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背景地震成像技术在非常规油气藏全生命周期内的应用【SPE干货】

背景地震成像技术(Ambient Seismic Imaging),作为最近发展起来的新技术,可以在非常规油气田整个生命周期内为油田持续提供有价值的信息。

该技术由GGS公司(Global Geophysical Services)研发,能够为勘探、开发方案设计、压裂和多次压裂设计、油藏经营管理、产量预测和油藏评价提供新的视野。

背景地震成像还可以用于常规油藏监测,包括水驱、二氧化碳埋存、储层稳定性和油藏水侵等。此外,在地热系统研究和诱发地震活动监测中也能发挥作用。


许多人认为术语“背景地震”(ambient seismic)(对人工或天然的地震事件进行成像)与术语“微地震”(对震级小于等于0的地震进行成像,即微震或MEQs)是同义词。但是随着对天然和诱导地震事件的理解不断加深,以及新的成像技术和分析方法的出现,上述两个术语的不同之处便逐渐凸显出来。

微地震技术通常采用经典的地震学方法来定位微震,即利用了极化角和P/S波的初至时间。因此,术语“微地震”指的是仅仅应用于微震事件的技术方法,而该方法长期以来被压裂工程师和开发地质学家们所熟知。

然而近年来的研究发现,在压裂施工中,大部分辐射的地震能量属于地震现象,而不属于微地震。这些能量的来源包括长周期长时间地震活动、长时间信号以及压裂系统中的流体谐振现象。

因为这些地震事件没有特征明显的初至波,P波和S波也没有明显的区分标志,所以传统分析方法不再适用。这些地震事件消失和衰减的时间为几分钟到几小时内,而不是在数毫秒内,因此也就不能被归类到微地震的范畴内。而且,这里可能还存在着其他没有被识别和分类的地震现象。

地震发射层析成像(Seismic emission tomography)也是利用P/S波的初至时间和极化角来定位震源的一种技术。在监测目标区域上方地面埋置检波器阵列,将成像目标区域做网格划分,根据地层速度模型计算出每个网格到地面各站点的理论走时,再根据地面接收到的信号计算每个网格的成像值。

地震发射层析成像是适用于地面微地震监测低信噪比情况的震源定位方法,现在也常用于井下监测。通过速度模型用射线追踪的方法聚焦短时间内(100ms级别)整道的能量,因此地震发射层析成像能够完成多种地震事件的成像,这其中包括MEQs、LPLD、LDS、流体谐振以及可能存在的未知现象。

每个时间节点经过该方法处理后会产生一个关于地震事件的体素化的深度域成像。从独立的时间节点中定位出的微地震事件,因为其代表了短时高能事件,因而被称为“代理震源(proxy hypocenters)”。但在传统方法中,这些微地震事件并不能被准确识别。

在扩展的时间周期中对地震发射层析成像时间节点进行叠加(从分钟累计至小时再至天),可以形成具有高信噪比(S/N)的三维累积地震活动图像。其高信噪比主要得益于两个主要因素:一是空间内的稳定信号叠加,二是在叠加过程中随机干扰得到极大的削减(在进行能量聚焦处理之前,即在射线追踪阶段时应该消除规则干扰波的影响)。 

▲裂缝层析成像(Tomographic Fracture Image)

从这些成像体中提取的天然裂缝面和人工裂缝面都被称为裂缝层析成像(Tomographic Fracture Image)。由于这些裂缝面上的地震活动具有间歇性,因此为了得到裂缝成像,需要对较长时间区域进行叠加计算。

在钻井前、钻井后以及压裂后,都可以生成基于地震发射层析成像方法的叠加结果和数据群,其具体应用为:

在钻井前,用以确定声学活跃裂缝区域,这些区域可能是非常规油气藏的甜点区位置所在。

可以直接对储层改造体积(stimulated reservoir volume)、人工裂缝以及压裂诱导的天然裂缝进行成像。

对压裂后的可动生产体积(active production volumes)进行成像。
裂缝成像成果可直接导入进离散裂缝网络模拟中,也可以在反演运算后用于确定油藏应力。

钻前成像 


背景地震成像可以为勘探和开发设计提供重要的钻前信息。
这一时期背景地震活动主要是地球本身产生的持续性背景地震活动。

基于地震发射层析成像的地震活动叠加方法,可以应用于压裂监测前,利用地面埋置的检波器排列接收信号,从而处理得到背景地震成像;也可以用于三维反射波勘探中的安静期监测(quiet-time monitoring)。

因为天然裂缝上的剪切应力与裂缝的导流能力和地震活动之间总体呈正相关,因此背景地震成像能揭示可能会具有高导流能力和高裂缝渗透率的裂缝区域和岩石体积。背景地震活动的水平越高,压裂后的裂缝渗透率也就可能越高。

在目前的项目中,钻前背景成像中高度活跃的裂缝区域和岩石体积所反映的通常是常规压裂油藏中的增产区、钻井漏失区、低破裂压裂区、以及相邻井出现裂缝的可能性。

模拟监测 

利用压裂过程中所记录的信号,可以对由压力变化激发的裂缝网络直接进行成像。压裂过程成像可以提供直观的储层改造体积范围、诱导主裂缝面以及压裂产生的天然裂缝网络。当然还有一些其他的成果和数据。

