井中微地震逆時干涉震源定位在風城重油油田SAGD 快速預熱中的應(yīng)用

李萌，楊若姣，劉斌，魏晨華

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質(zhì)學重點實驗室，陜西 西安 710065；3.中國石油新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000；4.長慶工程設(shè)計有限公司，陜西 西安 710021；5.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學院，新疆 克拉瑪依 834000）

蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是重油油藏開發(fā)的一項關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)通過在水平生產(chǎn)井上方部署注入井持續(xù)注入高溫蒸汽，形成高溫蒸汽腔，在改善地下油藏的流動性的同時其前緣以熱傳導的形式增加地下巖石局部的孔隙壓力，導致巖石發(fā)生微破裂，其破裂能量以彈性波的形式進行傳播，這種現(xiàn)象也被稱為“熱凱賽爾效應(yīng)”（李彥平等，2003；董宏等，2017）。SAGD 快速預熱技術(shù)利用短時間、人工精細調(diào)節(jié)的高壓蒸汽注入，在SAGD 的生產(chǎn)井和注汽井之間形成一個高孔隙度和高滲透率的擴容區(qū)域，從而提早建立生產(chǎn)井和注入井的均勻連通。這項技術(shù)能大大的縮短SAGD 生產(chǎn)的預熱周期，解決注汽量大、階段能耗大、地面循環(huán)返出液處理壓力大、建產(chǎn)慢等多種問題。

微地震監(jiān)測技術(shù)可以連續(xù)監(jiān)測熱蒸汽注入過程中誘發(fā)地震事件在時間和空間域的動態(tài)變化，通過反演的震源空間與震級能量的分布，可描述高溫蒸汽腔體的幾何形態(tài)、均勻程度和形成過程，預測蒸汽腔前緣擴展速度與擴展規(guī)律，從而為重油油田的注采參數(shù)調(diào)整、開采方案的決策和優(yōu)化提供理論依據(jù)（宋維琪，2014；楊瑞召，2017；李萌，2020）。震源定位是微地震監(jiān)測的核心技術(shù)，其結(jié)果直接影響蒸汽腔體幾何形態(tài)和擴展規(guī)律的預測精度。目前，常規(guī)的微地震震源定位方法需要拾取準確的初至，通過射線追蹤最小化拾取與計算初至之差來獲取震源的位置（Wang et al.，2016；Li et al.，2019a）。然而，實際采集的SAGD 微地震數(shù)據(jù)普遍包含強噪聲干擾，難以拾取準確可靠的初至，降低了基于初至信息定位方法的精度和可靠性。

微地震逆時干涉震源定位技術(shù)（TRI）基于逆時偏移原理，同時利用微地震波場的運動學和動力學特征，通過有限差分或相移法進行波場的逆時延拓并施加一定的成像條件來獲取震源的位置和起震時刻。該方法無需拾取震相走時，避免了人工拾取初至引入的定位誤差，是一種適用于低信噪比微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)的震源定位方法（Gajewski，2005；Artman et al.，2010；Maxwell，2015；李萌等，2016）。近年來，優(yōu)化改進逆時干涉定位成像條件以獲取高精度震源定位結(jié)果成為了研究熱點。Zhu（2014）在粘彈性介質(zhì)中對逆時干涉定位法進行了介質(zhì)固有衰減的校正，但忽略了散射衰減對定位的影響。Douma 等（2015）利用地震勘探反褶積思想提高了逆時干涉定位的空間和時間分辨率。Nakata 等（2016）對各接收器波場進行獨立逆時傳播并將這些子波場的乘積作為最終的干涉波場從而提高定位結(jié)果的聚焦性。Li 等（2019b）采用多尺度雙樹復小波變換將原始數(shù)據(jù)分解到多個時頻域分別進行逆時干涉，選擇有效尺度TRI 的乘積壓制了稀疏觀測系統(tǒng)引起的成像假象。Li 等（2021）引入二維VTI 介質(zhì)波場解耦算法，采用解耦qP 和SV 波場的自相關(guān)和互相關(guān)壓制了耦合波場互相干涉引起的定位成像假象，提高了逆時干涉震源定位的精度。大量研究表明，逆時干涉震源定位在速度模型合理的情況下，對低信噪比微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較高的定位精度。

