地面微地震監測技術在頁巖油水平井壓裂效果評價中的應用
——以松頁油2HF井為例

姚玉來，李 昂，李士超，楊建國，肖 飛，王維紅

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318

0 引言

頁巖油是典型的自生自儲式油氣藏，富有機質的泥頁巖既是它的生油巖，又是儲集巖，儲集空間以納米—微米級孔隙和裂縫為主，具有極低孔低滲的特點［1］.改造低滲透油氣藏的重要手段是水力壓裂.通過壓裂在目標層產生復雜縫網，形成油氣運移通道［2-7］.壓裂裂縫生成也是巖石破裂的過程，這個過程伴隨的是一系列微地震事件，通過監測這些微地震事件，可以刻畫裂縫的展布特征［8-11］、計算儲層改造體積等［12］，從而對壓裂效果進行評價.

儲層的壓裂效果決定了后續的頁巖油勘探開發效果.對頁巖油井的壓裂效果進行評價可為相同類型儲層的壓裂方案設計提供參考依據.微地震監測是評價水平井壓裂效果的有效手段，一般采用井下監測［13-20］和地面監測兩種方式［4，20-26］.井下監測的前提是必須有臨井作為監測井，如果沒有只能選擇地面監測方式.地面監測是在地表采用一定的排列方式布設大量的檢波器接收微地震信號，也可以將檢波器埋置到淺孔中，能大幅度減少地面噪聲干擾.地面監測施工方便，監測方位角大，成本較低［26］.與井下監測相比，地面監測的定位結果水平分辨率更高，但在深度上的分辨率較差［4］.

因此，在附近無監測井的情況下，松頁油2HF井水平段壓裂微地震監測選用地面監測方式.在壓裂段深度大、地表土壤層厚、水泡子發育、地表噪聲多的情況下，通過采用先進的采集、處理和高精度反演定位解釋技術，有效評價了泥頁巖儲層的改造效果.該井壓裂監測結果有望為同類型儲層其他水平井的壓裂設計提供借鑒.

1 松頁油2HF井壓裂基本概況

松頁油2HF井位于松遼盆地古龍凹陷北部，是一口基質含油型頁巖油水平井，目的層是上白堊統青山口組一段下部，巖性為暗色泥頁巖，完鉆水平段長739 m.該井A靶點垂深2 146.82 m，B靶點垂深2 151.43 m，于2018年10月30日完成10段水力壓裂施工，平均段長72 m，單段射孔2～3簇，平均簇間距29.1 m，總壓裂液量15 963 m3，總壓裂加砂量713.8 m3，總加入聚酯纖維2 220 kg.

2 微地震信號采集

2.1 微地震檢測設備

松頁油2HF井壓裂微地震監測采用了高性能的檢波器和采集器（表1），其動態范圍大，信號失真小.對于目的層埋藏較深的壓裂段，該套設備可實現信號的有效采集.微地震信號采集器的頻帶寬度達到150 Hz，自噪聲水平低，對于信號的保真和后續微地震資料的成像和反演定位精度提高奠定了技術基礎.

表1 檢波器和采集器性能參數Table 1 Performance parameters of geophone and collector

該井壓裂微地震監測使用HFRTMS軟件.該軟件具有微地震監測數據實時監測、實時處理和后續精細處理與解釋的功能，為現場壓裂監測、壓裂參數調整和壓裂效果評價提供參考依據.

2.2 微地震觀測系統

在水力壓裂微地震定位中，監測系統的空間布置是決定定位效果和評價效果的關鍵性因素［27］.為確定不同觀測系統對地面微地震監測定位精度的影響，對星型、矩型和散點型3種常見的地面微地震觀測系統進行了三維彈性波的正演數值模擬.依據3種觀測系統的布置方式設計了三維空間的地質模型，其3個方向的網格點分別為400、400和200 m，空間采樣間隔為6 m，設計采集道數均為160道，震源為主頻為40 Hz的雷克子波.另外，考慮到微地震資料的信噪比因素，將實際監測的背景噪聲加入上述3種數據中，經過同樣的信號成像處理，并采用相似加權疊加法進行事件定位.結果表明，由于噪聲的影響，散點型觀測系統無法進行震源的定位，而星型和矩型觀測系統均具有良好的微地震事件定位效果，且信號的時距曲線特征清晰，同相軸可連續追蹤.

