非常規油氣層壓裂微地震監測技術及應用

劉　博，梁雪莉，容嬌君，郭曉中，衡　峰

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司新興物探開發處，河北涿州 072750)

非常規油氣層壓裂微地震監測技術及應用

劉博，梁雪莉，容嬌君，郭曉中，衡峰

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司新興物探開發處，河北涿州 072750)

摘要：介紹了微地震監測技術的原理和處理流程，分析了微地震監測技術在非常規油氣儲層壓裂改造過程中的具體作用，實例應用表明，微地震監測技術在大型水平井多級壓裂過程中發揮了非常重要的指導作用。

關鍵詞：微地震監測；非常規儲層改造；壓裂評價

國內外非常規油氣勘探開發實踐證明，大規模、大容量的水力壓裂是實現非常規儲層有效開采的核心技術手段。與國外的海相致密油氣勘探開發相似，我國的幾個重點陸相致密油勘探開發示范區多采用水平井鉆探、多級大容量水力壓裂方法改造致密油儲層，以求獲得較高的商業性致密油產能[1]。目前，一口陸相致密油水平探井或開發井的大規模水力壓裂改造，其成本占全井的50%左右，但如此昂貴的儲層改造依然存在改造效果不佳乃至無效的經濟風險。因此，有效監測和評估非常規儲層壓裂改造效果非常重要。微地震監測是近幾年發展起來的壓裂監測的關鍵技術，它可以實時從井中(或地面)監測非常規儲層油氣壓裂改造過程，評估壓裂效果，為優化壓裂參數和改善壓裂效果提供重要信息。

1非常規油氣層壓裂微地震監測方法

非常規儲層壓裂改造過程，既是致密儲層(圍巖)裂縫和裂縫網絡的形成發展過程，也是由于致密儲層破裂而產生的一系列人為微地震事件的過程，而且這一系列微地震事件具有能量微小、以體波為主、地震信號主頻較高等特點。記錄并求解壓裂所產生的系列微地震事件，進而依據微地震事件的求解結果來監測和評估壓裂對儲層的改造效果，這種方法稱為壓裂微地震監測，它是針對包括致密油和頁巖氣等在內的非常規油氣儲層壓裂改造而發展起來的一種新的有效監測方法。其具體原理是，實施大規模儲層壓裂改造時，在鄰井中或者壓裂井段對應的地面區域，布設專用的儀器裝備，實時記錄壓裂所產生的微地震信號；利用專門的解釋軟件處理這些微地震信號、求解這些微地震發生的空間位置、分析震源機制和震級規模，反演求解壓裂裂縫及縫網的產生發展過程及特征，監測和評估壓裂改造效果，結合其它信息和成果，對以后的儲層壓裂改造方案和相關參數的確定提供參考依據。如果做到了微地震信號的處理求解與壓裂時間基本同步，就實現了壓裂微地震的實時監測[2-4]。

1.1微地震井中監測技術

微地震井中監測是壓裂微地震監測的一種主要方法，其監測精度相對較高，技術已經發展成熟。壓裂作業時，在與作業井相隔一定距離的鄰井(稱為監測井)中下放監測檢波器，同步記錄壓裂時儲層(圍巖)破裂產生的微地震波信號，通過現場處理求解微地震事件，這種方法稱為微地震井中監測。微地震井中監測的最大優點是干擾噪聲相對地面要小很多，記錄信號的信噪比較高。實例分析表明，檢波器監測到微地震事件的最遠距離(或稱檢波器檢測半徑)與水力壓裂規模和儲層物性密切相關。因此，在非常規油氣水力壓裂微地震監測設計時，選擇合適距離的鄰井(監測井)尤為重要。有很多情況下，因為沒有合適的鄰井(監測井)，又不可能花費大量的投入去專門鉆探一口監測井，因而無法應用微地震井中監測技術。

