页岩气水力压裂微地震实时监测方法研究

Microseismic monitoring is an efficient technique to monitor hydraulic fracturing stimulation for shale gas exploration. Offline monitoring has been widely used in evaluating the efficiency of hydraulic fracturing and predicting shale gas production. Realtime microseismic monitoring can further provide opportunities to adjust fracture treatment parameters and optimize hydraulic fracturing operation, identify and avoid possible geohazards caused by induced earthquakes. The key of a successful application of microseismic realtime monitoring is the accuracy and real-timing of the monitoring results. This study proposes to develop a true realtime microseismic monitoring algorithm with accuracy assessment of the results: develop an efficient and accurate microseismic migration-based location method utilizing semblance-weighted stack; develop realtime source mechanism inversion algorithm and apply polarization correction to enhance weak coherent signals; event detection and location will be merged in the same migration-based location algorithm to significantly improve the monitoring of weak events. Towards a true realtime microseismic monitoring, this study will combine different diffraction-stack location methods, use adapting search methods of Neighborhood Algorithm and oct-tree algorithm, and utilize GPU and Intel MIC computing technologies to speedup the location calculation. This study will also develop efficient QC and error estimation for the realtime monitoring to help microseismic interpreters assess the accuracy of the realtime monitoring results. The proposed algorithm and technique can realize accurate and true realtime microseismic monitoring of hydraulic fracturing, help the development and exploration of shale gas to provide necessary energy resources for economic development.

微地震监测是页岩气水力压裂开采的有效监测手段。微地震离线监测已广泛用于评估压裂效果、预测压裂产能；而微地震实时监测可进一步指导和优化压裂操作、防止危险性诱发地震的发生。监测结果的准确性和实时性是微地震实时监测技术是否真正解决实际问题的关键。本项目拟发展真正实时并且准确性有保证的微地震实时监测算法：发展完善微地震相似性加权叠加的偏移成像算法，实现震源机制实时反演算法和震源辐射花样校正，通过事件检测和定位一体化，实现对低信噪比微地震事件的准确定位；综合运用多种扫描叠加算法、自适应网格搜索算法和高性能计算技术，实现真正实时的微地震实时监测；发展微地震实时监测质量控制方法和误差评估技术；采用数值实验全面评估实时监测算法的应用效果。在实现自动、实时监测的同时，保证监测结果的可靠性，为我国早日实现页岩气高效、安全的商业开发，增加天然气资源供应，缓解油气资源短缺的局面，提供有效的微地震实时监测技术。

页岩气安全高效开采对缓解我国油气资源短缺、降低我国能源对外依存度过高的局面具有重要的战略意义。页岩气开采需要采用水力压裂技术使页岩层预存缝隙破裂或产生新的裂缝，这个过程会产生微地震信号，对微地震信号实时处理和定位，可以获得压裂裂缝的时空发育过程，为评估压裂作业效果和监测诱发地震提供重要信息。但目前主流微地震处理系统的实时监测结果的可靠性和实时性还不能满足水力压裂工程需求。其中可靠性依赖于每个处理步骤的可靠性，尤其是井中三分量检波器方位校正、速度结构建模、事件检测和定位等关键步骤；实时性需要发展计算效率高并且结果准确的自动检测和定位方法。针对微地震实时监测技术在可靠性和实时性上面临的困难，本项目从微地震数值模拟算法、三分量检波器方位校正方法、速度模型反演算法、微地震定位算法等方面展开研究，取得了一系列新成果。在微地震数值模拟方面，发展了起伏地层多孔双相介质地震波数值模拟新算法和适用于强各向异性的快速扫描射线追踪新算法，为速度模型反演和事件定位提供了正演核心。在检波器方位校正方面，发展了联合射孔事件和强微地震事件的高精度方位校正方法，提高了后续的事件检测和定位的准确性。在速度模型反演方面，发展了稀疏约束的微地震井下速度模型校正方法和交叉双差速度和位置同时反演方法，提高了速度模型反演准确性。在微地震定位算法方面，发展了交叉双差高精度定位算法、基于干涉成像条件的弹性波震源逆时成像算法和基于二次曲线拟合的地表台阵辐射花样快速校正高性能自动叠加定位方法，为微地震实时监测提供了最后一环节的关键技术。本项目发展的一系列新算法为微地震实时监测奠定了坚实的基础，为实时评估水力压裂操作、优化水力压裂操作以及预防危险性诱发地震提供技术方法。本项目发展的微地震实时监测技术也可以用于基于台阵的天然地震实时监测，实现完备震级更低的小震检测和定位，为地震活动性研究和大震之后的震情判断提供更完备的地震目录。