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Microseismic inversion for anisotropic velocity model in unconventional reservoirs
Yu, Changpeng

Main titleMicroseismic inversion for anisotropic velocity model in unconventional reservoirs
Title variationsMicro Seismische Inversion für anisotrope Geschwindigkeitsmodell in unkonventionellen Reservoirs
Author(s)Yu, Changpeng
Place of birth: Shandong, China
1. RefereeProf. Dr. Serge A. Shapiro
Further Referee(s)Prof. Dr. Marco Bohnhoff
KeywordsMicroseismic; shale; anisotropy; inversion
Classification (DDC)550 Earth sciences
SummaryDas Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines praktischen Verfahrens zur Erstellung anisotroper Geschwindigkeitsmodelle aus mikroseismischen Bohrlochdatensätzen in unkonventionellen Kohlenwasserstofflagerstätten unter Einbindung geologischer und gesteinsphysikalischer Aspekte. Der Arbeitsablauf des Verfahrens beginnt mit der Vorstellung geologischer Ursachen von Anisotropie. Apriorische Kenntnisse über Anisotropie stammen aus der Integration geologischer Informationen und gesteinsphysikalischer Studien, welche als Randbedingungen der mikroseismischen Inversion dienen. Mit dem präsentierten Verfahren gewonnene Geschwindigkeitsmodelle können Heterogenitäten anisotroper Parameter wiedergeben und decken die wichtigsten anisotropen Symmetrien in den Bereichen der seismischen Exploration und Reservoir-Charakterisierung ab. Das optimale anisotrope Geschwindigkeitsmodell verringert dabei nicht nur die Laufzeitresiduen, sondern ermöglicht auch eine bessere Beschreibung der geologischen und gesteinsphysikalischen Vorgaben. Der Vergleich mit Hilfe von Bohrlochdaten erzielter Ergebnisse gegenüber Laboruntersuchungen zeigt, dass direkt im Bohrloch durchgeführte mikroseismischen Beobachtungen als gewissermaßen In-situ-Experiment zu einem besseren Verständnis der Anisotropie im Untergrund genutzt werden können.

Das präsentierte Verfahren nutzt ein geschichtetes Geschwindigkeitsmodell unter Berücksichtigung der Einschränkungen mikroseismischen Bohrloch-Monitorings und des sedimentären Charakters unkonventioneller Lagerstätten. Die durch ein schichtungsparalleles Gefüge verursachte transversale Isotropie (TI) einer jeden Schicht wird durch Thomsen-Parameter beschrieben. Laterale Heterogenitäten innerhalb einzelner Schichten werden vernachlässigt, wohingegen der vertikale Gradient der TI Parameter erhalten bleibt. Bruchinduzierte Anisotropie wird nur in Schichten mit einer hohen Brüchigkeit definiert und als Kombination aus normalen und tangentialen Nachgiebigkeiten charakterisiert. Das Verfahren basiert auf der Registrierung von Ankunftszeiten seismischer Wellen. Ein durch parallele Berechnungen beschleunigter anisotroper Raytracing-Algorithmus wird zur Bestimmung der synthetischen Laufzeiten verwendet, wobei inhärente Singularitätsprobleme durch die Anwendung numerischer Strategien behoben werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei nichtlineare Inversionsmethoden zur Bestimmung der unterschiedlichen Komponenten des anisotropen Geschwindigkeitsmodells genutzt. Das mehrschichtige TI-Modell wird mit Hilfe des iterativen gradientenbasierten Gauss-Newton-Verfahrens invertiert. Die von nur zwei Parametern beschriebene bruchinduzierte Anisotropie wird durch eine globale Suche bestimmt. Probleme bei der Berechnung von Herdzeiten (T0) werden theoretisch betrachtet und anhand von Beispielen erklärt, weil die herkömmliche Berechnungsmethode eine mögliche Fehlerquelle für Ungenauigkeiten im Geschwindigkeitsmodell und bei der Mikrobebenlokalisierung darstellt. Das vorgeschlagene Verfahren wird teilweise an einem abgeschlossenen Projekt für mikroseismisches BohrlochMonitoring in einer Flözgas-Lagerstätte ausprobiert, um die Möglichkeiten der iterativen gradientenbasierten Inversion zu erörtern und Probleme der Bestimmung von T0in limitierten Datenvolumina zu verdeutlichen. Anschließend wird das Verfahren im
vollen Umfang an einem mikroseismischen Datensatz einer Schiefergaslagerstätte im Horn-River-Becken getestet, um im Besonderen die Gefügeanisotropie als auch eine durch Brüche induzierte Anisotropie in Schiefergesteinen zu untersuchen.

