微地震監(jiān)測技術在陽201－H2井壓裂中的應用

邱 健 段樹法

（1.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.殼牌中國勘探與生產有限公司）

微地震監(jiān)測技術在陽201－H2井壓裂中的應用

邱 健1段樹法2

（1.中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院 2.殼牌中國勘探與生產有限公司）

在對四川盆地陽201－H2井進行水力壓裂時，首次在中國運用了深井和淺井聯合觀測技術進行微地震監(jiān)測，并獲得了成功。通過對陽201－H2井的微地震監(jiān)測，準確地刻畫出了壓裂誘導裂縫的位置、方位、大?。ㄩL度、寬度和高度）。微地震監(jiān)測技術把地球物理信息應用到非常規(guī)油氣藏開發(fā)，拓寬了地球物理在油氣田開發(fā)中的應用。圖10表1參5

微地震 監(jiān)測 裂縫 儲層 頁巖氣 水平井 壓裂

陽201－H2井是一口水平井，在壓裂過程中首次運用了深井和淺井聯合觀測技術進行微地震監(jiān)測，并獲得了成功。實踐證明在淺井中也能進行微地震的監(jiān)測，這為今后在無深井的情況下開展此項工作提供了參照模式。

1 微地震監(jiān)測技術

1.1 技術簡介

微地震監(jiān)測技術就是通過觀測、分析壓裂活動中所產生的微小地震事件來監(jiān)測壓裂活動的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術。與地震勘探相反，微地震監(jiān)測中震源的位置、發(fā)震時刻、震源強度都是未知的，確定這些因素又恰恰是微地震監(jiān)測的首要任務。這項技術相當于為分段壓裂作業(yè)施工配上一副透視眼睛，是油氣層壓裂生產過程中直觀而又可靠的技術。

微地震監(jiān)測的基本做法是通過在井中或地面布置檢波器排列接收壓裂活動所產生或誘導的微小地震事件，并通過這些事件的反演求取微地震震源位置等參數，最后通過這些參數對壓裂活動進行實時監(jiān)控和指導（圖1）。微地震監(jiān)測主要包括數據采集、震源成像和精細反演等3個關鍵步驟。

1.2 微地震監(jiān)測機理

壓裂時巖石破裂會伴隨產生強度較弱的地震波，稱為“微地震”。微地震事件發(fā)生在裂隙之類的斷面上，裂隙范圍通常只有1～10 m。地層內地應力呈各向異性分布，剪切應力自然聚集在斷面上，通常情況下這些斷面是穩(wěn)定的。然而，當原來的應力受到生產活動干擾時，巖石中原來存在的或新產生的裂縫周圍就會出現應力集中，應變能量高；當外力增加到一定程度時，原來裂縫的缺陷地區(qū)就會發(fā)生微觀屈服或變形、裂縫擴展，從而使應力松弛，儲藏能量的一部分以彈性波（聲波）的形式釋放出來產生小的地震，即所謂微地震。其實質是巖石周圍應力／應變、變形、開裂、失穩(wěn)／破壞等一系列動態(tài)演變過程的一種表現形式。大多數微地震事件頻率范圍介于50～1500 Hz之間，持續(xù)時間小于1 s，通常能量介于里氏－3到＋1級。在地震記錄上微地震事件一般表現為清晰的脈沖，越弱的地震事件，其頻率越高，持續(xù)時間越短；能量越小，破壞的長度就越短。因此，微地震事件很容易受其周圍噪聲的影響或遮蔽。另一方面在傳播中由于巖石介質吸收以及不同的地質環(huán)境，也會使能量受到影響。

2 微地震監(jiān)測在水力壓裂中的應用

2.1 陽201－H2井基本情況

陽201－H2井位于陽高寺—九奎山構造帶北段西翼，與高產氣井陽101井同井場，設計井深4600 m，設計水平段1025 m，目的層是志留系龍馬溪組。其鉆探目的是了解水平井在本區(qū)頁巖氣開發(fā)中的增產效果，收集生產數據（如初始產量、產量隨時間的遞減規(guī)律等），估算氣井的最終采收率，以評價本區(qū)塊頁巖氣的商業(yè)價值。

該井于2011年8月20日開鉆，2012年2月7日完鉆，完鉆井深4568.18 m，實際垂深3403.53 m，實鉆水平段925 m。本井在直井段鉆井非常順利，但鉆水平段時，由于實際地層傾角（35°）比預測（14°）要大，造成二次側鉆，最后確定沿等高線鉆陽201－H2－ST3方獲成功。

頁巖氣藏具有低孔、低滲透率物性特征，使得開發(fā)過程中需要進行大規(guī)模水力壓裂，擴大裂縫網絡，這是獲得工業(yè)氣流的關鍵。陽201－H2井在水平井段采用分段壓裂能有效產生裂縫網絡，極大地延伸頁巖氣在橫向和縱向上的開采范圍，盡可能地提高最終采收率。

