水力壓裂技術與微地震監測技術研究進展

陳春燕 陳芷若 劉恩豪 胡力文 劉亞昊 陳鵬

摘 要：常規油氣藏開發已進入中后期，增產穩產難度日益增大，非常規油氣藏逐漸投入開發。為提高非常規油氣藏單井產量，使其達到經濟開發水平，水力壓裂技術已成為非常規油氣藏增產的主要措施之一，為評價壓裂效果，微地震監測技術已廣泛使用于水力壓裂過程中的裂縫監測。本文通過對水力壓裂技術與微地震裂縫監測技術進行調研，總結了水力壓裂技術與微地震監測技術的發展現狀，指出了不同微地震監測技術的優缺點，評價了微地震監測技術的發展方向。研究結果對于水力壓裂過程中微地震監測技術的發展有一定的指導作用。

關鍵詞：水力壓裂技術 微地震監測技術 非常規油氣藏

中圖分類號：P631.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0068-03

近年來，非常規油氣成為國內外的一個研究熱點。非常規油氣指成藏機理、賦存狀態、分布規律以及勘探開發方式等不同于現今常規油氣藏的烴類資源[1]。現今，世界上的非常規油氣種類多并且儲量十分豐富，其中最具有經濟效益和開發價值的為頁巖氣與致密油氣[1]。資料顯示，中國非常規氣資源量約為190×1012 m3，明顯多于美國已探明天然氣儲量。因此，在非常規油氣的勘探開發方面，水力壓裂技術和微地震監測技術的發展顯得尤為重要。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。而其中最具有開采價值的頁巖氣藏常被稱為“人造氣藏”，其開發通常需要水平井鉆井和水力壓裂等技術手段改造儲層、形成人造網絡才能使其具有生產能力[1-4]。目前國內外監測裂縫的方式多樣，通過多年來不斷研究探索，發現微地震裂縫監測技術是優點最為顯著的一種方式，它能有效地監測和評估非常規儲層壓裂改造效果。為促進非常油氣資源的開發，有必要對水力壓裂技術及微地震監測技術的發展趨勢進行總結，以全面了解相關技術的發展現狀。

1 水力壓裂技術

水力壓裂技術是一項廣泛應用于非常規油氣井增產的措施。其原理是利用水壓將巖石壓裂，從而形成人工裂縫，以提高油氣層中流體的流動能力，再采用配套技術使石油天然氣流入采油井中 [5]。

在1947年，美國堪薩斯州經過實驗，使水力壓裂技術成為一項可用于油氣開采的技術，這是水力壓裂技術的第一次出現在世界上。在1998年，美國對于該技術的大規模使用使得美國頁巖氣開發的進程和效率有了大幅度提升[5]。中國對于水力壓裂技術的研究明顯晚于國外，開始于20世紀50年代，到1973年大慶油田才開始大規模使用該項技術。這年來，隨著水力壓裂技術在國內油氣田中廣泛應用，水力壓裂技術已接近國際水平。

水力壓裂技術根據施工方式差異可以分為：多級壓裂、重復壓裂、清水壓裂、同步壓裂以及水力噴射壓裂[6]。雖然這些方法的概念都是分開的，但是在實地施工中常會同時使用多種方法以達到更好的壓裂效果。據相關文獻可以了解到目前頁巖氣藏中的壓裂技術已經達到了一個比較成熟的階段。其中，對于較長井的多級壓裂技術應用最多也最為成熟。

由于水力壓裂技術能提高松軟煤層裂隙和孔隙的連通性，降低煤層有效應力，提高煤層滲透率等優點[7]，常應用于煤礦勘探方向以增加井下瓦斯開采效率。除了具有一定的經濟效益外，還可降低開采現場突發事故。雞西礦區和黃陵二礦都對礦區煤層進行了水力壓裂，其實驗結果顯示水力壓裂對增透、增產以及抽采效率有顯著提高[7，8]。