在这里,储层改造体积定义为在压裂过程中,与井筒相连通的高地震活动性体积。该体积由对压裂体积统计确定的临界值决定。

▲图1 马塞勒斯页岩井某级压裂施工中储层改造体积斜视图。储层改造体积在图中用半透明云团表示,而棋格状的裂缝层析成像用灰度表示。该图比例尺为1网格=500英尺(水平距离,约152.4米)。位于云团内的棋格状裂缝成像代表了地震事件活跃度最高的层面。图中所得的储层改造体积和裂缝面,都对整个压裂施工过程中整道能量直接成像的结果,而不是简单的位于微震源周围的能量插值线或包络线。彩色色度表示了整个压裂施工中累积地震活动性的高低,红色为最高,紫色为最低。棕色部分表示了水力压裂过程激发的,单体素厚度的天然裂缝网络切片。

图1中所示半透明彩色云团即表示储层改造体积。裂缝面则是从储层改造体积云团中抽取出来的具有高累积地震活动性的面,并在云团中用灰度表示。

图1中还展示了裂缝层析成像中的一个水平切片,该切片呈现了大范围区域内的地震活跃的天然裂缝网络。该大范围成像图在时间步里计算了该区域面内的所有体素。图中所示裂缝层析成像为快速裂缝层析成像,层面厚度为单个体素厚度。

产监测 

尽管与储层改造体积概念类似,但可动生产体积(active production volume)指的是生产过程中地震活跃的油藏体积。在压裂施工后的数周、数月或者数年时间里,可以应用同样的成像方法对裂缝网络和可动生产体积进行成像。

▲图2 压裂改造体积和可动生产体积成像图。图中所示为图1所示井的一个储层改造体积图和两个可动生产体积图。所有的成像图均为位于平均井筒深度处的单体素厚、地图视图切片。成像比例尺为1网格=500英尺。图中,位于右侧的图1井(图2中黑色井筒)始终先于左侧井(灰色井筒)钻井和压裂。彩色色度表示了整个压裂施工中累积地震活动性的高低,红色为最高,紫色为最低。(a)图代表储层改造体积切片;(b)图为右侧井压裂生产数月后,左侧井压裂前的可动生产体积切片;(c)图为左侧井压裂后,右侧井的可动生产体积切片。由(c)图中可发现,在沟通两口井的天然裂缝网络区域,右侧井的地震可动生产体积明显减小,同时还伴随着产量的下降。

图2中,对同一口井在压裂时、生产时、以及相邻井压裂后的情况进行了对比。正如所预期的,可动生产体积要明显小于储层改造体积。但是出乎意料的是,相邻井的压裂施工却会导致该井可动生产体积的明显下降,并伴随着与体积下降程度成比例的产量下降。

虽然单个可动生产体积成像可以通过埋置表层检波器排列来获得,但如果要对图2所示的所有生产监测类型进行重复性的操作,那么更经济的选择是采用永久浅层排列埋置(通常埋置深度在22.86m~ 91.44m)。同时,为了使不同时间所获得的成像结果具有可对比性,其排列形式应保持一致。

技术应用 

累积地震活跃区体积、储层改造体积、可动生产体积以及裂缝层析成像都可直接应用在开发、完井和生产中。其具体表现在:

在钻前识别裂缝发育区,从而进行合理的利用或规避调整压裂区域的压裂施工方案

根据裂缝长度、储层改造体积和可动生产体积确定最佳井距

明确井与裂缝之间的相互作用关系

为开发方案设计绘制油藏级别的裂缝流动网络

更进一步的应用为,使用成像图进行裂缝模拟、油藏模拟以及应力反演。这些应用需要的主要资料为累积地震活跃区体积和裂缝层析成像。

裂缝层析成像可直接从累积地震活跃区体积中抽取的,最终形成的是棋盘格形的裂缝面。该棋格面是由具有公共边的平三角组成。图1所示位于储层改造体积云团中的裂缝面即为一个棋盘格型的裂缝层析成像例子。

每个三角面元里面都存有面积、方位、累积地震活动、以及地震活跃时间的信息,这些信息可以采用未申请专利且具有广泛接受度的TSurf文件格式进行导出。这样,面元信息就可以导入到方位角统计、离散裂缝网络模拟、岩土力学以及三维可视化软件中进行应用。

在进行离散裂缝网络裂缝模拟和离散裂缝网络油藏模拟时,会同时使用累积地震活跃区体积和棋格裂缝层析成像面进行约束。裂缝层析成像面元中所包含的裂缝方位和密度数据可用于校正随机离散裂缝网络建模中的裂缝总数。裂缝层析成像和累积地震活跃区体积还会用以约束模拟中所使用的裂缝区域密度。

此外,裂缝层析成像还可以直接导入进离散裂缝网络模拟器,并作为离散数据使用。这些应用都能提高全油藏数值模拟的精度,从而更好地进行油藏评价、产量预测、压裂施工方案设计和开发方案设计。

最近,一种新的应用方法是利用滑动趋势分析技术对裂缝层析成像进行反演,从而得到油藏应力。面元内储存的累积地震活动性与滑动趋势大小紧密相关。

通过程序算法对主应力方向和相对大小值进行搜索,使通过应力计算得到的滑动趋势与已有的滑动趋势尽可能相同。如果某一方向的应力大小已知,那么相对应力值就可以转化为绝对值。假如表层有密度测井数据,则可以较容易地算出垂向应力。

总的来说,目前背景地震成像技术不再仅局限于微地震,而可以对某一时期内的累积背景地震活动进行成像,这是大量油藏特性描述技术的基础。这些技术将在整个油田开发生命周期内持续发挥作用,为油田的开发生产提供有价值的信息。

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