地面微地震监测技术在川南页岩气井压裂中的应用

1、地面微地震监测技术在川南页岩气井压裂中的应用钟 尉, 朱思宇（成都理工大学地球物理学院，四川 成都 610059 ）摘要：水力压裂是页岩气储层改造的重要手段，压裂时岩石破裂过程会伴随产生强度较弱的“微地震”波。地面微地震监测技术即在地面布设检波器排列对压裂作业进行实时监测，具有施工方便、监测方位角度大的优点。在威远构造 H 井进 行水力压裂时，应用基于偏移叠加的四维能量聚焦地面微地震成像技术，提高了弱信号识别能力和定位精度，准确描述了 压裂诱导裂缝的位置、方位和大小及复杂程度，指导了实时压裂和压裂效果评价。关键词：压裂；微地震；地面监测；页岩气中图分类号：P631.4文献标识码：ADOI:10

2、.13809/32-1825/te.2014.06.016Application of surface microseismic monitoring technology in shale gas well fracturing ofSouth SichuanZhong Wei and Zhu Siyu(College of Geophysics, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China)Abstract: Hydraulic fracturing is an important means of sh

3、ale gas reservoir reconstruction. When fracturing, rock failure processgenerates microseismic wave. With the advantages of convenient construction and wide azimuth acquisition, surface microseismic monitoring technology monitors fracturing operation in real time by layout of surface geophones. Durin

4、g hydraulic fracturing of well- H in Weiyuan structure, the application of microseismic image technology, which based on stacking migration four dimensional en ergy focused principle improved weak signal recognition ability and location accuracy, accurately described induced fracture fea tures, such

5、 as location, azimuth, size and complexity, thereby having a guiding significance for real time fracturing and fracturing ef fects evaluation.Key words: fracturing, microseismic, surface monitoring, shale gas四川盆地页岩气资源储量十分丰富，具有广阔的勘探开发前景1。水力压裂技术是页岩气开发成 功与否的关键技术之一。单井多段压裂、多井拉链 式压裂、多井同步拉链式压裂方式的发展使得开发 过程进

6、一步降本增效。然而，对于压裂效果的评价 一直以来都是难点，微地震监测技术可以很好地解 决这一难题。微地震监测是以声发射学和地震学为基础，通 过观测、分析生产活动中的微地震事件来监测生产 活动的影响、效果和地下状态的地球物理技术。按 照监测仪器的布设方式分类，目前常用的微地震监测方式分为井中监测和地面监测两类。井中监测可获得高质量的数据，但由于川南地区稀疏井网的限 制，往往难以找到合适距离的监测井，专门钻探监测 井又会导致成本过高。随着地面微地震采集、处理 技术的发展，地面监测已能获得可靠的微地震数据， 整体刻画裂缝特征，并且具有施工方便、监测方位角 大的优势2-3。1压裂诱发微地震机理微地震事

7、件通常发生在裂隙之类的断面上。地收稿日期：2014-07-10。第一作者简介：钟尉（1989），男，在读研究生，微地震处理、解释，常规地震处理。72第4 卷油气藏评价与开发层内地应力呈各向异性分布，剪切应力自然聚集在断面上4。常态情况下，断面是稳定的。然而，当原 有应力状态受到生产活动（如水力压裂）干扰时，岩 石中原来存在或新产生的裂缝附近就会出现应力集 中、应变能增高。根据断裂力学理论，当外力增加到 一定程度，地层应力强度因子大于地层断裂韧性时， 原有裂缝的缺陷地区就会发生微观屈服或变形、裂 缝扩展，从而使应力松弛，储集能量的一部分随之以 弹性波（声波）的形式释放，即产生微地震事件5-6。根

8、据摩尔库伦准则，岩石破裂的条件可以 写为：复杂程度，后期处理解释对压裂效果予以评价。2.2数据采集地面微地震监测采用的是基于波形叠加的偏移类定位方法。为了提高成像精度，在观测系统设计 时充分考虑了聚焦“光圈”（成像孔径）的大小和穿过 “光圈”的光线数量（接收点密度）。常见的地面监测 观测系统有矩形观测系统和星型观测系统。该项目 野外数据采集采用星型观测系统，即以压裂井口为 中心，在其四周呈放射状布设测线。实际监测排列 包括 10 条测线共计 1 300 余道接收站，每站 6 只检波1 0 + 2 (S1 + S2 - 2p0) + (S1 - S2)cos(2)器，覆盖地表面积约69 km ，

