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题目

Distributed acoustic sensing microseismic reflection imaging for hydraulic fracture and fault lineament characterization

一作与通讯作者信息

  • 第一作者 & 通讯作者：Yuanyuan Ma
    单位：Rice University, Department of Earth, Environmental & Planetary Sciences, Houston, Texas, USA
    邮箱：ym50@rice.edu

一作近三年三篇代表性著作

  1. Ma, Y., Eaton, D. W., Wang, C., & Aklilu, A. (2023). Characterizing hydraulic fracture growth using DAS-recorded microseismic reflections. Geophysics, 88(6), WC47–WC57.
    → 首次现场验证 DAS 微地震反射波可成像远端裂缝，与 LF-DAS 联合解释。

  2. Ma, Y., Ajo-Franklin, J., Nayak, A., Zhu, X., & Correa, J. (2023). DAS microseismic reflection imaging for hydraulic fracture and fault zones mapping. SEG IMAGE Expanded Abstracts.
    → 提出 3D 预堆 Kirchhoff 迁移流程，不再假设裂缝平面。

  3. Staněk, F., Jin, G., & Ma, Y. (2022). Fracture imaging using DAS-recorded microseismic events. Frontiers in Earth Science, 10, 907749.
    → 构建射线追踪 2D 成像框架，为本文 3D 升级奠定理论基础。

摘要

> 本研究提出一套全新流程，对井下分布式声波传感（DAS）记录的微地震反射 S 波进行三维偏移，以刻画水力压裂裂缝网络。与现有常假设裂缝为平面或预设走向的方法不同，本技术无需任何几何先验。DAS 公里级光纤提供大孔径与 <1 m 空间采样，可捕获远超传统井中检波器的强反射信号。我们将每个微地震事件视为高频点源，对分离后的反射波场逐源执行预堆 Kirchhoff 偏移，并将多源结果聚类叠加，生成 3D 反射率体。高分辨率图像照亮了储层核心刺激带——这一区域传统地面阵列或主动源难以触及。为验证流程，本文使用美国南德克萨斯 Eagle Ford 页岩与 Austin 白垩层多井拉链压裂 DAS 数据，将反射成像与微地震云及低频 DAS 应变测量联合解释。结果提升了对裂缝几何的认识，可直接估算缝长与缝高，并指示远端含液先存断层。该框架具备实时监测与动态追踪裂缝演化的潜力。

相关研究的重要性

  1. 微地震云≠裂缝面
    事件点集无法显示未激活断层或远端裂缝，且定位误差 30–50 m，难以支撑“分段-分簇”优化。

  2. DAS 高密度优势待挖掘
    千米光纤 1 m 道距、>200 Hz 频率，可记录丰富反射波，但业界多聚焦直达波定位，大量反射信息被丢弃。

  3. 主动源高频受限
    地面震源主频 30–60 Hz，难以分辨 <10 m 裂缝；微地震事件在储层内部，频率 200–600 Hz，分辨率潜力高。

  4. 2D 反射成像不足以指导工程
    现有 DAS 反射研究仅限“事件-光纤”平面，无法给出缝高、走向变化，工程决策仍需 3D 裂缝体。

前人研究及不足

研究 内容 不足
Lin & Zhang (2016) 井中 3C 检波器微地震逆时偏移 检波器稀疏（10 级），反射波识别难；未用 DAS
Grechka et al. (2017) 3C 检波器反射成像 假设裂缝平面，2D 成像，未给出缝高
Staněk et al. (2022) DAS 射线追踪 2D 成像 仅单事件平面，无 3D 体，无多源叠加
Ma et al. (2023a) DAS 反射波 2D 成像 + LF-DAS 验证 仍假设垂直裂缝，未拓展到 3D，无聚类叠加
Reshetnikov et al. (2023) 照明分析与 AVO 聚焦振幅解释，未解决 3D 几何与聚类权重

本文数据

数据 说明
DAS 微地震原始记录 南德州 Eagle Ford + Austin 白垩，两口水平拉链压裂井（well 3 & 5）；well 3 光纤 3.1 km，1 m 道距，10 m gauge，1 kHz 采样
微地震目录 地面 2653 事件，Mw −2.5–0.5；人工筛选 232 个含清晰反射 S 波事件
速度模型 1D 横向各向同性（VTI）Vp 模型，Vp/Vs=1.81，拟合直达 P/S 走时
LF-DAS 应变数据 同一光纤 <0.1 Hz，独立拾取跨井 frac-hit，用于裂缝撞击验证

本文方法

  1. 预处理与事件优选
    空间 median + 带通 10–200 Hz；保留 Mw ≥ −1.5 且反射 S/N > 阈值事件（100 个）

  2. 波场分离
    f-k 滤波分 heel/toe 向 → 手动 mute 直达 S 波，提取纯反射

  3. 3D 预堆 Kirchhoff 偏移
    逐源计算 S 波走时表（eikonal 求解器），双支成像后取绝对值叠加，消除震源极性差异

  4. 空间聚类叠加

    • 将 100 事件按震源位置聚为 8 簇
    • 簇内等权叠加 → 簇间等权叠加，避免高密度簇产生伪影
    • 3 × 3 中值滤波去噪，输出 10 m³ 网格 3D 反射率体

  5. 多数据联合验证
    与微地震云、LF-DAS frac-hit、最大水平应力方向（SHmax）对比，估算缝长、缝高、走向

本文结果

  1. 3D 高分辨率裂缝体

    • 缝长半长 ≥400 m，缝高 300 m，走向 42.5° 与 SHmax 一致
    • 空间分辨率 ≈3.5 m（中心频率 150 Hz，Vs≈2.5 km/s）

  2. 与微地震云高度一致
    反射像延伸方向、范围与事件云吻合，但给出更远端细节（图 8）

  3. 与 LF-DAS 交叉验证
    stage 13 frac-hit 与反射像位置误差 <20 m；stage 8 弱反射对应早期压裂连通先存断层（图 10）

  4. 揭示先存断层含液路径
    远场高反射能量带与微地震云不重合，推测为含液断层，提供潜在流体通道（图 7e–h）

创新点与贡献

创新 贡献
首次实现“无几何假设”3D DAS 微地震反射裂缝成像 摒弃平面/垂直假设，直接输出 10 m³ 网格裂缝体，工程上可直接读取缝长、缝高
提出“空间聚类-等权叠加”策略 解决微地震源分布极不均、极性相反导致伪影问题，为行业提供可复制的叠加范式
给出 3.5 m 分辨率量化指标 明确中心频率-速度-采样关系，为后续场地提供参数设计依据
联合微地震云+LF-DAS 三重验证 形成“事件定位-应变撞击-反射成像”闭环，提升解释可信度

不足与未来方向

不足 说明
事件选手动干预大 目前人工挑选高 S/N 事件，未来需机器学习自动识别反射波
近光纤 40 m 成像盲区