地面微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在頁(yè)巖油水平井壓裂效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
——以松頁(yè)油2HF井為例

姚玉來(lái)，李 昂，李士超，楊建國(guó)，肖 飛，王維紅

1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318

0 引言

頁(yè)巖油是典型的自生自儲(chǔ)式油氣藏，富有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖既是它的生油巖，又是儲(chǔ)集巖，儲(chǔ)集空間以納米—微米級(jí)孔隙和裂縫為主，具有極低孔低滲的特點(diǎn)［1］.改造低滲透油氣藏的重要手段是水力壓裂.通過(guò)壓裂在目標(biāo)層產(chǎn)生復(fù)雜縫網(wǎng)，形成油氣運(yùn)移通道［2-7］.壓裂裂縫生成也是巖石破裂的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程伴隨的是一系列微地震事件，通過(guò)監(jiān)測(cè)這些微地震事件，可以刻畫裂縫的展布特征［8-11］、計(jì)算儲(chǔ)層改造體積等［12］，從而對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià).

儲(chǔ)層的壓裂效果決定了后續(xù)的頁(yè)巖油勘探開發(fā)效果.對(duì)頁(yè)巖油井的壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)可為相同類型儲(chǔ)層的壓裂方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).微地震監(jiān)測(cè)是評(píng)價(jià)水平井壓裂效果的有效手段，一般采用井下監(jiān)測(cè)［13-20］和地面監(jiān)測(cè)兩種方式［4，20-26］.井下監(jiān)測(cè)的前提是必須有臨井作為監(jiān)測(cè)井，如果沒(méi)有只能選擇地面監(jiān)測(cè)方式.地面監(jiān)測(cè)是在地表采用一定的排列方式布設(shè)大量的檢波器接收微地震信號(hào)，也可以將檢波器埋置到淺孔中，能大幅度減少地面噪聲干擾.地面監(jiān)測(cè)施工方便，監(jiān)測(cè)方位角大，成本較低［26］.與井下監(jiān)測(cè)相比，地面監(jiān)測(cè)的定位結(jié)果水平分辨率更高，但在深度上的分辨率較差［4］.

因此，在附近無(wú)監(jiān)測(cè)井的情況下，松頁(yè)油2HF井水平段壓裂微地震監(jiān)測(cè)選用地面監(jiān)測(cè)方式.在壓裂段深度大、地表土壤層厚、水泡子發(fā)育、地表噪聲多的情況下，通過(guò)采用先進(jìn)的采集、處理和高精度反演定位解釋技術(shù)，有效評(píng)價(jià)了泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的改造效果.該井壓裂監(jiān)測(cè)結(jié)果有望為同類型儲(chǔ)層其他水平井的壓裂設(shè)計(jì)提供借鑒.

1 松頁(yè)油2HF井壓裂基本概況

松頁(yè)油2HF井位于松遼盆地古龍凹陷北部，是一口基質(zhì)含油型頁(yè)巖油水平井，目的層是上白堊統(tǒng)青山口組一段下部，巖性為暗色泥頁(yè)巖，完鉆水平段長(zhǎng)739 m.該井A靶點(diǎn)垂深2 146.82 m，B靶點(diǎn)垂深2 151.43 m，于2018年10月30日完成10段水力壓裂施工，平均段長(zhǎng)72 m，單段射孔2～3簇，平均簇間距29.1 m，總壓裂液量15 963 m3，總壓裂加砂量713.8 m3，總加入聚酯纖維2 220 kg.

2 微地震信號(hào)采集

2.1 微地震檢測(cè)設(shè)備

松頁(yè)油2HF井壓裂微地震監(jiān)測(cè)采用了高性能的檢波器和采集器（表1），其動(dòng)態(tài)范圍大，信號(hào)失真小.對(duì)于目的層埋藏較深的壓裂段，該套設(shè)備可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效采集.微地震信號(hào)采集器的頻帶寬度達(dá)到150 Hz，自噪聲水平低，對(duì)于信號(hào)的保真和后續(xù)微地震資料的成像和反演定位精度提高奠定了技術(shù)基礎(chǔ).

表1 檢波器和采集器性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of geophone and collector

該井壓裂微地震監(jiān)測(cè)使用HFRTMS軟件.該軟件具有微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)處理和后續(xù)精細(xì)處理與解釋的功能，為現(xiàn)場(chǎng)壓裂監(jiān)測(cè)、壓裂參數(shù)調(diào)整和壓裂效果評(píng)價(jià)提供參考依據(jù).