筆者優(yōu)選風城油田八道灣組超稠油油藏的一組SAGD 快速預熱注入與生產(chǎn)井組進行為期5 天的微地震井中監(jiān)測，采用逆時干涉定位算法成功實現(xiàn)弱誘發(fā)地震事件的震源定位，以此估算不同注入時期的蒸汽腔體在空間的幾何展布形態(tài)，得到其在水平方向和深度方向的擴展規(guī)律，分析巖性夾層和非均質(zhì)性對蒸汽腔體延伸形態(tài)的影響，為該地區(qū)SAGD 重油油田開發(fā)方案的布置與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

1 觀測系統(tǒng)布置方案

研究區(qū)塊位于準噶爾盆地西部隆起烏夏斷裂帶、夏紅北斷裂上盤的風城油田重58 井區(qū)，其整體構(gòu)造形態(tài)為被斷裂切割的南傾單斜，南部發(fā)育斷裂，走向近東西向，傾向向北。區(qū)塊目的層為受構(gòu)造和巖性控制的單斜超稠油油藏，巖性以礫砂巖為主，油質(zhì)稠，原油粘度較高，儲層物性較差（何文軍等，2023）。研究區(qū)塊優(yōu)選I 井作為高溫蒸汽注入井，P井為生產(chǎn)井，F(xiàn) 井為微地震監(jiān)測井，布置8 級井下三分量檢波器，進行為期5 天的井中監(jiān)測，實時記錄高溫蒸汽注入時的誘發(fā)地震信號。項目選取鄰井S 井布置射孔信號，校正井下檢波器水平分量的方位（圖1）。圖1a 中紅色軌跡為選取的井中微地震監(jiān)測的SAGD 快速預熱井組。圖1b 中紅色三角為三分量檢波器，藍色星形為射孔點。觀測系統(tǒng)以監(jiān)測井井口坐標為坐標原點，檢波器陣列中點距離SAGD 井組小于500 m，滿足井中微地震監(jiān)測條件。

圖1 研究區(qū)域井位部署圖（a）和井中微地震觀測系統(tǒng)（b）Fig.1 (a) Well deployment of studied area and (b) downhole microseismic recording geometry

2 井中微地震逆時干涉震源定位方法

傳統(tǒng)的微地震震源定位方法需要拾取準確的縱波和橫波初至，采用網(wǎng)格搜索法通過三維射線追蹤最小化拾取初至與理論初至之差來推斷震源的位置。這類方法的定位精度強烈依賴于拾取初至的準確性，在SAGD 快速預熱中產(chǎn)生的低信噪比微地震監(jiān)測中難以取得滿意的震源定位結(jié)果。逆時干涉震源定位方法基于三維彈性波波動方程，能夠同時利用微地震波場的運動學和動力學特征。這類方法通過在檢波器位置逆時加載實際記錄的原始波形，當速度模型合理時，各檢波器逆時傳播的微地震波場能量會在真實震源位置干涉疊加到達最大值，該成像最大能量所對應(yīng)的網(wǎng)格即為震源位置。這類方法無需拾取縱波與橫波初至，避免了人工拾取初至引入的定位誤差，適用于SAGD 快速預熱中產(chǎn)生的低信噪比微地震事件的定位。

微地震逆時干涉震源定位算法的基本假設(shè)為波場互易原理及彈性波動方程在非耗散介質(zhì)中的時不變性。該方法以檢波器作為震源，以實際接收的微地震原始數(shù)據(jù)作為震源子波，采用時間域或頻率域有限差分或有限元方法進行波場的逆時重構(gòu)，通過施加合適的成像條件獲取逆時干涉震源定位成像，拾取定位成像在空間分布的極大值即可估算震源的位置。以二維彈性波方程為例，由下式估算每個時間步長逆時傳播的波場：