9、采样间隔2 ms。2（1）通常地面监测相比井中监测，距离更远，监测到的事件数更少，事件信号强度更弱。因此，弱事件的 识别是地面监测成功与否的关键。从实际监测记录 发现，地面噪声主要以人文干扰为主，经过滤波、静 校正等一系列技术处理之后，微地震事件识别度明 显提高。 = 1 (S - S )sin(2)（2）122式中： 为作用在裂缝面上的剪应力，MPa；0 为岩石固有的无法想应力抗剪断强度，数值从几兆帕到几十兆帕，若沿已有断裂面错段，其数值为零；S1 、S2 为最大、最小主应力，MPa；p0 为地层压力，MPa； 为最大主应力与裂缝面法相的夹角，（°）； 为岩石 的内摩擦系数5-6。

10、式（1）表明微地震易沿已有断裂面发生。 0 为 零时，式（1）左端大于右端，这时会发生微地震；p0 增大，左端也会大于右端。这两种因素都会诱发微地震，且微地震优先发生在已有断裂面上。2.3数据处理微地震事件定位的方法通常分为 3 类：1）基于直达波质点位移的矢端技术；2）基于直达波到时的三角定位法；3）基于波形叠加的相干能量法。原则上 3 种定位方法都可用于地面监测成像，但前两种定位方法通常对信号采用离散识别方法，对地面监测的弱信号效果甚微。因此，先进国内外大多数地面 监测定位方法都倾向于基于波形叠加的相干能 量法。该项目中数据处理工作大致包括数据解编，去 假频，静校正，噪音抑制滤波，带通滤波

11、，四维能量聚 焦定位法。检波器方位校正采用燃爆索信号。初始 速度模型参考了 H 井的声波测井曲线，通过对射孔 信号定位调整速度模型，同时兼顾定位精度与时间， 最终速度模型确定为恒定速度模型，5 000 m/s。工 区位于山区，地表起伏较大，利用强能量微地震时间 计算静校正速度，静校正速度确定为 3 000 m/s7，校 正后事件初至平滑，效果较好。干扰主要来自周围 机械作业、人文活动，汽车和飞机通过检波器周围空 间时也会产生异常波形，通过特定去单频干扰和1090 Hz 带通滤波可以达到去除干扰的目的。随 着压裂逐段推进，速度模型在先前模型基础上调整。 总体上，各段射孔水平定位误差小于 15 m

12、，垂向定位2地面微地震监测实例2.1项目概况威远构造属于川中隆起的川西南低陡褶皱带，东及东北与安岳南江低褶皱带相邻，南界新店子向 斜接自流井凹陷构造群，北西界金河向斜于龙泉山 构造带相望，西南与寿保场构造鞍部相接，是四川盆 地南部主要的页岩气富集区之一。H 井为水平井， 目的层为志留系龙马溪组，水平段长约 1 000 m，水 平段垂深约 3 500 m。由于页岩气藏本身具有低孔、 低渗的特征，须对该井进行水力压裂作业，旨在扩大 裂缝网络，提高最终采收率2。压裂作业采用复合桥 塞+多簇射孔方式，设计压裂 12 段，由于可能存在天 然断层，第 4 段跳过，实际压裂 11 段。此次地面微地 震实际监

13、测的主要任务是现场实时展示微地震事件 结果，确定裂缝方位、高度、长度等空间展布特征及第6 期钟 尉，等. 地面微地震监测技术在川南页岩气井压裂中的应用73误差小于20 m，以此可估算事件定位误差8。四维能量聚焦定位法的基本思想是：根据工区情况采用指定大小的网格将地下模型网格化。针对 一个指定网格，计算该网格作为震源的微震信号到 达各监测站的到时，将与微震信号到达各个监测站 的到时对应的有效波振幅相加，从而获得叠加能 量。获得不同到时下的叠加能量，并将叠加能量中 的最大值归位到指定网格中；遍历所有网格，重复之 前的步骤获得所有网格的最终能量谱；根据预先设置的阈值对最终能量谱的能量值过滤，从而将能