2.2 微地震觀測(cè)系統(tǒng)

在水力壓裂微地震定位中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的空間布置是決定定位效果和評(píng)價(jià)效果的關(guān)鍵性因素［27］.為確定不同觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)地面微地震監(jiān)測(cè)定位精度的影響，對(duì)星型、矩型和散點(diǎn)型3種常見的地面微地震觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了三維彈性波的正演數(shù)值模擬.依據(jù)3種觀測(cè)系統(tǒng)的布置方式設(shè)計(jì)了三維空間的地質(zhì)模型，其3個(gè)方向的網(wǎng)格點(diǎn)分別為400、400和200 m，空間采樣間隔為6 m，設(shè)計(jì)采集道數(shù)均為160道，震源為主頻為40 Hz的雷克子波.另外，考慮到微地震資料的信噪比因素，將實(shí)際監(jiān)測(cè)的背景噪聲加入上述3種數(shù)據(jù)中，經(jīng)過(guò)同樣的信號(hào)成像處理，并采用相似加權(quán)疊加法進(jìn)行事件定位.結(jié)果表明，由于噪聲的影響，散點(diǎn)型觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行震源的定位，而星型和矩型觀測(cè)系統(tǒng)均具有良好的微地震事件定位效果，且信號(hào)的時(shí)距曲線特征清晰，同相軸可連續(xù)追蹤.

松頁(yè)油2HF井壓裂微地震監(jiān)測(cè)采取較為規(guī)則的網(wǎng)格排列觀測(cè)系統(tǒng)，該觀測(cè)系統(tǒng)充分考慮了本井壓裂段空間位置、目的層埋深、可能產(chǎn)生的噪聲環(huán)境、附近的建筑物分布和居民活動(dòng)等因素，可有效保證接收的微地震信號(hào)的信噪比、地震波射線覆蓋面和入射角度等物理參數(shù)的精度，同時(shí)為后續(xù)微地震資料的成像和反演定位奠定技術(shù)基礎(chǔ).需要說(shuō)明的是，由于在微地震定位算法中可校正檢波器的空間位移，這種網(wǎng)格排列的不規(guī)則度不會(huì)影響后續(xù)的定位精度.

對(duì)泥頁(yè)巖進(jìn)行多級(jí)連續(xù)壓裂監(jiān)測(cè)，信號(hào)的有效采集是壓裂效果評(píng)價(jià)的關(guān)鍵.在井周圍部署了6條微地震監(jiān)測(cè)測(cè)線（圖1），每條測(cè)線的檢波器間距為120～150 m，所有檢波器距井口300 m以上.科學(xué)合理埋置檢波器，近南東向測(cè)線檢波器埋深30 m，其余測(cè)線檢波器埋深2 m，以確保接收器與地層的良好耦合，也可最大限度減少地面噪聲對(duì)信號(hào)接收的影響.

圖1 松頁(yè)油2HF井微地震監(jiān)測(cè)觀測(cè)系統(tǒng)部署圖Fig.1 Microseismic monitoring observation system map of SYY-2HF well

2.3 微地震信號(hào)采集

在微地震信號(hào)采集中，連續(xù)記錄地震信號(hào)，采樣時(shí)間間隔為2 ms.除各壓裂段的壓裂過(guò)程外，在壓裂前后的一段時(shí)間（30 min）內(nèi)也進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣可有效記錄背景噪聲、射孔信號(hào)、壓裂信號(hào)和壓裂過(guò)程外可能的破裂信號(hào)，為準(zhǔn)確定位破裂點(diǎn)和裂縫展布特征提供基礎(chǔ)資料.

