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

梁胡其圖

摘要：微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種通過(guò)觀測(cè)微地震事件來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)的地球物理技術(shù)。該技術(shù)分析計(jì)算裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾何特征，即方位、長(zhǎng)度、高度等信息，實(shí)時(shí)評(píng)判壓裂效果，了解壓裂增產(chǎn)過(guò)程中人工造縫情況，以指導(dǎo)優(yōu)化下一步壓裂方案，達(dá)到提高采收率的目的。

關(guān)鍵詞：地面微地震;壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù);應(yīng)用

前言

微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)是監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂效果的最有效的技術(shù)之一，近年來(lái)在低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。微地震壓裂監(jiān)測(cè)就是通過(guò)在鄰井中或地面布置檢波器，監(jiān)測(cè)壓裂井在壓裂過(guò)程中誘發(fā)的微地震波，從而描述壓裂過(guò)程中裂縫生長(zhǎng)的幾何形狀和空間展布。微地震壓裂監(jiān)測(cè)成果對(duì)優(yōu)化壓裂施工、產(chǎn)量預(yù)測(cè)以及新井部署都具有重要參考意義。

1微地震地面監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展概況

微地震壓裂監(jiān)測(cè)可分為井中監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)2種。井中監(jiān)測(cè)就是把檢波器布設(shè)在井底進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地面監(jiān)測(cè)就是在壓裂井區(qū)地面布設(shè)檢波器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一般而言，井中監(jiān)測(cè)的效果都會(huì)好于地面監(jiān)測(cè)。20世紀(jì)70年代，阿莫科（Amoco）公司在美國(guó)開展了地面微地震監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，地面檢波器成放射狀和直線狀布置，目的層為含氣致密砂巖，深度2440m。由于地面噪音太高，誘發(fā)的微地震水平很低，加之那時(shí)記錄儀器及處理技術(shù)水平有限，試驗(yàn)沒(méi)有成功。1976年，美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在瓦滕伯格（Wattenberg）油田進(jìn)行了地面監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為不能用地面觀測(cè)的方法確定水力裂縫方位和幾何形狀，而應(yīng)該在靠近這種裂縫附近記錄誘發(fā)微震。1991年，Kiselevitch等人提出了一種地面微地震監(jiān)測(cè)方法即發(fā)射層析成像技術(shù)，并應(yīng)用此技術(shù)成功勘探到冰島一處地?zé)崽铩?004年，美國(guó)Barnett頁(yè)巖氣井增產(chǎn)改造儲(chǔ)層時(shí)，首次用地表檢波器排列發(fā)射層析成像技術(shù)監(jiān)測(cè)水平井水力壓裂并獲得巨大成功。

2區(qū)域地質(zhì)特征

某地區(qū)地層厚66.23～80.78m，平均厚74.4m，為深灰、黑灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾薄層石灰?guī)r及煤層組成，該組底部有厚3m左右的鋁土質(zhì)泥巖，頂部為厚10m的石灰?guī)r夾粉砂巖和泥巖。區(qū)內(nèi)巖性由深灰色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及少量細(xì)砂巖、泥灰?guī)r、石灰?guī)r和鋁質(zhì)泥巖組成，含煤10～12層，但煤層相對(duì)較薄，天然裂縫較為發(fā)育。區(qū)內(nèi)煤層氣儲(chǔ)層測(cè)井曲線響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為“三高二低”特征（高電阻率、高補(bǔ)償中子、高聲波時(shí)差、低自然伽馬、低密度），現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向?yàn)楸睎|東-南西西向，煤層含氣量在9.4～19.7m3/t之間，氣體成分中甲烷含量較高（82.41%～99.21%），煤層氣質(zhì)量較好。

3觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常用于煤層氣壓裂的微地震地面觀測(cè)系統(tǒng)以環(huán)形、網(wǎng)格狀、星形、十字形等多種方式布設(shè)。根據(jù)井區(qū)的地質(zhì)和地表?xiàng)l件，采用滿足方位角覆蓋以及信號(hào)傳播衰減規(guī)律條件的環(huán)形布設(shè)方式，以井口為中心，共安裝40臺(tái)微地震監(jiān)測(cè)檢波器，其中深孔（地表深度20m～50m）安裝檢波器10臺(tái)，淺孔（地表深度5m～20m）安裝檢波器10臺(tái)，近地表安裝檢波器20臺(tái)。