在潘北礦采用了分段壓裂技術進行井下勘探開發，結果表明它能夠很好地達到預期效果[9]。分段壓裂常用于較長的水平井中，除此對應的限流發壓裂則用于較短水平井中。顧名思義，分段壓裂就是在同一個井中分為多個部位進行水力壓裂，而限流法壓裂是在整個井上進行操作。作用方式如圖1所示。

除了上述壓裂方式外，在煤層開采中還有一種重復壓裂技術。所謂重復壓裂技術，就是在一次壓裂完成后 ，間隔不太長的時間采用類似的工藝技術進行兩次及以上的水力壓裂[10]。我國山西省保安煤礦采用了重復壓裂，壓裂后煤層透氣性系數、瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量均有大幅度提高[10]。重復壓裂步驟如圖2所示。

2 微地震監測技術

微地震壓裂監測即通過在井中（或地面）布設檢波器來監測壓裂過程中誘發的微地震波進而描述裂縫網絡的幾何特征[11]。其主要通過對壓裂過程伴隨產生的微地震事件定位，獲取人造裂隙的長度、高度和方位角信息。通過微地震分析可以將實際壓裂效果與預期壓裂效果進行對比分析，然后優化壓裂方案以改善壓裂效果。微地震監測技術主要包含以下步驟：微地震數據采集、微地震資料處理、微地震事件篩選、定位有效震源和裂縫參數計算 [1，12-14]。

2.1 微地震監測基本原理

在裂隙之類的斷面上，當原來的應力受到生產活動干擾時，巖石中原來存在的或新產生的裂縫周圍就會出現應力集中，應變能量增高，當外力增加到一定程度時，原有裂縫的缺陷地區就會發生微觀屈服或變形，裂縫擴展使應力松弛，儲藏能量一部分以彈性波（聲波）的形式釋放出來產生小地震，即微地震[15]。這是水力壓裂過程中微地震裂縫監測的相關機理。也正因為微地震的發生機理，使其具有信號能量弱、頻率高、持續時間短的特點[16]。圖3為微地震壓裂監測示意圖。

2.2 微地震震源定位

水力壓裂過程中微地震震源定位技術是微地震監測技術的核心，只有對震源位置進行有效精準的定位，隨后壓裂參數計算與壓裂效果評價才具有實用價值。目前國內外主要采用的微地震震源定位主要有基于直達波初至與地層模型的反演方法和相對定位方法[17]。應用最普遍的是第一類反演定位，其中又細分為P波定位法、地震波射線法和P波射線傳播方向交匯點法。此外，涪陵國家級頁巖氣示范區的焦石鎮將三分量微地震監測儀用于野外試驗，其結果表明，三分量微地震監測儀能夠對有效微地震事件進行捕捉，并能較真實地反映震源位置及裂縫的發育程度[18]。

2.3 井中監測與地面監測

微地震監測技術有地面和井中監測兩大類，地面監測又可以根據檢波器的埋藏方式，將其分為地表監測和淺井監測，井中監測又可以分為同井監測和鄰井監測，都各有其優缺點和適用范圍。地表監測是按照常規地震方法將檢波器埋置在20～30m地下進行微地震信號接收的方式[19]。微地震淺井監測是在地表監測基礎上的一種改進，是將三分量檢波器埋置在人工鉆井的某一深度的淺井中[19]。同井監測是對停泵后所產生的裂縫進行監測[1]，而鄰井監測顧名思義就是在壓裂井的附近且已存在的井進行監測，如表1所示。

2.4 面臨問題

近些年來，我國在微地震監測技術方向取得了突破性的進展。但是，為了發展更高質量、更精準的微地震監測技術，還有很多問題需要解決。首先，由于人工裂縫所引發的微地震震級小，周期短，使儀器對于微震的識別具有一定難度[20]。除此之外，儀器工作所產生的噪音以及工作區的其他噪音，都對微地震的識別具有一定的干擾，甚至會忽略一些震級極低的微震。為了解決以上問題，研究一個有效的去噪技術至關重要。其次，目前使用的反演速度模型都是默認同一地層下進行的，將聲波在地層中傳播的速度視為同一值，而在實際地層中由于巖性不同地震波傳播速度不同[21]，如何建立速度模型去模擬地震波在不同地層之間的運動狀態，對震源定位極為重要。

