渝东北地区页岩气压裂近地表浅孔微地震监测技术

2019-10-15

长江大学学报(自科版) 2019年9期

重庆华地资环科技有限公司页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心(重庆地质矿产研究院)，重庆 401120 (重庆页岩气勘探开发有限责任公司，重庆 401120) 重庆华地资环科技有限公司页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心(重庆地质矿产研究院)，重庆 401120 (中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580)

微地震监测技术近年来在低渗透油气藏压裂改造领域得到了快速发展，尤其是在页岩气开发热潮中得到了广泛应用，是监测评价储层压裂效果的最有效技术之一[1]。微地震监测技术通过在邻井中或地面布置的检波器来监测A井在压裂过程中诱发的微地震波，描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布[2]，实时提供压裂施工产生裂隙的高度、长度和方位角。利用上述信息可以优化压裂设计、井网及其他油田开发措施，从而提高采收率[3,4]。微地震监测成果对压裂施工、产量预测以及新井部署都具有重要的参考意义。尤其是开发早期，对于准确评价储层压裂效果，获得储层改造参数十分重要。

根据检波器布设方式的不同，微地震监测技术可分为井中监测和地面监测2种。井中监测技术依靠其传输速率高，过滤低频噪声，接收频率响应高，处于井底位置全方位感应纵、横波信号精确度高的特点，成为国际上公认的最先进的裂缝监测技术[5]，得到了一定的应用[6～8]。但是，目前国内页岩气勘查区勘探开发程度一般较低，通常没有合适的井作为微地震监测的观测井。与井中监测相比，地面监测的检波器布设灵活，对于无合适观测井的页岩气勘查区块更为合适。地面微地震监测测线径向延伸长达几千米，能够取得广泛的接收孔径与空间覆盖，不受采集平面方位角的限制[9]，其优点是处理过程中可通过叠加和去噪方法提高数据信噪比，能够识别较弱的微地震信号；缺点是检波器通常直接插至地面，耦合性较差，受地表噪声干扰严重。为此，笔者提出了近地表浅孔微地震数据采集方法，通过增加检波器与地层的耦合性来提高微地震数据的信噪比。

1 渝东北地区地质特征

渝东北地区位于大巴山逆冲推覆带前缘，横跨秦岭地层区与扬子地层区。区域断裂发育，构造由一系列北东向紧密线形复式褶皱及斜冲断层组成，构成叠瓦状逆掩推覆构造。褶皱越靠近地表，强度越大，野外常见60～70°的大倾角地层。

研究区的页岩气压裂井(A井)位于城巴断裂与乌坪断裂之间，目的层平均倾角大约在60°左右，倾向为北东方向，局部有小型褶皱。岩心资料显示，硅质岩段发育半充填网状裂缝，呈半开启状态，倾角50～70°，缝宽大于1～3mm，缝密度高达60条/m。利用成像测井资料，在目的层段共识别统计出天然裂缝721条，其中高导裂缝597条，高阻裂缝124条。裂缝主要发育在1540～1615、1640～1740、1820～1920、1960～2040、2100～2200、2260～2290、2685～2705m等井段。该井自上而下钻遇地层为第四系、下寒武统水井沱组、震旦系灯影组。由于区域地层倾角较大，目的层水井沱组常出露地表，岩性以黑色碳质页岩、灰质页岩为主，底部为一套硅质岩沉积，夹少量薄层粉砂岩和粉砂质泥岩。储层岩石的主要矿物组成为石英(平均体积分数40.2%)、碳酸盐矿物(平均体积分数27.0%)、长石(平均体积分数14.5%)、黄铁矿(平均体积分数7.6%)、黏土矿物(平均体积分数4.0%)等。根据研究区页岩储层地质特征分析结果认为，目的层脆性好，页岩破裂信号(纵横波能量)较强，起跳干脆；目的层倾角大，且直接出露于地表，微地震信号传播路径相对简单，信号吸收衰减少，易于地面微地震检波器的接收。

2 压裂微地震波特征

页岩气等非常规油气由于其储层具有低孔隙度、超低渗透率等特点，需要进行水力压裂才能获得工业气流。微地震监测是以声发射学和地震学为基础[10]。水力压裂时，大量高黏度、高压流体被注入地层，使地层孔隙流体压力迅速上升，导致岩石产生张性裂缝和剪切裂缝[1]。岩石破裂时，岩石中的能量一部分以弹性波的形式释放出来产生微小地震(即微地震)[11,12]。由于岩石破裂规模有限，释放的能量较小，诱发的地震波是较微弱的，震级通常在0级以下，一般为-4～0级，地面微地震监测到的事件震级一般在-2级以上，只有震级较大的微地震信号才能通过几千米的地层传到地表被监测设备接收。因此，地面微地震监测接收到的压裂事件信号一般是井中监测的10%～20%。压裂诱发微地震的频带范围能达到3000Hz，但当频率高于1500Hz时，加速度检波器的推靠臂和加速度检波器自身的谐振开始影响微地震三分量信号的相关性，因此1500Hz以上高频成分在井中检波器中接收不到，而且高频成分在地层中衰减很快，可探测距离很短。地面微地震监测受较厚地层的吸收衰减作用，压裂事件主频一般仅有几十Hz。水力压裂产生的裂缝以剪切破裂为主，因此微地震波形一般表现为同时具有纵波和横波，且横波振幅比纵波强，这是页岩气储层压裂微地震信号的典型特征。