松頁油2HF井壓裂微地震監測采取較為規則的網格排列觀測系統，該觀測系統充分考慮了本井壓裂段空間位置、目的層埋深、可能產生的噪聲環境、附近的建筑物分布和居民活動等因素，可有效保證接收的微地震信號的信噪比、地震波射線覆蓋面和入射角度等物理參數的精度，同時為后續微地震資料的成像和反演定位奠定技術基礎.需要說明的是，由于在微地震定位算法中可校正檢波器的空間位移，這種網格排列的不規則度不會影響后續的定位精度.

對泥頁巖進行多級連續壓裂監測，信號的有效采集是壓裂效果評價的關鍵.在井周圍部署了6條微地震監測測線（圖1），每條測線的檢波器間距為120～150 m，所有檢波器距井口300 m以上.科學合理埋置檢波器，近南東向測線檢波器埋深30 m，其余測線檢波器埋深2 m，以確保接收器與地層的良好耦合，也可最大限度減少地面噪聲對信號接收的影響.

圖1 松頁油2HF井微地震監測觀測系統部署圖Fig.1 Microseismic monitoring observation system map of SYY-2HF well

2.3 微地震信號采集

在微地震信號采集中，連續記錄地震信號，采樣時間間隔為2 ms.除各壓裂段的壓裂過程外，在壓裂前后的一段時間（30 min）內也進行監測，這樣可有效記錄背景噪聲、射孔信號、壓裂信號和壓裂過程外可能的破裂信號，為準確定位破裂點和裂縫展布特征提供基礎資料.

松頁油2HF井壓裂施工地面微地震監測了10段壓裂過程信號和射孔信號，典型的觀測數據如圖2、3所示，射孔信號和能量較大的壓裂信號均可有效接收到.實施射孔相當于傳統的人工地震，事先可確定發震時刻和震源位置，便于在微地震信號中識別和搜索該類信號.松頁油2HF井的所有射孔信號均被接收到，為后續微地震資料分析、處理和速度模型修正提供了重要資料.實施壓裂時，采集站采集的三分量微地震數據，經過數據轉換后以SEGY格式記錄在存儲介質.松頁油2HF井10段壓裂采集的微地震記錄顯示，每段可接收到2～6個肉眼可識別的、強能量的微地震信號.圖3為2018年10月27日10點39分采集的壓裂微地震數據，在第500個采樣點附近，可見較為明顯的微地震信號.

圖2 松頁油2HF井第10段第21簇射孔信號Fig.2 Signal of the 21st cluster perforation in the 10th stage of SYY-2HF well

圖3 松頁油2HF井第7段壓裂采集的微地震記錄Fig.3 Microseismic records for the 7th stage fracturing of SYY-2HF well

3 微地震數據處理

地面微地震監測因其信號弱、噪聲強、速度建模困難等特點相對井中微地震監測難度更大，因此需要采取針對性的數據處理技術，才能保證震源定位結果的精度和可靠性［28-29］.數據處理的主要目的是對壓裂過程中地層釋放的一系列微地震信號進行震源定位，根據震源事件點的空間和時間分布確定壓裂裂縫形態.根據松頁油2HF井微地震資料的特點確定了數據處理流程，主要包括數據歸一化、噪聲壓制、速度建模、震源定位等步驟.

3.1 數據歸一化

在實際微地震數據采集中，地震數據是間隔采集和處理的，存在時間差異.另外，噪聲、物理環境、高程、近地表條件、儀器、采集和處理參數等諸方面的不同，都會給微地震事件定位造成很大影響.所以首先進行微震數據的歸一化處理，以保證微震信號的振幅在同一數量級范圍內，同時也可以對微震數據進行綜合分析.圖4為歸一化前后的效果對比圖.對比看出，歸一化后各道數據之間的振幅、能量更均勻，同相軸更清晰，而且連續性得到增強.

