Li & Jin (2024), Geophysics
题目
Using distributed acoustic sensing to characterize unconventional reservoirs via perforation-shot triggered P waves
第一作者与通讯作者信息
- 第一作者：Peiyao Li
- 单位：美国科罗拉多矿业学院（Colorado School of Mines）地球物理系
- 邮箱：lipeiyao@mines.edu
第一作者其他三篇代表性著作
- Li, P., and Jin, G., 2024. Using distributed acoustic sensing to characterize unconventional reservoirs via perforation-shot triggered P waves. Geophysics, 89(2): P11–P19.
- Li, P., Jin, G., and Lellouch, A., 2023. Guided-wave dispersion inversion for shale reservoir properties using DAS-recorded perforation shots. SEG Technical Program Expanded Abstracts, 342–346.
- Li, P., Jin, G., 2022. P-wave dispersion analysis of DAS-recorded perforation shots for lateral heterogeneity detection in horizontal wells. Unconventional Resources Technology Conference (URTeC), 2341–2350.
摘要
非常规储层横向非均质性认识不足常对钻井、完井效率及产量产生负面影响，而现有测井与地震调查手段在刻画此类非均性方面能力有限。我们提出一种替代地球物理方法：利用分布式声波传感（DAS）记录射孔弹激发P波，以刻画非常规储层。在实测数据中，DAS记录的射孔弹产生强P波信号，其波形呈现明显频散。通过对相邻射孔弹信号进行平均，可可靠测量沿水平井的相速度变化。我们观测到一段低相速度异常区，其与测井曲线及三维地震体均方根振幅在空间上吻合。数值模拟验证了P波频散行为的合理性。与建模结果及其他测量对比表明，该方法对非常规储层刻画具有合理探测半径，并可通过对比压裂前后相速度差异推断压裂效果。数据采集可与射孔作业同步进行，成本低且适合现场推广。
相关研究的重要性
| 研究方向 |
重要性 |
前人研究 |
不足 |
| 非常规储层横向非均质性 |
直接影响水平井靶窗选择、压裂设计与产量 |
NguyenLe & Shin (2019) 指出厚度变化影响产能；Maus et al. (2020) 提出断层导致导向失误 |
测井探测半径<1 m，地震分辨率>25 m，均无法匹配储层厚度（7–12 m） |
| 射孔弹信号利用 |
利用现有作业源，无需额外震源 |
Zhang et al. (2019) 用井中检波器记录射孔弹研究各向异性；Lellouch et al. (2019) 用DAS记录导波 |
检波器数量稀疏（11级），空间采样不足；未定量提取相速度 |
| DAS高频P波分析 |
DAS具1 m空间采样、10 kHz采样率，可捕捉短波长 |
Jin & Roy (2017) 用DAS低频应变研究裂缝；Byerley et al. (2018) 用DAS-VSP监测压裂 |
多聚焦微震或低频应变，忽视射孔弹P波频散信息 |
| 波导频散反演 |
频散曲线可反演层速度、厚度 |
Luo et al. (2021) 用导波频散反演页岩属性 |
仅研究导波，未利用体波P波；缺乏现场验证 |
本文使用的数据
| 数据类型 |
来源 |
特点 |
| DAS原始炮集 |
美国DJ盆地Codell砂岩水平井，永久光纤外置 |
76段压裂，>300次射孔弹，10 kHz采样，~1 m道距，2500 m水平段 |
| 辅助资料 |
邻井声波时差测井、伽马测井、声幅成像测井 |
厚度7–12 m，速度约3800–4500 m/s |
| 三维地震 |
地表3D地震体 |
提取Codell层均方根振幅，垂向分辨率~25 m |
采用的方法
| 步骤 |
方法 |
说明 |
| 信号提取 |
带通滤波（50–1000 Hz）+ 时空软掩模 |
去除强管波，保留P波 |
| 频散分析 |
多道面波分析（MASW） |
将炮集T(t,x)→频率-相速度域D(f,V)，拾取局部最大脊线 |
| 空间平均 |
100 m滑动窗 |
每窗≥3次射孔弹测量，计算均值与标准误 |
| 数值验证 |
Devito 2D 有限差分 |
建立高-低-高速波导模型，重复观测系统，复现频散与高阶模态 |
| 压裂前后对比 |
heel-ward（压裂前）vs toe-ward（压裂后） |
计算相速度差ΔVp，评估压裂诱导变化 |
获得的结果
| 评估维度 |
主要结果 |
| 频散特征 |
P波呈明显正频散：频率↑ 相速度↓；异常区内仅基阶模态，外区出现一阶高阶模态 |
| 异常区一致性 |
低相速度区（1000–2300 m）与低伽马、高裂缝密度、低地震振幅吻合，空间范围介于测井与地震之间 |
| 数值验证 |
模拟复现频散曲线形态与高阶模态激发条件，证实波导陷阱效应 |
| 压裂前后差异 |
平均ΔVp ≈ −26 m/s（↓0.7%），局部最大↓200 m/s（↓5%），显著大于测量不确定度（±33 m/s） |
创新之处与贡献
| 类别 |
具体内容 |
| 理论创新 |
首次提出“射孔弹P波频散+ DAS”刻画非常规储层横向非均质性，填补测井与地震之间的尺度空白（探测半径~50–200 m，空间分辨率~100 m） |
| 方法创新 |
开发“软掩模-MASW-局部脊线拾取”流程，实现>300次射孔弹自动频散提取；引入heel/toe双向采样策略，天然获得压裂前后对比 |
| 工程贡献 |
无需额外震源与作业停顿，“光纤随射孔”成本低；可实时指导后续段簇间距、液量调整 |
| 数据贡献 |
公开DJ盆地完整DAS射孔弹炮集及配套测井，为社区提供新的基准数据集 |
不足与未来方向
| 不足 |
具体描述 |
未来工作 |
| 一维速度模型 |
仅用垂直速度剖面，未考虑横向速度变化 |
2D/3D反演，联合拾取频散与振幅 |
| 高阶模态利用不足 |
仅拾取基阶，未反演厚度与高阶联合 |
多模态联合反演，提高厚度分辨率 |
| 缺乏定量岩石物理 |
仅对比伽马、裂缝计数，未直接输出孔隙度、脆性指数 |
建立相速度-岩石物性转换关系，耦合测井校准 |
| 永久光纤成本高 |
目前依赖永久光缆 |
推广钢丝光缆DAS，开发实时自动处理模块 |
| 未考虑各向异性 |
忽略页岩TI/HTI影响 |
引入各向异性频散理论，联合S波偏振分析 |
