地面微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)在煤層氣開發(fā)中的應(yīng)用

田 峰

(山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西 晉中 030600)

0 引言

煤層氣俗稱瓦斯，是賦存在煤層中以甲烷為主要成分的烴類氣體，是煤層礦藏的主要伴生能源之一。對煤層氣的開發(fā)利用，既可以變廢為寶，最大程度消除煤層開采時的安全隱患，又能為人類社會生產(chǎn)活動提供節(jié)能環(huán)保的清潔能源。在煤層氣的開采過程中，壓裂改造是這類儲量得以探測及有效開發(fā)利用的重要手段。而壓裂監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)毫研ЧM(jìn)行評價，進(jìn)而優(yōu)化壓裂施工設(shè)計方法，改善壓裂效果達(dá)到增產(chǎn)目的。壓裂監(jiān)測技術(shù)主要包括地面微地震、井中微地震、大地電位法、井溫、放射性同位素、地面測斜儀及井下測斜儀等方法。其中，地面微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)由于其施工簡單、成本較低、監(jiān)測方位角度大等特點(diǎn)，既能夠解釋裂縫的方位、對稱性，又可以給出裂縫的長度、高度及規(guī)模等要素，故本文主要針對該技術(shù)進(jìn)行論述。

在壓裂施工作業(yè)的過程中，用于監(jiān)測微地震信號的檢波器布設(shè)于地面，在裂縫擴(kuò)展過程中產(chǎn)生的細(xì)微震動傳遞能量到地面并被檢波器接收，通過對這類微地震事件進(jìn)行相關(guān)處理，就能夠計算出震源位置，通過研究震源位置的空間分布特征，進(jìn)而對壓裂產(chǎn)生裂縫進(jìn)行描述，并解釋其方位、長、寬、高等參數(shù)，這就是地面微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)。

1 原理

地面微地震監(jiān)測事件定位主要采用三維網(wǎng)格搜索絕對定位法，基于波形N次根疊加的三維網(wǎng)格點(diǎn)搜索定位技術(shù)，具體的原理及算法如下。

其中L為地震波從網(wǎng)格點(diǎn)x到檢波器k的射線路徑，vj(m,x)為射線路徑上的速度，dl(m,x)為沿著射線路徑的積分長度。

得到了P、SV和SH記錄之后，用N次根疊加的方法計算模型空間內(nèi)格點(diǎn)X的能量Uj(x,m)，

其中

計算某一格點(diǎn)x的能量時，對所有檢波器記錄的地震數(shù)據(jù)求取N次根，并保留正負(fù)號，然后根據(jù)該格點(diǎn)x到檢波器的旅行時對地震數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移疊加，對疊加后的地震波形在保留正負(fù)號的前提下求N次方，得到疊加后的地震波形。最后，對該波形求取包絡(luò)線，并對時間積分，得到該網(wǎng)格點(diǎn)的總能量值。

計算得到所有格點(diǎn)的總能量之后，求取整個模型空間總能量最大的網(wǎng)格點(diǎn)，該網(wǎng)格點(diǎn)所對應(yīng)的位置就可能對應(yīng)一個微地震事件。為了進(jìn)一步提高微地震識別和定位精度，只選取總能量足夠大的格點(diǎn)作為微地震的發(fā)生位置。計算所有格點(diǎn)上能量的中位數(shù)Mj(x,m)，中位數(shù)定義為能量值大于小于Mj(x,m)的格點(diǎn)數(shù)目相同的數(shù)值。

對于某個時間段，如果能量最大值對應(yīng)的那個格點(diǎn)位置x距離壓裂位置很近，而且這個最大能量值Uj(x,m)大于f乘以中位數(shù)Mj(x,m)，則該格點(diǎn)對應(yīng)于一個可能的微地震事件，其中，f為一系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)情況決定。

利用已有速度模型對微地震事件做初至正演。在實際壓裂過程中，產(chǎn)生的實際微地震事件必然會落入N個小網(wǎng)格中的某一個網(wǎng)格內(nèi)，即是通過正演初至對實際信號進(jìn)行拉平，將實際信號拉到最平，疊加能量的正演初至位置必然是微地震事件產(chǎn)生的真實位置。該方法引入了地球物理學(xué)的兩個假設(shè)條件：其一是假設(shè)檢波器接收地表是水平的，通過高程靜校正可滿足這一假設(shè)條件；其二是假設(shè)外界干擾為白噪音信號，白噪音序列期望為零即對噪音疊加其疊加能量為零。地面微地震監(jiān)測原理示意圖如下。

2 數(shù)據(jù)采集

由于壓裂產(chǎn)生的微地震事件信號較弱，能量在傳播過程中不斷衰減，最終到達(dá)地面的微地震信號也就少之又少。若壓裂目的層很深，微地震事件就很難被布設(shè)在地面的檢波器捕捉到，故地面微地震監(jiān)測一般適用于埋藏相對較淺的壓裂目的層[1]。