14、量值大于阈值的网格定位为微震有效事件点9-11。2.4监测结果此次地面监测共计识别、定位事件2 245 个（图1、图 2），各段裂缝长度从 1 480 m 到 1 800 m 不等，平均缝长 1 730 m，裂缝高度从 90 m 到 200 m 不等，平均缝高170 m。基于监测结果，可以得出以下结论和认识：1） 微地震事件主体发生在两个线性构造内：第N上EWS压裂段 1颜色WE2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12下图1 监测结果俯视图Fig. 1 Vertical view of monitoring results图2 监测结果侧视图Fig. 2 Side view of mo

15、nitoring results一个位于井筒西侧大约距出靶点 100 m 处，宽约 200m，高约 170 m。第二个位于第 7、8 压裂段附近，宽约100 m，高约 110 m。所有事件集分布呈现近似南北走向，垂深范围从 3 420 m 到 3 620 m，微地震事件主体发生在井筒下方（图3）。2） 第 1 段到第 3 段的事件集中发生在第一个线性构造内，方位角从 N0°E 到 N5°E。第 5 段到第 12 段的事件除了发生在第一个线性构造内，其余部分集中分布在第二个线性构造内，与井筒斜交，方位角约 N0°E，并且第 5 段到第 12 段的事件在这两个区域的

16、分布密度大体相当。3） 第3 段微地震事件数与压裂参数关系（图4）， 红色柱状显示代表微地震事件数。微地震活动贯穿 整个压裂停泵后的时间段，因此，这两个微地震活动 倾向带解释认为是旧有的断层活动。2 8003 0003 2003 4003 6003 8004 000N 上2 300E2 1001 700w4002001 90080.060.040.020.0400.0300.0200.0100.020.215.010.05.00.0S0-200-400-600-800-1 000-1 200-1 400-1 600-1 800-2 000下1 3001 5001 1009007005000.0

17、3000.009:43:20 11 :06:40 12:30:00 13:53:20 15:16:40 16:40:00时间18:03:20 19:26:40 20:50:00100图3 微地震事件分布密度3 552 m 水平切片Fig. 3 Horizontal slice of microseismic events distribution density in 3 552 m图4 第三段微地震事件数与压裂参数Fig. 4 Microseismic events and fracturing parameters of3rd stage泵注压力/psi砂浓度/(lb·gal-

18、1 )排量/bpm压后事件集74第4 卷油气藏评价与开发4） 仅观察到有少量的微地震事件发生在井筒周边的其它地方，这预示着所有压裂段的主要增产贡献集中于这两个断层带。建议将来的井完井时， 使用高强度的凝胶集中压裂隔离地带，可以扩大增 产表面积，从而使增产效果最大化。5） 排除孤立的事件点，估算的累计压裂改造体 积 M-SRV 为 34.9×106 m3，各段压裂改造体积之和为87×106 m3，重叠率约为 60%。为 EUR（单井预期产气 量）的计算提供了基础资料。中发现，在无法满足深井监测条件时，地面监测可独立进行，成像结果可以满足裂缝刻画的要求。在满 足深井监测条件时，

19、深井地面多方式联合监测能 够进一步提高裂缝描述的精度。参 考 文 献1刘树根，马文辛，LUBA Jansa，等. 四川盆地东部地区下志留统龙马溪组页岩储层特征J. 岩石学报，2011，27（8）：2239-2252Peter M, Duncan, Leo Eisner. Reservoir characterization using surface microseismic monitoring J. Geophysics, 2010, 75（5）:139-146刘振武，撒利明，巫芙蓉，等. 中国石油集团非常规油气微地 震监测技术现状及发展方向J. 石油地球物理勘探，2013，48（5）：843-853严永新，张永华，陈祥，等. 微地震技术在裂缝监测中的应用 研究J. 地学前缘，2013，20（3）：270-274 刘建中，王春耘，刘继民，等. 用微地震法监测油田生产动态 J. 石油勘探与开发，2004，31（2）：71-73张景和，孙宗欣. 地应力、裂缝测试技术在石油勘探开发中的 应用M. 北京：石油工业出版社，2001：3