式中：d為接收到的微地震波形數(shù)據(jù)；t為時間步長；T為逆時延拓的總時長；λ和μ為拉梅系數(shù)；ρ為介質(zhì)密度；u為重構(gòu)的逆時波場。為了保證逆時傳播的波場能量最終能夠收斂，T可設(shè)置為微地震主事件波形持續(xù)時間的2 倍。目前，常用的成像條件是通過選定時間窗口逆時延拓波場模的積分作為成像條件，從而消除時間軸，得到只與空間位置相關(guān)的逆時干涉定位成像：

式中：|u|為逆時波場的模；T1和T2為起始時刻和終止時刻；I為成像函數(shù)，逆時干涉定位成像的最大值即為推斷的震源位置（x0，z0）。震源的起震時刻為逆時延拓波場在震源位置最大能量所對應(yīng)的時刻如公式（3）所示。

微地震事件的震級采用公式（4）進行估算矩震級Mw。

式中：M0為地震矩，可由地震波形的振幅譜進行估算，如公式（5）所示。

式中：v為波形速度；r為震源到接收器的距離；ρ為密度；U為震源輻射特性；W0為振幅譜的低頻截止值。對于以剪切應(yīng)力為主的震源可近似取Up=0.52和Us=0.63。由于單垂直井的微地震監(jiān)測系統(tǒng)缺乏水平方向上對震源位置的約束，其逆時干涉震源定位成像在x-y平面為以檢波器為中心、以震源至檢波器距離為半徑的圓，該圓上任何一點都是潛在的震源位置。因此，為了避免方位不確定性，采用微地震事件P 波的偏振方向作為約束，選擇距離熱蒸汽注入中心較近的震源為最終確定的震源位置。圖2 為井中微地震監(jiān)測不同時刻逆時延拓的波場快照，當波場傳播至起震時刻時，逆時傳播的波場會在真實的震源位置處干涉疊加至最大值。由于觀測系統(tǒng)僅能采集到來自震源一側(cè)的信息，因此震源逆時干涉定位成像為一個橢圓區(qū)域而非一個完美的點，該區(qū)域的大小為評價定位不確定性提供了理論依據(jù)。

圖2 井中微地震逆時延拓的波場在不同時刻的波場圖Fig.2 Snapshots of time reversed wavefiled in various time for borehole microseismic

3 SAGD 快速預熱微地震逆時干涉震源定位結(jié)果分析

3.1 SAGD 快速預熱微地震事件空間分布分析

實際采集的SAGD 快速預熱期間產(chǎn)生的微地震典型波形顯示（圖3），藍、紅和黑實線分別為同一道檢波器的X、Y 和Z 分量波形，黑虛線與藍虛線分別為拾取的縱波和橫波初至。由于SAGD 快速預熱期間流體注入的壓力較小，因此產(chǎn)生的微地震有效事件波形幅度較弱且包含強噪聲干擾。尤其是部分縱波初至被湮沒在背景噪聲之中，難以準確地拾取，使得基于初至信息的常規(guī)定位方法可靠性較低。因此，筆者采用三維彈性波逆時干涉震源定位算法，對5 天的SAGD 高溫蒸汽快速預熱井中微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，成功定位了33 個有效的微地震事件。逆時干涉震源定位采用監(jiān)測井F 井的聲波測井曲線，對監(jiān)測目的層段進行速度分層，建立一維P 波層狀速度模型（圖4a）。由于缺失橫波測井信息，S 波速度模型由P波速度模型與研究區(qū)域的縱橫波比經(jīng)驗值進行估算。

圖3 SAGD 快速預熱期間記錄的井中微地震波形圖Fig.3 Measured microseismic waveforms of downhole array during fast SAGD start-up enhancement

