 中国 全球第二大压裂市场 WorldOil预测2016年中国 15800 钻井数量可能首次超过美国 14430 小于10 的压裂作业进行微地震监测 页岩气井口口监测 未受国际油价暴跌影响 汇报提纲 六微震监测应用领域 三国内外微震监测市场分析 二微震技术发展历程 一微地震监测原理 五国内微震公司软硬件配置 四国外微震公司软硬件配置 Microseismic 3D Seismic Hydraulic Fracture 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 综述 监测服务商监测服务商 Schlumberger 法国 法国 MicroSeismic Inc 美国 美国 ESG Solutions 加拿大 加拿大 Pinnacle 美国 美国 Global Geophysical Company etc 软件提供商软件提供商 ASC 英国 英国 InSite软件 目前国内外应用最广泛的微震数据处理软件软件 目前国内外应用最广泛的微震数据处理软件 Transform 美国美国 Transform 微震处理微震处理 解释软件解释软件 IHS 美国 美国 SMT Kingdom 综合解释系统综合解释系统 Paradigm 美国美国 SKUA 综合解释系统综合解释系统 etc 硬件提供商硬件提供商 OYO Geospace 美国 美国 Sercel iSeis 美国 美国 Wireless Seismic 美国 美国 etc 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 监测服务商 2016 10 28 据李磊 2015 截至2015 10 国外微震公司软硬件配置 监测服务商 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 监测服务商 Schlumberger公司 井下监测 StimMAP为主 地面监测 MS Recon Aquisition 压裂作业与监测绑定 图片来源 Schlumberger公司 斯伦贝谢MS Recon地面采集系统及微震监测结果 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 监测服务商 MicroSeismic 公司 地面监测 FracStar 浅地表监测 BurriedArray 井下监测 EventPick 作业量 20000段 50 个BurriedArray永久监测 服务全球18个国家 全球顶级专家 Leo Eisner 图片来源 美国MicroSeismic公司 左 典型地面监测星形排列 下 微震监测结果三维视图 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 监测服务商 ESG Solutions 公司 加拿大公司 井下监测 地面监测 以矿震监测起家 服务最全面 覆盖 矿震监测 水力压裂监测 套损监测 CO2封存监测等 2014年 收购Spectraseis公司 图片来源 ESG公司 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 监测服务商 Pinnacle 公司 Haliburton收购 自从2001年以来 Pinnacle公司使用井下微地震监测技术已经成功地对3000口水力压裂作 业进行了裂缝成像监测 如今 Pinnacle公司占据全世界80 的水力压裂裂缝成像市场 包 括100 的测斜仪 tiltmeter 成像和超过70 的微地震裂缝成像 在井场 Pinnacle可提供经验丰富的微地震团 队以及石油工程师来帮助客户根据实时成像结 果做出决策 Pinnacle的交付成果包括微震波位置 交互 的三维视图软件 一份包含建议的正式报告以 及一份地球物理质量控制报告 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 软件提供商 英国ASC公司 InSite 国内外微震行业通用软件 国内公司广泛采购 被ITASCA收购 卡尔加里 IMaGE 微地震地质力学 Microseismic Geomechanics 全球顶级专家 Shawn Maxwell 图片来源 ASC公司 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 软件提供商 英国ASC公司 InSite RockVisioner波形显示InSite Viewer 波形显示 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 软件提供商 Paradigm公司SKUA GoCAD 微震裂缝建模 SRV建模 基于多种算法 综合三维可视化 SKUA软件微震裂缝建模 URTeC 2153402 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 软件提供商 Paradigm公司SKUA GoCAD SKUA三维可视化界面SKUA软件SRV建模 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 硬件提供商 GEOSPACE 公司 GeospaceGeospace Technologies Technologies 是世界领先的高精度传感器制造商 其产品广泛应用于岩土 机械和安全领域 包括是世界领先的高精度传感器制造商 其产品广泛应用于岩土 