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微地震监测与模拟技术在裂缝研究中的应用

王爱国  
【摘要】: 油田注水和压裂微地震实时监测是目前国内外方兴未艾的研究热点课题,在油田的推广应用中主要面临着如何实现自动化监测、提高系统灵敏度和实时精确定位的难题。为此研制了一套以三分量MEMS检波器为核心硬件的微地震监测系统,并结合GPS系统对监测过程进行精确授时。同时编制数据化记录和处理软件,实现网络化自动监测功能,通过开发计算机判别标准和实时定位理论系统,对数据和微震源进行自动化处理和计算。 利用本系统对花岗岩单轴压裂过程的声发射事件进行了研究。由于当岩石受力变形和断裂时会产生声发射现象(弹性波),因此对其声发射事件的分析可用来研究岩石裂纹形成机制和断裂过程。研究发现岩石试样破裂失稳可划分为四个过程。在整个应力加载过程中,发现声发射事件次数随岩石应变呈增长趋势,后在岩石发生宏观断裂前呈减少趋势;声发射能量一直呈增长趋势,在岩石宏观断裂时达到最大;其声发射信号的频率一般为:0-800Hz;研究同时也表明可通过统计声发射事件数量来判断现场实际应用中岩石断裂发生几率,也可通过对事件本身的定位(微震源定位)来研究岩石断裂位置,因此这套系统可应用于煤矿、水库、和油田压裂等微地震的监测。 利用该系统对东辛油田营11进行了六个月现场注水微震监测,对监测数据的处理表明营11注水区域裂缝发育方向基本上为NE90°-NE125°;同时营11地区油藏地应力数值模拟结果分析表明其水平最大主应力的方向主要分布在NE90°-NE130°的范围内,研究范围中西北区块的水平最大主应力方向近似为东西向,研究区块的东部边界的水平最大主应力方向近似为NE130°左右,模拟结果与裂缝监测方位相符较好,两者结合给出了这个地区合理开发部署建议。裂缝误差分析表明监测结果可以控制在一个合理的范围内,监测结果表明系统还应该进一步提高监测灵敏度和完善算法功能,以符合在低渗透油田开发管理中的推广应用。 油田水力压裂是改造低渗透油气藏的重要手段,并且水力压裂的破裂能量更高,更有利于监测。在油田生产过程中,水力压裂产生裂缝有多长,裂缝朝哪个方向延伸,压裂井是否和周围的水井连通等问题在以前都无法即时直接地解决。因此利用微地震监测系统对西南油气分公司新场和马井地区进行了水力压裂监测试验,水力压裂微地震试验研究结果给出了可靠的裂缝三维图像,揭示了裂缝发育状况。同时发现水力压裂裂缝生长速率是不均匀的,在水力压裂的不同时间段,裂缝生长速率差别很大,在开始断裂的一段时间内,裂缝生长的最为迅速,而后裂缝生长速度减慢;通常裂缝两翼常常是不对称的;裂缝面基本上是垂直的。 研究发现岩石破裂与晶体结构有重要关系,而储层岩石的矿物成分及晶体结构也影响了岩石的破裂,宏观及微观上岩石的裂缝都是呈Z字型发展,具体的发展模式还要看储层的岩石性质。并且水饱和对岩石的波速具有影响,一般水饱和的岩石比干燥岩石波速要大,而与油气饱和的关系有待进一步进行实验研究。水-岩化学作用对岩石的断裂也有重要的影响,一方面可以增强岩石的破裂强度,另一方面也可能降低岩石的破裂强度,具体的影响还要看岩石的结构和成分,以及地层水的化学性质。另外,地温场也能够对岩石的破裂起到一定的辅助作用,其主要表现为高温增加岩石的裂缝孔隙度,从而加剧水-岩作用。 总之,本文利用自行研制的微地震监测系统对油田生产中的注水和水力压裂诱生微地震进行了监测,监测结果可以合理的解释出裂缝的发育规律,这一技术在未来油田的生产中具有重大的应用价值。


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