水力壓裂微地震裂縫監(jiān)測技術及其應用

段銀鹿，李倩，姚韋萍

（中國石油集團測井有限公司生產測井中心，陜西 西安 710201）

0 引言

微地震壓裂監(jiān)測技術是近年來低滲透油氣藏壓裂改造領域應用的一項重要技術。由于其具有驗證或修正壓裂模型、指導壓裂液的選取和加砂量的判斷、保證壓裂施工按設計順利進行、提高壓后產量和延長壓后有效期等優(yōu)點，逐漸引起了人們的廣泛關注［1-4］。水力壓裂通過向致密低滲透、無油氣開采價值的地層注入高黏度的高壓流體，使儲層巖石中形成裂縫；沿著裂縫，能量可以不斷地向地層中輻射，造成裂縫周圍地層的張裂或錯動，同時各種張裂或錯動會向外輻射彈性波地震能量。利用壓裂裂縫微地震監(jiān)測技術可以很好地檢測彈性波地震能量，從而達到對地下裂縫進行解釋的目的［5］。因鉆井工程本身無法確定鉆井和壓裂的效果，故需用開發(fā)地震中的人工主動震源資料和油藏工程誘發(fā)的被動震源資料對油藏動態(tài)進行監(jiān)測；而微地震裂縫監(jiān)測技術是水力壓裂裂縫監(jiān)測的可靠手段［6-8］。

微地震裂縫監(jiān)測技術起源于20世紀40年代的采礦業(yè)，而水力壓裂微震監(jiān)測技術則始于對地熱的開發(fā)研究。到了1976年，美國桑地亞國家實驗室方確立了水力壓裂誘發(fā)微震的井下觀測方法，隨后這種方法的可行性逐漸得到了人們的認可［9-11］。進入20世紀80年代，微地震水力壓裂技術研究主要集中于裂縫成像反演方法研究和井下觀測儀器研發(fā)［12-14］；90年代，井中高性能多級檢波器陸續(xù)出現，并得到廣泛應用。目前，國內對該技術的相關研究也取得了許多成果，但對于水力壓裂裂縫成像技術的研究還不夠成熟，其軟硬件的商業(yè)化程度較低，因此，深入開展水力壓裂微地震裂縫監(jiān)測技術的研究具有十分重要的意義。

1 原理及數據處理

1.1 原理

水力壓裂是向儲層注入高黏度的高壓流體，并配以適當比例的砂子和化學物質，使儲層巖石形成裂縫，從而順利開采儲層中的油氣［15-18］。水力壓裂時，大量高黏度、高壓流體被注入儲層，使孔隙流體壓力迅速提高。高孔隙壓力以剪切破裂和張性破裂2種方式引起巖石破壞：當高孔隙流體壓入儲層時，高孔隙流體壓力使有效圍應力降低，導致剪切裂縫產生；當孔隙流體壓力超過最小圍應力和整個巖石抗張強度之和時，巖石會形成張性裂縫。水力壓裂形成裂縫可看成是聲發(fā)射事件。

巖石破裂會發(fā)出地震波，儲存在巖石中的能量以波的形式釋放出來，即誘發(fā)微地震。根據摩爾-庫侖準則，水力壓裂或高壓注水時，由于地層壓力升高，沿著進水邊緣會發(fā)生微地震。這種地震波能量包括縱波和橫波，類似于地震勘探中的震源，但其頻率相當高，在100～2 000 Hz范圍內變化，能量相當于-2～-5級地震。其波形特征與儲層、地層剖面有關，也與注水和壓裂的過程及參數有關。絕大多數微地震發(fā)生在注水過程中，當地層受到的壓力大于歷史上承受的最高壓力時，微震開始明顯發(fā)生；注水壓力越高，微震發(fā)生率越高，注入流體量越大，微震發(fā)震次數就越多［19］。一般1次水力壓裂可記錄到的微地震達上百次至上萬次，平均發(fā)生率為0.5～1.0次/min，最高可達60次/min。

1.2 數據處理

微地震具有能量弱、頻率高、持續(xù)時間短等特點，容易受周圍噪聲影響，因此，為了精確地進行初至拾取和震源定位，需要對微地震資料進行處理。首先，通過預處理和合理濾波，使過濾背景噪音后的微震信號顯示一致；其次，選擇有利的微震事件作極化分析和初至拾取，獲取相對震源的偏振角和微地震事件的時間；最后，依據相應的反演理論進行計算，從而達到對震源精確定位的目的［20］。