3 結語

水力壓裂技術目前發展已是較為成熟的技術，無論是用于頁巖氣的勘探開發還是用于煤層氣的增透增產均具有顯著性成果。微地震監測技術作為水力壓裂過程中監測壓裂發育參數的主要手段，在非常規油氣藏開發中應用廣泛，如何對震源進行有效的定位將會是之后的研究重心。高效去噪技術，震級正確判別以及建立反演多模型等技術已成為微地震裂縫監測技術中急需提高的核心問題。水力壓裂技術和微地震監測共同發展，會使兩項技術在油氣田開采上具有廣泛應用前景。

參考文獻

[1] 劉振武，撒利明，巫芙蓉，等.中國石油集團非常規油氣微地震監測技術現狀及發展方向[J].石油地球物理勘探，2013，48（5）：843-853.

[2] 賈利春，陳勉，金衍.國外頁巖氣井水力壓裂裂縫監測技術進展[J].天然氣與石油，2012，30（1）：44-47.

[3] 梁北援，沈琛，冷傳波，等.微地震壓裂監測技術研發進展[J].地球物理學進展，2015，30（1）：401-410.

[4] 代鵬，丁文龍，何建華，等.地球物理技術在頁巖儲層裂縫研究中的應用[J].地球物理學進展，2015，30（3）：1315-1328.

[5] 續震，盧鵬.國內水力壓裂技術現狀[J].石化技術，2017，24（5）：280.

[6] 廖金華，梁君霞.頁巖氣水力壓裂技術探討[J].大科技，2012（4）：1-2.

[7] 王維維，康宇.高瓦斯低透氣松軟煤層的水力壓裂增透技術[J].黑龍江科技大學學報，2018（4）：359-362.

[8] 張儉，鄭凱歌，仵勝利，等.水力壓裂技術在黃陵二礦的工程試驗研究[J].煤炭工程，2017，49（9）：72-74.

[9] 李奇.潘北礦分段水力壓裂增透技術研究[J].煤炭技術，2018（2）：212-213.

[10] 蔡永樂，趙滿生.井下重復水力壓裂技術在保安煤礦的應用[J].中國礦業，2018（6）：121-125.

[11] 鐘尉.微地震監測技術在川南頁巖氣井水力壓裂中的應用[D].成都理工大學，2015.

[12] 李紅梅.微地震監測技術在非常規油氣藏壓裂效果綜合評估中的應用[J].油氣地質與采收率，2015，22（3）：129-134.

[13] 李雪，趙志紅，榮軍委.水力壓裂裂縫微地震監測測試技術與應用[J].油氣井測試，2012，21（3）：43-45.

[14] 容嬌君，李彥鵬，徐剛，等.微地震裂縫檢測技術應用實例[J].石油地球物理勘探，2015，50（5）：919-924.

[15] 趙博雄，王忠仁，劉瑞，等.國內外微地震監測技術綜述[J].地球物理學進展，2014，29（4）：1882-1888.

[16] 段銀鹿，李倩，姚韋萍.水力壓裂微地震裂縫監測技術及其應用[J].斷塊油氣田，2013，20（5）：644-648.

[17] 呂世超，郭曉中，賈立坤.水力壓裂井中微地震監測資料處理與解釋[J].油氣藏評價與開發，2013（6）：37-42.

[18] 董翰川，吳悅，楊凱，等.三分量微地震裂縫監測儀的設計及應用[J].電子產品世界，2018（5）：35-38.

[19] 劉博，梁雪莉，容嬌君，等.非常規油氣層壓裂微地震監測技術及應用[J].石油地質與工程，2016，30（1）：142-145.

[20] 劉建中，唐春華，左建軍.微地震監測技術發展方向及應用[J].中國工程科學，2013，15（10）：54-58.

[21] 溫慶志，劉華，李海鵬，等.油氣井壓裂微地震裂縫監測技術研究與應用[J].特種油氣藏，2015，22（5）：141-144.