基于模板匹配技術(shù)的微地震事件檢測在水平井立體開發(fā)井網(wǎng)中的應用

范希彬,張 景,丁 藝,朱世杰,邊樹濤

(1.中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依 834000;2.北京源烴泰克科技有限公司,北京100102)

微地震監(jiān)測技術(shù)作為評價壓裂效果最有效的方法之一,可以提供頁巖油氣和致密儲層油氣儲層壓裂改造過程中巖石破裂產(chǎn)生的微型地震發(fā)震時刻、震源位置、震級等信息,從而提供水力裂縫的展布方位和分布范圍,對評價水力壓裂效果、優(yōu)化水力壓裂設(shè)計[1-6]有著重要意義;同時,微地震事件的波形中還包含豐富的震源機制信息,可表征走向、傾向、滑動角等水力裂縫的破裂面參數(shù),對水力壓裂改造效果的精細評價具有重要的意義。目前,國內(nèi)對微地震事件震源機制的研究相對較少。趙煒等[7]假設(shè)震源類型為雙力偶型(DC),利用單井監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了震源機制反演。容嬌君等[8]基于井中微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)開展了矩張量反演,根據(jù)微地震事件破裂走向分析了最大水平主應力變化。微地震事件震源機制研究較少的主要原因有:①基于成本考慮,生產(chǎn)實踐中微地震數(shù)據(jù)的采集多采用單井監(jiān)測,導致觀測張角太小,未滿足震源機制研究的基本條件;②由于采用雙井監(jiān)測,實際生產(chǎn)中,在滿足兩口監(jiān)測井與壓裂井之間較大觀測張角的情況下,往往會發(fā)生其中一口監(jiān)測井與壓裂井的距離變大的情況,導致微地震能量衰減嚴重,微地震信號識別難度大大增加。

瑪湖地區(qū)百口泉組砂礫巖儲層水平應力差(12.16～38.21MPa)較大,且天然裂縫不發(fā)育,壓裂后形成復雜縫網(wǎng)的難度大[9]。2019年,為提高瑪湖油田致密礫巖的開發(fā)效益,按照壓裂井間主動干擾理論,在瑪131井區(qū)開展小井距立體開發(fā)技術(shù)示范研究,通過立體交錯井網(wǎng)+拉鏈式壓裂,提高水力裂縫復雜性[9]。壓裂過程中開展了微地震事件的雙井監(jiān)測(水平井+直井),應用雙井監(jiān)測得到的微地震事件開展震源機制反演,從而評價縫網(wǎng)復雜程度和裂縫形成機制。

本文采用模板匹配技術(shù)對雙井(水平井+直井)監(jiān)測的微地震信號數(shù)據(jù)進行重新處理,獲得了比傳統(tǒng)長短時窗比方法(以下稱STA/LTA法)更多微地震事件,滿足了開展微地震事件震源機制研究的條件,在此基礎(chǔ)上進行微地震信號的雙井同時定位和矩張量反演,得到水力裂縫破裂的走向、傾向、滑動角等震源機制參數(shù),進一步對壓裂效果開展評價并據(jù)此優(yōu)化壓裂泵注參數(shù),實現(xiàn)了微地震監(jiān)測資料的高效利用,為致密礫巖油藏小井距立體開發(fā)模式下的復雜縫網(wǎng)機理研究提供了依據(jù),對致密礫巖油藏的高效開發(fā)具有重要的意義。

1 基于模板匹配算法技術(shù)的微地震事件檢測原理和流程

目前國內(nèi)常用的微地震事件檢測技術(shù)是基于STA/LTA法[10-11]的技術(shù)。BARANOV[12]將小波變換與STA/LTA法相結(jié)合、呂世超等[13]提出利用偏振約束的STA/LTA法、AKRAM等[14]提出了基于K均值特征函數(shù)的STA/LTA法,從不同角度對STA/LTA法進行了優(yōu)化,但總體上該方法對弱信號的檢測能力仍然較低?；谀０迤ヅ渌惴ǖ奈⒌卣鹗录z測處理技術(shù)是近年來發(fā)展起來的微地震處理技術(shù),其主要優(yōu)勢是可在檢波器陣列中檢測出弱微地震事件。該方法以典型微地震事件為模板,基于滑動時窗的互相關(guān)(SCC)[15]對比,應用人工智能學習和分析技術(shù),該方法可以識別低信噪比情況下的弱信號。

