涪陵頁巖氣田井地聯(lián)合微地震監(jiān)測氣藏實例及認識

劉堯文 廖如剛 張 遠 高東偉 張懷力 李 婷 張 馳

中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司

涪陵頁巖氣田井地聯(lián)合微地震監(jiān)測氣藏實例及認識

劉堯文 廖如剛 張 遠 高東偉 張懷力 李 婷 張 馳

中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司

劉堯文等.涪陵頁巖氣田井地聯(lián)合微地震監(jiān)測氣藏實例及認識. 天然氣工業(yè)，2016, 36(10): 56-62.

四川盆地涪陵頁巖氣田屬國家級頁巖氣示范區(qū)，是全球除北美以外最大的商業(yè)開發(fā)頁巖氣田，基于“井工廠”模式下的壓裂工藝已得到了廣泛應(yīng)用，但如何有效評價同平臺多井次間的“井工廠”壓裂效果及此模式下的縫網(wǎng)展布規(guī)律仍需進一步研究。為此，通過利用地面及井中微地震聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)，對焦頁4X平臺“井工廠”壓裂裂縫進行實時監(jiān)測，初步了解了涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊“井工廠”壓裂模式下的人工裂縫幾何尺寸、展布方向；同時利用聯(lián)合微地震技術(shù)的綜合解釋成果，結(jié)合壓裂SRV預測圖版，對井工廠壓裂工況下的壓裂參數(shù)進行了重新認識，準確了解到涪陵氣田頁巖氣“井工廠拉鏈式”壓裂過程中的人工裂縫展布情況。該項研究成果對后期壓裂參數(shù)的優(yōu)化具有重要的指導意義。

四川盆地 涪陵頁巖氣田 井工廠 壓裂（巖石） 地面微地震 井中微地震 SRV預測 人工裂縫

所謂體積壓裂又稱為體積改造，是指在水力壓裂過程中，使天然裂縫不斷擴張和脆性巖石產(chǎn)生剪切滑移，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，從而增加改造體積，提高初始產(chǎn)量和最終采收率，是頁巖氣儲層改造最重要的手段[1-2]。采用微地震監(jiān)測技術(shù)，對壓裂施工引發(fā)的微地震事件開展數(shù)據(jù)采集、處理和解釋，可以準確監(jiān)測儲層改造的工藝效果，為壓裂和開發(fā)方案的調(diào)整優(yōu)化提供參考依據(jù)。

截至2015年，涪陵頁巖氣田已先后開展了20井次的地面或井中微地震監(jiān)測，對單井作業(yè)條件下的壓裂施工參數(shù)的優(yōu)化及效果評價有了基本認識，但基于“井工廠拉鏈式”壓裂模式下的人工裂縫的展布規(guī)律還未開展研究。因此有必要利用地面/井中微地震聯(lián)合評測技術(shù)，對“井工廠拉鏈式”壓裂中的縫高、縫長、裂縫方向進行綜合評測，以期為后期同類壓裂施工提供指導[3]。

1 聯(lián)合微地震現(xiàn)場實施目的

微地震監(jiān)測根據(jù)采集方式的不同，分為地面監(jiān)測和井中監(jiān)測兩種方式[4]。地面監(jiān)測是在地面布設(shè)大量檢波器，形成3D測網(wǎng)開展微地震信號的數(shù)據(jù)采集，一般距離壓裂措施段較遠；井中監(jiān)測是在壓裂施工區(qū)域附近的臨井布設(shè)少量井中檢波器，形成2D測線微地震信號的數(shù)據(jù)采集，一般距離壓裂措施段較近。地面監(jiān)測微地震的水平定位結(jié)果精度較高，井中監(jiān)測微地震的垂直定位的結(jié)果精度較高。

位于四川盆地的涪陵頁巖氣田首次對焦頁4X平臺的3口水平井“井工廠”壓裂開展了微地震地面、井中聯(lián)合監(jiān)測，提供壓裂形成縫網(wǎng)的空間產(chǎn)狀及其產(chǎn)生過程，評價儲層改造的效果，為壓裂工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)[5]。

