基于分布式光纖同井微振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的頁巖氣水平井壓裂微地震震源位置成像

梁興,王一博,武紹江，梁恩茂，史樹有，張朝

1 中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司，杭州 311100 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,北京 100029 3 中國船舶集團第715研究所，杭州 310023

0 引言

水力壓裂技術(shù)是非常規(guī)油氣資源開發(fā)的核心技術(shù).它通過泵注高壓流體到非常規(guī)低滲透儲層產(chǎn)生復(fù)雜的人造裂縫，可以擴展儲層的連通性、滲透性并提高油氣的單井產(chǎn)量（Duncan and Eisner,2010;梁興等,2016,2017）.微地震監(jiān)測技術(shù)可以對水力壓裂儲層改造過程進行監(jiān)測和評估 （梁興等,2021,2020）.它通過分析壓裂誘發(fā)的微地震事件，評估裂縫的發(fā)育狀態(tài)并指導(dǎo)進一步的優(yōu)化壓裂作業(yè)方案，為提高壓裂效果單井產(chǎn)量，實現(xiàn)安全高效開發(fā)提供重要保障.常規(guī)微地震監(jiān)測一般可以分為地面監(jiān)測和井中監(jiān)測.這兩種監(jiān)測方式在數(shù)據(jù)采集中受到一定的限制：地面檢波器距離儲層較遠(yuǎn)且易受地面施工干擾；井中檢波器數(shù)量較少且采集方位較窄（Molenaar et al.,2012;Webster et al.,2013）.

作為一項新興的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，分布式光纖聲波傳感（Fiber-optic Distributed Acoustic Sensing，DAS）近年來得到快速發(fā)展并成功應(yīng)用于多個領(lǐng)域.DAS通過探測激光脈沖在光纖內(nèi)部散射體產(chǎn)生的Rayleigh后向散射信號的相位變化，實現(xiàn)沿光纖軸向應(yīng)變信號的測量（Karrenbach et al.,2019）.DAS技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于水力壓裂儲層改造的實時監(jiān)測.在水力壓裂監(jiān)測中，光纖沿井筒進行布設(shè)，可以獲得全井段、寬方位、高密度的實時微振動數(shù)據(jù)，為微地震分析、流體研究等提供更加豐富的信息，顯著提升對儲層改造過程的監(jiān)測和評估能力（Richter et al.,2019;Karrenbach et al.,2019;武紹江等,2022）.

震源位置是微地震的基本屬性，可以用于解釋和分析儲層中裂縫網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，為優(yōu)化壓裂提供信息（Duncan and Eisner,2010）.近年來，震源位置成像方法被廣泛應(yīng)用于微地震的震源定位分析.該方法使用數(shù)據(jù)波形對震源位置成像，無需精確的震相到時拾取，比到時類定位方法更加適用于低信噪比的微地震數(shù)據(jù).震源位置成像方法可以大致分為基于波動方程的逆時反傳方法（Gajewski and Tessmer,2005;Artman et al.,2010;王晨龍等,2013;譚玉陽等,2017）和基于Kirchhoff偏移的繞射疊加方法（Kao and Shan,2004;Schuster et al.,2004;Zeng et al.,2014;Liang et al.,2016;Wu et al.,2018）.這些成像方法一般使用加法成像條件，即將反傳波場進行相加，具有很好的成像穩(wěn)定性，但會導(dǎo)致較低的震源位置成像分辨率.研究者進一步對成像條件進行擴展，以提升震源位置成像結(jié)果的空間分辨率和穩(wěn)定性.基于乘法條件的逆時反傳方法（Nakata and Beroza,2016）將反傳波場進行相乘，可以提升成像的分辨率，但其成像結(jié)果容易受到數(shù)據(jù)中的異常值干擾.混合成像條件充分利用加法成像條件和乘法成像條件的優(yōu)勢，將兩種方法結(jié)合使用，可以獲得穩(wěn)定性和分辨率俱佳的震源位置成像結(jié)果（Zhu et al.,2019;Wu et al.,2022）.這種混合成像條件也可以進一步擴展應(yīng)用到DAS同井微地震監(jiān)測的震源定位分析.

本文首先介紹了基于水平井DAS的水力壓裂同井監(jiān)測，然后提出了基于波形包絡(luò)和混合成像條件的震源位置成像方法；最后采用合成算例和實際DAS同井微振動監(jiān)測數(shù)據(jù)開展了震源位置成像研究.