机械和安全领域 包括 低频地震检波器 固体振动检波器和工业震动传感器低频地震检波器 固体振动检波器和工业震动传感器 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 硬件提供商 GeoRes Downhole System 指标 多达96道 当采样率为1 4 ms时 灵活的层距 3 5 6 9 和15米 24位井下数字化 超高采样率 1 4 1 2 1 2 4ms 超低本底电子噪声 超高速光缆数据传输可连续地实时记录 12Mbps 强共振 650 井下DDS 250 三分量检波器梭 高输出双元全方向检波器Omni2400可获得任何方向的准确速度 2016 10 28 井下安装井下安装 国外微震公司软硬件配置 硬件提供商 2016 10 28 国外微震公司软硬件配置 硬件提供商 iSeis 公司 微震监测无线 WiFi 实时数据传输系统 Sigma采集站 国内外微震行业广泛使用 图片来源 iSeis公司 汇报提纲 六微震监测应用领域 三国内外微震监测市场分析 二微震技术发展历程 一微地震监测原理 五国内微震公司软硬件配置 四国外微震公司软硬件配置 Microseismic 3D Seismic Hydraulic Fracture 2016 10 28 国内微震公司软硬件配置 公司名称公司名称微震软件微震软件备注备注 中石油东方物探BGPGeoEast ESP 具备微地震地面 浅井和深井监测的采集设计 实时处理 解释功能 中石油川庆物探GeoMonitor 具备微地震地面 浅井和深井监测的采集设计 实时处理 解释功能 中国石化SinopecFrac Listener地面 井下监测实时处理 解释功能 国企 2016 10 28 中国石油集团于2012年成功推出了基于GeoEast ESP平台和基于GeoMountain平台 具有自主知识产权 具备工业 化生产能力的微地震实时监测软件系统 拥有采集设计 处理 解释 油藏建模等一体化服务功能 实现了中国石油 集团微地震监测软件从无到有的跨越 其中东方物探自主研发的GeoEast ESP微地震实时监测系统从采集到处理解释 软件整体配套 功能完善 东方物探 东方物探 GeoEast ESP 川庆物探 川庆物探 CQ GeoMonitor 基于GeoMountain平台 国内微震公司软硬件配置 自主研发 2016 10 28 国内微震公司软硬件配置 国内引进 公司名称公司名称微震软件微震软件微震硬件微震硬件 胜利井下 1 FracSeis 自主研发 2 InSite 处理系统 3 SMT解释系统 1 美国OYO Geospace公司GeoRes Image ST D井 间地震采集仪器一套 16支数字井下仪器 2 法国Sercel公司Geowaves地面仪器 32支数字井 下仪 中石化河南分公司InSite 2012年河南分公司在在从法国Sercel公司引进了 Geowaves16级井中地震采集系统 川庆物探 1 InSite 处理系统 2 SMT解释系统 3 Coviz事件分析软件 拥有OYO GEOSPACE公司GEORES 采集系统两 台 套 井下 三分量 数字检波器 105级 拥有 与 GEORES 采集系统配套的光缆绞车两台套 汇报提纲 六微震监测应用领域 三国内外微震监测市场分析 二微震技术发展历程 一微地震监测原理 五国内微震公司软硬件配置 四国外微震公司软硬件配置 Microseismic 3D Seismic Hydraulic Fracture 2016 10 28 微震监测应用领域 应用领域 水力压裂监测 长期油气藏监测 低频地震油气藏勘探 矿震监测 岩土工程监测 CO2封存监测 2016 10 28 微震监测应用领域 CO2封存监测 日本九州大学的学者利用微震技术干涉成像法成功探测CO2流体运移 采用的是地面台站式监测 鉴于日本天然地震研究的 前沿性与专业性 这篇2015年SEG会议论文值得深入研究 如果微震可以探测地下流体运移 这和国外搞的低频油气藏勘探 类似 而不仅仅是破裂位置 那么微震的应用场景又可以扩展到一个或多个全新的领域 Tsuji et al 2015 2016 10 28 结束语 2016 10 28 References Bradley Birkelo Konrad Cieslik Ben Witten Summer Montgomery Brad Artman David Miller and Mark Norton 2012 High quality surface microseismic data illuminates fracture treatments A case study in the Montney The Leading Edge 31 11 1318 1325 doi 10 1190 tle31111318 1 Bohnhoff M Dresen G Ellsworth W L Ito H 2010 Passive Seismic Monitoring of Natural and Induced Earthquakes Case Studies Future Directions and Socio Economic Relevance New Frontiers in Integrated Solid Earth Sciences International Year of Planet Earth Springer 261 285 K Fisher and N Warpinski Hyd