微破裂四维向量扫描影像裂缝监测技术在依兰煤层气区块中的应用

2019-09-16康玉国张晓晴

中国煤炭地质 2019年7期

康玉国，闫伟，张晓晴

(黑龙江省煤田地质研究院，哈尔滨 150008)

中国煤层气储层的渗透性普遍低，为了确保煤层气产出有畅通的通道，水力压裂成为有效改造煤层气储层渗流通道的常用方式，其改造效果主要由压裂裂缝的展布情况所决定，压裂裂缝的展布情况主要受其动态扩展规律和动态控制施工主要技术参数确定，裂缝最终的扩展结果由压裂裂缝的监测效果显示[1-3]，因此，对压裂裂缝的监测是压裂施工非常重要的一个环节。煤层气储层与常规油气的储层性质差异大，对于煤层气井的水力压裂产生裂隙的规律与常规油气也有差别[4-5]。首先是煤储层本身的基本力学性质与常规油气储层不同，不同的煤层具有独特的弹性模量、抗拉强度和抗压强度；其次由于不同煤层气储层本身的裂隙系统发育程度千差万别，同一煤层的不同井区主要裂隙系统差别非常明显；其次是煤储层属于有机储层，其特定的孔隙类型、内生割理裂隙系统、外生裂隙系统导致压裂时裂隙的产生具有强烈的非均质性[4-5]。因此，压裂裂缝监测技术对判断裂缝扩展规律、裂缝形态具有非常重要的作用。目前，国内煤层气井开展了一系列的煤层气井压裂裂缝展布情况的监测工作，但应用微破裂四维向量扫描影像技术，通过接收压裂液流动引起煤层破裂激发的波，动态分析监测煤层气井压裂裂缝形态，并用此指导煤层气的生产的研究开展的较少[6-7]。

1 微破裂四维向量扫描影像技术

微破裂四维向量扫描影像裂缝监测技术主要工作步骤如下：首先在煤层气研究区块的井场周围布置一系列数据采集仪，这些采集仪以特定的阵列排列；其次进行地面水力压裂施工，当压裂液流体高压注入煤层气储层达到破裂压力时，储层的局部微破裂会产生纵波(P波)和横波(S波)，数据采集仪会采集到这些信号；然后进行多波属性分析、相干振幅体的向量叠加扫描，最终通过建立三维可视化图，形象描述压裂裂缝的三维致裂形态，同时也可以借助仪器内置GPS卫星系统分析压裂裂缝的实时变化过程。这样，采集的数据经过GEOIMAGE图像资料处理系统，获得时间与三维空间结合的四维压裂裂缝资料。

相比其他地震监测技术，主要存在如下优势：①数据采集优势，采集煤体微破裂震动P波和S波信号时，采用多波多分量采集和三分量检波；②图像处理优势，通过相干体计算，进行振幅能量扫描，确定煤岩体压裂裂缝内部的能量分布和变化，以此来判断破裂方位及煤岩体压裂裂缝几何形态；③图像解释优势，处理后的图像可通过三维可视化技术进行3D立体显示，更加直观的解释压裂裂缝的展布规律[8]。

2 煤储层的技术适应性

2.1 微破裂产生纵横地震波机制及其传播特性

水力压裂施工过程中，当高压压裂液注入到煤层气储层中时，首先流体进入到煤的外生大裂隙系统中，随着流体的不断渗入，地层压力增大，当应力强度因子超过断裂韧性时，原有的外生大裂隙系统开始向外扩展，扩展符合断裂力学准则，扩展过程中会诱发微地震信号传向地面接收器；其次随着流体的持续供给，煤体的内生次级裂隙和微裂隙开始不断扩展，发生大量的张性破裂和剪切破裂，并逐渐形成一系列的P波和S波信号，并向地面传播被接收；最后流体进入到基质孔隙中，随着孔隙流体压力的不断增加，根据摩尔-库伦摩擦定律，也会造成煤岩体产生细微的张性裂缝和剪切裂缝，都转化成P波和S波信号传到四周[9-11]。

2.2 煤储层接收资料处理方法

相比常规油气储层，煤层气开发目标层位普遍埋深较浅，但由于煤层本身的裂隙系统特征，产生的微破裂不彻底，经过地层的高频滤波和信号衰减，加上强背景噪音等原因，地面采集仪监测信号不能准确识别煤层气储层裂缝系统发生微破裂时P波和S波到达地面的时间和裂微隙系统破裂时的高频有效信号。为了运用微破裂矢量叠加网格扫描技术，在时空上高效辨别出煤储层各级压裂裂缝破裂和微破裂产生的方位及形态。需要对数据进行处理及解释，具体方法如下。