圖4 歸一化處理前后的微地震數據Fig.4 Microseismic data before and after normalization processing

3.2 噪聲壓制

地面微地震監測采集的三分量數據由于高頻衰減嚴重，頻率比較低，而且一般能量比較弱，信噪比較低.因此分析各種噪聲影響因素、噪聲源并對其進行濾波處理，是地面微地震監測數據采集和處理流程中的關鍵步驟.目前，微地震數據去噪的方法有很多，可以解決不同種類的噪聲壓制問題［30-32］.松頁油2HF井壓裂微地震監測數據采用快速離散剪切波變換（FFST）方法進行濾波去噪.該方法可有效減小信號處理的吉布斯效應，增強信號細節刻畫能力，算法速度較快，非常適合微地震數據的噪聲壓制處理.圖5為噪聲壓制前后的實際記錄.原始數據的隨機噪聲較為明顯，而且微震信號的能量不均，濾波后的數據有效壓制了隨機噪聲，提高了微地震資料的信噪比.

圖5 噪聲壓制前后的微地震記錄Fig.5 Microseismic record s before and after noise suppression

3.3 速度建模

速度模型建立是微震數據處理中的重要環節，速度模型的精度直接影響微震反演定位的精度.與傳統地震勘探相比，微地震信號監測的覆蓋面積很小，僅限于井身幾公里的范圍，所以可將地下介質視為平層模型.松頁油2HF井壓裂地面微地震監測的速度模型主要根據松頁油2井直井的地質分層表和聲波測井建立的.測井曲線包括常規場波曲線（963.125～2 348.125 m）、偶極聲波縱波曲線（1 901.3～2 348.0 m）和橫波（1 901.3～2 348.0 m）曲線.地表至低速帶、黃土層等較淺地層沒有聲波測井數據，這一深度范圍內的速度模型通過綜合分析鉆井鉆遇黃土層厚度及地表巖性對應速度確定.在沒有實測橫波速度的情況下，建議僅使用P波振幅和波至進行定位.圖6為松頁油2HF井根據地質分層和聲波測井曲線建立的層狀P波速度模型，P波速度曲線利用中值濾波算法進行了平滑.

圖6 松頁油2HF井縱波速度模型Fig.6 Primary wave velocity model of SYY-2HFwell

3.4 震源定位

松頁油2HF井壓裂微地震震源定位采用地震發射層析成像（SET）技術，SET是一種適用于地面微地震監測低信噪比情況的微震源定位方法［3-4，33-34］.該方法具有很多特點，一是無需拾取微地震信號初至時間，只需要根據地層速度模型和檢波器位置用射線追蹤或波動方程求解等正演方法計算理論走時即可，適合于低信噪比信號震源定位；二是采集站點個數越多，SET成像震源定位的精度越高；三是可利用較準確的地層速度模型預先計算走時，速度模型越準確，定位計算越準確.

4 微地震數據解釋

在實際微地震數據解釋時，主要是依據微地震事件的定位資料.根據微地震事件點的空間位置和發震時刻，連接微地震事件點，形成壓裂裂縫的展布特征圖，從而進行壓裂效果評價.由于微震信號的信噪比低，加之淺地表各種噪聲的干擾，難以拾取準確的初至，使得單純通過地震數據的反演方法無法取得理想的效果.貝葉斯反演方法是一種把先驗信息和后驗信息結合起來的推理估計方法，可以更好地融合多方面先驗信息實現后驗信息的最佳估計［35］.松頁油2HF井地面微地震監測采用多線觀測，利用多線觀測結果進行微地震事件的反演，可提高事件點和裂縫的解釋精度.利用拾取的各條線到時和速度模型，采用貝葉斯反演方法進行反演，可得到震源位置.綜合各條線的反演結果，根據目標函數和不同測線之間的權系數，利用全概率公式推斷估計最佳震源位置和裂縫展布特征.

