渝東北地區(qū)頁(yè)巖氣壓裂近地表淺孔微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)

重慶華地資環(huán)科技有限公司頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 401120 (重慶頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，重慶 401120) 重慶華地資環(huán)科技有限公司頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 401120 (中國(guó)石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580)

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來(lái)在低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，尤其是在頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)熱潮中得到了廣泛應(yīng)用，是監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂效果的最有效技術(shù)之一[1]。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)在鄰井中或地面布置的檢波器來(lái)監(jiān)測(cè)A井在壓裂過(guò)程中誘發(fā)的微地震波，描述壓裂過(guò)程中裂縫生長(zhǎng)的幾何形狀和空間展布[2]，實(shí)時(shí)提供壓裂施工產(chǎn)生裂隙的高度、長(zhǎng)度和方位角。利用上述信息可以優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、井網(wǎng)及其他油田開(kāi)發(fā)措施，從而提高采收率[3,4]。微地震監(jiān)測(cè)成果對(duì)壓裂施工、產(chǎn)量預(yù)測(cè)以及新井部署都具有重要的參考意義。尤其是開(kāi)發(fā)早期，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂效果，獲得儲(chǔ)層改造參數(shù)十分重要。

根據(jù)檢波器布設(shè)方式的不同，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為井中監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)2種。井中監(jiān)測(cè)技術(shù)依靠其傳輸速率高，過(guò)濾低頻噪聲，接收頻率響應(yīng)高，處于井底位置全方位感應(yīng)縱、橫波信號(hào)精確度高的特點(diǎn)，成為國(guó)際上公認(rèn)的最先進(jìn)的裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)[5]，得到了一定的應(yīng)用[6～8]。但是，目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘查區(qū)勘探開(kāi)發(fā)程度一般較低，通常沒(méi)有合適的井作為微地震監(jiān)測(cè)的觀測(cè)井。與井中監(jiān)測(cè)相比，地面監(jiān)測(cè)的檢波器布設(shè)靈活，對(duì)于無(wú)合適觀測(cè)井的頁(yè)巖氣勘查區(qū)塊更為合適。地面微地震監(jiān)測(cè)測(cè)線徑向延伸長(zhǎng)達(dá)幾千米，能夠取得廣泛的接收孔徑與空間覆蓋，不受采集平面方位角的限制[9]，其優(yōu)點(diǎn)是處理過(guò)程中可通過(guò)疊加和去噪方法提高數(shù)據(jù)信噪比，能夠識(shí)別較弱的微地震信號(hào)；缺點(diǎn)是檢波器通常直接插至地面，耦合性較差，受地表噪聲干擾嚴(yán)重。為此，筆者提出了近地表淺孔微地震數(shù)據(jù)采集方法，通過(guò)增加檢波器與地層的耦合性來(lái)提高微地震數(shù)據(jù)的信噪比。

1 渝東北地區(qū)地質(zhì)特征

渝東北地區(qū)位于大巴山逆沖推覆帶前緣，橫跨秦嶺地層區(qū)與揚(yáng)子地層區(qū)。區(qū)域斷裂發(fā)育，構(gòu)造由一系列北東向緊密線形復(fù)式褶皺及斜沖斷層組成，構(gòu)成疊瓦狀逆掩推覆構(gòu)造。褶皺越靠近地表，強(qiáng)度越大，野外常見(jiàn)60～70°的大傾角地層。