壓裂井場的噪聲以典型的面波形式，向四周傳播并衰減，一般在距離井場1km范圍處消失。故檢波器應(yīng)該布設(shè)在距離井場1km以外的區(qū)域，這樣可以避免井場噪聲對有效信號進(jìn)行干擾。由于微地震信號較弱，震動能量在傳遞3km后會驟然衰減，故檢波器的布設(shè)亦不宜超過3km，以保證能夠接收到有效信號[2]。

地面微地震監(jiān)測采用的是基于波形疊加的相干能量定位方法。為了提高解釋精度， 在觀測系統(tǒng)設(shè)計過程中，需充分考慮到成像孔徑的大小和穿過成像孔徑的接收點(diǎn)密度[3]。 常見的地面微地震壓裂監(jiān)測觀測系統(tǒng)一般采用星型觀測系統(tǒng)或矩形觀測系統(tǒng)，并確保滿足定位算法的疊加次數(shù)和成像孔徑。微地震監(jiān)測一般采用三分量寬頻帶檢波器。檢波器布置具有以下原則：所有檢波器應(yīng)盡量避開干擾源，盡量去除或壓制與壓裂破裂沒有直接關(guān)聯(lián)的干擾信號，避免影響記錄質(zhì)量；所有檢波器x分量需統(tǒng)一朝向；檢波器應(yīng)增加與地面的耦合程度，可采取挖坑埋置的方式進(jìn)行布設(shè)，其埋設(shè)方式既可以增強(qiáng)對弱信號的捕捉效果又可以有效屏蔽環(huán)境噪音。在壓裂前30min需進(jìn)行現(xiàn)場背景噪音監(jiān)測，監(jiān)測過程采用實時監(jiān)測并貫穿壓裂工程始末，壓裂結(jié)束后繼續(xù)監(jiān)測30min背景噪聲，便于對比分析。

圖1 地面微地震監(jiān)測原理示意圖Figure 1 A schematic diagram of surface microseismic monitoring principle

3 數(shù)據(jù)處理

由于地面監(jiān)測距離較遠(yuǎn)，信號較弱，故微地震事件的識別和獲取就成為地面監(jiān)測能否成功的關(guān)鍵，而地面監(jiān)測主要以人文、環(huán)境等干擾因素為主，故經(jīng)過濾波、去噪等相關(guān)處理方法后，微地震事件的識別程度能夠有顯著提升。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，實時提取有效微地震事件記錄，實現(xiàn)微地震地面監(jiān)測的處理和解釋。微地震地面監(jiān)測數(shù)據(jù)處理步驟主要包括信號解編、原始資料預(yù)處理、微地震事件識別與定位、配置處理參數(shù)、質(zhì)量控制等。

3.1 數(shù)據(jù)解編

通過對采用GPS受時的檢波器進(jìn)行編排，組合成所有檢波器的記錄文件，同時將檢波器坐標(biāo)信息寫入道頭便于后期定位處理。

3.2 預(yù)處理

預(yù)處理的工作重點(diǎn)主要是噪音衰減、振幅補(bǔ)償、靜校正及矢量合成：微地震信號強(qiáng)度整體較弱，需要較大的增益才能夠看到有效波形特征，其噪音主要來源于高頻信號，在處理中采用多道能量統(tǒng)計的方法進(jìn)行噪音衰減，將超過均方根振幅的能量進(jìn)行衰減，從而對異常振幅進(jìn)行有效控制；振幅補(bǔ)償主要通過AGC增益控制的方法進(jìn)行，使深層能量恢復(fù)與淺層能量均衡；靜校正是通過高程靜校正將所有檢波器校正到平均高程上，通過分析對比選取合適的替換速度以滿足靜校正的需求；矢量合成，首先將x、y分量數(shù)據(jù)合成至H1分量，H1分量主要為橫波信號及微弱的縱波信號，再將H1、z分量數(shù)據(jù)合成至Hp分量，Hp分量上包含了所有的縱波信息。

3.3 速度建模

精確的速度模型是數(shù)據(jù)反演和事件定位的基礎(chǔ)。一般利用聲波測井曲線求取速度的初始模型，由于聲波速度同地震波速度之間存在一定的差異，而射孔信號能夠?qū)Τ跏妓俣饶Ｐ瓦M(jìn)行修正和優(yōu)化，故使用壓裂鉆孔聲波測井曲線建立初始速度模型，利用射孔信號進(jìn)行定位不斷調(diào)整速度模型，通過多次迭代及多速度模型融合分析獲得滿足絕大多數(shù)有效事件的速度模型的唯一解，優(yōu)化后的速度模型能夠用于進(jìn)行正演模擬、能量疊加、事件定位等工作[4]。