2.2 陽201－H2井多級水力壓裂

水力壓裂就是利用地面壓裂車組將一定黏度的液體以足夠高的壓力和足夠大的排量沿井筒注入井中。由于注入速度遠遠大于油氣層的吸收速度，所以多余的液體會在井底憋起高壓，當壓力超過巖石抗張強度后，地層就會破裂形成裂縫。當裂縫延伸一段時間后，繼續(xù)注入攜帶有支撐劑的混砂液擴展延伸裂縫，即可在油氣層中形成一條具有足夠長度、寬度和高度的填砂裂縫。此裂縫具有很高的滲透能力，并且擴大了油氣水的滲濾面積，油氣可暢通流入井，注入水可沿裂縫順利流入地層，從而達到增產增注的目的。

根據測井及巖心數據解釋結果，陽201－H2井壓裂作業(yè)分9段進行（表1），正式壓裂之前進行了地破測試壓裂（DFIT）作業(yè)。通過地破測試作業(yè)，取得了該地區(qū)頁巖儲層重要的地層特性參數，對地層認識更全面，對修正各井的主壓裂設計起到了科學指導。

2012年5月8日開始壓裂第1段，至5月18日結束，注入壓裂液總量11945 m3，總砂量1488 t，最終獲氣43×104m3／d。陽101井、陽201－H2井及區(qū)內其它獲氣井證實了頁巖氣藏在區(qū)內廣泛分布，并可通過壓裂技術將頁巖氣大規(guī)模采出，展示了區(qū)內頁巖氣良好的勘探前景。

表1 陽201－H2壓裂層段設計表

陽201－H2井實施壓裂改造后，可通過微地震監(jiān)測來評價壓裂作業(yè)效果，獲取壓裂誘導裂縫的位置、方位、大?。ㄩL度、寬度和高度）及復雜程度等各種信息，并據此優(yōu)化頁巖氣藏多級分段壓裂的方案。

2.3 陽201－H2井微地震監(jiān)測

川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司聯合ApexHiPoint公司歷時11天完成陽201－H2井的微地震采集。

（1）微地震監(jiān)測的設計

陽201－H2井微地震監(jiān)測采用1口深井（陽101）、3口淺井（A、B、C，井深300 m）的觀測方式，3口淺井呈三角形分布（圖2）。A、B 2口淺井距陽201－H2井水平段200～300 m，陽101距第9段壓裂末端300 m，這樣的設計足以保證對陽201－H2井925 m水平段的壓裂監(jiān)測。深、淺觀測井同時監(jiān)測以確保誘發(fā)裂縫事件定位的準確性，這種觀測方式目前在國內還是首次。

圖2 微地震監(jiān)測觀測井位置示意圖

（2）微地震監(jiān)測現場采集

現場數據采集是微地震監(jiān)測的基礎，它對硬件設備較高，要求采用能同時記錄縱波、橫波、轉換波的三分量檢波器。由于微地震的特性所致，也必須采用高采樣寬頻帶、連續(xù)記錄、寬動態(tài)范圍，進行微地震信號

的采集。

陽201－H2井微地震監(jiān)測設計采用100級三分量檢波器接收，其中陽101采用40級，3口淺井分別采用20級（實際觀測時由于井底垮塌只采用了19級）。級間距15 m，采用軟連接的方式，采樣率0.5 ms，記錄長度10 s。陽101深井觀測檢波器沉放位置經過射孔爆炸震源正演后，確定在1800～2385 m處，檢波器放置位置處于一堅硬的巖石機制當中能夠合理避開地表低降速帶對于微地震信號的衰減，同時與壓裂段目標區(qū)域距離也在1000 m左右，能夠有效地減小壓裂噪音對于信號接收的不利因素。淺井檢波器沉放深度0～185 m。

陽201－H2井微地震采用連續(xù)監(jiān)測的方式，從第1段壓裂前24小時開始第9段壓裂結束止，歷時11天。

（3）微地震監(jiān)測結果

深井監(jiān)測獲得的資料縱橫波信號清晰、初至起跳有力，具有很高的信噪比；淺井監(jiān)測資料則根據分布區(qū)域不同，呈現不同的質量品質。A、B、C三口淺井，B井在監(jiān)測過程中都存在來自地下100 m左右的不明噪聲的影響，信噪比較低，難以進行微地震事件的識別；A、C井獲得的資料都具有較高的信噪比，其中以C井資料質量為最優(yōu)。淺井上部檢波器由于來自地面的機械噪音影響，所得資料信噪比都較低（圖3）。

圖3 原始微地震監(jiān)測記錄

所有的壓裂段監(jiān)測數據都有大量來自于壓裂泵車的噪音污染，這是因為觀測井和壓裂井位于同一個井場內，壓裂產生了非常強的下行波。

微地震監(jiān)測資料處理采用Kirchhoff地震波場衍射處理新技術，取代常規(guī)的P－S波時差地震定位方法，這種成像方法能夠更好地利用淺井觀測資料。通過對微地震監(jiān)測資料的處理和分析，得到下面結論和認識：