研究區(qū)的頁(yè)巖氣壓裂井(A井)位于城巴斷裂與烏坪斷裂之間，目的層平均傾角大約在60°左右，傾向?yàn)楸睎|方向，局部有小型褶皺。巖心資料顯示，硅質(zhì)巖段發(fā)育半充填網(wǎng)狀裂縫，呈半開(kāi)啟狀態(tài)，傾角50～70°，縫寬大于1～3mm，縫密度高達(dá)60條/m。利用成像測(cè)井資料，在目的層段共識(shí)別統(tǒng)計(jì)出天然裂縫721條，其中高導(dǎo)裂縫597條，高阻裂縫124條。裂縫主要發(fā)育在1540～1615、1640～1740、1820～1920、1960～2040、2100～2200、2260～2290、2685～2705m等井段。該井自上而下鉆遇地層為第四系、下寒武統(tǒng)水井沱組、震旦系燈影組。由于區(qū)域地層傾角較大，目的層水井沱組常出露地表，巖性以黑色碳質(zhì)頁(yè)巖、灰質(zhì)頁(yè)巖為主，底部為一套硅質(zhì)巖沉積，夾少量薄層粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。儲(chǔ)層巖石的主要礦物組成為石英(平均體積分?jǐn)?shù)40.2%)、碳酸鹽礦物(平均體積分?jǐn)?shù)27.0%)、長(zhǎng)石(平均體積分?jǐn)?shù)14.5%)、黃鐵礦(平均體積分?jǐn)?shù)7.6%)、黏土礦物(平均體積分?jǐn)?shù)4.0%)等。根據(jù)研究區(qū)頁(yè)巖儲(chǔ)層地質(zhì)特征分析結(jié)果認(rèn)為，目的層脆性好，頁(yè)巖破裂信號(hào)(縱橫波能量)較強(qiáng)，起跳干脆；目的層傾角大，且直接出露于地表，微地震信號(hào)傳播路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，信號(hào)吸收衰減少，易于地面微地震檢波器的接收。

2 壓裂微地震波特征

頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣由于其儲(chǔ)層具有低孔隙度、超低滲透率等特點(diǎn)，需要進(jìn)行水力壓裂才能獲得工業(yè)氣流。微地震監(jiān)測(cè)是以聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)為基礎(chǔ)[10]。水力壓裂時(shí)，大量高黏度、高壓流體被注入地層，使地層孔隙流體壓力迅速上升，導(dǎo)致巖石產(chǎn)生張性裂縫和剪切裂縫[1]。巖石破裂時(shí)，巖石中的能量一部分以彈性波的形式釋放出來(lái)產(chǎn)生微小地震(即微地震)[11,12]。由于巖石破裂規(guī)模有限，釋放的能量較小，誘發(fā)的地震波是較微弱的，震級(jí)通常在0級(jí)以下，一般為-4～0級(jí)，地面微地震監(jiān)測(cè)到的事件震級(jí)一般在-2級(jí)以上，只有震級(jí)較大的微地震信號(hào)才能通過(guò)幾千米的地層傳到地表被監(jiān)測(cè)設(shè)備接收。因此，地面微地震監(jiān)測(cè)接收到的壓裂事件信號(hào)一般是井中監(jiān)測(cè)的10%～20%。壓裂誘發(fā)微地震的頻帶范圍能達(dá)到3000Hz，但當(dāng)頻率高于1500Hz時(shí)，加速度檢波器的推靠臂和加速度檢波器自身的諧振開(kāi)始影響微地震三分量信號(hào)的相關(guān)性，因此1500Hz以上高頻成分在井中檢波器中接收不到，而且高頻成分在地層中衰減很快，可探測(cè)距離很短。地面微地震監(jiān)測(cè)受較厚地層的吸收衰減作用，壓裂事件主頻一般僅有幾十Hz。水力壓裂產(chǎn)生的裂縫以剪切破裂為主，因此微地震波形一般表現(xiàn)為同時(shí)具有縱波和橫波，且橫波振幅比縱波強(qiáng)，這是頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂微地震信號(hào)的典型特征。

3 渝東北地區(qū)微地震監(jiān)測(cè)

3.1 數(shù)據(jù)采集

渝東北地區(qū)頁(yè)巖氣勘查區(qū)鉆井?dāng)?shù)量較少，無(wú)法開(kāi)展井中監(jiān)測(cè)。筆者在地面稀疏臺(tái)站微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出近地表淺孔微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)井型、壓裂深度等參數(shù)，呈網(wǎng)狀或環(huán)形布設(shè)30～50個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，鉆淺孔埋置檢波器，孔深1m以上，降低地面聲波、多次波、風(fēng)吹草動(dòng)、動(dòng)物走動(dòng)等造成的微地震干擾；少量鉆孔深度約20～30m，鉆至基巖以下，將檢波器下放至孔底后使用水泥灌孔至地面，使檢波器與基巖耦合，可有效降低地面噪聲。另外，檢波器布設(shè)時(shí)應(yīng)避開(kāi)地下斷層與溶洞，分布排列盡量均勻。