微地震井中監測可以實施單井或多井同時監測，檢波器下放到監測井中可以清晰識別P波和S波的初至。首先，在確定壓裂目的層后，選定合適的監測井，根據監測井的固井質量信息，盡量把檢波器放置在目的層深度上下，以便有效監測到巖石破裂釋放的能量；采集射孔信號，利用射孔信號獲得檢波器的方位，并優化速度模型；然后進行數據處理，對壓裂產生的較大能量的微地震信號，通過濾波處理，精確拾取P波、S波初至，然后利用P波的極化信息，采用Tian'an射線追蹤法和Geiger等定位方法聯合確定微地震事件位置；最后，進行壓裂效果解釋，對隨著壓裂施工過程中不斷發生的破裂事件，分析微地震事件出現的空間展布，破裂事件出現的速率與壓裂施工曲線的對應關系，計算裂縫網絡方位、長度、寬度、高度，解釋裂縫的連通性，評估儲層改造體積，流程見圖1。

圖1　微地震井中監測數據處理解釋流程

1.2微地震地面監測技術

微地震地面監測技術就是在壓裂井(井段)對應的地面區域布設檢波器，記錄壓裂微地震信號，監測和評估壓裂改造效果。地面監測對生產條件的適應性更強，測線徑向延伸長達幾千米，能夠取得廣泛的接收孔徑與空間覆蓋。地面監測由于不受采集平面方位角的限制，與井中監測相比可以更準確地確定裂縫的走向，較多數量的檢波器放置可以得到更大的監測范圍。同時由于需要地面上千道檢波器和采集站等配套采集設備，投入的設備和人員很多，采集成本較高，檢波器放置在地面受地表干擾嚴重，連續記錄采集的數據量龐大，實時處理難度較大。按照檢波器的埋置方式，微地震地面監測又可以劃分為地表監測和淺井監測。

地表監測是按照常規地震的方法將檢波器埋置20～30 cm地下進行微地震信號接收的方式。由于壓裂微地震能量弱，微地震信號傳到地表時基本淹沒于地面各種噪音之中，根據實際的地表特征、地下地震條件，結合可能的巖石破碎(微地震)區域，進行布置設計，檢波器一般需要遠離井口一定距離，以盡量避開井口壓裂車組強噪音的影響。檢波器接收微地震信號時，其排列應盡量以壓裂井為中心多方位、多偏移距的覆蓋，以達到更好的能量收斂效果。

微地震地表監測時，由于地面的隨機噪音強，縱橫波信息大部分淹沒在地表隨機噪音中，很難“看到”清晰的微地震信號，微地震地面監測事件定位方法主要采用能量掃描定位法。在記錄上可以根據旅行時差聚焦微地震事件的繞射能量，理論旅行時差和記錄時差一致性最好的空間位置為微地震事件的發生位置，這樣就可以對微地震事件進行定位。

微地震地表監測的解釋方法和流程(圖2)類似于井中監測，主要目標是確定裂縫分布方位、長度、高度及地應力方向等參數，通過微地震事件在時間和空間的三維可視化顯示，與壓裂施工曲線及壓裂層段進行綜合解釋，計算儲層改造體積，評估壓裂效果，提供壓裂方案的改進意見。

圖2　微地震地表監測數據處理解釋流程

微地震淺井監測是在地表監測基礎上的一種改進，屬于地面監測的一種特殊方式，與地表監測的主要區別是將三分量檢波器埋置在人工鉆探的某一深度的淺井之中，一是避開地面隨機噪音的影響，二是降低地表低降速層對微地震信號衰減的影響。這種監測方式除了適用于非常規油氣的單井壓裂監測項目外，還適合于描述非常規油氣區塊注采關系和剩余油分布的長期動態監測。微地震淺井監測在地表覆蓋的面積相對較大、動用的設備較多、作業周期也較長，針對單井監測的總成本較高。但是在“工廠化”壓裂作業模式下，布設一次淺井監測的觀測系統，可以同時監測一個叢式井組所有井的壓裂施工，平均到單井的監測成本會大幅降低。另外考慮到非常規區塊勘探開發的長期效益，長期動態監測技術已是發展的必然趨勢，微地震淺井監測將是較為理想的技術手段。微地震淺井監測的處理解釋方法與地表監測的處理解釋方法相同。

