井下微地震監(jiān)測技術(shù)在頁巖氣“井工廠”壓裂中的應(yīng)用

劉旭禮

(中國石油長城鉆探工程有限公司四川頁巖氣項目部，四川成都 610051)

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井下微地震監(jiān)測技術(shù)在頁巖氣“井工廠”壓裂中的應(yīng)用

劉旭禮

(中國石油長城鉆探工程有限公司四川頁巖氣項目部，四川成都 610051)

通過井下微地震監(jiān)測可以獲得頁巖氣井壓裂過程中水力裂縫的展布方向、波及長度和地層破裂能量，從而指導(dǎo)壓裂方案的實時調(diào)整，增大壓裂改造體積。為此，威202井區(qū)5個平臺進行頁巖氣“井工廠”壓裂施工時，應(yīng)用井下微地震監(jiān)測技術(shù)進行了裂縫監(jiān)測。在介紹井下微地震監(jiān)測技術(shù)基本測量原理的基礎(chǔ)上，以威202井區(qū)A平臺6口井的應(yīng)用為例，詳細介紹了該技術(shù)在有效識別地層中潛在天然裂縫、監(jiān)測暫堵轉(zhuǎn)向體積壓裂效果、指導(dǎo)射孔參數(shù)優(yōu)化等方面的機理與效果。研究表明，應(yīng)用井下微地震監(jiān)測技術(shù)可以增大頁巖氣儲層改造體積，提高儲層均勻改造程度，這對于頁巖氣的經(jīng)濟有效開發(fā)具有重要作用。

頁巖氣；水平井；井工廠；壓裂；微地震；裂縫監(jiān)測；威遠區(qū)塊

20世紀90年代，微地震技術(shù)被應(yīng)用到石油工業(yè)中，主要用于油藏驅(qū)動監(jiān)測和儲層壓裂監(jiān)測[1-4]。21世紀以來，微地震監(jiān)測技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于頁巖油氣開發(fā)中[5-9]。頁巖油氣資源開發(fā)時多采用水平井及大型壓裂技術(shù)，壓裂效果的好壞直接影響到最終的開發(fā)效果。因此，對頁巖油氣水平井的壓裂效果進行監(jiān)測和評價，可為下一步水平井壓裂方案的制定和壓裂參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。井下微地震監(jiān)測技術(shù)作為監(jiān)測壓裂效果的有效手段之一，可以實時監(jiān)測裂縫的展布方向、波及長度和地層破裂能量，并且可以通過分析壓裂參數(shù)與微地震監(jiān)測參數(shù)對人工裂縫延伸方向和長度進行追蹤定位，客觀評價壓裂效果，有助于井網(wǎng)優(yōu)化、“井工廠”布局、井眼軌道設(shè)計、壓裂方案設(shè)計和調(diào)整，從而提高儲層壓裂改造效果，實現(xiàn)頁巖油氣資源的經(jīng)濟高效開發(fā)[10]。因此，在威202井區(qū)5個平臺“井工廠”壓裂過程中，利用井下微地震監(jiān)測技術(shù)對壓裂效果進行了監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對后續(xù)壓裂方案進行了優(yōu)化和調(diào)整，從而提高了頁巖氣井壓裂改造效果。

1　井下微地震監(jiān)測技術(shù)

微地震監(jiān)測技術(shù)通過采集壓裂引發(fā)的微地震信號形成圖像，顯示壓裂裂縫的延伸方向、高度、長度和對稱性等，有助于幫助油氣藏開發(fā)人員監(jiān)測壓裂施工效果，優(yōu)化壓裂設(shè)計及開發(fā)方案。目前，微地震監(jiān)測技術(shù)主要包括地面微地震監(jiān)測技術(shù)和井下微地震監(jiān)測技術(shù)[6，11-12]。與干擾因素更多的地面微地震監(jiān)測技術(shù)相比，威遠地區(qū)和焦石壩南區(qū)3 000.00 m以深的頁巖氣儲層壓裂時，井下微地震監(jiān)測技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)信噪比更高，信號的準確性和可靠性更強，應(yīng)用也更廣泛[12-13]。

1.1基本原理

水力壓裂時，當井筒壓力迅速升高并超過巖石強度時，巖石發(fā)生破裂或剪切滑動形成裂縫。裂縫延伸擴展時，產(chǎn)生一系列向四周傳播的微震波[14]。微震波可以用精密的Maxiwave井下三分量檢波器在井周圍接收到，根據(jù)各微震波的到達時差，結(jié)合地層模型和聲波模型，形成一系列方程組，求解這一系列方程組，通過數(shù)據(jù)處理分析得到有關(guān)震源的信息就可確定震源位置，進而確定出裂縫的方位、長度、高度及地應(yīng)力方向等參數(shù)。