2 數(shù)據(jù)采集原則

焦頁4X平臺部署3口井(焦頁4X-1HF井，焦頁4X-2HF井和焦頁4X-3HF井)，是針對上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組下部部署的1個頁巖氣開發(fā)水平井組；2015年1月該井組進行了泵送橋塞分段加砂壓裂改造。為了進一步探索頁巖氣井的產(chǎn)能情況和壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展延伸情況，在壓裂改造過程中同時進行了地面、井中聯(lián)合微地震監(jiān)測，其中井中微地震監(jiān)測是利用焦頁4X-2HF、焦頁4X-3HF間的直井焦頁41-X井開展的。焦頁4X平臺地面監(jiān)測部署如圖1所示（綠線表示監(jiān)測區(qū)域、紅線表示為測線），地面微地震與井中微地震數(shù)據(jù)采集觀測疊加效果如圖2所示。

圖1 地面觀測系統(tǒng)部署圖

圖2 焦頁4X井組壓裂井地聯(lián)合微地震觀測系統(tǒng)圖

針對此次井工廠壓裂監(jiān)測，共完成射孔56段（含燃爆標定射孔2段）、131簇射孔、56段壓裂的監(jiān)測記錄，現(xiàn)場資料初評資料整體信噪比較好，達到微地震數(shù)據(jù)解釋要求[6]。

3 解釋結(jié)果

3.1 信源干擾分析

從現(xiàn)場信源采集來看，部分線道的信號受噪音影響較大，各線的近道噪音干擾比較嚴重，中距離道有效信號能量比較強，信噪比也比較高，遠道噪音干擾雖然比較少，但是有效信號的能量比較弱[7]。根據(jù)圖1所示的測線分布情況可以看到，地面微地

4X-2HF裂縫高度范圍20～80 m，向上發(fā)育；焦頁4X-3HF裂縫高度范圍25～70 m，向上發(fā)育。

3.3.3 聯(lián)合微地震綜合解釋結(jié)果

聯(lián)合井中和地面微地震事件的定位結(jié)果得到了3口井的微地震事件波及體積及有效體積，此次井地聯(lián)合微地震解釋結(jié)果：焦頁4X-1HF井的波及體積為6.93×107m3、有效體積為3.76×107m3，焦頁4X-2HF井的波及體積為4.06×107m3、有效體積為2.73×107m3，焦頁4X-3HF井的波及體積為3.56×107m3、有效體積為2.50×107m3。震信源的噪音干擾主要來自過線公路上的車輛及附近人口密集區(qū)的居民日常生活干擾，另外各線近道的噪音主要來自壓裂井口壓裂作業(yè)設(shè)備，而到了遠道由于球面擴散效應(yīng)和吸收衰減的影響，使得有效信號的能量比較弱。

室內(nèi)分別從壓裂地面微地震監(jiān)測記錄中選取的強、中等強度和弱微地震事件的原始信號，通過分線噪音分析可以發(fā)現(xiàn)，其噪音干擾特點與導爆索信號和射孔信號所受噪音影響基本相同，除了強微地震事件受噪音影響相對較小外，中等強度和弱微地震受噪音影響導致資料整體信噪比較低，為后期處理及高精度成像造成了一定的困難[8]。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理工作流程順序為：①數(shù)據(jù)格式由SEG-D轉(zhuǎn)換為FracListener內(nèi)部格式，去假頻濾波；②施加噪音衰減濾波；③對數(shù)據(jù)進行帶通濾波；④自動增益回放以平衡道振幅；⑤施加根據(jù)射孔測試得出的檢波點靜校正；⑥微地震弱信號提取和P波初至拾??；⑦微地震事件定位[9]。其中弱信號提取是處理技術(shù)中的難點。