RUTLEDGE等[16]的研究結(jié)果表明由水力壓裂引起的微地震事件具有時空聚集的特征,也就是說,隨著壓裂誘發(fā)的巖石剪切滑移運動,在形成主裂縫的同時,也會形成伴生的子裂縫(與主裂縫共同形成復雜縫網(wǎng)),微地震信號會在相對集中的一個時間段內(nèi)被檢波器記錄到,這些位置相近、具有相同或相似的破裂機制會產(chǎn)生一組相似的地震波形,模板匹配技術(shù)通過分析這些地震波形,選取高信噪比背景下、容易識別、明確標定、可準確定位的一組波形作為模板,如圖1地震信號的綠框內(nèi)2500～2550ms,基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能方法學習其波形特征、長度、振幅相對強弱、噪聲背景特征等(圖1所示的滑動時窗范圍),通過持續(xù)掃描一定時間范圍(圖1所示的t0～t1)內(nèi)的監(jiān)測信號區(qū)域,得到其互相關(guān)系數(shù),然后通過人工干預設(shè)定互相關(guān)系數(shù)的門檻值,自動檢測得到可能的微地震事件。

圖1 自適應模板匹配技術(shù)原理示意

模板匹配算法的核心是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學習,如圖1所示的模板是通過人工識別建立的。模板建立后,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法需要設(shè)定卷積核、卷積層參數(shù)和激勵函數(shù)以及監(jiān)督機制來開展智能識別。在微地震信號的處理過程中,卷積核通常提取微地震信號模板的波形、振幅強弱、噪聲背景作為輸入數(shù)據(jù)。卷積層參數(shù)是上述3個特征數(shù)據(jù)的定量特征值,激勵函數(shù)采用監(jiān)督學習和正則化機制進行約束并防止過度擬合,具體流程如下:

1) 加載微地震監(jiān)測原始數(shù)據(jù),針對中高頻段進行相干噪聲、隨機噪聲的自適應壓制,得到優(yōu)化的微地震數(shù)據(jù);

2) 利用射孔震源的P波偏振量,將所有檢波器接收到的信號進行坐標變換,統(tǒng)一到基準方向,并完成速度模型的建立;

3) 分別拾取每一個檢波器上P波和S波的典型微地震事件,拉平初至,確定波形長度、振幅大小,并分別計算P波和S波的信噪比,作為典型微地震事件的基準模板;

4) 將模板事件分別應用到微地震事件的時空聚集中段內(nèi),通過滑動時窗的方式,采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法分析模板事件和檢測數(shù)據(jù)的相關(guān)性,基于不同的信噪比設(shè)定相應的互相關(guān)系數(shù)門檻值,當某一時刻的互相關(guān)系數(shù)高于該閾值時,就認為是一個疑似微地震事件;

5) 對疑似微地震事件進行質(zhì)控、甄別,最終確定有效的微地震事件。

2 模板匹配算法的應用

2.1 研究區(qū)地質(zhì)及壓裂施工概況

2019年,新疆油田公司在瑪131井區(qū)建立小井距密切割立體開發(fā)示范區(qū),探索“水平井、小井距、大井叢、密切割、工廠化”的產(chǎn)能建設(shè)新模式。示范區(qū)主力目的層為百口泉組油層,巖性以中礫巖為主,分為上、下兩層,上層百三段(T1b3),下層百二段(T1b2),T1b3和T1b2段之間穩(wěn)定發(fā)育厚度約10m的泥巖隔層。

T1b3和T1b2層的水平井網(wǎng)井距分別為100m和150m,井數(shù)分別為7口和5口。為了更好地評價壓裂效果,在示范區(qū)中間位置設(shè)置2口監(jiān)測井,即水平井M1244井和直井M15井,采用雙井共同監(jiān)測示范區(qū)工廠化壓裂時的微地震事件。2019年6月中旬開始實施同平臺同層位拉鏈式壓裂,壓裂級數(shù)為24～33級,簇數(shù)為51～168,簇間距為11～30m,加砂量為1670～3330m3,壓裂液量為23986～57661m3。

