水力压裂技术与微地震监测技术研究进展

陈春燕 陈芷若 刘恩豪 胡力文 刘亚昊 陈鹏

摘 要：常规油气藏开发已进入中后期，增产稳产难度日益增大，非常规油气藏逐渐投入开发。为提高非常规油气藏单井产量，使其达到经济开发水平，水力压裂技术已成为非常规油气藏增产的主要措施之一，为评价压裂效果，微地震监测技术已广泛使用于水力压裂过程中的裂缝监测。本文通过对水力压裂技术与微地震裂缝监测技术进行调研，总结了水力压裂技术与微地震监测技术的发展现状，指出了不同微地震监测技术的优缺点，评价了微地震监测技术的发展方向。研究结果对于水力压裂过程中微地震监测技术的发展有一定的指导作用。

关键词：水力压裂技术 微地震监测技术 非常规油气藏

中图分类号：P631.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）10（a）-0068-03

近年来，非常规油气成为国内外的一个研究热点。非常规油气指成藏机理、赋存状态、分布规律以及勘探开发方式等不同于现今常规油气藏的烃类资源[1]。现今，世界上的非常规油气种类多并且储量十分丰富，其中最具有经济效益和开发价值的为页岩气与致密油气[1]。资料显示，中国非常规气资源量约为190×1012 m3，明显多于美国已探明天然气储量。因此，在非常规油气的勘探开发方面，水力压裂技术和微地震监测技术的发展显得尤为重要。国内外非常规油气勘探开发实践证明，大规模、大容量的水力压裂是实现非常规储层有效开采的核心技术手段。而其中最具有开采价值的页岩气藏常被称为“人造气藏”，其开发通常需要水平井钻井和水力压裂等技术手段改造储层、形成人造网络才能使其具有生产能力[1-4]。目前国内外监测裂缝的方式多样，通过多年来不断研究探索，发现微地震裂缝监测技术是优点最为显著的一种方式，它能有效地监测和评估非常规储层压裂改造效果。为促进非常油气资源的开发，有必要对水力压裂技术及微地震监测技术的发展趋势进行总结，以全面了解相关技术的发展现状。

1 水力压裂技术

水力压裂技术是一项广泛应用于非常规油气井增产的措施。其原理是利用水压将岩石压裂，从而形成人工裂缝，以提高油气层中流体的流动能力，再采用配套技术使石油天然气流入采油井中 [5]。

在1947年，美国堪萨斯州经过实验，使水力压裂技术成为一项可用于油气开采的技术，这是水力压裂技术的第一次出现在世界上。在1998年，美国对于该技术的大规模使用使得美国页岩气开发的进程和效率有了大幅度提升[5]。中国对于水力压裂技术的研究明显晚于国外，开始于20世纪50年代，到1973年大庆油田才开始大规模使用该项技术。这年来，随着水力压裂技术在国内油气田中广泛应用，水力压裂技术已接近国际水平。

水力压裂技术根据施工方式差异可以分为：多级压裂、重复压裂、清水压裂、同步压裂以及水力喷射压裂[6]。虽然这些方法的概念都是分开的，但是在实地施工中常会同时使用多种方法以达到更好的压裂效果。据相关文献可以了解到目前页岩气藏中的压裂技术已经达到了一个比较成熟的阶段。其中，对于较长井的多级压裂技术应用最多也最为成熟。

由于水力压裂技术能提高松软煤层裂隙和孔隙的连通性，降低煤层有效应力，提高煤层渗透率等优点[7]，常应用于煤矿勘探方向以增加井下瓦斯开采效率。除了具有一定的经济效益外，还可降低开采现场突发事故。鸡西矿区和黄陵二矿都对矿区煤层进行了水力压裂，其实验结果显示水力压裂对增透、增产以及抽采效率有显著提高[7，8]。

在潘北矿采用了分段压裂技术进行井下勘探开发，结果表明它能够很好地达到预期效果[9]。分段压裂常用于较长的水平井中，除此对应的限流发压裂则用于较短水平井中。顾名思义，分段压裂就是在同一个井中分为多个部位进行水力压裂，而限流法压裂是在整个井上进行操作。作用方式如图1所示。

