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题目

Fracture Imaging Using DAS-Recorded Microseismic Events

一作与通讯作者信息

  • 第一作者 & 通讯作者：František Staněk
    单位：Colorado School of Mines, Department of Geophysics, Golden, CO, United States
    邮箱：fstaneck@mines.edu

一作近三年三篇代表性著作

  1. Staněk, F., & Jin, G. (2021). Reservoir Characterization Using DAS Microseismic Events. SEG Technical Program Expanded Abstracts.
    → 首次提出用 DAS 微地震事件反射波成像裂缝概念。

  2. Luo, B., Jin, G., & Staněk, F. (2021). Near-field Strain in DAS-Based Microseismic Observation. Geophysics, 86(5), P49–P60.
    → 研究 DAS 近场应变响应，为本文反射波识别提供理论基础。

  3. Binder, G., Titov, A., Liu, Y., Simmons, J., & Staněk, F. (2020). Modeling the Seismic Response of Individual Hydraulic Fracturing Stages Observed in a Time-Lapse DAS VSP Survey. Geophysics, 85(6), T225–T235.
    → 使用时移 DAS VSP 成像单段压裂响应，验证 DAS 对裂缝的高分辨率能力。

摘要

水力压裂是实现非常规储层油气开采的关键手段，刻画诱发地震事件周围裂缝的发育对理解储层响应、提升作业效率至关重要。分布式声波传感（DAS）沿水平井全长提供高空间分辨率微地震数据。我们聚焦观测到的反射 S 波，开发一种以微地震事件为能量源、对事件与监测光纤之间裂缝面进行成像的新方法。流程涵盖 DAS 数据预处理、事件定位、波场分离、射线追踪成像与图像后处理。将成像结果与低频 DAS（LFDAS）裂缝撞击信号对比，证实反射波来自压裂新生裂缝。该算法可用于实时裂缝绘图与时空演化追踪，提升对压裂储层响应的理解。

相关研究的重要性

  1. 微地震云≠裂缝面
    传统微地震目录仅给出事件点集，无法直接成像裂缝面，导致“缝长、缝高、缝网复杂度”估计误差大。

  2. DAS 高密度优势待挖掘
    DAS 空间采样<1 m，可记录反射波，但业界主要利用直达波定位，大量反射信息被当作噪声丢弃。

  3. LFDAS 只能感知“到光纤”的应变
    LF-DAS（<0.1 Hz）可观测裂缝开闭，但无法探测未抵达光纤的远端裂缝，存在“盲区”。

  4. 反射波成像在微地震领域应用少
    地面或井中主动源反射成像成熟，但“微地震事件即震源”的反射成像尚处起步阶段，亟需现场验证与工程化流程。

前人研究及不足

研究 内容 不足
Grechka et al. (2017) 3C 检波器微地震反射成像 检波器稀疏，反射波识别困难；未利用 DAS
Lin & Zhang (2016) 井中微地震逆时偏移成像裂缝 依赖密集主动源，未使用被动事件
Jin & Roy (2017) LF-DAS 观测裂缝开闭应变 只能感知光纤附近应变，对远端裂缝“看不见”
Luo et al. (2021a) DAS 近场应变理论 未将反射波作为成像信号
Staněk & Jin (2021) 手动射线拟合反射波 仅概念验证，无自动化成像流程与现场验证

本文数据

数据 说明
DAS 微地震数据 美国 Denver-Julesburg 盆地 Chalk Bluff 项目，两口水平监测井（水泥后光纤），道距 1 m，gauge 5 m，采样 10 kHz → 1 kHz
LFDAS 应变数据 同一光纤 <0.1 Hz 频段，记录裂缝开闭与 frac-hit
辅助数据 地表阵列提供的初始事件目录、声波测井速度模型、井位与应力方向信息

本文方法（7 步工程化流程）

  1. 数据切片与预处理
    0.3 s 事件窗，降采样 1 kHz，带通 10–300 Hz

  2. 事件（重）定位
    手动拾取 P/S，网格搜索 L1 残差最小，优化沿光纤位置与距光纤垂直距离

  3. f-k 波场分离
    分 heel/toe 向两支，保留反向反射波

  4. 直达波切除
    沿 S 波速度斜率 mute，去除高幅直达与尾波

  5. 射线追踪成像
    假设垂直裂缝⊥光纤，均匀 vS，Snell 定律计算反射时 tt 与对应通道 yr，将振幅映射到 xf-yf 网格（1 m）

  6. 双向图像合并
    将 toe/heel 两支反射像叠加

  7. 后处理
    计算包络并低通滤波，增强反射面连续性

本文结果

  1. 裂缝像清晰
    事件 A：50 m 外一条主裂缝 + 20 m 弱裂缝；事件 B：30 m 裂缝，位置与 LFDAS frac-hit 完全对应（图 3）

  2. 远端裂缝可探测
    成像裂缝未抵达光纤，弥补 LFDAS“只能看撞击”盲区

  3. 动态演化潜力
    同一阶段多事件像可拼接，展示裂缝生长→撞击→闭合过程

  4. 分辨率与信噪比
    裂缝厚度 < 5 m 仍可分辨；反射波 SNR 受事件震级、距光纤距离、裂缝开度控制

创新点与贡献

创新 贡献
首次提出并现场验证“DAS 微地震反射波裂缝成像”完整工程化流程 7 步自动化方案，可直接嵌入实时处理系统
用微地震事件自身作为“主动源”成像远端裂缝 无需额外震源，填补 LFDAS“看不见未撞击裂缝”空白
与 LFDAS 联合验证 反射像与 frac-hit 位置一致，为行业提供“反射=裂缝”直接证据
提供 3D 扩展路径 事件三维定位后，方法可直接推广到 3D Kirchhoff/RTM 成像

不足与未来方向

不足 说明
假设垂直裂缝⊥光纤、均匀速度 实际裂缝可能弯曲、倾斜，需 3D 射线或 RTM 成像
近光纤区信息被 mute 为保护直达波，0–20 m 裂缝段丢失，需改进波场分离
依赖事件数量与几何 事件-裂缝-光纤夹角不利时反射波不可见，需事件优选策略
未定量反演裂缝开度/阻抗 目前仅定性“亮斑”，下一步需 AVO/振幅校正实现定量估计
手动拾取 P/S 与定位 流程尚未完全自动化，后续将嵌入机器学习自动拾取与定位