2非常規油氣層壓裂微地震監測作用

微地震監測在非常規儲層儲層壓裂改造中具有七個方面的主要作用：

(1)裂縫尺度描述。縫網尺度描述是微地震監測最基本的作用，通過微地震事件的定位，確定儲層改造所形成縫網的長度、寬度、高度和方向，進而計算儲層改造體積(SRV)。但是縫網尺度描述更重要的是分析微地震事件準確的空間位置隨時間變化的情況，通過實時監測，觀察人工裂縫的延展情況是否符合預期設計，以便在壓裂施工時隨時調整方案。

(2)了解壓裂層破裂響應。不同的致密儲層在破裂時的微地震響應和形成的人工裂縫形態是有差異的，將微地震事件和壓裂施工曲線匹配顯示在三維空間上，可以更加直觀、清晰地了解和認識壓裂過程中致密儲層(或圍巖)中裂縫產生與擴展過程，進而研究壓裂改造的有效性和壓裂參數的針對性。

(3)分析應力場方向。壓裂時如果沒有斷層和天然裂縫的影響，壓裂所產生的人工裂縫應該主要沿最大主應力方向延展[6]。通過實際壓裂及微地震監測數據的對比分析，可以更好地研究和分析地應力場特征及對壓裂效果的影響，為后續的水平井軌跡設計提供重要的參考依據。

(4)識別斷層和天然裂縫。微地震事件具有時序性和能量差異的屬性，對微地震事件屬性的分析可以幫助我們識別在壓裂時遇到的斷層和天然裂縫，從而根據工作需要，進行壓裂方案和參數的調整，使壓裂達到更好的效果。

(5)段間距及井間距調整。水平井壓裂段間距和井間距的設計，對單井改造以及一個區塊的合理布井是非常重要的。根據微地震監測成果，結合壓裂施工參數的綜合分析，為水平井壓裂段間距和井間距的設計提供第一手資料和成果，使其設計和調整更趨合理。

(6)巖性分析。將微地震事件和測井曲線匹配分析，可以發現砂巖、泥巖及碳酸鹽巖等不同巖性中微地震事件的響應差異和裂縫擴展的不同規律，進而再參考測井數據對壓裂設計做進一步優化。

(7)綜合分析。將微地震事件定位結果與三維地震屬性、砂體展布、壓裂相關數據結合起來，通過綜合解釋，指導非常規油氣的勘探開發生產，為井網部署、井軌跡設計、壓裂設計優化及后評估、油藏建模等提供綜合成果和技術支撐[7-8]。

3應用實例

實例1為準噶爾盆地的一口大規模水力壓裂微地震井中監測。壓裂井為水平井，監測井為直井，兩井之間的監測距離為199～719 m，采用微地震井中監測方式監測致密油儲層壓裂效果。壓裂井A井構造位置在準噶爾盆地東部隆起,目的層為二疊系蘆草溝組致密油層，儲層巖性為灰色、深灰色熒光泥巖、粉砂質泥巖、灰質泥巖、白云質泥巖、泥質粉砂巖、灰質粉砂巖、白云質粉砂巖，水平井井軌跡測深(水平段)3 458.2～4 763.0 m。采用裸眼封隔器和投球滑套多級分段壓裂技術，水平段長度為1 200 m，分17段進行壓裂，總液量為23 580 m3，總砂量為1 288 m3，最大施工排量為11 m3/min。