1 方法原理

震源成像方法中，首先將監(jiān)測數(shù)據(jù)u振幅歸一化處理為un；然后在任意激發(fā)時刻τ，對成像空間位置η的時差校正數(shù)據(jù)進行疊加，獲得該位置的亮度函數(shù)：

（1）

其中，tη n為空間位置η到臺站n的到時，N為臺站數(shù)量.亮度函數(shù)為遍歷所有空間位置及激發(fā)時間的四維數(shù)組，一般分析其能量聚焦程度來確定震源位置.

（2）

（3）

最后將每一組的亮度函數(shù)進行相乘，獲得基于混合成像條件的震源位置掃描結(jié)果：

（4）

上述方法中，公式（3）和公式（4）分別代表了混合成像條件的加法運算部分和乘法運算部分.

2 合成數(shù)據(jù)分析

采用實際水力壓裂監(jiān)測現(xiàn)場的DAS微振動數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)進行合成數(shù)據(jù)分析.該監(jiān)測現(xiàn)場位于昭通國家級頁巖氣示范區(qū)，包含4口頁巖氣開發(fā)水平井，其中HB1-2號水平井為監(jiān)測井，光纖布設(shè)于該井套管外，同時該井也作為壓裂井使用.我們在監(jiān)測井周圍隨機設(shè)置3個微地震事件進行定位分析（圖1a）.假設(shè)震源函數(shù)為50 Hz主頻的雷克子波，并根據(jù)測井解釋資料建立層狀速度模型（圖1b），使用程函方程計算并存儲走時信息表（Sethian and Popovici,1999）.圖2顯示了3個微地震事件各自的合成數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的模擬參數(shù)一致，其采集范圍為1 m到2200 m，時間采樣為1 ms.

圖1 （a）昭通頁巖氣田HB1平臺DAS數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)，光纖布設(shè)于監(jiān)測井中.HB1-2為監(jiān)測井，光纖采樣點位置用綠色點表示.（b）由測井資料計算的層狀速度模型.在監(jiān)測井周圍設(shè)置3個微地震事件，分別標(biāo)記為1,2和3號，其真實位置分別為（950,500,-1000）,（600,1250,-1350）和（640,760,-1200）Fig.1 （a） DAS data acquisition geometry of HB1 platform in Zhaotong shale gas field,the optical fiber is deployed in the monitoring well.HB1-2 is the monitoring well,and the sampling points are plotted using green color.（b） Layered velocity model calculated from logging data.We set 3 microseismic events around the monitoring well,marked as #1,#2 and #3,and their locations are （950,500,-1000）,（600,1250,-1350） and （640, 760,-1200）,respectively

圖2 （a）、（b）和（c）分別是圖1a中1，2和3號微地震事件對應(yīng)的合成數(shù)據(jù)Fig.2 （a）,（b） and （c） are the synthetic data using microseismic event #1,#2 and #3 （Fig.1a） as sources

使用同樣的參數(shù)對3個微地震事件進行震源位置成像，并將成像結(jié)果以切片方式顯示，分別為震源位置處沿XY、YZ和XZ平面的圖像（圖3、圖4和圖5）.混合成像條件需要將數(shù)據(jù)分組，我們將數(shù)據(jù)分為4組，各組的采集范圍分別為1～550 m、551～1100 m、1101～1650 m和1651～2200 m.圖3的對比結(jié)果表明，本文方法使用波形包絡(luò)進行處理，有效降低了波形極性反轉(zhuǎn)帶來的影響，顯著提升了波形疊加能量，可以獲得更加準(zhǔn)確的震源位置成像結(jié)果.震源位置成像的空間分辨率與觀測系統(tǒng)的方位角有關(guān).例如，在XZ和YZ平面內(nèi)光纖軌跡分布于兩個方向，方位角較大，可以較好地約束震源位置，減少成像假象，提升了震源位置的成像分辨率；而在XY平面內(nèi)，光纖軌跡幾乎為直線，方位角較小，降低了震源位置的成像分辨率.

對混合成像條件方法中的分組策略進行了分析.我們將3號微地震的無噪聲數(shù)據(jù)，分為2組和8組進行震源位置成像（圖6所示）.與使用4組的結(jié)果相比（圖5所示），分組越多，分辨率提升越大，但更容易受異常值影響.在實際數(shù)據(jù)應(yīng)用中，我們需要基于實際觀測系統(tǒng)開展合成數(shù)據(jù)的分組測試，以獲得在該觀測系統(tǒng)下的最佳分組策略.