2.2 微地震監(jiān)測觀測系統(tǒng)情況

優(yōu)選示范區(qū)上、下兩層中部和邊部的5口典型井開展微地震數(shù)據(jù)的重新處理,5口井分別為T1b2小層的M1243井、M1245井和T1b3小層的M1248井、M1249井、M1252井。監(jiān)測井M15井中,檢波器陣列為12級三分量檢波器,與目標井間垂直距離約為450m(圖2),壓裂井與M15井檢波器陣列上端點的橫向距離為1593～1694m,與下端點的橫向距離為470～656m,與最近的檢波器距離為450～638m;M1244井檢波器陣列為7級三分量檢波器,位于T1b2小層,壓裂井與M1244井檢波器陣列左端點橫向距離916～1049m,與右端點橫向距離382～730m,與最近的檢波器距離為79～218m。

圖2 檢波器和目標井位置關(guān)系

2.3 基于模板匹配算法的微地震事件識別

本次研究采用瑪131井區(qū)5口水平井,對這5口井的微地震信號采集數(shù)據(jù)進行掃描,優(yōu)選了54個典型微地震事件建立模板庫,如圖3所示。圖3a為微地震事件的模板之一,紅框內(nèi)的區(qū)域為自相關(guān)對比的基準,人工智能學習引擎記錄其波形(圖3a①)和成像(圖3a②)特征。對于微地震信號的識別和處理,無論是本次研究所采用的模板法還是常規(guī)的STA/LTA法,原始資料的信噪比是一個很重要的因素,因此,在利用模板檢測微地震事件時需要根據(jù)不同的信噪比資料確定合適的門檻值,從而降低在低信噪比情況下誤認微地震信號的幾率。圖3b為不同信噪比條件下進行滑動自相關(guān)對比的結(jié)果(圖3b①信噪比較低,圖3b②信噪比較高),藍框內(nèi)區(qū)域是滑動時窗的大小。圖3c 為基于圖3a①模板自相關(guān)對比智能匹配后的微地震信號識別結(jié)果,虛線位置為疑似有效信號。在互相關(guān)系數(shù)的門檻值均設(shè)為0.75的情況下,圖3c①由于信噪比較低,疑似信號與背景的差異相對圖3c②低一些。疑似微地震事件檢測完成后,選擇某一個壓裂段的疑似微地震事件進行人工分析,篩選有效微地震事件,確定有效微地震事件識別的信噪比門檻。本例中設(shè)定的信噪比門檻值為5dB。圖3d是不同類別事件在各檢波器信噪比屬性,紅色線條是圖3c②對應的微地震事件,橙色線條是圖3c①對應的微地震事件,綠色線條是某個被排除的疑似微地震事件,藍色線條是背景噪聲。

在研究區(qū)進行了兩輪微地震數(shù)據(jù)處理,前期研究人員(以下簡稱前期)應用傳統(tǒng)方法(STA/LTA法)開展過微地震數(shù)據(jù)的處理,與之相比,本次研究應用模板匹配技術(shù)在M15井陣列獲有效微地震事件4157個,較前期STA/LTA法檢測出的1097個微地震事件增加了2.79倍(圖4,圖5);模板匹配技術(shù)在M1244井陣列獲得有效微地震事件7818個,較前期STA/LTA法檢測出的6318個微地震事件增加了0.24倍(圖6)。微地震信號增加數(shù)量的不同,反映了模板匹配技術(shù)針對信噪比相對更低的原始資料(距離較遠的檢波器)識別弱信號的優(yōu)勢更為明顯。微地震事件模板匹配算法在距離各壓裂段距離更遠的M15井陣列檢測出了更多的微地震事件,表明模板匹配算法對弱事件的檢測能力強,為開展矩張量反演和表征、評價致密礫巖油藏小井距立體開發(fā)模式下所形成的復雜縫網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

圖5 不同小層基于STA/LTA法處理得到的微地震事件(M15井陣列)

兩輪微地震事件定位均采用走時定位法。速度模型對微地震事件定位準確性起著至關(guān)重要的作用。前期進行微地震事件定位的速度模型為各向同性且未考慮地層傾角,可能是微地震事件分布比較雜亂的重要原因之一。本輪研究采用考慮地層傾角的各向異性速度模型,綜合雙井微地震監(jiān)測信號,微地震事件定位結(jié)果分布更有規(guī)律(圖5,圖6)。需要注意的是,前期結(jié)果在圖5的右下角遠離井筒的位置定位的微地震事件,僅有少量事件在雙井陣列上均有響應,本次研究最終對雙井均確認的3732個有效微地震事件進行了定位(圖7)。從最終定位結(jié)果看,水力裂縫具有相互溝通的特征,與示蹤劑結(jié)果一致。