5 壓裂效果評價及優化建議

根據松頁油2HF井微震源的定位，明確了各壓裂段的裂縫展布特征，在此基礎上對該井壓裂效果進行評價，并提出相應的壓裂優化建議.

5.1 壓裂效果評價

微地震監測結果（表2）表明，松頁油2HF井壓裂造縫以主裂縫為主，伴隨有次要裂縫產生，裂縫在井眼附近比較發育.壓裂主裂縫長度最大為第六段271 m，最小為第一段141 m，平均206 m，裂縫方位整體為北東向.有效壓裂面積以第六段最大，為34 202 m2，第一段面積最小，僅為13 002 m2，平均23 606 m2，全井段總有效壓裂面積為121 774.1 m2.因地面微地震對事件垂向上定位誤差較大，加之目的層的厚度不大，所以對壓裂高度直接按照目的層平均厚度（12 m）進行近似計算，有效壓裂面積乘以目的層平均厚度得到有效壓裂儲層改造體積為1 461 289.2 m3.

表2 松頁油2HF井有效壓裂區域及主裂縫特性Table 2 Effective fracturing zones and major fracture features of SYY-2HF well

整體壓裂造縫效果顯示水平段東翼壓裂效果較好，裂縫延展長度較大（圖7）.在兩翼造縫規模上，第一、八、九段兩翼造縫規模相當；第二、三、十段西側稍小于東側，第七段西側遠小于東側；第四、五段西側稍大于東側，第六段西側遠大于東側，說明地層存在一定的非均質性.

圖7 松頁油2HF井壓裂裂縫解釋圖Fig.7 Fracture interpretation of SYY-2HF well

總體上看，松頁油2HF井各段壓裂造縫效果較為明顯，并且從井底到井口造縫效果整體上逐漸變好，基本實現了泥頁巖儲層的有效改造.各級裂縫有效溝通了儲層與井眼的流體通道，增大了滲流面積，達到了壓裂設計的預期效果.松頁油2HF井最終獲得了較好的壓裂效果，抽汲求產獲得日產10.06 m3的高產工業油流，最高日出油27.81 m3.該水平井已經移交大慶油田進行試采，試采效果理想［36］.

5.2 壓裂優化建議

松頁油2HF井各壓裂段之間整體連通性較好，第八段至第十段造縫無壓裂空白區，壓裂重復區域也很小；在第六段和第七段之間存在很小的壓裂空白區，但是在第七段左翼壓裂空白區較大；在第二段到第六段之間存在一定的壓裂重復區域.建議松遼盆地古龍地區其他相同壓裂規模的壓裂井可參考第八段到第十段的段長（70～98 m）設計，從而達到更優的壓裂效果.

另外，松頁油2HF井壓裂段裂縫主走向多數為北東方向，只有第一、三、四、五段為北西方向，初步判斷該井所在區域最大水平應力方向為北東方向.因為與裂縫主走向垂直的次要裂縫發育程度也較高，揭示該區最小水平應力與最大水平應力的大小差異較小，形成兩組共軛裂縫.裂縫走向北西向應為與最大水平應力相差不大的最小水平應力方向.建議可根據該分析結果優化相鄰地區其他鉆井水平段方位，以獲得最佳壓裂效果.

6 結論

（1）網格排列觀測系統適合于松遼盆地北部頁巖油水平井地面微地震監測，同時需要科學合理埋置檢波器，以確保接收器與地層的良好耦合.

（2）以弱信號噪聲壓制、高精度速度建模和微地震事件定位為核心的微地震處理基礎流程，提高了資料信噪比，為準確定位微震源提供了可靠的數據資料.

（3）利用裂縫成像幾何形態解釋技術，描述了壓裂裂縫網絡.松頁油2HF井各段壓裂造縫效果較為明顯，基本實現了泥頁巖儲層的有效改造，獲得了較好的產能.該井泥頁巖目標層水力壓裂參數和地面微地震監測技術，可為松遼盆地同類目標層的水力壓裂設計提供借鑒.