1.2.1 微地震事件識別

由于微地震信號能量較弱，因此準確識別微地震信號是微地震實時監(jiān)測成敗的關鍵。應在對微地震信號特征（幅度譜、頻譜、能量包絡、頻帶范圍等）分析計算的基礎上進行判斷和識別，以確定有效事件。

1.2.2 拾取P波初至和S波波至

微地震時間的拾取是一項基礎性處理工作。由于水力壓裂時有較大的壓力作用，可能存在大量的有效事件，因此，需要在人工干預、識別的基礎上進行自動拾取。初至重拾取是對初至波作2次拾取的方法，即先初步確定各微地震的震源位置，在直線傳播路徑的假設下，將每個三分量記錄轉換為P，SH，SV波，然后將微地震群在縱向上分成幾組，分別將每組里的P，SH，SV波按位置順序重排，再根據重排后同相軸的相似性進一步拾取初至時間。

1.2.3 偏振分析

偏振分析主要用于三分量數據的波場分離（采用2次定向和1次空間定向方法，分離P，SV，SH波）；用于估計P波的矢徑方向，從而估計波的空間傳播方向。

1.2.4 微地震震源定位

微地震震源定位是數據處理的直接目標。由于對反演結果準確度的要求越來越高，該過程是最重要也是最困難的步驟。處理的主要方法有縱橫波時差震源定位法、震源-速度聯合反演法、繞射疊加法和相對震源定位法［20］。

2 應用實例

利用微地震監(jiān)測技術對水力壓裂裂縫進行檢測，可以記錄水力壓裂過程中的微地震事件，并根據微地震走時對震源定位［5，21-22］。由微地震震源的空間分布可以描述裂縫區(qū)輪廓。根據微地震空間分布在柱坐標系3個坐標面上的投影，可以給出裂縫的俯視圖、側視圖和前視圖，它們可以分別描述裂縫的平面分布、方位、參考性高度、起伏，以及裂縫面的傾斜方向、傾角等［5，21］。

本文選取某油田水力壓裂微地震資料進行比較和分析。井下儀器錄制參數為：壓裂井和監(jiān)測井水平間距為219 m；10級檢波器接收，布設深度為2 083～2 173 m；時間采樣間隔0.5 ms，記錄長度5 s，傳輸間隔時間34 s，記錄格式為SEG-2。射孔段共有3個，分別為深層2 185～2 187 m、 中層 2 176～2 179 m、 淺層 2 167～2 170 m。射孔及壓裂監(jiān)測結果如圖1所示。

圖1 射孔及壓裂監(jiān)測結果

2.1 射孔資料處理

處理的目的：首先，估計三分量井下檢波器推靠到井壁上的姿態(tài)，即估計Z分量檢波器的取向與垂直方向的夾角θ和H1，H2兩水平分量檢波器合成的方向與過2井（壓裂井和監(jiān)測井）連線剖面方向的夾角φ；其次，估計2井之間儲層射孔段的速度分布。

表1是各級檢波器利用水平X分量、Y分量計算出的偏轉角及經過定位旋轉之后的角度。圖2和圖3分別是10級檢波器中第5、第10級水平分量按估計的夾角φ定位前后的矢端曲線（標值均乘以105）對比。可以看出，估計夾角是合適的，各級水平分量定位之后都轉到一致的坐標系。

表1 各級檢波器水平偏轉角及旋轉定位后的角度

圖2 第5級檢波器水平分量定位前后矢端曲線對比

圖3 第10級檢波器水平分量定位前后矢端曲線對比

圖4a為第3段射孔接收到的原始X和Y分量記錄，圖4b為水平分量旋轉定向后的記錄。由圖4可以看出，由于10級檢波器都旋轉到一致的坐標系，因而縱波和橫波的同相軸都能更方便地進行對比追蹤，另外，縱波和橫波也得到了較好的分離。該記錄顯示，由于各級檢波器的水平偏轉方向不同，導致一些接收道存在極性反轉及接收時間上的差異。如X分量中的第3，4，6，9道與其他的接收道極性相反，這導致了同相軸的不連續(xù)性，對波至時間的拾取造成困難。