圖1 A井微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

A井為一口直井，井深約2700m，試氣井段為1600～2650m，采用近地表淺孔微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共布設(shè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站30個(gè)，整體呈環(huán)形分布，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，其中6孔深度30m。監(jiān)測(cè)臺(tái)站排列直徑長(zhǎng)約1800m，與頁(yè)巖氣壓裂目的層深度相當(dāng)。由于重慶渝東北地區(qū)地表?xiàng)l件復(fù)雜，山高林茂、交通不便，井口北側(cè)和南側(cè)部分區(qū)域監(jiān)測(cè)臺(tái)站較少。

3.2 信號(hào)分析

通過(guò)采用淺孔方法布設(shè)檢波器采集微地震數(shù)據(jù)，微地震信號(hào)明顯。圖2為A井1min的微地震原始數(shù)據(jù)，可識(shí)別有效事件10余個(gè)?？傮w來(lái)看，能量較大的微地震事件基本能被全部檢波器接收到，能量較弱的信號(hào)僅30m深孔中的檢波器能接收到，說(shuō)明增加孔深能降低地面噪聲干擾，提高信號(hào)識(shí)別能力。然而，在被全部檢波器接收到的較強(qiáng)信號(hào)中，30m深孔中檢波器接收的信號(hào)能量并不一定是最強(qiáng)的，這是因?yàn)閺?fù)雜的地下構(gòu)造、裂縫及溶洞、儲(chǔ)層非均質(zhì)性和信號(hào)接收角度等都可能造成該現(xiàn)象。

圖2 A井1min微地震原始數(shù)據(jù)圖

圖3為微地震信號(hào)局部放大圖及其頻譜分布圖，可以看出，微地震事件波形特征明顯，縱、橫波成對(duì)出現(xiàn)，縱波能量弱，橫波能量相對(duì)較強(qiáng)，縱、橫波時(shí)差約400ms，頻帶范圍20～40Hz。

3.3 事件定位

3.3.1 雙差定位算法

目前，常用的地震事件定位算法包括絕對(duì)定位法、相對(duì)定位法、震源空間掃描法和逆時(shí)偏移成像法等[13]。相對(duì)定位法是一種能有效減少因?qū)Φ貧そY(jié)構(gòu)了解不夠精細(xì)而引起誤差的定位方法[14]，其中雙差定位算法具有較強(qiáng)的事件叢集性特點(diǎn)，適合于微地震監(jiān)測(cè)。

圖3 微地震信號(hào)波形局部放大圖及其頻譜分布圖

地震事件i到地震臺(tái)站k的體波到時(shí)可以利用射線理論對(duì)路徑積分：

(1)

(2)

由式(2)有：

(3)

假設(shè)2事件空間距離很近，它們到同一臺(tái)站的路徑幾乎一致，并且速度結(jié)構(gòu)已知，則式(3)可簡(jiǎn)化為：

(4)

當(dāng)擾動(dòng)距離超過(guò)速度變化范圍長(zhǎng)度時(shí)，利用上述方法定位會(huì)產(chǎn)生誤差，筆者直接利用式(3)和到時(shí)差數(shù)據(jù)，在反演過(guò)程中加入絕對(duì)到時(shí)計(jì)算震源區(qū)外的速度結(jié)構(gòu)，這樣既可以確定速度模型又可以進(jìn)行相對(duì)定位和絕對(duì)定位。

