Detecting fractures and monitoring hydraulic fracturing processes at the first EGS Collab testbed using borehole DAS ambient noise

摘要

增强型地热系统（EGS）需要经济高效地监测裂隙网络。本文利用岩心照片和测井曲线验证了使用井中分布式声波传感（DAS）背景噪声进行裂隙监测的能力。EGS Collab项目在位于南达科他州Lead市的Sanford地下研究设施（SURF）进行了10米尺度的水力压裂现场实验，使用深度为50–60米的实验井。第一个EGS Collab试验台位于SURF地下1616.67米（4850英尺）深度，包括一口注入井、一口生产井和六口监测井。所有井从一条称为“drift”的通道中水平钻入岩层。项目使用一条连续的光纤电缆依次安装在六口监测井中，在注水压裂过程中记录DAS数据以监测水力压裂过程。本文分析了井中DAS背景噪声数据的60秒记录，并计算每个通道（光纤电缆上的点）上的噪声均方根（rms）振幅，以获得沿监测井的DAS环境噪声rms振幅深度剖面。本文的噪声rms振幅剖面在特定深度显示出振幅峰值。作者将DAS噪声rms振幅剖面与岩心照片和测井曲线进行对比，发现DAS噪声rms振幅峰值对应于岩心照片或测井曲线中显示的裂隙或岩性变化位置。随后，作者计算了两口监测井在72小时内三次注水周期内的每小时DAS噪声rms振幅剖面，发现DAS噪声rms振幅剖面随时间变化，表明水力压裂过程中裂隙的开启/扩展或闭合。 研究结果表明，井中DAS背景噪声可用于检测EGS中的裂隙并监测压裂过程。

相关研究的重要性

1. EGS开发的关键技术瓶颈：
   增强型地热系统（EGS）依赖于在干热岩中创建裂隙网络以实现流体循环和热能提取。因此，实时、经济、耐高温高压的裂隙监测技术是EGS开发的核心需求。

2. 传统地震监测手段的局限性：
   传统电子地震仪器在高温高压环境中易损坏，难以长期部署，限制了其在EGS中的应用。

3. DAS技术的潜力：
   分布式声波传感（DAS）利用光纤作为传感器，具备耐高温、耐腐蚀、可长距离布设等优势，适合用于EGS等极端环境下的长期监测。

前人相关研究及不足

本文使用的数据与方法

数据：

• DAS数据：2018年5月22日至25日，EGS Collab试验台中两口监测井（OB和PDB）的井中DAS环境噪声数据，采样频率为1kHz或10kHz，通道间距1米。
• 岩心照片与测井曲线：用于验证DAS噪声峰值与裂隙位置的对应关系。
• 光学电视测井（OTV）：辅助识别裂隙和岩性变化。

方法：

1. 提取DAS环境噪声：从每小时的DAS数据中提取前60秒，计算每个通道的均方根（rms）振幅。
2. 构建深度剖面：沿井深绘制DAS噪声rms振幅剖面，识别“噪声峰值”与“安静区域”。
3. 时变分析：对比不同注水周期前后噪声rms振幅的变化，分析裂隙开启/闭合过程。
4. 验证分析：将噪声峰值与岩心照片、OTV log对比，确认其对应裂隙或岩性边界。

研究结果

1. DAS噪声峰值与裂隙位置高度一致：
2. OB井中17m、29m、48m处的噪声峰值分别对应岩心断裂、片理面破裂、云母富集带裂隙。

3. PDB井中20m、31m、46m处的噪声峰值分别对应岩心断裂、复杂岩性带、石英脉边界。

4. 裂隙动态响应清晰可监测：

5. 注水刺激后，噪声峰值通道的rms振幅呈现“上升—平稳—下降”趋势，反映裂隙开启—维持—闭合过程。

6. 安静通道振幅几乎无变化，表明未受注水影响。

7. 频率分析支持裂隙活动解释：

8. 噪声通道在注水后全频段能量增强，安静通道无变化，支持裂隙活动而非外部噪声源。

本文创新之处与贡献

本文不足与未来方向