通過X，Y分量旋轉定位，可以將縱橫波分離，縱波投影到X分量，橫波投影到Y分量。從圖4中能明顯看到縱、橫波波至，且X，Y分量旋轉的角度可為實際壓裂采集記錄的三分量旋轉提供參數。

2.2 壓裂監(jiān)測資料處理

2.2.1 微地震事件識別標志和方法

首先，在連續(xù)記錄的波形中識別出微地震波至，其標志是振幅明顯增大、相鄰道相位相近、相鄰道波形相似，可以看出是一個同相軸；其次，估計這個波至或這個同相軸的微地震波類型，再根據壓裂井和監(jiān)測井之間的位置和井旁速度模型，估計整個排列10道檢波器記錄的地震同相軸的時差范圍，并判斷其是否在合理的范圍之內；最后，再考慮其他約束條件。

根據同相軸特征，識別的微地震事件可分為正常和異常微地震事件2類：1）正常微地震事件，存在于50～160 Hz的頻帶范圍內，根據射孔和檢波點深度上的位置關系（射孔在第10級檢波點深度或略深的位置，因此，第10級檢波器和第1級檢波器的事件時差應為正值，縱波約為8 ms，橫波約為15 ms），則認為這些記錄對應的事件為正常事件。射孔段1，2，3正常事件分別共出現在105，101，105個數據文件中。2）異常微地震事件，存在于10～60 Hz的頻帶范圍內，反映在各射孔段其余的記錄文件中，時差為-20～-30 ms，則認為這些記錄為異常事件。

圖4 射孔段3水平分量記錄

2.2.2 波至時間拾取

在識別微地震事件的基礎上，對每個微地震事件可以自動或手工拾取每道的波至時間。圖5是對射孔段2的第44號文件記錄識別出的微地震事件，黃色線條標注的是波的初至時間位置。

圖5 初至識別和拾取

可以看出，壓裂監(jiān)測接收到的微地震事件中，有縱波也有橫波。另外，圖5右側圖顯示了Z分量上的異常微地震事件。分析認為，其波型縱波、橫波均存在，是由檢波器上方的震源引起。

2.2.3 震源位置定位

由各道拾取的波至時間，用反演的方法估計每個微地震震源的位置和每個微地震的發(fā)震時間［3］。假設待求的某一個微地震震源的位置坐標是 Xs，Ys，Zs，發(fā)震時間為 ts。 10 個接收點的空間坐標為 Xj，Yj，Zj（j=1，2，…，10），則拾取的微地震事件的波至時間為 tj（j=1，2，…，10）。

2.2.4 監(jiān)測資料解釋

將3次壓裂每次微地震震源位置反演的結果分別畫出來，就可據此推斷每次水力壓裂生成裂縫的空間分布，延伸的長度、寬度和發(fā)育的方位，估計裂縫發(fā)育和演化的過程［3，22］（見圖 6、圖 7）。

圖6 3個射孔段反演結果

圖7 3個射孔段俯視

根據每個射孔段壓裂誘導的微地震震源分布，可解釋每次壓裂產生的裂縫參數，結果見表2。

3 結論

1）微地震事件的識別和波至時間的拾取需要考慮的因素較多，因此，自動拾取方法具有較高的可靠性。

2）微地震位置的反演精度依賴于壓裂井周圍介質速度模型的精確性，模型的建立除與反演方法和建模方法有關外，還依賴于地質、測井、地震資料提供信息；因此，微地震資料的處理應綜合運用多種資料。另外，微地震位置的反演往往具有多解性，特別是Y方向（即微震源偏離壓裂井和監(jiān)測井構成剖面的距離）的正負，故需適當增加約束條件。

3）微地震的震源分布，指示壓裂裂縫的位置和發(fā)育情況，是水力壓裂微地震監(jiān)測的最重要目標；但能否根據微地震監(jiān)測的情況估計它們與水力壓裂壓力大小、射孔方向、壓注液體配置、加砂量和程序等的關系，還需加強與地質、油藏工程和地震監(jiān)測等方面的配合。

表2 3次壓裂的裂縫參數

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