通過監測結果分析多數壓裂段形成的裂縫方向基本沿著最大主應力方向，即垂直于井軌跡均勻擴展，部分壓裂段裂縫方向為近南北向，且事件震級較大，判斷存在天然裂縫；在A井施工過程中，由于第一段壓裂失敗，故對第一段進行補射孔，由于射孔槍下入問題，位置在4 602.5～4 605.5 m，與設計第二段第三簇射孔間距較近，經過對第一段補射孔壓裂監測，發現大量微地震事件向設計的第二段位置擴展，故根據該段的微地震監測結果，現場實時調整下一段的射孔位置，此后各段均結合微地震監測結果進行了調整。整體分析，有效定位微地震事件13120個，最大微地震事件震級為里氏-0.46級，最小微地震事件震級為里氏-3.42級。根據微震監測成果，對壓裂施工提供了有效支撐和指導，減少了不必要的重復壓裂，同時優化了壓裂方案，提高了壓裂改造的針對性和效果。

實例2為四川頁巖氣兩口大規模水力壓裂微地震地表和淺井監測。壓裂井為水平井，監測井為直井，壓裂井B井水平段井軌跡測深為2817.7～4 317.7 m，水平段長度為1 500 m，分18段進行壓裂，總液量為28 042 m3，總砂量為1 043 m3，最大施工排量為9.6 m3/min；壓裂井C井水平段井軌跡測深為2 990.0～4 490.0 m，水平段長度為1 500 m，分17段進行壓裂，總液量為29 315 m3，總砂量為730 m3，最大施工排量為10.9 m3/min。地表監測接收線數3條，道距50 m，總接收道數為240道；淺井監測檢波器數量為250個，接收線數為17條，道距350 m，單條接收線為19道。

由于檢波器在地表埋置，微地震地表監測資料記錄到的有效事件有時不可避免的會受到地表起伏和近地表風化層厚度變化的影響；同時噪聲干擾非常復雜，不同于常規地震和井中微地震監測，這些噪聲源主要包括地面干擾源和地下干擾源，地面干擾源主要是壓裂生產時井場附近壓裂設備產生的較大干擾，在記錄數據中表現為多條測線近井端排列噪聲能量較強、時間與壓裂生產相對應；地下干擾源主要是天然地震活動，在記錄中表現為能量強、多條測線可同時監測到、時距關系異于微地震事件等特征。地表監測和淺井監測與井中監測微地震信號相比，井中監測信號頻率和信噪比較高。地表監測B井有效定位微地震事件977個，C井有效定位微地震事件369個，淺井監測B井有效定位微地震事件1065個，C井有效定位微地震事件372個，對于信噪比較高、能量較強的信號可以進行定位和解釋，平面上能夠刻畫人工縫網形態與特征。

4結論

(1)微地震井中監測技術已經得到了廣泛應用與認可，其最大優勢是微地震信號的信噪比較高、定位結果受速度橫向變化影響較小，垂向定位精度高；其缺點是檢波器分布具有明顯的局限性，在井中呈線狀分布，得到的波場是接近水平方向傳播的波場，受各向異性影響較大，監測范圍有限。

(2)微地震地面監測受監測距離的限制較小，能夠取得廣泛的空間覆蓋，能較完整地獲取較大震級的微地震事件，垂向定位精度需深入研究。

(3)長水平井多段水力壓裂技術已成為提高產能的重要手段，對壓裂情況進行實時監測是保證壓裂成功的重要環節，但目前的微地震監測技術不能完全滿足生產需要。

參考文獻

[1]杜金虎，劉合.試論中國陸相致密油有效開發技術[J].石油勘探與開發，2014，41(2):85-90.

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[3]Arcangelo Sena，Gabino Castillo，Kevin Chesser，et al. Seismic reservoir characterition resource shale play:stress analyisis and sweet discrimination[J].The Leading Edge, 2011, 30(3): 758-764.

[4]梁兵，朱廣生.油氣田勘探開發中的微震監測方法[M].北京：石油工業出版社，2004：110-120.

編輯：李金華

文章編號：1673-8217(2016)01-0142-04

收稿日期：2015-08-13

作者簡介：劉博，工程師，碩士，21981年生，010年畢業于吉林大學地球科學學院礦產普查與勘探專業，現從事非常規油氣微地震監測技術方面研究工作。

基金項目：中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司基金項目(12-11-08-2015)。

中圖分類號：TE348

文獻標識碼：A