地层压裂声源的弹性波传播特性研究

Nowadays, hydraulic fracturing is not only the most widely used but also the most effective method in promoting the productivity of oil and gas fields as well as in the development of unconventional oil and gas fields around the globe. However, to evaluate the hydraulic fractures by measuring their geometric factors is still a difficult problem. Contemporarily, micro-seismic monitoring is proved to be the most effective way in valuing the effect of hydraulic fracturing. Though much research work has been carried out abroad, it is still a great challenge to be dealt at home. In order to study on the acoustic field characteristics that are brought by fractures with different locations to the monitoring well, this project will combine numerical simulation and physical simulation together, especially research on the polarization, amplitude and arrival properties of compressional(P) waves and shear(S) waves in the received signals from three-component sensors. We will analyze various results for statistics and characteristics. The combination of the travelling time of P/S waves, amplitude and their polarization characteristics will be applied to improve the reliability and the accuracy in the inversion of the source location. On the other hand, the source characteristics and various parameters in forward simulation will be compared to check the reliability of the research. The project will pay attention to polarization characteristics of the P/S waves and their roles in hydraulic fracture location. The result of this project is expected to have a bright future in the application of the hydraulic fracturing effect evaluating technology.

水力压裂是目前世界上油气田增产和非常规油气田开发时应用最广泛且最为有效的石油工程技术措施，而对压裂裂缝的高度、宽度和方位等压裂效果的定量和准确的评价却是一个难题。微地震方法是目前被公认为最有效的评价压裂效果的方法，在国外已经开展了大量的研究工作，但在国内还属于一个亟待研究和解决的问题。本项目拟分别通过数值模拟和物理模拟的方法模拟研究不同位置的压裂声源在不同模型地层中的监测井的不同位置产生的三分量声场特征，研究接收信号中的纵波、横波等不同模式波的偏振特性、幅度特征和到时特征，并对各种模拟结果进行特征分析和统计分析。将各种模式波的传播时间、幅度和偏振方向等信息相结合，对正演模拟数据进行压裂声源定位的反演研究并与正演时的各种参数进行对比以校验研究成果的可靠性。在本项目研究中，尤其注重研究纵横波的偏振特性及其在压裂声源定位研究中的作用。预期本项目研究成果在压裂效果评价技术中有良好的应用前景。

水力压裂是目前全球油气田增产和非常规油气田开发应用最广、最为重要有效的石油工程技术。通过监测微地震信号并反演震源位置是评价压裂效果的有力手段。国外已经开展了大量的工作并日渐成熟，国内尚处于研究热点阶段。本项目在对国内外微地震监测的调研基础上，开展了数值模拟、物理模拟和相应的压裂声源定位反演研究并与正演时的各种参数进行对比以校验研究成果的可靠性。. 建立了不同的微地震模型，采用有限差分方法对压裂声源产生的声场进行了数值模拟，分析了不同位置的压裂导致微地震源产生的弹性波场特征，研究了相邻井中微地震监测的效果。结合纵波横波的传播时间以及偏振特性等信息，追踪微地震波传播路径，反演处理得到了声源的位置并对声源定位的误差进行了分析。通过对纵波或横波偏振特性的分析可以确定微地震波的传播方向，从而达到评估压裂效果的目的。数值研究表明，结合微地震源激发弹性波的偏振特性及其纵波到时与横波到时之差，可以准确地反演声源位置。通过误差分析显示，该方法精确度很高，在200 m范围内定位误差不超过0.1 m，能够准确评价压裂裂缝扩展状态。. 在一2.7 m × 2.02 m × 30 m的长方体预制水泥块样品上物理模拟了微地震井下条件观测的压裂声源产生的声场。在实验样品上线形布置接收器阵列，分别在顶面和侧面多个点激发。实验所用的接收换能器为三分量加速度感应接收器，可同时感应到质点在x、y和z三个方向上的加速度，实验采集到了大量高价值的原始数据。对物理模拟数据进行声源定位时采用了多种方法进行反演研究，通过对物理模拟数据的处理对比发现，基于时域波形相干叠加点方法计算来自同一个声源的阵列信号相关系数，并以该系数为指标对声源位置进行成像，反演出的声源位置与实验位置接近。实验过程中对同一个激发点重复采集8次，将每次波形记录对声源进行定位，8次成像结果差距并不大，可见与基于走时方程和三分量偏振信息的定位方法相比，该方法具有更强的可靠性和准确度。. 本项目所取得的数值模拟、物理模拟的研究成果对微地震监测的反演研究具有一定的借鉴意义，尤其是物理模拟测量及其反演结果，在压裂效果评价技术中具有良好的应用前景。