本次監(jiān)測(cè)采用深孔、淺孔和近地表的組合式觀測(cè)方法，首先有利于減少鉆孔數(shù)量，從而降低監(jiān)測(cè)成本;其次，由于埋置在深孔中的檢波器受到環(huán)境噪聲的影響較少，采集的微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信噪比更高，可以通過(guò)深孔檢波器的有效信號(hào)標(biāo)定近地表檢波器的微弱信號(hào)，提高微地震事件的正確識(shí)別率。

4分析與處理

4.1壓裂工藝

采用投球分層壓裂工藝技術(shù)對(duì)該井M6-1、M6-2、M7、M8、M12煤層分三段進(jìn)行壓裂改造。通過(guò)壓裂施工，改造煤層氣儲(chǔ)層的滲流條件和泄氣體積，增大煤層的解吸速率，解除儲(chǔ)層近井區(qū)域的污染堵塞。三段壓裂共使用壓裂液方，壓裂施工壓力在20～40MPa之間，施工排量約為10m3/min，共使用壓裂液2800m3。其中，前置液采用70-100目的石英粉砂段塞降低濾失、孔眼摩阻及支撐微裂縫。攜砂液前期采用40-70目石英細(xì)砂，主要用于支撐次裂縫;后期采用20-40目的石英中砂，主要用于支撐水力主裂縫和提高近井裂縫的導(dǎo)流能力。

4.2速度模型建立

利用QM1井的多極子陣列聲波測(cè)井曲線建立初始速度模型，利用監(jiān)測(cè)到的射孔事件對(duì)速度模型進(jìn)行了校正。利用校正后的速度模型對(duì)射孔位置進(jìn)行了重定位處理，可以看出反演射孔位置與真實(shí)射孔位置能過(guò)較好對(duì)應(yīng)，二者之間的誤差是由于拾取的初至到時(shí)中存在拾取誤差以及反演并未完全搜索到全局極小點(diǎn)造成的。

4.3微地震事件識(shí)別

針對(duì)煤層氣儲(chǔ)層壓裂微地震事件信號(hào)能量弱、數(shù)據(jù)信噪比低，采用基于MatchandLocate的定位方法（簡(jiǎn)稱M&L）對(duì)微震信號(hào)做互相關(guān)疊加來(lái)探測(cè)微震事件（ZhangMandWenLX，2015）。與傳統(tǒng)的微震監(jiān)測(cè)方法相比，M&L方法可以檢測(cè)到更小震級(jí)的地震事件。分析檢測(cè)的有效信號(hào)，微地震信號(hào)頻帶主要分布在40-100Hz。

5結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)QM1井的水力壓裂監(jiān)測(cè)，裂縫長(zhǎng)約160m，縫寬約為80m，方向北東東-南西西，與該區(qū)域現(xiàn)今最大主應(yīng)力方向相一致。

（2）相對(duì)于砂巖和頁(yè)巖，煤巖剛度小、強(qiáng)度低、脆性較好，在壓裂規(guī)模較小的情況下，微地震信號(hào)能量較弱。采用深孔、淺孔和近地表的組合式觀測(cè)方法，有利于降低監(jiān)測(cè)成本，可以通過(guò)深孔檢波器的有效信號(hào)標(biāo)定近地表檢波器的微弱信號(hào)，提高微地震事件的識(shí)別率。

（3）由于煤巖的巖石力學(xué)性質(zhì)，微地震信號(hào)能量微弱，采用改進(jìn)的MatchandLocate的可以檢測(cè)到更小震級(jí)的地震事件。

（4）煤層氣儲(chǔ)層在壓裂過(guò)程中，多以應(yīng)力傳遞的方式發(fā)生破裂，微地震信號(hào)分布范圍較廣、且事件較為分散。

（5）由于渝南地區(qū)煤層厚度較薄，煤層頂?shù)装逡阅鄮r、灰?guī)r為主，建議壓裂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮煤層頂?shù)装宓膸r石力學(xué)性質(zhì)，合理設(shè)計(jì)壓裂規(guī)模，優(yōu)選支撐劑及相關(guān)入井材料，避免壓裂時(shí)對(duì)煤層頂?shù)装宓钠茐摹?/p>

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