井中微地震監(jiān)測技術(shù)在非常規(guī)水平井壓裂中的應(yīng)用

◇中國石化中原油田分公司油氣開發(fā)管理部 王明春

簡要介紹了井中微地震監(jiān)測技術(shù)的原理和技術(shù)關(guān)鍵，重點(diǎn)分析了該技術(shù)在白廟氣田非常規(guī)水平井多段水力壓裂中的應(yīng)用，對施工重要環(huán)節(jié)、監(jiān)測獲得的裂縫監(jiān)測成果進(jìn)行了分析，認(rèn)為該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對水平井復(fù)雜、多層壓裂造縫的準(zhǔn)確描述，并對今后監(jiān)測井選井提出建議。

1 前言

非常規(guī)長水平井一般儲層物性差、水平井段長，為增加單井控制和動用儲量，提高產(chǎn)能，大多采用分段壓裂投產(chǎn)。為了更加有效的實(shí)施壓裂和指導(dǎo)油氣田的開發(fā)，開展人工裂縫監(jiān)測得到人工改造裂縫的高度、長度、寬度、延伸、方位等十分重要而且十分必要。人工裂縫監(jiān)測有多種方法：壓裂前后井溫測量、電位法、地傾斜法、微地震法等，這些方法都有其自身局限性，要么不能完全獲取裂縫三維產(chǎn)狀及實(shí)時信息等，要么價格昂貴不適合現(xiàn)場推廣。近年來，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升及高靈敏度檢波器的發(fā)展，微地震監(jiān)測技術(shù)取得較快進(jìn)步，相比其他技術(shù)，具有控制范圍大，適應(yīng)面廣，實(shí)時性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前壓裂監(jiān)測的主要應(yīng)用手段。

2 井中微地震監(jiān)測技術(shù)原理

微地震監(jiān)測技術(shù)是利用地面或井中檢波器臺網(wǎng)，監(jiān)測由壓裂引發(fā)的微地震信號，實(shí)現(xiàn)對壓裂造縫的描述。微地震監(jiān)測方法按照地震信號采集方式，分為地面、淺井、井中三種方法。井中微地震監(jiān)測就是在監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域周圍鄰近的一口或幾口井中布置接收排列，進(jìn)行微地震監(jiān)測。由于微地震信號容易受到周圍噪聲遮蔽，而且在傳播中受地層介質(zhì)吸收，信號強(qiáng)度也會受到影響，因此井中方式無疑是最精確的采集方式，它利用了高靈敏度檢波器，而且在井下環(huán)境中更加接近于震源，所得到的微地震信號更多、信噪比更高、反演可靠性更好。

該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)、摩爾-庫倫理論和斷裂學(xué)準(zhǔn)則[1]。壓裂時，由于地層壓力的升高，巖石產(chǎn)生張性破裂和剪切破裂，破裂的瞬間產(chǎn)生微地震波，微地震波在地層中以球面波的形式向四周傳播，利用設(shè)置在地面或井中的檢波器監(jiān)測這些微震，并通過數(shù)據(jù)處理分析確定震源位置，隨著壓裂不斷產(chǎn)生新的破裂，持續(xù)監(jiān)測得到足夠多的震源定位，就能得到裂縫延展的方位、長度、高度、角度等信息。

反演產(chǎn)生微地震的準(zhǔn)確位置是技術(shù)關(guān)鍵。我們知道，微地震波包括縱波（P）和橫波（S），縱波快于橫波，井中監(jiān)測環(huán)境近似為均勻介質(zhì)，其震源定位方法就采用縱橫波時差法[2]，使用兩者的到時作為約束，建立地震波速度模型（式4），采用解析法求解，反演破裂的空間位置。

整理可得：

聯(lián)立式（1）、式（3）可得：

3 應(yīng)用情況

3.1 井中微地震監(jiān)測設(shè)計(jì)

白-平2HF井是中原油田白廟氣田主體白9斷塊區(qū)的一口階梯狀、三靶定向水平井，完鉆井深5374米，水平段長1200米，鉆遇沙三下3+4砂組氣層15層318米，氣干層20層185.6米。設(shè)計(jì)分9段壓裂，設(shè)計(jì)注入壓裂液4051.8方，加砂487.6方,共準(zhǔn)備壓裂液4400方，支撐劑487.6方 。

在白-平2HF井分段壓裂裂縫監(jiān)測中，考慮白44、白66井產(chǎn)量高，選取白17井為監(jiān)測井（圖1），井中下入12級三分量檢波器，白64井作為放炮定位校正井，具體監(jiān)測流程如圖2所示。

圖1 監(jiān)測井平面位置圖

圖2 井中微地震監(jiān)測流程圖

3.2 震級敏感度測試

根據(jù)本區(qū)域以往監(jiān)測項(xiàng)目，繪制微地震震級和監(jiān)測距離的關(guān)系、能量衰減和微地震震級的關(guān)系圖（圖3），驗(yàn)證監(jiān)測井白17能否接收到白-平2HF多級分段壓裂微地震信號，確定監(jiān)測臺網(wǎng)部署的可行性。在白17垂深3920米的震級敏感度測試結(jié)果顯示：距離檢波器最大距離的第10個滑套位置的微震能量等級大于里氏-1.4級時，檢波器即能收到信號。而壓裂時的微震信號震級一般都介于里氏-3級到+1級。因此，本次在白17井監(jiān)測白-平2HF井壓裂是可行的，能夠監(jiān)測到主要破裂事件，但距離檢波器較遠(yuǎn)的層段信號弱，可能影響測試精度。