2.2.1 划分扫描单元

根据需要，选定信号监测空间范围，空间范围以地面海拔最高点水平面为顶，目标煤层为Z坐标距顶深度。按10m×10m×10m的规格剖分空间扫描单元，图1(a)所示。

2.2.2 计算扫描单元地震波速度

利用声波测井资料计算出剖分扫描单元格各个节点的P波和S波速度，图1(b)所示。

图1 数据处理及解释流程Figure 1 Data processing and interpretation procedure

2.2.3 计算入射方向和时间

通过射线追踪，计算出各剖分扫描单元格内各节点到地面接收检波点的射线方向(入射角方位与倾角)，同时计算最小旅行时数，图1(c)所示。

2.2.4 信号处理

首先形成失量场波动方程，通过失量场能量叠加，减少随机噪音，加强有用信号，获取煤储层各级破裂系统的能量值。对各采集仪所记录的特定时间窗口W，扫描单元格内各节点K通过入射追踪可确定发射波到采集仪的入射角，将三分量信号统一到入射方向，就可形成失量场波动方程；对所有扫描单元格内各节点K进行矢量迭加到信号振幅f的平方，经过归一化因处理得出K点的煤层裂隙系统破裂辐射能量S(k)；叠加后的能量增加，噪音信号减弱，有用的K点破裂能量信号增强。

2.2.5 煤储层压裂破裂点定位

按10m×10m×10m的规格剖分空间扫描单元，图1(a)所示。通过能量辐射扫描定位，可求出空间单元内各个剖分扫描单元格节点的能量值，各节点间进行体计算，根据能量空间分布和梯度变化确定煤储层压裂破裂点位置。

2.2.6 煤储层裂缝系统破裂能量输出解释

经过归一化处理的能量值不仅可消除仪器噪音和不同时窗的差别，同时还便于对不同时长入射波的能量进行对比，经过归一化处理的能量值S(k)就可以代表煤储层裂缝系统破裂释放能量，并与天然地震震级有一定的对应关系。

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3 现场应用

3.1 YD-03煤层气井概况

YD-03煤层气井位于黑龙江省依兰煤层气区块，完钻井深800.64m，2009年9月28日开展压裂层射孔，油层套管采用139.7mm×788.19m×J55×7.72mm，即(规范×深度×钢级×壁厚)，研究区地质构造图如图2所示。

YD-03井共压裂3层，工艺采用水力携砂压裂，压裂施工顺序为：第一层(725.65 ～733.80m,层厚8.15m，为上2煤层+砂岩段)，第二层(695.05 ～707.45m，层厚12.40m，为纯煤层段)，第三层(677.10 ～685.10m，层厚8.00，为下煤层+油页岩+砂岩段)，共加砂1170.27m3,总液量3 099.70m3。压裂成功后单井产量达到日产1 500m3/d以上。

图2 地质构造图Figure 2 Geological structure map

3.2 野外采集站的布置方式

此次煤储层压裂裂缝监测区内共用12套采集站，现场采用图3的方式布置，开成阵列。每套采集站皆用四维(4D)数据采集系统，同时配备三分量检波器、GPS接受机和电源组。

图3 压裂监测12套采集站的地面摆布方式Figure 3 Surface layout of fracturing monitoring 12 setsof data acquisition unit

3.3 监测结果

3.3.1 YD-03井压裂施工与地层能量变化对应关系

裂缝系统破裂释放能量值通过二维切片图表示，图中高能量的梯度边界代表煤储层裂缝系统破进应力的影响区域边界[12]。煤储层裂缝系统破裂释放能量值与井下各级系统破裂与微破裂产生的地震波的振幅成正比，与注入的高压压裂液引起的煤体破裂时的压力突变有关，与煤储层压力的大小相关性不大。煤储层裂缝系统破裂释放能量值可反应剖分扫描单元格各个节点的能量差异。如图4所示，压裂施工过程中，随着压裂裂缝的扩展，压裂井周围出现能量集中的现象。在裂缝扩展的过程中，地层能量表现出动态变化的过程，地层能量的主要集中方向为裂缝扩展的主方向。

3.3.2 压裂井周边应力场分析

应用微破裂四维向量扫描影像技术获取的煤储层裂缝系统破裂释放能量图可以判断研究区最大主应力方向[13]。

图4 压裂施工与地层能量变化的对应关系Figure 4 Correspondence between fracturing operation and strata energy variation

图5 不同时刻压裂井周边应力场分布规律Figure 5 Different times fracturing well peripheral stressfield distribution pattern

3.3.2 压裂裂缝形成过程及其三维形态

通过对不同时刻的地层能量进行对比分析，可以得到压裂裂缝的动态扩展，如图6所示。即通过-三维空间域和一维时间域实现压裂裂缝的四维动态监测。裂缝长度参数获取：21:10分过井730m深度的能量分布图，进一步对能量进行70%梯度显示，可知该裂缝参数如下，东北端点(270，250)；西南端点(340，290)；裂缝最大缝长：81m；裂缝方位：北偏东约29 度。裂缝高度参数获取：通过分析21：10分的三维数据体，其在X(N)=300m处的YZ方向能量切片，进一步对能量进行梯度显示，可知裂缝高度参数：最大裂缝高：715 ～735m之间。最终可以获取YD-03煤层气井的三维裂缝展布图，如图7所示。