（1）3口淺井和1口深井成功地觀測到2057個微地震事件（圖4），其中3口淺井觀測到600個微地震事件（圖5）。但多數微地震事件都發(fā)生在低壓裂速率和低壓力的壓裂階段或者是說在停泵后（圖6），初步解釋為當壓裂液注入地層，把地層壓開后，在支撐劑的作用下，與天然裂縫有連通，此時，微地震事件最為豐富。

圖4 淺井和深井共觀測到的2057個微地震事件

圖5 3口淺井觀測到的600個微地震事件

圖6 壓裂施工曲線與微地震事件分布圖

（2）微地震響應表現出較強的階段變化，每段均不一樣，微地震事件分布形態(tài)不規(guī)則且延伸至幾個級數，預示地下可能存在天然裂縫或固井質量不好（圖7），這與在北美進行的微地震監(jiān)測結果呈有規(guī)律的線性變化有很大的不同（圖8）。

（3）從微地震事件分布可明顯觀察到壓裂阻隔層，底壓裂阻隔層（寶塔頂）可明確地通過巖性差異及巖石力學性質來判定，頂壓裂阻隔層仍有待進一步確定；根據測井GR值，將志留系劃分為Zone 1～Zone 4層段，微地震事件平面上各段相互有重疊，垂向上多數（70%）發(fā)生在寶塔和Zone 4之間130～170 m的范圍內（圖9），Zone 1～Zone 4之間沒有壓裂阻隔層，水平井井軌跡可以設計在Zone 1～Zone 4的范圍內。

圖7 微地震事件的分布

圖8 北美微地震監(jiān)測實例

圖9 微地震監(jiān)測觀測到的壓裂阻隔層

（4）通過計算，最大主應力和最小主應力的差值非常小（2%，接近誤差水平），與測井預測的基本一致，證明該區(qū)域水平井的走向設計可以更為靈活。

（5）壓裂誘導裂縫網絡的長度約為1300 m、寬度約為550 m、高度約為170 m，1～9段的M－SRV分別為1.6、7.4、5.8、17.1、14.9、10.9、13.3、13.0、4.5 MMm3，各段M－SRV有50%的重疊，9段壓裂累積的M－SRV為88.4 MMm3（圖10），這為EUR（單井預期最終產氣量）的計算提供了基礎資料。

圖10 壓裂裂縫網絡形態(tài)

3 結論和認識

（1）微地震監(jiān)測把地球物理信息應用到非常規(guī)油氣藏開發(fā)，拓寬了地球物理在油氣田開發(fā)中的應用領域。應用微地震監(jiān)測技術進行水力壓裂監(jiān)測已在陽201－H2井的生產活動中取得了良好的效果，其應用前景廣闊。

（2）陽201－H2井首次在國內運用深井和淺井聯合觀測技術進行微地震的監(jiān)測，并獲得成功。實踐證明用淺井也能進行微地震的監(jiān)測，這為今后在無深井的情況下開展此項工作提供了方便。

（3）通過陽201－H2井的微地震監(jiān)測，準確地刻畫出了壓裂誘導裂縫的位置、大?。ㄩL度、寬度和高度），為EUR的計算提供了依據。

（4）陽201－H2井的微地震監(jiān)測結果顯示總的有50%的微地震事件重疊，預示地下存在天然裂縫，也證實了該區(qū)裂縫網絡特征的復雜性。

（5）該區(qū)域地質條件有利于“微地震”波的傳播，故龍馬溪組地層壓裂活動中所產生的“微地震”波形易于分析，因此在本區(qū)龍馬溪組地層壓裂活動中非常適合做微地震監(jiān)測。

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5 金亮，周明，歐陽，等.陽201－H2井壓裂設計［R］.成都：中石油與殼牌四川天然氣聯合項目PT組，2012.

（修改回稿日期 2013－07－29 編輯 陳玲）

圖9 雙家壩地區(qū)鮞灘儲層預測分布圖

4 結論

（1）老井復查結合測井、地震資料，以雙家壩區(qū)塊及鄰區(qū)內七里8井、七里22井、七里25等為標準井，重新確定了區(qū)內飛仙關組和長興組的分層界線，精細刻畫了臺緣和海槽的邊界。

（2）應用三維地震波形分類技術，精細刻畫和修正了雙家壩三維區(qū)塊的沉積相—地震相，認為有利的臺緣相帶是處于雙家壩以北（七里8井—七里22井之間）區(qū)塊。

（3）在雙家壩區(qū)塊開展鮞灘儲層預測，飛仙關鮞灘儲層預測異常分布總面積：145.1 km2。表明了雙家壩區(qū)塊具有良好的勘探潛力。

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（修改回稿日期 2013－08－16 編輯 王曉清）

邱健，男，1966年出生，2008年畢業(yè)于西南石油大學物探專業(yè)，中國石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院地球物理所，高級工程師；長期從事地震資料的處理、解釋及綜合研究工作。地址：（610041）四川省成都市高新區(qū)天府大道北段12號中國石油科技大廈。電話：（028）65305676。E－mail：qiujian＠petrochina.com.cn