3 渝东北地区微地震监测

3.1 数据采集

渝东北地区页岩气勘查区钻井数量较少，无法开展井中监测。笔者在地面稀疏台站微地震监测系统的基础上提出近地表浅孔微地震监测技术，根据井型、压裂深度等参数，呈网状或环形布设30～50个监测台站，钻浅孔埋置检波器，孔深1m以上，降低地面声波、多次波、风吹草动、动物走动等造成的微地震干扰；少量钻孔深度约20～30m，钻至基岩以下，将检波器下放至孔底后使用水泥灌孔至地面，使检波器与基岩耦合，可有效降低地面噪声。另外，检波器布设时应避开地下断层与溶洞，分布排列尽量均匀。

图1 A井微地震监测系统

A井为一口直井，井深约2700m，试气井段为1600～2650m，采用近地表浅孔微地震监测系统，共布设监测台站30个，整体呈环形分布，监测系统如图1所示，其中6孔深度30m。监测台站排列直径长约1800m，与页岩气压裂目的层深度相当。由于重庆渝东北地区地表条件复杂，山高林茂、交通不便，井口北侧和南侧部分区域监测台站较少。

3.2 信号分析

通过采用浅孔方法布设检波器采集微地震数据，微地震信号明显。图2为A井1min的微地震原始数据，可识别有效事件10余个。总体来看，能量较大的微地震事件基本能被全部检波器接收到，能量较弱的信号仅30m深孔中的检波器能接收到，说明增加孔深能降低地面噪声干扰，提高信号识别能力。然而，在被全部检波器接收到的较强信号中，30m深孔中检波器接收的信号能量并不一定是最强的，这是因为复杂的地下构造、裂缝及溶洞、储层非均质性和信号接收角度等都可能造成该现象。

图2 A井1min微地震原始数据图

图3为微地震信号局部放大图及其频谱分布图，可以看出，微地震事件波形特征明显，纵、横波成对出现，纵波能量弱，横波能量相对较强，纵、横波时差约400ms，频带范围20～40Hz。

3.3 事件定位

3.3.1 双差定位算法

目前，常用的地震事件定位算法包括绝对定位法、相对定位法、震源空间扫描法和逆时偏移成像法等[13]。相对定位法是一种能有效减少因对地壳结构了解不够精细而引起误差的定位方法[14]，其中双差定位算法具有较强的事件丛集性特点，适合于微地震监测。

图3 微地震信号波形局部放大图及其频谱分布图

地震事件i到地震台站k的体波到时可以利用射线理论对路径积分：

(1)

(2)

由式(2)有：

(3)

假设2事件空间距离很近，它们到同一台站的路径几乎一致，并且速度结构已知，则式(3)可简化为：

(4)

当扰动距离超过速度变化范围长度时，利用上述方法定位会产生误差，笔者直接利用式(3)和到时差数据，在反演过程中加入绝对到时计算震源区外的速度结构，这样既可以确定速度模型又可以进行相对定位和绝对定位。

3.3.2 定位结果与分析

A井共进行了五级压裂施工改造，通过长短时窗法自动识别和人工修正，拾取有效微地震信号1450个，并应用双差定位算法对全部微地震事件进行定位。图4为事件定位结果在各深度上的成像切片，黑点为微地震事件点，图像背景为速度结构。

注：Z为该事件定位切片水平面以下的真实垂直深度；vp为纵波速度；1630、1720、1820、1870、2020、2070、2170、2270、2370、2470、2570、2670m为从地面计算的垂直深度(增加了钻井平台所在位置海拔深度)。图4 微地震事件双差定位在不同深度的成像切片

从图4可以看出，储层压裂效果整体较好，去除分散事件点及天然断裂的影响，压裂裂缝半缝长约300m。由于地层倾角较大，微地震事件垂向延伸较广：第1压裂段处于2600m左右，从事件定位深度切片上可以看到微地震信号较少，压裂效果相对较差，主要原因是该压裂段岩性以黑色硅质岩、含泥硅质岩夹黑色泥质为主，储层脆性略差，且天然裂缝不发育；第2压裂段为2300m左右，该压裂段微地震信号明显增多，从2570m到2270m再到2070m，微地震信号表现出逐渐增多再减少的趋势，而射孔段附近微地震信号最多，反映了水力压裂储层影响范围的变化；第3压裂段为1900m左右，微地震信号相对较多且较集中，究其原因该井段为天然裂缝较为发育的层段，井旁半开启及闭合状态的裂缝在压裂过程中被重新开启，并没有向远端延伸；第4压裂段为1750m左右，天然裂缝不发育，由于该压裂段层厚相对较大，压裂中采用了化学暂堵转向工艺，以便充分改造整个储层，该压裂段液量最高，压裂微地震信号最多，影响范围大于第3压裂段，整体压裂效果较好；第5压裂段为1650m左右，天然裂缝发育，压裂裂缝呈条带状分布，推测该段压裂过程中可能沟通了小型断裂，压裂裂缝南北向延伸。