圖4 速度模型（a）、逆時干涉震源定位成像俯視圖（b）與側(cè)視圖（c）Fig.4 (a) Velocity model,(b) map view and (c) side view of time reversed image for event location

本次研究的檢波器安置在近似垂直的監(jiān)測井中，缺乏在水平面上對震源位置的約束。因此，筆者采用微地震有效事件P 波的偏振方向作為震源的方向，以該方向高斯射線束與逆時干涉定位成像x-y切片的乘積作為最終的成像結(jié)果（圖4b）。由于單垂直井監(jiān)測觀測系統(tǒng)的震源定位結(jié)果具有180°的不確定性，來自真實震源位置和其關(guān)于檢波器中心對稱的位置都有可能是潛在的震源。為解決這個問題，以SAGD 注入井的注入中心（圖4b 中的紅星）為基準，近似認為與注入中心距離較近的成像橢圓的中心為真實的震源位置（圖4b 中的紅圈）。圖4c 該事件三維彈性波逆時干涉震源定位結(jié)果在震源y坐標的x-z切片結(jié)果（圖4c）。受制于稀疏的檢波器陣列，逆時干涉成像在檢波器陣列存在成像假象。由于SAGD 井組的整體深度與檢波器陣列存在一定的深度偏差，因此該成像假象不足以干擾真實震源位置的識別。

拾取所有事件逆時干涉震源定位成像最大能量所對應(yīng)的位置作為估算的震源空間坐標，得到SAGD快速預熱期間的微地震震源空間分布（圖5）。由此可粗略估算此次注入預熱產(chǎn)生的裂縫縫長為570.19 m，縫高為10.56 m，裂縫波及寬度為127.85 m，裂縫總體延伸方位為NE 95.21°，擴容蒸汽腔體的體積為7.7×105m3。根據(jù)震源位置的空間分布得到以下幾點認識。

圖5 SAGD 井組微地震震源俯視圖（a）與側(cè)視圖（b）Fig.5 (a) Map view and (b) side view of microseismic events for SAGD well

（1）I 井水平段垂深之上的事件有10 個，占總數(shù)的30.3%，即 I 井上方的非均質(zhì)物性夾層（不均勻泥巖夾層）發(fā)育較多微地震事件，說明I 井上方儲層產(chǎn)生了較多的微裂縫，已經(jīng)達到了儲層預熱改造的目的。

（2）I 井與P 井水平段垂深之間的事件有18 個，占總數(shù)的54.6%，說明I 井與P 井之間已經(jīng)連通。

（3）J1b 油層頂界面之上的事件有0 個，說明擴容區(qū)域有部分未延伸至油層頂界面。

（4）J1b 油層底界面之下的事件有2 個，說明擴容區(qū)域有小部分延伸至油層底界面。

（5）以I 井水平段在水平面的投影為界，I 井水平段以北有19 個微地震事件，I 井水平段以南有14 個微地震事件，說明預熱期間水平段以北更容易發(fā)生破裂、預熱效果較好，而水平段以南由于存在非均勻夾層，使得微地震事件個數(shù)降低。

3.2 SAGD 快速預熱微地震空間分布動態(tài)分析

SAGD 快速預熱高溫蒸汽注入每天所產(chǎn)生誘發(fā)微地震事件分布顯示（圖6，表1），擴容之前（9 月25 日）由于排量和壓力較小，未能觀測到有效的微地震事件；第一階段擴容（9 月25 日～9 月27 日）期間，壓力和排量增大，地層孔隙壓力局部集中導致地層開始破裂，其對應(yīng)的微地震事件個數(shù)急劇增加，這段時間微地震事件個數(shù)為23，占總數(shù)的69.7%；第二階段擴容（9 月28 日04 點～9 月28 日18 點）對應(yīng)的微地震事件個數(shù)為10 個，占總數(shù)的30.3%；9 月28 日18 點停泵，再未觀測到微地震事件。

表1 SAGD 蒸汽腔幾何參數(shù)隨時間變化表Tab.1 Geometric parameters of SAGD steam chamber with various date