松頁(yè)油2HF井壓裂施工地面微地震監(jiān)測(cè)了10段壓裂過(guò)程信號(hào)和射孔信號(hào)，典型的觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖2、3所示，射孔信號(hào)和能量較大的壓裂信號(hào)均可有效接收到.實(shí)施射孔相當(dāng)于傳統(tǒng)的人工地震，事先可確定發(fā)震時(shí)刻和震源位置，便于在微地震信號(hào)中識(shí)別和搜索該類信號(hào).松頁(yè)油2HF井的所有射孔信號(hào)均被接收到，為后續(xù)微地震資料分析、處理和速度模型修正提供了重要資料.實(shí)施壓裂時(shí)，采集站采集的三分量微地震數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后以SEGY格式記錄在存儲(chǔ)介質(zhì).松頁(yè)油2HF井10段壓裂采集的微地震記錄顯示，每段可接收到2～6個(gè)肉眼可識(shí)別的、強(qiáng)能量的微地震信號(hào).圖3為2018年10月27日10點(diǎn)39分采集的壓裂微地震數(shù)據(jù)，在第500個(gè)采樣點(diǎn)附近，可見較為明顯的微地震信號(hào).

圖2 松頁(yè)油2HF井第10段第21簇射孔信號(hào)Fig.2 Signal of the 21st cluster perforation in the 10th stage of SYY-2HF well

圖3 松頁(yè)油2HF井第7段壓裂采集的微地震記錄Fig.3 Microseismic records for the 7th stage fracturing of SYY-2HF well

3 微地震數(shù)據(jù)處理

地面微地震監(jiān)測(cè)因其信號(hào)弱、噪聲強(qiáng)、速度建模困難等特點(diǎn)相對(duì)井中微地震監(jiān)測(cè)難度更大，因此需要采取針對(duì)性的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，才能保證震源定位結(jié)果的精度和可靠性［28-29］.數(shù)據(jù)處理的主要目的是對(duì)壓裂過(guò)程中地層釋放的一系列微地震信號(hào)進(jìn)行震源定位，根據(jù)震源事件點(diǎn)的空間和時(shí)間分布確定壓裂裂縫形態(tài).根據(jù)松頁(yè)油2HF井微地震資料的特點(diǎn)確定了數(shù)據(jù)處理流程，主要包括數(shù)據(jù)歸一化、噪聲壓制、速度建模、震源定位等步驟.

3.1 數(shù)據(jù)歸一化

在實(shí)際微地震數(shù)據(jù)采集中，地震數(shù)據(jù)是間隔采集和處理的，存在時(shí)間差異.另外，噪聲、物理環(huán)境、高程、近地表?xiàng)l件、儀器、采集和處理參數(shù)等諸方面的不同，都會(huì)給微地震事件定位造成很大影響.所以首先進(jìn)行微震數(shù)據(jù)的歸一化處理，以保證微震信號(hào)的振幅在同一數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，同時(shí)也可以對(duì)微震數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析.圖4為歸一化前后的效果對(duì)比圖.對(duì)比看出，歸一化后各道數(shù)據(jù)之間的振幅、能量更均勻，同相軸更清晰，而且連續(xù)性得到增強(qiáng).

圖4 歸一化處理前后的微地震數(shù)據(jù)Fig.4 Microseismic data before and after normalization processing

3.2 噪聲壓制

地面微地震監(jiān)測(cè)采集的三分量數(shù)據(jù)由于高頻衰減嚴(yán)重，頻率比較低，而且一般能量比較弱，信噪比較低.因此分析各種噪聲影響因素、噪聲源并對(duì)其進(jìn)行濾波處理，是地面微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和處理流程中的關(guān)鍵步驟.目前，微地震數(shù)據(jù)去噪的方法有很多，可以解決不同種類的噪聲壓制問(wèn)題［30-32］.松頁(yè)油2HF井壓裂微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用快速離散剪切波變換（FFST）方法進(jìn)行濾波去噪.該方法可有效減小信號(hào)處理的吉布斯效應(yīng)，增強(qiáng)信號(hào)細(xì)節(jié)刻畫能力，算法速度較快，非常適合微地震數(shù)據(jù)的噪聲壓制處理.圖5為噪聲壓制前后的實(shí)際記錄.原始數(shù)據(jù)的隨機(jī)噪聲較為明顯，而且微震信號(hào)的能量不均，濾波后的數(shù)據(jù)有效壓制了隨機(jī)噪聲，提高了微地震資料的信噪比.