3.3 數(shù)據(jù)解釋結(jié)果

3.3.1 地面微地震解釋結(jié)果

由于本地區(qū)地表石灰?guī)r裸露，對信號屏蔽較強，微地震信號的能量弱，且地表噪音大，現(xiàn)場處理在去噪、射孔位置校正后采用自動識別加人工QC的方法進行微地震事件檢測，并采用震源掃描的定位方法進行定位，最后對定位結(jié)果進行QC分析，剔除誤差較大的成像點[10]。在現(xiàn)場處理的基礎(chǔ)上，室內(nèi)圍繞弱信號提取和定位精度較高的走時定位處理，進一步開展利用部分強微地震事件聯(lián)合射孔信號和導爆索信號優(yōu)化靜校正處理，并針對弱信號進行增強，拾取微地震事件對應(yīng)記錄中的首波到達時，再進行相對定位處理，經(jīng)反復定位誤差檢查和重新拾取首波、反演處理得到較為可信的微地震事件發(fā)震位置[11]。地面微地震解釋事件響應(yīng)結(jié)果如圖3所示，波及體積特征如圖4所示。

從地面微地震事件的定位結(jié)果看，壓裂改造過程中產(chǎn)生的人工縫網(wǎng)整體走向為NE方向，與水平井筒呈60°～90°夾角。

3.3.2 井中微地震解釋結(jié)果

由于井中微地震能更好地解釋壓裂縫高，因此用來解釋焦頁4X-2HF、4X-3HF井壓裂縫高。焦頁

圖4 微地震事件波及體積圖

4 聯(lián)合微地震監(jiān)測壓裂認識

4.1 焦頁4X平臺各井壓裂求產(chǎn)簡況

焦頁4X-1HF井于2015年1月21日—2月9日完成前22段壓裂施工，其中第2、6、10、18段加砂不足，整個施工過程總酸量440 m3，總液量41 216.3 m3，總砂量1 105.4 m3。采用一點法求得穩(wěn)定點的無阻流量分別為76.78×104～109.47×104m3/d，平均

94.49×104m3/d。

焦頁4X-2HF井于2015年1月22日—2月9日完成17段壓裂施工，其中第3、5、6段加砂不足，整個施工過程總酸量340 m3，總液量31 432.6 m3，總砂量829.4 m3。采用一點法求得穩(wěn)定點的無阻流量分別為52.92×104～74.99×104m3/d，平均64.49×104m3/d。

焦頁4X-3HF于2015年1月22日—2月8日完成17段壓裂施工，整個施工過程總酸量340 m3，總液量32 676.3 m3，總砂量1 000.4 m3。采用一點法求得穩(wěn)定點的無阻流量分別為38.72×104～53.03×104m3/d，平均45.30×104m3/d。

4.2 聯(lián)合微地震解釋結(jié)果分析

4.2.1 微地震體積與單井產(chǎn)量關(guān)系分析

該平臺3口井的微地震事件波及體的長度、寬度、高度特征存在較大的差別，波及體積由大到小排序分別為：4X-1HF井、4X-2HF井、4X-3HF井，將各井的微地震事件波及體積、有效體積與無阻流量、12 mm放噴制度測試產(chǎn)量進行交會發(fā)現(xiàn)[12]，兩者之間有一定的正相關(guān)關(guān)系，壓裂體積的大小能間接反應(yīng)單井的產(chǎn)能高低（圖5）。

4.2.2 各壓裂段產(chǎn)能貢獻分析

根據(jù)密度、TOC、可壓性、含氣性等地質(zhì)參數(shù)以及液量、砂量、段長、簇數(shù)等工程參數(shù)，利用“MEYER 2010全三維壓裂設(shè)計軟件”，推導出一種適用于涪陵頁巖氣開發(fā)的壓裂SRV計算圖版。據(jù)此圖版，對各井單段的產(chǎn)能進行預測，并將各壓裂預測貢獻率與微地震解釋有效體積比進行對比分析[12-14]（圖6）。由圖6可知：焦頁4X-1HF井相關(guān)性較高，但焦頁4X-2HF、焦頁4X-3HF相關(guān)性較低，可能與焦頁4X-2HF、焦頁4X-3HF部分震源能量弱、信噪比較差有關(guān)；排除微地震監(jiān)測期間的工況因素，整體擬合度較高。