圖6 高溫蒸汽注入誘發(fā)的微地震事件個數(shù)日期分布圖Fig.6 The variation of microseismic event number with date induced by high temperature steam injection

為進一步分析高溫蒸汽注入期間形成蒸汽腔體的發(fā)育情況，分別展示9 月25 日至9 月28 日的累積微地震事件空間分布（圖7、圖8）。圖中不同顏色的圓點代表不同日期新增的微地震事件。9 月25 日開始壓力和排量增大，地層開始發(fā)生破裂，此時的微地震事件主要集中在I 井的水平段中心附近；9 月26 日，擴容段進一步增加，擴容區(qū)域沿著I 井水平段進行延伸，此時微地震事件已經(jīng)向上延伸，但還未延伸至油層頂界面；9 月27 日，擴容區(qū)域在水平方向上已經(jīng)趨于穩(wěn)定，在垂直方向上進一步延伸，且I 井和P 井已經(jīng)連通；9 月28 日，隨著第二段擴容，P 井之下開始出現(xiàn)微地震事件，擴容區(qū)域向下延伸至油層底界面。

圖7 高溫蒸汽腔空間分布動態(tài)擴展過程俯視圖Fig.7 The geometric extension of high temperature steam chamber (map view)

圖8 高溫蒸汽腔空間分布動態(tài)擴展過程側(cè)視圖Fig.8 The geometric extension of high temperature steam chamber (side view)

3.3 SAGD 快速預熱微地震能量分布動態(tài)分析

采用公式（4）和公式（5）計算已定位微地震有效事件的矩震級，對不同日期的震級能量進行三維插值和平滑，得到注入期間蒸汽腔體震源能量的動態(tài)變化（圖9、圖10）。其中紅色區(qū)域為震級較強的部分，藍色為震級較弱的部分。由圖可知，以I 井水平段為界，微地震能量分布在I 井南北方向分布并不對稱，其中北部事件較多、能量較為集中，這與北部微地震事件多而南部微地震事件少有關(guān)。整體上看，擴容區(qū)域按照震級大小大致可分為2 個部分，如圖9 和圖10d 的虛線所示。兩根虛線中間的區(qū)域震級較小，而兩邊的區(qū)域震級能量較大，這與本次監(jiān)測的觀測系統(tǒng)有關(guān)，在距離檢波器陣列較遠的位置只有震級能量較大的事件才能被接收，而震級較小的微地震事件在高溫蒸汽腔中快速衰減，難以被監(jiān)測。

圖9 高溫蒸汽腔能量分布動態(tài)擴展過程俯視圖Fig.9 The energy extension of high temperature steam chamber (map view)

4 結(jié)論

（1）井中三維彈性波逆時干涉震源定位算法適用于SAGD 快速預熱產(chǎn)生的弱微地震有效事件震源定位，能夠提供高精度的震源空間分布形態(tài)。高溫蒸汽注入形成的蒸汽腔體長度為570.19 m，高度為10.56 m，寬度為127.85 m，長寬比為4.5，總體延伸方位為NE 95.21°，由此可粗略估算此次注入預熱的擴容區(qū)域為7.7×105m3。

（2）監(jiān)測結(jié)果表明，I 井上方儲層產(chǎn)生了較多的微裂縫，已擊破I 井上方的非均質(zhì)物性夾層，達到I 井上方儲層改造的目的；I 井與P 井之間已經(jīng)連通，且擴容區(qū)域已部分延伸至油層底界面，但是未延伸至油層頂界面。

（3）SAGD 快速預熱期間產(chǎn)生的微地震能量在I井南北方向分布并不對稱，以I 井水平段為界，北部的微地震能量較為集中且事件個數(shù)更多，表明蒸汽腔體在I 井水平段北部延伸更廣。

致謝：本次研究由陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃面上資助項目（2023-JC-YB-220）資助，中石油新疆油田分公司提供了寶貴數(shù)據(jù)資料。