圖5 噪聲壓制前后的微地震記錄Fig.5 Microseismic record s before and after noise suppression

3.3 速度建模

速度模型建立是微震數(shù)據(jù)處理中的重要環(huán)節(jié)，速度模型的精度直接影響微震反演定位的精度.與傳統(tǒng)地震勘探相比，微地震信號(hào)監(jiān)測(cè)的覆蓋面積很小，僅限于井身幾公里的范圍，所以可將地下介質(zhì)視為平層模型.松頁(yè)油2HF井壓裂地面微地震監(jiān)測(cè)的速度模型主要根據(jù)松頁(yè)油2井直井的地質(zhì)分層表和聲波測(cè)井建立的.測(cè)井曲線包括常規(guī)場(chǎng)波曲線（963.125～2 348.125 m）、偶極聲波縱波曲線（1 901.3～2 348.0 m）和橫波（1 901.3～2 348.0 m）曲線.地表至低速帶、黃土層等較淺地層沒(méi)有聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，這一深度范圍內(nèi)的速度模型通過(guò)綜合分析鉆井鉆遇黃土層厚度及地表巖性對(duì)應(yīng)速度確定.在沒(méi)有實(shí)測(cè)橫波速度的情況下，建議僅使用P波振幅和波至進(jìn)行定位.圖6為松頁(yè)油2HF井根據(jù)地質(zhì)分層和聲波測(cè)井曲線建立的層狀P波速度模型，P波速度曲線利用中值濾波算法進(jìn)行了平滑.

圖6 松頁(yè)油2HF井縱波速度模型Fig.6 Primary wave velocity model of SYY-2HFwell

3.4 震源定位

松頁(yè)油2HF井壓裂微地震震源定位采用地震發(fā)射層析成像（SET）技術(shù)，SET是一種適用于地面微地震監(jiān)測(cè)低信噪比情況的微震源定位方法［3-4，33-34］.該方法具有很多特點(diǎn)，一是無(wú)需拾取微地震信號(hào)初至?xí)r間，只需要根據(jù)地層速度模型和檢波器位置用射線追蹤或波動(dòng)方程求解等正演方法計(jì)算理論走時(shí)即可，適合于低信噪比信號(hào)震源定位；二是采集站點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，SET成像震源定位的精度越高；三是可利用較準(zhǔn)確的地層速度模型預(yù)先計(jì)算走時(shí)，速度模型越準(zhǔn)確，定位計(jì)算越準(zhǔn)確.

4 微地震數(shù)據(jù)解釋

在實(shí)際微地震數(shù)據(jù)解釋時(shí)，主要是依據(jù)微地震事件的定位資料.根據(jù)微地震事件點(diǎn)的空間位置和發(fā)震時(shí)刻，連接微地震事件點(diǎn)，形成壓裂裂縫的展布特征圖，從而進(jìn)行壓裂效果評(píng)價(jià).由于微震信號(hào)的信噪比低，加之淺地表各種噪聲的干擾，難以拾取準(zhǔn)確的初至，使得單純通過(guò)地震數(shù)據(jù)的反演方法無(wú)法取得理想的效果.貝葉斯反演方法是一種把先驗(yàn)信息和后驗(yàn)信息結(jié)合起來(lái)的推理估計(jì)方法，可以更好地融合多方面先驗(yàn)信息實(shí)現(xiàn)后驗(yàn)信息的最佳估計(jì)［35］.松頁(yè)油2HF井地面微地震監(jiān)測(cè)采用多線觀測(cè)，利用多線觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行微地震事件的反演，可提高事件點(diǎn)和裂縫的解釋精度.利用拾取的各條線到時(shí)和速度模型，采用貝葉斯反演方法進(jìn)行反演，可得到震源位置.綜合各條線的反演結(jié)果，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和不同測(cè)線之間的權(quán)系數(shù)，利用全概率公式推斷估計(jì)最佳震源位置和裂縫展布特征.

5 壓裂效果評(píng)價(jià)及優(yōu)化建議

根據(jù)松頁(yè)油2HF井微震源的定位，明確了各壓裂段的裂縫展布特征，在此基礎(chǔ)上對(duì)該井壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的壓裂優(yōu)化建議.

5.1 壓裂效果評(píng)價(jià)

微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果（表2）表明，松頁(yè)油2HF井壓裂造縫以主裂縫為主，伴隨有次要裂縫產(chǎn)生，裂縫在井眼附近比較發(fā)育.壓裂主裂縫長(zhǎng)度最大為第六段271 m，最小為第一段141 m，平均206 m，裂縫方位整體為北東向.有效壓裂面積以第六段最大，為34 202 m2，第一段面積最小，僅為13 002 m2，平均23 606 m2，全井段總有效壓裂面積為121 774.1 m2.因地面微地震對(duì)事件垂向上定位誤差較大，加之目的層的厚度不大，所以對(duì)壓裂高度直接按照目的層平均厚度（12 m）進(jìn)行近似計(jì)算，有效壓裂面積乘以目的層平均厚度得到有效壓裂儲(chǔ)層改造體積為1 461 289.2 m3.