圖7 不同小層基于模板匹配處理得到的微地震事件

2.4 基于模板匹配算法識別得到的微地震事件的震源機制特征

基于模板匹配算法處理得到的3732個微地震事件是在M15井和M1244井上均確認的有效微地震事件,雙井監(jiān)測得到的微地震事件為進一步確定微地震事件的震源機制提供了條件,基于拾取的初至極性和振幅(初至極性通過Hodogram圖進行質(zhì)控),應用矩張量反演[13]技術(shù),求取這些微地震事件的震源機制參數(shù)。為了解決觀測角度較小且部分微地震事件信號弱的問題,假設(shè)鄰近的微地震事件矩張量具有空間一致性,采用可靠微地震事件的矩張量反演結(jié)果來約束信號較弱的類似事件,最終得到微地震事件破裂的走向(strike)、傾向(dip)、滑動角(rake)、滑移半徑等參數(shù),據(jù)此將水力壓裂誘發(fā)的微地震事件分為3類(圖8):①走向+傾角滑移事件,代表裂縫破裂時同時具有垂向位移和橫向位移;②傾角滑移事件,代表裂縫破裂時主要為垂向位移;③走向滑移事件,代表裂縫破裂時以水平位移為主。通常認為,前兩類裂縫與新造裂縫關(guān)系密切,第三類是原存裂縫的激活。

圖8 不同小層微地震事件的震源機制

M15井成像測井解釋最大水平應力方向為120°。本次處理得到的75%的微地震事件破裂走向與其一致。研究區(qū)壓裂后,新鉆了一口水平井并在壓裂改造區(qū)進行了取心。將取心段周圍30m微地震事件破裂參數(shù)和巖心觀測結(jié)果進行對比(圖9):①巖心統(tǒng)計裂縫破裂走向整體呈近東西向,存在部分北西南東向的事件,與微地震處理結(jié)果一致;②巖心統(tǒng)計裂縫破裂傾角普遍大于50°,也產(chǎn)生少量水平縫,微地震處理結(jié)果與其一致。巖心裂縫產(chǎn)狀和微地震裂縫產(chǎn)狀差異的主要因素有:①巖石破裂不一定產(chǎn)生足夠強度的信號能被監(jiān)測;②微地震只是表征巖石破裂的位置,無法表征產(chǎn)生裂縫條數(shù),進而引入統(tǒng)計口徑的誤差。

3 成果應用

基于模板匹配技術(shù)開展微地震數(shù)據(jù)處理可以檢測到更精細、更準確的微地震事件,基于雙井監(jiān)測可以明確微地震事件的震源機制,這使得通過微地震監(jiān)測研究水力壓裂的造縫過程、造縫性質(zhì)以及造縫規(guī)模成為可能,也進一步為優(yōu)化壓裂施工泵注參數(shù)和評價壓裂效果提供了研究條件。

3.1 壓裂施工泵注參數(shù)優(yōu)化

在壓裂施工過程中,隨著注入液量增加,地層發(fā)生形變并產(chǎn)生微地震事件,通過分析微地震事件與施工時間、進液量的關(guān)系,可以研究人工壓裂的有效造縫過程。對不同施工階段不同性質(zhì)微地震事件的時間分布進行相關(guān)性分析(圖10),結(jié)果表明:①排量逐步提高的前置液(起縫)階段,微地震事件數(shù)量多且發(fā)生時間集中,其類型主要為走向+傾角滑移(餅狀圖中紅色)和傾角滑移事件(餅狀圖中綠色),比例共達61.54%;②段塞式加砂階段,微地震事件數(shù)量有所減少,發(fā)生時間比較分散,代表裂縫再活動的走向滑移事件(餅狀圖中藍色)有所增加,比例達50%;③連續(xù)加砂階段,微地震事件數(shù)量較少,代表裂縫再活動的走向滑移事件進一步增加,比例上升到70%。由此可知,隨著注入液量的增加,造縫事件占比逐漸減少。