3.4 微地震事件定位

通過定位處理后，達(dá)到理論初至與實際初至基本擬合的目的。利用正演初至對有效信號進(jìn)行拉平，拉平效果較好且疊加能量較大時，認(rèn)為利用最終速度模型進(jìn)行定位的結(jié)果準(zhǔn)確可靠。在此基礎(chǔ)上選取最清晰的微地震事件疊加道作為標(biāo)準(zhǔn)道，通過互相關(guān)計算統(tǒng)計每個檢波器的剩余時差校正量，并將該校正量應(yīng)用于每個有效事件中進(jìn)一步提高事件的定位精度。

3.5 質(zhì)量控制

對資料預(yù)處理及事件定位進(jìn)行質(zhì)量控制，確保資料品質(zhì)及定位的精度。在資料預(yù)處理事件識別過程中，受異常振幅干擾影響，識別篩選出的事件也可能存在無效事件，通過人工干預(yù)識別再次優(yōu)選后，對此類無效事件進(jìn)行剔除，從而對隨機(jī)噪聲進(jìn)行較好的壓制，減小異常振幅對弱信號事件識別、提取及定位帶來的影響；從所定位事件記錄初至的擬合情況及初至拉平效果來判斷定位精度，對于定位準(zhǔn)確的事件，其擬合初至與實際初至吻合度較高，而對于定位精度不夠的事件記錄，其擬合初至與實際初至位置存在差異，需進(jìn)行重新定位。

4 數(shù)據(jù)分析

完成對微地震事件的定位，將每個微地震事件的位置與時間進(jìn)行相關(guān)后，得到微地震事件四維立體圖。圖中可以清晰地看到每個震源點(diǎn)的位置，整個震源點(diǎn)指明了裂縫擴(kuò)展的方向和高度，顏色表明微地震發(fā)生的時間順序。

圖2 微地震事件四維立體圖Figure 2 Microseismic event 4D block diagram

對四維立體圖在平面上進(jìn)行投影，可以得到震源位置的俯視圖和側(cè)視圖。俯視圖指明壓裂人工裂縫主縫及支縫的方向。側(cè)視圖指明壓裂裂縫高度及其隨長度的變化。

從微地震事件密度體在平面上沿各深度進(jìn)行切片分析，從平面上看，可獲得事件密度在井筒兩側(cè)的分布情況，從深度上看，可得出壓裂段上、下方的事件密度，并確定微地震事件集中范圍。通過各壓裂層段微地震響應(yīng)波及范圍與壓裂停泵壓力進(jìn)行相關(guān)分析，可判斷煤層壓裂改造效果。

圖3 微震源位置俯視圖與側(cè)視圖Figure 3 Vertical view and lateral view of microseismic source position

圖4 壓裂井各煤層微地震事件點(diǎn)密度分布圖 Figure 4 Coal seam microseismic event points density distribution from fracturing well

圖5 壓裂井微地震事件密度分布體效果圖Figure 5 Microseismic event density distribution effect diagram from fracturing well

根據(jù)微地震事件所描述的裂縫網(wǎng)絡(luò)特征，利用水力壓裂裂縫建模技術(shù)，構(gòu)建離散裂縫網(wǎng)絡(luò)模型，分析裂縫類型及相關(guān)性，估算壓裂改造體積，計算時把明顯遠(yuǎn)離微地震監(jiān)測響應(yīng)事件的孤立點(diǎn)摳除。通過最終計算，可得壓裂井改造體積SRV值。

5 結(jié)語

利用地面微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)對壓裂井進(jìn)行的分段多層監(jiān)測掃描，能夠獲得改造前、改造中、改造后的儲層物性變化信息，通過背景識別、正演計算、濾波處理等綜合計算得到人工裂縫走向、長度、高度、SRV等相關(guān)信息，為提高壓裂改造效果和研究縫控儲量提供準(zhǔn)確的壓裂特征信息。地面微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)可在強(qiáng)干擾條件下監(jiān)測以儲層壓裂時產(chǎn)生的微弱物性變化，在煤層氣監(jiān)測實踐中表明，該方法是適用于壓裂裂縫監(jiān)測的一種經(jīng)濟(jì)有效切實可行的方法。本技術(shù)對裂縫長度及高度的解釋采用差值梯度變化進(jìn)行計算，受地質(zhì)條件和巖性物質(zhì)彈性差異等諸多因素影響，其監(jiān)測精度也會不同，故其成果解釋還應(yīng)結(jié)合地質(zhì)、壓裂等相關(guān)專業(yè)知識進(jìn)一步進(jìn)行分析，以求達(dá)到最佳效果。