表2 松頁(yè)油2HF井有效壓裂區(qū)域及主裂縫特性Table 2 Effective fracturing zones and major fracture features of SYY-2HF well

整體壓裂造縫效果顯示水平段東翼壓裂效果較好，裂縫延展長(zhǎng)度較大（圖7）.在兩翼造縫規(guī)模上，第一、八、九段兩翼造縫規(guī)模相當(dāng)；第二、三、十段西側(cè)稍小于東側(cè)，第七段西側(cè)遠(yuǎn)小于東側(cè)；第四、五段西側(cè)稍大于東側(cè)，第六段西側(cè)遠(yuǎn)大于東側(cè)，說(shuō)明地層存在一定的非均質(zhì)性.

圖7 松頁(yè)油2HF井壓裂裂縫解釋圖Fig.7 Fracture interpretation of SYY-2HF well

總體上看，松頁(yè)油2HF井各段壓裂造縫效果較為明顯，并且從井底到井口造縫效果整體上逐漸變好，基本實(shí)現(xiàn)了泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的有效改造.各級(jí)裂縫有效溝通了儲(chǔ)層與井眼的流體通道，增大了滲流面積，達(dá)到了壓裂設(shè)計(jì)的預(yù)期效果.松頁(yè)油2HF井最終獲得了較好的壓裂效果，抽汲求產(chǎn)獲得日產(chǎn)10.06 m3的高產(chǎn)工業(yè)油流，最高日出油27.81 m3.該水平井已經(jīng)移交大慶油田進(jìn)行試采，試采效果理想［36］.

5.2 壓裂優(yōu)化建議

松頁(yè)油2HF井各壓裂段之間整體連通性較好，第八段至第十段造縫無(wú)壓裂空白區(qū)，壓裂重復(fù)區(qū)域也很??；在第六段和第七段之間存在很小的壓裂空白區(qū)，但是在第七段左翼壓裂空白區(qū)較大；在第二段到第六段之間存在一定的壓裂重復(fù)區(qū)域.建議松遼盆地古龍地區(qū)其他相同壓裂規(guī)模的壓裂井可參考第八段到第十段的段長(zhǎng)（70～98 m）設(shè)計(jì)，從而達(dá)到更優(yōu)的壓裂效果.

另外，松頁(yè)油2HF井壓裂段裂縫主走向多數(shù)為北東方向，只有第一、三、四、五段為北西方向，初步判斷該井所在區(qū)域最大水平應(yīng)力方向?yàn)楸睎|方向.因?yàn)榕c裂縫主走向垂直的次要裂縫發(fā)育程度也較高，揭示該區(qū)最小水平應(yīng)力與最大水平應(yīng)力的大小差異較小，形成兩組共軛裂縫.裂縫走向北西向應(yīng)為與最大水平應(yīng)力相差不大的最小水平應(yīng)力方向.建議可根據(jù)該分析結(jié)果優(yōu)化相鄰地區(qū)其他鉆井水平段方位，以獲得最佳壓裂效果.

6 結(jié)論

（1）網(wǎng)格排列觀測(cè)系統(tǒng)適合于松遼盆地北部頁(yè)巖油水平井地面微地震監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要科學(xué)合理埋置檢波器，以確保接收器與地層的良好耦合.

（2）以弱信號(hào)噪聲壓制、高精度速度建模和微地震事件定位為核心的微地震處理基礎(chǔ)流程，提高了資料信噪比，為準(zhǔn)確定位微震源提供了可靠的數(shù)據(jù)資料.

（3）利用裂縫成像幾何形態(tài)解釋技術(shù)，描述了壓裂裂縫網(wǎng)絡(luò).松頁(yè)油2HF井各段壓裂造縫效果較為明顯，基本實(shí)現(xiàn)了泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的有效改造，獲得了較好的產(chǎn)能.該井泥頁(yè)巖目標(biāo)層水力壓裂參數(shù)和地面微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，可為松遼盆地同類目標(biāo)層的水力壓裂設(shè)計(jì)提供借鑒.