3.3.2 定位結(jié)果與分析

A井共進(jìn)行了五級(jí)壓裂施工改造，通過(guò)長(zhǎng)短時(shí)窗法自動(dòng)識(shí)別和人工修正，拾取有效微地震信號(hào)1450個(gè)，并應(yīng)用雙差定位算法對(duì)全部微地震事件進(jìn)行定位。圖4為事件定位結(jié)果在各深度上的成像切片，黑點(diǎn)為微地震事件點(diǎn)，圖像背景為速度結(jié)構(gòu)。

注：Z為該事件定位切片水平面以下的真實(shí)垂直深度；vp為縱波速度；1630、1720、1820、1870、2020、2070、2170、2270、2370、2470、2570、2670m為從地面計(jì)算的垂直深度(增加了鉆井平臺(tái)所在位置海拔深度)。圖4 微地震事件雙差定位在不同深度的成像切片

從圖4可以看出，儲(chǔ)層壓裂效果整體較好，去除分散事件點(diǎn)及天然斷裂的影響，壓裂裂縫半縫長(zhǎng)約300m。由于地層傾角較大，微地震事件垂向延伸較廣：第1壓裂段處于2600m左右，從事件定位深度切片上可以看到微地震信號(hào)較少，壓裂效果相對(duì)較差，主要原因是該壓裂段巖性以黑色硅質(zhì)巖、含泥硅質(zhì)巖夾黑色泥質(zhì)為主，儲(chǔ)層脆性略差，且天然裂縫不發(fā)育；第2壓裂段為2300m左右，該壓裂段微地震信號(hào)明顯增多，從2570m到2270m再到2070m，微地震信號(hào)表現(xiàn)出逐漸增多再減少的趨勢(shì)，而射孔段附近微地震信號(hào)最多，反映了水力壓裂儲(chǔ)層影響范圍的變化；第3壓裂段為1900m左右，微地震信號(hào)相對(duì)較多且較集中，究其原因該井段為天然裂縫較為發(fā)育的層段，井旁半開(kāi)啟及閉合狀態(tài)的裂縫在壓裂過(guò)程中被重新開(kāi)啟，并沒(méi)有向遠(yuǎn)端延伸；第4壓裂段為1750m左右，天然裂縫不發(fā)育，由于該壓裂段層厚相對(duì)較大，壓裂中采用了化學(xué)暫堵轉(zhuǎn)向工藝，以便充分改造整個(gè)儲(chǔ)層，該壓裂段液量最高，壓裂微地震信號(hào)最多，影響范圍大于第3壓裂段，整體壓裂效果較好；第5壓裂段為1650m左右，天然裂縫發(fā)育，壓裂裂縫呈條帶狀分布，推測(cè)該段壓裂過(guò)程中可能溝通了小型斷裂，壓裂裂縫南北向延伸。

4 結(jié)論

1)渝東北地區(qū)地表低速帶較薄地區(qū)，采用鉆孔埋置檢波器的方法開(kāi)展微地震監(jiān)測(cè)，有效降低了地面環(huán)境噪聲，可以識(shí)別到大量有效壓裂微地震信號(hào)，且信號(hào)信噪比較高，縱、橫波明顯，證實(shí)了近地表淺孔微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在重慶渝東北地區(qū)的可行性。

2)淺孔鉆至基巖，檢波器與基巖耦合，其采集的微地震數(shù)據(jù)信噪比明顯高于1m鉆孔采集到的數(shù)據(jù)。檢波器布設(shè)時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)斷層和溶洞，以得到品質(zhì)較好的數(shù)據(jù)，事件定位更準(zhǔn)確。

3)雙差定位算法利用相對(duì)到時(shí)減少系統(tǒng)誤差，產(chǎn)生較為精確的速度模型，對(duì)地震叢集性較強(qiáng)的頁(yè)巖氣壓裂微地震監(jiān)測(cè)較為適用，定位誤差較小。通過(guò)數(shù)據(jù)處理，研究區(qū)頁(yè)巖氣壓裂井的微地震監(jiān)測(cè)事件定位結(jié)果客觀反映了儲(chǔ)層分布特征和壓裂施工參數(shù)，能有效評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂效果，對(duì)壓裂施工具有一定指導(dǎo)作用。