4.2.3 井工廠壓裂縫網(wǎng)評價

綜合4X-1HF、4X-2HF和4X-3HF這3口井的壓裂縫網(wǎng)解釋結(jié)果（圖7），可以看出：3口井按縫網(wǎng)復雜程度由高至低為4X-1HF、4X-2HF、4X-3HF。根據(jù)縫網(wǎng)解釋結(jié)果得到的各段之間的縫網(wǎng)連通性可以看出：4X-1HF井各段壓裂形成的縫網(wǎng)之間存在局部連通性，預測這些段在壓裂時存在段間干擾；4X-2HF井和4X-3HF井也存在類似現(xiàn)象，但連通程度較低。壓裂過程中的段間干擾對后續(xù)井段壓裂將產(chǎn)生一定的應(yīng)力疊加效應(yīng)，對促進局部區(qū)域內(nèi)裂縫的復雜程度有促進作用，焦頁4X-3HF、4X-2HF、4X-1HF井的平面連通個數(shù)及連通區(qū)域面積呈增大趨勢，其相應(yīng)的測試產(chǎn)量或無阻流量也相應(yīng)增高。

4.2.4 人工裂縫走向分析

根據(jù)反演出的剪切裂縫走向，并基于剪切應(yīng)變的應(yīng)力分析，解釋區(qū)域最大、最小應(yīng)力場分布，為布井設(shè)計提供建議。對整個壓裂段（共800多個微地震事件）進行反演，結(jié)果如圖8所示，震源機制確定的是兩個相互垂直的平面，理論上這兩個平面均有可能是裂縫面。因此，如何確定其中的一個面為裂縫破裂面是非常重要的，目前主要的方法是結(jié)合實際的壓裂情況與地質(zhì)認識進行判定[15]。Fisher、Warpinsk通過對大量實際的微地震壓裂進行統(tǒng)計，結(jié)果顯示1 200 m以深地層，主要產(chǎn)生高角度裂縫[16]?；诋a(chǎn)生垂直裂縫的解釋，對反演結(jié)果的方位角和傾角進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖9所示。圖9-a為方位角統(tǒng)計結(jié)果，主要集中在250°～270°，圖9-b為裂縫傾角統(tǒng)計結(jié)果，大部分為傾角大于60°的高角度裂縫。

圖6 各壓裂段SRV對比圖

圖7 焦頁4X井組3口井整體壓裂縫網(wǎng)連通性分析圖

圖8 微地震事件與震源機制解釋圖

圖9 微地震事件方位角與傾角分布圖

根據(jù)文獻所述，該地區(qū)目標層的垂向應(yīng)力在49.2～53.7 MPa、最大水平應(yīng)力在52.2～55.5 MPa、最小水平主應(yīng)力在48.6～49.9 MPa之間，水平應(yīng)力差系數(shù)在0.06～0.14之間，根據(jù)應(yīng)力系數(shù)小于0.3的標準，在該區(qū)域可壓裂形成復雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)[17]。區(qū)域內(nèi)垂向應(yīng)力介于最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之間，基于此認識建立該區(qū)域裂縫發(fā)育模型（圖10、11），其SHx為東西方向應(yīng)力，SHy為南北方向應(yīng)力，Sv為垂直方向應(yīng)力，圖中虛框為剪切破裂的裂縫面[18-19]。根據(jù)反演的剪切裂縫方位角統(tǒng)計（圖9），其剪切方位集中在260°左右，即裂縫沿近東西方向發(fā)育，裂縫首先沿最小水平主應(yīng)力方向張開，隨著壓裂液注入和應(yīng)力狀況的改變，裂縫在張開面發(fā)生剪切錯動，裂縫斷層為走滑型。

4.2.5 水平井方位調(diào)整建議

基于圖10的裂縫模型分析與解釋，產(chǎn)生260°

的剪切裂縫的最大水平主應(yīng)力為圖11中黃色箭頭所示，最小水平主應(yīng)力為白色箭頭方向（北偏西10°），藍色線為剪切裂縫，角度A為10°。通常，水力壓裂設(shè)計中壓裂井沿最小水平主應(yīng)力方向（即垂直于最大水平主應(yīng)力方向）布置，基于上述分析與認識，建議水平井將現(xiàn)有正北向方位調(diào)整為北偏西10°，更有利于壓裂與造縫。