1.2“井工廠”壓裂的監(jiān)測方法

“井工廠”壓裂中的微地震事件是頁巖氣儲層因水力壓裂而引發(fā)的，由于其激發(fā)能量弱，通過地層傳播后，地表檢波器接收到的微地震波場能量已經(jīng)很弱，導(dǎo)致微地震監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)的信噪比低。利用單個三分量檢波器接收微地震波的方法通常稱為矢端圖技術(shù)，檢波器和微震震源間的位置關(guān)系可以通過直達縱波/橫波初至的微小運動來確定。檢波器到震源的距離可以通過直達縱波和橫波初至的時間差以及這2種波的速度來確定。利用多個位置的檢波器接收到的信號和有關(guān)勘查區(qū)域的微地震波的波速，就可以根據(jù)矢端圖法準確確定震源位置。

在對井下微地震信息進行處理之前，需要對微地震事件進行分析，通過微地震事件識別和篩選有效信號，在建立地質(zhì)模型和速度模型的基礎(chǔ)上進行空間定位，最終獲得裂縫解釋成果[6，15]。

1.2.1背景噪音分析

在對頁巖氣井壓裂進行實時監(jiān)測以前，需要監(jiān)測該井的背景噪音，并對背景噪音信號進行分析，得出合理的濾波方案，提高信噪比。地震檢波器非常靈敏，地面噪音有可能沿著井內(nèi)液體傳播到井下，對地層破裂信號造成干擾。為降低地面噪音的干擾，需將井內(nèi)液面降至300.00 m以深。在開始實時監(jiān)測時，往往還需對獲得的早期信號、微地震信號和背景噪音進行對比，以獲得微地震信號和背景噪音之間的差別，幫助修正濾波參數(shù)。

1.2.2破裂事件的監(jiān)測

在壓裂監(jiān)測初期，要不斷查看微地震信號的波形特征，分析微地震信號，篩選模塊，修改壓制噪音模塊參數(shù)，使篩選出的模塊既能基本滿足實時監(jiān)測到壓裂破裂事件的要求，又不丟失能量較低的壓裂破裂事件。

檢查壓裂初期獲得的較清晰微地震事件的定位結(jié)果，微地震事件一般應(yīng)位于壓裂段射孔位置附近，必要時需檢測每個事件縱波和橫波初至?xí)r間的自動拾取結(jié)果的合理性，如果自動拾取結(jié)果不合理，需要調(diào)整縱波和橫波初至自動拾取的參數(shù)，降低自動拾取時的誤差[14，16]，對自動拾取結(jié)果進行必要的修正，確保定位結(jié)果滿足要求。

2　現(xiàn)場應(yīng)用

威遠構(gòu)造位于川中隆起區(qū)的川西南低陡褶帶[12]，儲層埋深2 700.00～3 200.00 m。井下微地震監(jiān)測技術(shù)在威202井區(qū)A、B、C等5個平臺頁巖氣水平井“井工廠”壓裂中進行了應(yīng)用。其中，威202井區(qū)A平臺共有6口井，是威遠地區(qū)第一個實現(xiàn) “井工廠”壓裂的井組，上下半支各3口井，分兩輪進行壓裂，利用相對應(yīng)的鄰井進行井下微地震監(jiān)測。第一輪壓裂監(jiān)測采用12級Maxiwave三分量檢波器接收微地震波，級間電纜長10.00 m，檢波器位于202H2-2井的2 670.00～2 780.00 m井段，與目的層的垂向距離約為250.00 m(見圖1)。第二輪壓裂監(jiān)測采用12 級Maxiwave三分量檢波器接收微地震波，級間電纜長20.00 m，檢波器位于202H2-6井的2 650.00～2 870.00 m井段，與目的層的垂向距離約為69.00 m(見圖2)。

圖2　威202井區(qū)A平臺第二輪壓裂監(jiān)測位置示意Fig.2　The monitoring location at second round of hydraulic fracturing on platform A of Block Wei 202