除了上述压裂方式外，在煤层开采中还有一种重复压裂技术。所谓重复压裂技术，就是在一次压裂完成后 ，间隔不太长的时间采用类似的工艺技术进行两次及以上的水力压裂[10]。我国山西省保安煤矿采用了重复压裂，压裂后煤层透气性系数、瓦斯抽采浓度以及瓦斯抽采纯量均有大幅度提高[10]。重复压裂步骤如图2所示。

2 微地震监测技术

微地震压裂监测即通过在井中（或地面）布设检波器来监测压裂过程中诱发的微地震波进而描述裂缝网络的几何特征[11]。其主要通过对压裂过程伴随产生的微地震事件定位，获取人造裂隙的长度、高度和方位角信息。通过微地震分析可以将实际压裂效果与预期压裂效果进行对比分析，然后优化压裂方案以改善压裂效果。微地震监测技术主要包含以下步骤：微地震数据采集、微地震资料处理、微地震事件筛选、定位有效震源和裂缝参数计算 [1，12-14]。

2.1 微地震監测基本原理

在裂隙之类的断面上，当原来的应力受到生产活动干扰时，岩石中原来存在的或新产生的裂缝周围就会出现应力集中，应变能量增高，当外力增加到一定程度时，原有裂缝的缺陷地区就会发生微观屈服或变形，裂缝扩展使应力松弛，储藏能量一部分以弹性波（声波）的形式释放出来产生小地震，即微地震[15]。这是水力压裂过程中微地震裂缝监测的相关机理。也正因为微地震的发生机理，使其具有信号能量弱、频率高、持续时间短的特点[16]。图3为微地震压裂监测示意图。

2.2 微地震震源定位

水力压裂过程中微地震震源定位技术是微地震监测技术的核心，只有对震源位置进行有效精准的定位，随后压裂参数计算与压裂效果评价才具有实用价值。目前国内外主要采用的微地震震源定位主要有基于直达波初至与地层模型的反演方法和相对定位方法[17]。应用最普遍的是第一类反演定位，其中又细分为P波定位法、地震波射线法和P波射线传播方向交汇点法。此外，涪陵国家级页岩气示范区的焦石镇将三分量微地震监测仪用于野外试验，其结果表明，三分量微地震监测仪能够对有效微地震事件进行捕捉，并能较真实地反映震源位置及裂缝的发育程度[18]。

2.3 井中监测与地面监测

微地震监测技术有地面和井中监测两大类，地面监测又可以根据检波器的埋藏方式，将其分为地表监测和浅井监测，井中监测又可以分为同井监测和邻井监测，都各有其优缺点和适用范围。地表监测是按照常规地震方法将检波器埋置在20～30m地下进行微地震信号接收的方式[19]。微地震浅井监测是在地表监测基础上的一种改进，是将三分量检波器埋置在人工钻井的某一深度的浅井中[19]。同井监测是对停泵后所产生的裂缝进行监测[1]，而邻井监测顾名思义就是在压裂井的附近且已存在的井进行监测，如表1所示。

2.4 面临问题

近些年来，我国在微地震监测技术方向取得了突破性的进展。但是，为了发展更高质量、更精准的微地震监测技术，还有很多问题需要解决。首先，由于人工裂缝所引发的微地震震级小，周期短，使仪器对于微震的识别具有一定难度[20]。除此之外，仪器工作所产生的噪音以及工作区的其他噪音，都对微地震的识别具有一定的干扰，甚至会忽略一些震级极低的微震。为了解决以上问题，研究一个有效的去噪技术至关重要。其次，目前使用的反演速度模型都是默认同一地层下进行的，将声波在地层中传播的速度视为同一值，而在实际地层中由于岩性不同地震波传播速度不同[21]，如何建立速度模型去模拟地震波在不同地层之间的运动状态，对震源定位极为重要。

3 结语

水力压裂技术目前发展已是较为成熟的技术，无论是用于页岩气的勘探开发还是用于煤层气的增透增产均具有显著性成果。微地震监测技术作为水力压裂过程中监测压裂发育参数的主要手段，在非常规油气藏开发中应用广泛，如何对震源进行有效的定位将会是之后的研究重心。高效去噪技术，震级正确判别以及建立反演多模型等技术已成为微地震裂缝监测技术中急需提高的核心问题。水力压裂技术和微地震监测共同发展，会使两项技术在油气田开采上具有广泛应用前景。

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