圖10 裂縫模型與應(yīng)力分布圖

圖11 剪切裂縫與應(yīng)力分析圖

5 結(jié)論及認識

1）根據(jù)震源機制反演結(jié)果可以得知，焦頁4X平臺井組的壓裂裂縫主要沿近東西向分布，與水平井筒呈60°～90°夾角，在壓裂過程中形成了復雜程度較高的交叉縫網(wǎng)，達到了體積壓裂的效果。

2）該平臺3口井的微地震事件波及體的長度、寬度、高度特征存在較大的差別，波及體積由大到小排序分別為4X-1HF井、4X-2HF井、4X-3HF井，與本平臺3口井的產(chǎn)量高低順序一致。

3）井中微地震表明，人工壓裂縫網(wǎng)的分布主要集中在下志留統(tǒng)龍馬溪組與上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖內(nèi)部，且向上延伸為主。

4）各段有效體積的解釋結(jié)果與單段產(chǎn)能預測值的擬合度較高，結(jié)合人工裂縫的復雜程度分析認為，一定程度的段間應(yīng)力疊加效應(yīng)，有助于提高人工縫網(wǎng)復雜程度，提升壓裂改造效果。

5）通過震源機制反演獲得了裂縫破裂震級、剪切裂縫發(fā)育的地質(zhì)參數(shù)，基于地應(yīng)力場分析，解釋該區(qū)域破裂裂縫為走滑型高角度裂縫，以此建立剪切裂縫破裂模型。解釋了局部最大、最小水平主應(yīng)力方向和裂縫延展方向，建議水平井方位調(diào)整為北偏西10°，更有利于壓裂與造縫。

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(修改回稿日期 2016-07-07 編 輯 韓曉渝）

Application of surface–downhole combined microseismic monitoring technology in the Fuling shale gas field and its enlightenment

Liu Yaowen, Liao Rugang, Zhang Yuan, Gao Dongwei, Zhang Huaili, Li Ting, Zhang Chi
(Sinopec Chongqing Fuling Shale Gas Exploration and Development Co., Ltd., Chongqing 408014, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 10, pp.56-62, 10/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

The Fuling shale gas field in the Sichuan Basin, as a national shale gas demonstration area, is the largest commercially developed shale gas field in the world except those in North America. The fracturing technology in the mode of "well factory" has been applied widely in the gas field, but it is necessary to perform further investigation on the way to evaluate effectively the fracturing effect of multiwell platform "well factory" and the distribution laws of its induced fracture networks. In this paper, the fractures induced by the "well factory" at the Jiaoye 4X platform were real-time monitored by a surface–downhole combined microseismic monitoring technology. The geometric size and extension direction of artificial fractures induced in the model of “well factory” fracturing in the Jiaoshiba block of Fuling Shale Gas Field were preliminarily understood. Moreover, the fracturing parameters under the mode of "well factory" were recognized by using the comprehensive interpretation results of surface–downhole combined microseismic monitoring technology, together with the SRV fracturing prediction chart. Eventually, the distribution laws of artificial fractures during the "well-factory-zipper" fracturing in the Fuling Shale Gas Field were clarified definitely. This paper provides guidance for the optimization of fracturing parameters at the later stage.

Sichuan Basin; Fuling shale gas field; Well factory; Fracturing (rock); Surface microseismic; Downhole microseismic; SRV prediction; Artificial fracture

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.10.007

中國石油化工股份有限公司重點科技項目“涪陵區(qū)塊頁巖氣層改造技術(shù)研究”（編號：P14092）、中國石油化工股份有限公司重點科技項目“涪陵區(qū)塊頁巖油氣有效開發(fā)技術(shù)研究”（編號: P13053）。

劉堯文，1967年生，高級工程師；主要從事油氣田開發(fā)研究與管理工作。地址：（408014）重慶市涪陵區(qū)X182焦石大道。電話：（0728）6596503。ORCID: 0000-0001-9504-1494。E-mail: lxinrui5596@sohu.com