圖3 地震震級敏感度測試（TVD:3920m）

3.3 檢波器定向與速度模型校準(zhǔn)

通過定位校正井放炮，監(jiān)測井采集記錄微地震事件，對事件開展兩個方面的處理。一是根據(jù)放炮事件信號的偏振特征，應(yīng)用極化原理確定三分量檢波器的空間方位，并以此方位定位壓裂產(chǎn)生的破裂位置。二是驗(yàn)證調(diào)整速度模型。初始速度模型中縱波速度是依據(jù)壓裂井和監(jiān)測井的聲波測井資料求取的，而橫波速度通過偶極子聲波測井資料擬合的經(jīng)驗(yàn)公式換算得到，與實(shí)際存在一定差異，需要通過利用校準(zhǔn)井輔助放炮反演進(jìn)行速度模型校正。白64井為本次震源校正井，放炮深度選擇在3700m，距離第1個、第8個檢波器距離分別為463m、468m。修正速度模型使得信號反演后定位的點(diǎn)與深度3700m點(diǎn)基本重合，檢波器方位校正與速度校正準(zhǔn)確，為實(shí)際監(jiān)測過程中的精確定位提供了保障。

3.4 背景噪音處理

在壓裂實(shí)時監(jiān)測開始前，首先對監(jiān)測井進(jìn)行背景噪音監(jiān)測，利用快速頻譜分析功能對噪音信號進(jìn)行及時的分析，作為設(shè)置濾波參數(shù)的重要依據(jù)之一。實(shí)測大地背景噪音一般是低頻噪聲，在0～200Hz的范圍內(nèi)，而一般微地震事件一般在200～1500Hz。在開始實(shí)時監(jiān)測時，還需要利用獲得的早期信號對比微地震信號和背景噪音之間的差別，修正濾波參數(shù)。原始的微地震數(shù)據(jù)經(jīng)去噪處理后信號明顯、清楚（圖4），能夠準(zhǔn)確地拾取P波、S波，可以進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖4 接收到微地震信號（左：處理前，右：處理后）

3.5 監(jiān)測結(jié)果

通過歷時兩天的連續(xù)不間斷的監(jiān)測，被最終準(zhǔn)確定位的信號有649個。其中第一級壓裂75個，第二級壓裂78個，第三級壓裂87個，第四級壓裂116個，第五級壓裂67個，第六級壓裂62個，第七級壓裂59個，第八級壓裂50個，第九級壓裂55個。

從不同壓裂段監(jiān)測到的破裂事件數(shù)目對比，第5～9段明顯低于1～4段。分析原因主要是本次監(jiān)測井選井時，考慮到影響產(chǎn)量因素，沒有選擇位置更合適的白44或白66井，選擇的白17井距離上部壓裂段偏遠(yuǎn)，在一定程度上影響了監(jiān)測精度。

從監(jiān)測結(jié)果可得到，白-平2HF井9級壓裂裂縫走向基本一致，在北偏東60°～71°之間，平均65°。其中第5級裂縫走向?yàn)樽畲?，為北偏東71°，第6級與第7級壓裂裂縫走向最小，為北偏東60°。統(tǒng)計(jì)裂縫發(fā)育區(qū)動態(tài)長度最大的為第1級左翼動態(tài)長度，約為164m；統(tǒng)計(jì)裂縫發(fā)育區(qū)動態(tài)長度最小的為第8級右翼動態(tài)長度，約為120m。統(tǒng)計(jì)出裂縫發(fā)育區(qū)長、寬、高見表1。

表1 白-平2HF井水力壓裂裂縫發(fā)育區(qū)長、寬、高統(tǒng)計(jì)表

圖5、圖6為白-平2HF壓裂9段微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果圖。圖中橢圖為裂縫發(fā)育區(qū)，黑色雙頭線為每段裂縫的走向。監(jiān)測結(jié)果表明：本區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)?0°～71°。

圖5 白-平2HF井9段壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果（俯視圖）

圖6 白-平2HF井9段壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果（側(cè)視圖）

4 結(jié)論與認(rèn)識

（1）應(yīng)用井中微地震監(jiān)測技術(shù)對白廟氣田水平井白-平2HF共計(jì)9段壓裂監(jiān)測，準(zhǔn)確判斷了分段裂縫是否形成以及裂縫形成的先后順序，定量解釋了裂縫的長度、高度、寬度、方位角，分析認(rèn)為本次水平井多井段壓裂設(shè)計(jì)基本合理，達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）在今后的監(jiān)測井選擇上應(yīng)加強(qiáng)論證，尤其對此類水平段超長、投入巨大的水平井，應(yīng)該以取全取準(zhǔn)資料為原則，監(jiān)測井盡量居中，監(jiān)測半徑覆蓋全井段，如有必要可選擇2口井，同時開展監(jiān)測，提高監(jiān)測精度。