進一步對含有不同強度噪聲的數(shù)據(jù)進行了分析.我們對3號震源的無噪聲數(shù)據(jù)（圖2c）添加隨機噪聲生成含噪聲數(shù)據(jù)，噪聲的最大值分別為無噪聲波形峰值的50%和100%（圖7a和7b）.圖8和圖9分別為含有50%和100%噪聲數(shù)據(jù)的震源位置成像結(jié)果，圖11和圖12為對應(yīng)的震源位置成像分辨率曲線.與無噪聲數(shù)據(jù)成像結(jié)果的分辨率曲線相比（圖10），常規(guī)加法成像條件方法在兩種噪聲強度下均存在較明顯的定位誤差.而本文提出的混合成像條件方法在50%噪聲時能夠獲得準(zhǔn)確的震源位置；在100%噪聲時獲得的震源位置存在誤差，但其誤差小于常規(guī)加法成像條件方法的結(jié)果.另外，常規(guī)加法成像條件方法需要對原始數(shù)據(jù)進行極性校正，否則將引起成像假象；而混合成像條件方法使用波形包絡(luò)，無需對原始數(shù)據(jù)進行校正，就可以避免這種成像假象.

3 實際數(shù)據(jù)測試

我們在昭通國家級頁巖氣示范區(qū)太陽頁巖氣田HB1平臺進行了水平井DAS水力壓裂同井監(jiān)測試驗，并對監(jiān)測到的微振動數(shù)據(jù)進行了分析處理.圖13b顯示了該監(jiān)測數(shù)據(jù)中的一個微地震事件.該事件中存在周期性分布、振幅較大的管道波（圖13b）.根據(jù)管道波的頻譜特征（圖13e），我們使用40 Hz以上高通濾波對該數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，可以有效壓制管道波（圖13d）.該微地震事件包含P波和S波，但由于同井監(jiān)測時壓裂區(qū)和監(jiān)測井距離較近，P波與S波震相的到時差較小，因此我們使用具有一定長度的窗口函數(shù)提取了P波的波場信息，并對其進行震源位置成像.

類似于合成數(shù)據(jù)算例，我們提取成像結(jié)果的最大值作為震源位置，并展示其震源位置處沿XY、YZ和XZ的成像結(jié)果圖像（圖14）和對應(yīng)的分辨率曲線（圖15）.與合成數(shù)據(jù)相比，實際數(shù)據(jù)震源位置成像結(jié)果中存在較多的成像假象，震源位置的聚焦程度相對較差.圖16顯示該實際數(shù)據(jù)的震源位置位于當(dāng)前壓裂段附近，初步認(rèn)為該事件是由于水力壓裂導(dǎo)致裂縫起裂擴展而產(chǎn)生的.

圖3 不含噪聲時1號微地震事件的震源位置成像結(jié)果（a）、（c）和（e）為常規(guī)方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.（b）、（d）和（f）為本文方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.紅色十字為真實的震源位置.Fig.3 Source location images using the noise-free data of microseismic event #1 （a）,（c） and （e） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by conventional method.（b）,（d） and （f） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by proposed method.The true source location is plotted using red cross.

圖4 不含噪聲時2號微地震事件的震源位置成像結(jié)果（a）、（c）和（e）為常規(guī)方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.（b）、（d）和（f）為本文方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.Fig.4 Source location images using the noise-free data of microseismic event #2（a）,（c） and （e） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by conventional method.（b）,（d） and （f） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by proposed method.

圖5 不含噪聲時3號微地震事件的震源位置成像結(jié)果（a）、（c）和（e）為常規(guī)方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.（b）、（d）和（f）為本文方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.本算例將數(shù)據(jù)分為4組進行震源位置成像.Fig.5 Source location images using the noise-free data of microseismic event #3（a）,（c） and （e） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by conventional method.（b）,（d） and （f） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by proposed method.We divide data into 4 groups in this example.

圖6 采用不同分組策略時3號微地震事件的震源位置成像結(jié)果（a）、（c）和（e）為將數(shù)據(jù)分為2組獲得的震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.（b）、（d）和（f）為將數(shù)據(jù)分為8組獲得的震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.本算例的其他參數(shù)與圖5中算例一致，該算例將數(shù)據(jù)分為4組.Fig.6 Source location images of microseismic event #3 using the different grouping strategies（a）,（c） and （e） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes using 2 groups.（b）,（d） and （f） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes using 8 groups.The other parameters are the same as Fig.5,which uses 4 groups.

