页岩气开发过程中人工水压裂诱发的微地震井下监测方法研究

China is now known to have the largest shale gas reservoir in the world, about 12 times of the conventional gas reservoir. However, gas shale is characterized as low porosity and low permeability. To develop shale gas, hydraulic fracturing is required to create fractures for the gas to move within the reservoir. Whether fractures are created properly directly affects how effective the shale gas is extracted. At the tip of fracture created by hydraulic fracturing, there exist significant shear stresses that cause local instability and thus induce microearthquakes. Therefore, from the spatial distribution of microseismic events and their source properties, we can infer the geometry size and distribution of fractures and how they are created. For microseismic monitoring, it mainly involves four aspects: microseismic event detection, microseismic event location, microseismic focal mechanism determination and microseismic tomography. To develop advanced methods for the downhole microseismic monitoring of gas shale fracturing, we must take into account the linear distribution of downhole geophones and the strong velocity anisotropy of gas shale. We propose to develop comprehensive signal processing methods to reliably detect weak microseismic events, to develop new double-difference seismic location method including both travel time and azimuth angle information, to develop double-difference seismic tomography method to determine anisotropy properties of gas shale reservoir, and to develop full waveform matching methods to determine focal mechanisms of microsesimic events.

中国页岩气储量目前位居世界首位，是常规天然气储量的大约12倍。但页岩气储层具有低空隙度和低渗透率的特点。为了开发页岩气，必须利用水压裂技术产生裂缝以使气体流动。压裂的效果直接影响页岩气开采的效率，因此必须对压裂过程进行监测。压裂产生的裂缝尖部存在一个大的剪切应力，导致局部的不稳定性而诱发微地震。因此利用微地震的分布特征和震源性质可以刻划裂缝的空间分布、发育过程和产生机理。微地震的研究包括四个方面：微震检测，微震定位，微震震源机制确定和微震成像。页岩气水压裂的井下微震监测具有两个特点，一个是井下检波器的布设一般成线性分布，另一个是页岩具有很强的速度各向异性。因此必须针对这两个特点发展合适的算法。我们计划发展综合的信号处理方法以可靠地检测微弱微震事件，发展利用地震走时和方位角信息的双差地震定位方法，利用微震信号本身通过地震成像确定介质的各向异性参数，和发展全波形匹配的算法确定震源机制。

中国页岩气储量目前位居世界首位，是常规天然气储量的大约12倍。但页岩气储层具有低空隙度和低渗透率的特点。为了开发页岩气，必须利用水力压裂技术产生裂缝以使气体流动。压裂的效果直接影响页岩气开采的效率，因此必须对压裂过程进行监测。压裂产生的裂缝尖部存在一个大的剪切应力，导致局部的不稳定性而诱发微地震。因此利用微地震的分布特征和震源性质可以刻划裂缝的空间分布、发育过程和产生机理。对于井下微震监测，检波器的布设一般成线性分布，另外页岩具有很强的速度各向异性，因此必须针对这两个特点发展合适的算法。本项目针对微弱微震事件检测，微震定位，微震震源机制确定和微震速度和结构成像这四个方面展开研究。我们发展了综合的信号处理方法以可靠地检测微弱微震事件，包括基于特征函数的事件检测方法和波形匹配方法。 针对井下传感器线性布设的特点，我们发展了包含方位角信息的双差地震定位算法提高微震的相对定位精度。为了提高地震定位的精度，我们发展了利用射孔信号的台站对走时差数据并结合差分进化算法确定1D速度模型的算法。更进一步，我们提出利用微震不同类型的到时确定VTI模型的各向异性参数。基于方位角的约束，我们把双差地震成像算法扩展到井下微地震监测确定由于水力压裂导致的储层物性变化。基于微地震波形中包含的散射波信号，我们提出利用井下微地震偏移成像的方法确定水力压裂导致的裂缝分布。 在以前工作的基础之上，我们进一步发展了全波形匹配确定震源机制的算法，新的算法基于差分进化算法可有效确定震源矩张量机制。基于研发的这些算法，我们分别对一套页岩气开发地面微地震监测数据和一套页岩气开发井下微地震监测数据进行了处理和解释。与传统算法相比较，新的算法可以检测出更多的微地震事件，提高微地震定位的精度，并且可以确定由于压裂导致的储层物性变化。利用新的算法，可以更有效地利用微地震监测数据对水力压裂过程进行监测，提高页岩气开发的效率。