Gefügeanisotropie in Schiefern wird durch die einheitliche Ausrichtung und Laminierung fester länglicher Partikel wie Tonminerale oder organischen Materials erzeugt. Ein zusätzlicher Quarz-Anteil kann jedoch die Ausrichtung und Laminierung der Partikel beeinträchtigen und somit die Gefügeanisotropie der Schiefer signifikant verringern. Laborexperimente zeigen eine starke positive Korrelation zwischen der Ausprägung der Gefügeanisotropie sowie den Ton- und Kerogen-Anteilen. Außerdem korrelieren die Thomsen-Parameter ε und γ sehr gut untereinander aber nicht mit δ. Die Ausgangswerte der Gefügeanisotropie der Horn-River-Schiefer werden durch Integration geologischer Informationen und experimenteller Studien abgeschätzt. Die quarzreichen gashaltigen Schichten sollten eine deutlich schwächere transversale Isotropie als die tonhaltigen Schiefer im Hangenden zeigen. Die mit Hilfe der iterativen Optimierung aus mikroseismischen Bohrlochdaten bestimmte Gefügeanisotropie entspricht dabei Ergebnissen von Labormessungen. Das optimierte VTI-Modell reduziert die Laufzeitresiduen um rund 65% im Vergleich zum ursprünglichen zur Verfügung gestellten anisotropen Geschwindigkeitsmodell. Zudem konnten die Mikrobeben mit dem optimierten VTI-Modell signifikant besser lokalisiert werden.

Eine weitere wichtige Ursache von Anisotropie in Schiefern stellt ein System von Brüchen bevorzugter Orientierung dar. Mechanische Analysen von Brüchen in Schiefergesteinen aus dem Horn-River-Becken zeigen, dass diese vorwiegend in quartzreichen Formationen mit einer sehr hohen Brüchigkeit auftreten. Anhand der Analyse von Bohrlochkernen und Bruchmechanismen wird angenommen, dass die Bruchfläche normal zur Schichtung des Gefüges der Schiefer orientiert ist. Das dominante System von Brüchen zeigt ein Streichen in NO-SW-Richtung und verläuft somit parallel zur derzeitigen maximalen horizontalen Spannung. Das elastische Verhalten von
Brüchen wird durch normale und tangentiale Nachgiebigkeiten (ZN, ZT) unabhängig von der genauen Bruchmorphologie beschrieben. Theoretische Modellierungen und Messungen verdeutlichen, dass die Magnituden von ZN und ZT mit der Größe der Bruchfläche steigen und dass das Verhältnis zwischen normaler zu tangentialer Nach-giebigkeit ZN/ZT kleiner oder minimal größer 1 ist sowie sensitiv auf Fluidfüllungen reagiert. Zur Bestimmung der optimalen Werte für ZN und ZT wird eine Rastersuche durchgeführt, wobei die getätigten Beobachtungen als physikalische Randbedingungen zur Abschätzung der Nachgiebigkeiten genutzt werden, um durch Angaben zur Magnitude den Suchraum einzuschränken und ZN/ZT zur Qualitätskontrolle zu nutzen. Die ermittelten Werte für ZN und ZT bewegen sich in derselben Größenordnung wie bei anderen mikroseismischen Bohrlochuntersuchungen. ZN/ZT entspricht den extremen Fällen trockener oder mit Gas saturierter Brüche.
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PDF-Datei von FUDISS_thesis_000000102543
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Number of pages115 Seiten
FU DepartmentDepartment of Earth Sciences
Year of publication2016
Document typeDoctoral thesis
Media type/FormatText
LanguageEnglish
Terms of use/Rights Nutzungsbedingungen
Date of defense2016-07-15
Created at2016-07-19 : 11:34:41
Last changed2016-07-19 : 11:35:17
 
Static URLhttp://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000102543
NBNurn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000102543-6
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