2.1潛在天然裂縫的監(jiān)測

威202井區(qū)龍馬溪組頁巖氣儲層微斷層及天然裂縫較為發(fā)育，壓裂過程中水力裂縫的延伸容易受到天然裂縫誘導(dǎo)作用的影響，造成儲層改造程度不夠，影響壓裂效果[12，14，16-17]。因此，在預(yù)測天然裂縫的基礎(chǔ)上，利用井下微地震監(jiān)測技術(shù)，在壓裂過程中實時觀測和分析天然裂縫對壓裂效果的影響。微地震監(jiān)測過程中，根據(jù)微地震事件點的能量強弱、密度大小、事件點出現(xiàn)時機以及響應(yīng)時間等參數(shù)，結(jié)合壓裂參數(shù)和地震曲率屬性預(yù)測裂縫情況，可以較為準確地識別壓裂過程中遇到的天然裂縫或斷層。

202H2-6井壓裂過程中有明顯的天然裂縫或斷層顯示，距離斷層越近停泵壓力越低，且壓裂過程中有壓力突降的現(xiàn)象。從微地震事件點可以看出，在井筒下方有大量的微地震事件發(fā)生，壓裂時采取了降排量、大段塞加砂、高黏膠液處理等技術(shù)措施，取得了一定的效果，但對于規(guī)模相對較大的天然裂縫應(yīng)以溝通為主，實現(xiàn)儲層均勻改造的難度相對較大。

壓裂過程中遇到天然裂縫，會使液體效率大大降低，容易出現(xiàn)加砂困難或發(fā)生砂堵事故，合理的液體組合和支撐劑配比是應(yīng)對天然裂縫對壓裂施工不利影響的重要技術(shù)措施。通過螞蟻體追蹤預(yù)測天然裂縫，結(jié)合地震資料相似性的變化和曲率變化，預(yù)測潛在的天然裂縫或破碎帶，再與壓裂過程中發(fā)生的微地震事件相結(jié)合(見圖3)，就可以在壓裂過程中指導(dǎo)液體黏度、支撐劑用量、砂比或砂濃度、段塞液量等參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)整[18-19]。

圖3　威202井區(qū)A平臺螞蟻體裂縫預(yù)測和微地震裂縫監(jiān)測的壓裂綜合評估處理技術(shù)Fig.3　The comprehensive evaluation and treatment technology for the microcrack prediction and microseismic fracture monitoring at platform A of Block Wei 202

2.2暫堵轉(zhuǎn)向體積壓裂效果的監(jiān)測

暫堵轉(zhuǎn)向體積壓裂技術(shù)是指在合適的時機，通過添加可溶性的、對儲層損害極低的裂縫暫堵劑，控制壓裂裂縫的延伸，實現(xiàn)儲層均勻改造。

威202井區(qū)B平臺1井第17壓裂井段水力裂縫主要在井筒西側(cè)延伸(見圖4，藍色為暫堵前微地震事件點，紫色為暫堵轉(zhuǎn)向后微地震事件點)，在合適的時機加入了一定量的100/120目和60/80目可溶性裂縫暫堵劑(見圖5)。微地震監(jiān)測解釋結(jié)果顯示，暫堵轉(zhuǎn)向作用明顯，降低了天然裂縫的誘導(dǎo)作用，實現(xiàn)了儲層的均勻改造。

圖4　威202井區(qū)B平臺1井第17段微地震監(jiān)測解釋結(jié)果Fig.4　The interpretation results for microseismic monitoring at stage 17 of Well 1 in platform B of Block Wei 202

圖5　威202井區(qū)B平臺1井第17段壓裂施工曲線Fig.5　The fracturing curve at stage 17 of Well 1 in platform B of Block Wei 202

2.3射孔參數(shù)的優(yōu)化

射孔位置的選擇對于頁巖氣水平井壓裂效果的影響非常大。威202井區(qū)某水平井龍馬溪組頁巖壓裂時井下微地震監(jiān)測事件的統(tǒng)計結(jié)果表明，高伽馬和高脆性指數(shù)地層微地震事件的密度較大，說明脆性相對好的地層可壓性更高，巖石更容易發(fā)生剪切破壞，更有利于形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)裂縫。

射孔簇數(shù)和孔數(shù)的選擇決定了相同排量下的儲層壓裂改造強度，簇數(shù)和孔數(shù)越少，單孔流速越大，縫內(nèi)凈壓力和液體攜砂效率越高，對于縫長和縫高的擴展越有利。威202井區(qū)C平臺6井第13段射孔3簇，孔密16孔/m，射48孔，微地震監(jiān)測水力裂縫縫高60 m；第14段射孔2簇，孔密16孔/m，射32孔，微地震監(jiān)測水力裂縫縫高85 m。由此可知，減少射孔簇數(shù)和孔數(shù)在一定程度上有利于提高壓裂裂縫高度。