在T1b2小層采用不同的施工規(guī)模,將M1243井和M1245井各壓裂段反映造縫的走向+傾角滑移事件和傾角滑移事件占比與單段施工液量進行交會(圖11),可以看到:在壓裂液量小于1700m3時,反映造縫效果的微地震事件占比有增加的趨勢,當壓裂液量大于1700m3時,反映造縫效果的微地震事件占比反而開始下降。雖然M1243井的壓裂規(guī)模(平均2100m3/段)遠大于M1245井(平均1500m3/段),但是隨著壓裂規(guī)模的增加,與造縫有關(guān)的微地震事件占比反而有所降低(由60%降低到52%),表明增加的液量主要引起前期形成裂縫再活動,對新造裂縫的貢獻較少。從實際生產(chǎn)情況看,M1243井和M1245井產(chǎn)量基本一致,表明已形成裂縫的再活動對產(chǎn)量的貢獻影響有限。針對T1b3小層的M1248井、M1249井和M1252井也表現(xiàn)出相同的規(guī)律(圖12)。

圖11 T1b2小層各井單段施工液量與走向+傾角滑移事件和傾角滑移事件占比交會結(jié)果

圖12 T1b3小層各井單段施工液量與走向+傾角滑移事件和傾角滑移事件占比交會結(jié)果

通過上述分析,可以對研究區(qū)T1b2和T1b3兩個目的層的壓裂液量進行優(yōu)化,針對瑪131井區(qū)“小井距、大井叢、密切割、工廠化”的立體開發(fā)模式,T1b2小層的最佳單段壓裂液量應在1700m3左右,T1b3小層的最佳單段壓裂液量在820m3左右。

3.2 壓裂效果評價

以M1243井為例,采用基于微地震事件的震源機制反演結(jié)果,繪制該井壓裂時產(chǎn)生的所有微地震事件的走向玫瑰花圖(圖13),可以看到,反映新造裂縫的走向+傾角滑移事件和傾角滑移事件雖然主體為北西-南東走向(區(qū)域最大水平主應力方向),但同時也存在相當數(shù)量的其它破裂走向的微地震事件,且各個走向的微地震事件分布混雜,無明顯分布規(guī)律,表明在水平應力差較大的瑪湖地區(qū)百口泉組采用小井距拉鏈式壓裂方式,可以形成破裂走向多樣的復雜縫網(wǎng)。

圖13 M1243井微地震事件破裂走向玫瑰花圖

研究區(qū)內(nèi),M1243井通過光纖產(chǎn)液剖面監(jiān)測,得到了各段的產(chǎn)液量。將M1243井各段產(chǎn)液量監(jiān)測結(jié)果與代表新造縫的微地震事件進行交會(圖14),可以看到:代表新造裂縫的走向滑移+傾角滑移事件和傾角滑移事件數(shù)量占比小于55%時,產(chǎn)液量較低且差異不明顯;當其占比大于55%時,代表造縫的事件占比與產(chǎn)液量呈強烈的正相關(guān)趨勢。表明壓裂時盡量提高造縫有關(guān)事件占比是高效開發(fā)致密礫巖油藏的關(guān)鍵因素。本次研究5口典型井兩個層位的微地震事件的造縫相關(guān)事件占比分別為56.7%和60.7%(圖15),說明整體壓裂效果良好,T1b3小層略好于T1b2小層,與實際生產(chǎn)情況一致。

圖14 M1243井走向+傾角滑移事件和傾角滑移事件占比和光纖產(chǎn)液量的交會結(jié)果

圖15 T1b2小層和T1b3小層各類微地震事件占比統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)論

1) 與傳統(tǒng)的STA/LTA法相比,基于模板匹配的微地震事件檢測技術(shù)抗噪性好,可以檢測出更多的微地震事件,更適用于雙井監(jiān)測情況下的微地震數(shù)據(jù)處理,針對模板匹配處理技術(shù)在不同信噪比資料情況下參數(shù)的準確把握,尚需在今后的研究中基于更多資料進行對比,積累經(jīng)驗,科學應用。

2) 本次研究在瑪131井區(qū)開展微地震事件雙井監(jiān)測并進行震源機制反演,不但確認了研究區(qū)致密性礫巖儲層壓裂改造可以形成復雜縫網(wǎng),而且提供了一井一策的最佳壓裂規(guī)模參數(shù),為致密礫巖的高效開發(fā)提供了科學依據(jù)。

3) 在油田生產(chǎn)實踐中,受壓裂井和監(jiān)測井之間距離不可控的影響,基于微地震信號開展機制反演仍然存在著較大的不確定性和多解性,近年來基于物質(zhì)點法的壓裂模擬技術(shù)日趨成熟,結(jié)合壓裂模擬結(jié)果與微地震震源機制反演開展非常規(guī)儲層壓裂設(shè)計優(yōu)化和壓效評估,將成為該領(lǐng)域未來的重點研究和發(fā)展方向。