圖7 對3號微地震事件加入隨機噪聲生成的含噪聲數(shù)據(jù)，（a）和（b）中噪聲最大值為無噪聲數(shù)據(jù)波形峰值（圖2c）的50%和100%Fig.7 Noisy data generated by adding random noise into the microseismic event #3.The maximum amplitudes of the noise in （a） and （b） are 50% and 100% of the peak amplitude of the noise-free data （Fig.2c）,respectively

4 結(jié)論

本文介紹了基于DAS技術(shù)的頁巖氣水平井水力壓裂光纖微振動同井監(jiān)測的情況，并提出使用波形包絡(luò)和混合成像條件的震源位置成像新方法.我們使用不同震源位置和不同噪聲強度的合成數(shù)據(jù)，與實際的DAS監(jiān)測微振動數(shù)據(jù)，進行方法性能分析和效果對比.結(jié)果顯示，本文提出的震源位置成像新方法可以降低波形極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象對成像結(jié)果的影響，還可以壓制成像假象，從而提高同井DAS監(jiān)測震源位置成像的分辨率和準(zhǔn)確性.

本文提出的震源位置成像方法仍然有許多方面需要繼續(xù)研究和持續(xù)提升：（1）同井監(jiān)測微振動數(shù)據(jù)中包含較大振幅的管道波，高通濾波會導(dǎo)致部分信號丟失，可以進一步研究高精度的管道波分離方法獲得更加準(zhǔn)確的微振動有效數(shù)據(jù)；（2）本文算例中的微振動數(shù)據(jù)能量較強，但實際中有大量能量較弱的微地震事件，需要進一步提升對這類弱能量微地震事件的分析處理能力：（3）同井監(jiān)測中的P波和S波到達時差較小，很難區(qū)分S波信息，需要進一步研究波場分離方法，同時利用P波和S波信息，以獲得更高精度的震源位置成像結(jié)果.

圖9 含100%噪聲時3號微地震事件（圖7b）的震源位置成像結(jié)果（a）、（c）和（e）為常規(guī)方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.（b）、（d）和（f）為本文提出的新方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.Fig.9 Source location images of noisy microseismic event #3 with 100% noise amplitude（a）,（c） and （e） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by conventional method.（b）,（d） and （f） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by proposed method.

圖10 （a） 圖5a和5b中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（b） 圖5c和5d中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（c） 圖5e和5f中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比Fig.10 （a） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.5a and 5b;（b） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.5c and 5d;（c） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.5e and 5f

圖11 （a） 圖8a和8b中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（b） 圖8c和8d中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（c） 圖8e和8f中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比Fig.11 （a） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.8a and 8b;（b） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.8c and 8d;（c） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.8e and 8f

圖12 （a） 圖9a和9b中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（b） 圖9c和9d中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（c） 圖9e和9f中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比Fig.12 （a） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.9a and 9b;（b） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.9c and 9d;（c） Source location image resolution comparison of the two location imaging methods using the data along the red dotted lines in Figs.9e and 9f

圖13 （a） 同井DAS監(jiān)測數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)；（b） 原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，包含井口附近強干擾和管道波；（c） 切除井口干擾后的數(shù)據(jù)；（d） 使用高通濾波去除管道波后的數(shù)據(jù)；（e）和（f） 分別為（c）和（d）的頻譜圖管道波主要集中在低頻部分（10～30 Hz）.紅線為P波的初至.Fig.13 （a） In-well monitoring DAS data acquisition geometry；（b） Raw data containing strong noise near well-head and tube wave；（c） Data by muting the well-head part;（d） Data by attenuating the tube wave using a high-pass filter；（e） and （f） are the frequency spectrum of the data in （c） and （d）,respectivelyThe tube wave is mainly concentrated in the low frequency part （10～30 Hz）.The red line indicates the first arrival of P wave.

圖14 實際微地震事件的震源位置成像結(jié)果將成像結(jié)果中的最大值作為震源位置（表示為紅色十字）.（a）、（c）和（e）為常規(guī)方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.（b）、（d）和（f）為本文方法震源位置成像結(jié)果的XY、YZ和XZ平面顯示.Fig.14 Source location images of real microseismic eventThe maximum value in the image is considered as the source location （represented by red cross）.（a）,（c） and （e） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by conventional method.（b）,（d） and （f） are the source location image sections along XY,YZ and XZ planes by proposed method.

圖15 （a）圖14a和14b中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（b） 圖14c和14d中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比；（c） 圖14e和14f中沿紅色虛線位置的兩種震源成像方法的成像分辨率對比Fig.15 （a） Source location image resolution comparison using the data along the red dotted lines in Figs.14a and 14b;（b） Source location image resolution comparison using the data along the red dotted lines in Figs.14c and 14d;（c） Source location image resolution comparison using the data along the red dotted lines in Figs.14e and 14f

圖16 震源定位結(jié)果的三維顯示，其中藍(lán)色和紅色點分別代表常規(guī)方法和本文方法的結(jié)果Fig.16 3D display of microseismic source locations,where blue and red dots represent the locations by conventional and proposed methods,respectively

致謝感謝審稿專家和編輯對文章提出的寶貴意見．