2.4現(xiàn)場應(yīng)用效果

受地層平面和縱向非均質(zhì)性的影響，威202井區(qū)A平臺5井1—5壓裂井段壓裂后水力裂縫擴展不均。通過分析其井下微地震監(jiān)測資料，在后續(xù)井段壓裂時采取了優(yōu)化射孔參數(shù)、調(diào)整壓裂液和支撐劑組合、應(yīng)用暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)等技術(shù)措施，監(jiān)測結(jié)果顯示，微地震事件點增多，儲層獲得較理想的壓裂縫網(wǎng)，微地震監(jiān)測參數(shù)見表1。由表1可以看出：1—5壓裂井段的東西兩翼裂縫長度差最大達到338.00 m，而10—18壓裂井段的東西兩翼裂縫長度差最大105.00 m；在加砂量相當?shù)那闆r下，壓裂液用量由1 800～2 200 m3下降為1 700～1 900 m3。由此可知，該井后續(xù)壓裂井段采取的技術(shù)措施具有很好的針對性，基本實現(xiàn)了儲層的均勻改造。

威202井區(qū)A平臺6口井均獲得較好的壓裂效果，其中4井和5井采用φ9.0 mm油嘴進行放噴返排測試，最高井口壓力分別為36.74和43.96 MPa，最高日產(chǎn)氣量31.87×104和20.83×104m3，刷新了威遠地區(qū)頁巖氣井產(chǎn)氣量最高紀錄，取得了較好的開發(fā)效果。

表1　威202井區(qū)A平臺5井微地震監(jiān)測裂縫參數(shù)

3　結(jié)論與建議

1) 利用井下微地震監(jiān)測技術(shù)可以獲得裂縫的長度、方向、產(chǎn)狀等參數(shù)，能夠為壓裂施工參數(shù)的實時調(diào)整提供依據(jù)。

2) 根據(jù)微地震監(jiān)測資料的解釋結(jié)果，優(yōu)化射孔參數(shù)、實時調(diào)整壓裂液和支撐劑組合、應(yīng)用暫堵轉(zhuǎn)向技術(shù)，可以提高頁巖氣水平井的壓裂效果。

3) 頁巖氣儲層在平面和縱向上具有較強的非均質(zhì)性，建議進一步提高天然裂縫預(yù)測的精準度，并根據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果采取有針對性的技術(shù)措施，以提高頁巖氣水平井的壓裂效果。

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[編輯劉文臣]

The Application of Downhole Microseismic Monitoring Technology in Shale Gas “Well Factory” Hydraulic Fracturing

LIU Xuli

(SichuanShaleGasProjectDepartment,CNPCGreatWallDrillingEngineeringCompanyLimited,Chengdu，Sichuan, 610051,China)

Downhole microseismic monitoring technology can help determine the hydraulic fracture propagation direction, length and formation crack energy during shale gas well hydraulic fracturing, and thus can guide the adjustment of real-time fracturing operations and increase the fracturing volume. Therefore, downhole microseismic monitoring technology has been applied to the hydraulic fracturing operation in shale gas “well factory” on five pads of Block Wei 202 to detect fractures. The basic measurement principle of downhole microseismic monitoring technology was applied to the six wells on the platform A of Block Wei 202. The results function as a useful case study and an example, and both the mechanism and effect of the technology are evaluated in detail. The technique proved effective in identifying potential natural fractures in the formation, monitoring the effect of temporary plugging and diverting volume fracturing, and guiding perforation parameter optimization. Studies and applications showed that the downhole microseismic monitoring technology could increase the shale gas reservoir reconstruction volume, and even out the reservoir reconstruction degree, thus playing an important role in cost-effective development of shale gas.

shale gas; horizontal well; well factory; fracturing; microseismic; fracture monitoring; Weiyuan Block

2015-05-25；改回日期：2016-06-15。

劉旭禮(1963—)，男，遼寧阜新人，1994年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，2009年獲電子科技大學(xué)軟件工程專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事鉆完井工程、壓裂及采油技術(shù)方面的研究和管理工作。E-mail:liuxuli2005@126.com。

doi:10.11911/syztjs.201604018

P631.4+14

A

1001-0890(2016)04-0102-06

?油氣開發(fā)?