井中微地震监测技术在平桥南页岩气区块应用效果分析

黄小贞，谷红陶

（1.中国石化华东油气分公司勘探开发研究院，江苏南京210011；2.中国石化华东油气分公司南川页岩气项目部，重庆408400）

1 应用背景

20世纪40年代，美国矿业局率先提出应用微地震技术监测对地下矿井造成严重危害的冲击地压。2000 年，美国德克萨斯州的Barnett 油田成功进行了水力压裂微地震监测，并对页岩层内的裂缝开展了成像监测。2003 年，微地震监测技术全面进入商业化运作阶段[1]。中国该项技术应用较晚，2002 年，刘建中等[2]在华北油田京11 断块用地面台站布设方式进行了微地震注水监测试验。2004年长庆油田与国外公司合作在庄19井区实施了3口井的微地震压裂井中监测，随后长庆西峰、苏里格气田等也相继实施了超过50口井的井下微地震监测[3-4]。2016年，中国石化涪陵页岩气一期产建区17口井应用微地震监测技术，近距离准确、清晰地反映了压裂过程中地层裂缝实时延伸情况。

中国石化华东油气分公司于2009年在南川区块开展页岩气勘探与开发，历经11年的勘探实践，已完成6.5×108m3产能建设。为监测压裂裂缝在储层内的延伸情况，评估水平井体积压裂改造的效果，开展了焦页JY×-1 井井中微地震监测。从方法原理、监测数据采集、应用效果等方面对井中微地震监测技术进行了分析。

2 方法原理

刘建中等[2]观察发现，水平井水力压裂时，在射孔位置，当迅速升高的井筒压力超过岩石的抗压强度时，岩石遭到破坏并形成裂缝扩展，将产生一系列向四周传播的微震波。范天佑[5]和毛庆辉等[6]认为井中微地震监测技术就是以断裂力学理论和摩尔·库仑定律为依据，通过布置在邻井的检波器对水力压裂产生的微震波进行接收、处理、解释，继而确定微震源位置，计算出裂缝的分布方位、长度、高度、缝型及地应力方向等地层参数[7]。该技术可以给出水平井水力压裂后裂缝的空间几何形态和储层改造体积，评价压裂工艺效果，为下一步制定地质方案提供科学依据。

压裂时可导致地层发生剪切滑动或断裂，从而激发微地震。在邻井中下放一组检波器，对压裂过程中裂缝开启或闭合时形成的微地震事件进行接收，将数据传输到地面，然后对数据进行处理来确定微地震的震源在空间的分布，用震源分布图就可以解释压裂产生的裂缝的空间展布情况。

井中微地震定位主要应用纵横波时差和矢端图技术，前者可用以计算微地震事件距离检波器的距离，后者可用以计算微地震事件的方位和倾角[8-10]。

3 监测数据采集

3.1 压裂井和监测井的选择

JY×-2井是平桥南页岩气区块南部开发井，该井地化指标、含气性、地应力相对优越，裂缝发育，水平井穿行最优靶窗①上至③下小层，优选为监测井。JY×-1 井水平段第10 至15 段录井解释气测异常，全烃最高40%，该段处于靶窗①上至③下小层，储层物性较好，平均孔隙度3.7%。根据曲率属性预测，第10至15段东侧为高曲率带，第10、12、14段西侧为低曲率带，第11、13、15段西侧为高曲率带。因此，优选第10 至15 段进行微地震监测，对比压裂施工参数、裂缝形态、改造规模等参数的变化规律，研究曲率带对体积压裂效果的影响，通过在相邻的JY×-2 井中下放高精度检波器，对JY×-1井第10至15段压裂施工进行井中微地震监测（图1）。

图1 JY×平台井眼轨迹（三维视图）Fig.1 Well trajectory of JY×platform（3D view）

3.2 监测方案设计

JY×-2井采用VSI地震成像仪、GAC三分量加速度检波器进行监测，检波器级间距为31.15 m，由于检波器下放深度受限于井斜角（需在50°～55°），因此，该井检波器深度下至2 169.65～2 450 m。中心检波器与第10段射孔段距离为1 740 m，与第15段射孔段距离为1 413 m，与目的层距离为700 m（图2、表1）。

3.3 监测结果

本次施工处理解释微地震事件7 275 个。压裂微裂缝发育均在仪器探测范围之内，经处理后可定位的微地震事件明显，定位准确，监测结果见图3，不同颜色表示不同的压裂段，并按矩震级大小排列。

表1 检波器深度Table 1 Depths of geophones

图2 检波器下放位置Fig.2 Position of geophones

通过微地震事件的空间展布和时间发育顺序，分析6段压裂微裂缝发育特点如下：

1）6 段压裂改造产生的裂缝均具有良好的展布性。

2）井筒西侧裂缝较东侧更为发育，西侧裂缝长度约为300～400 m，东侧裂缝长度约为10～200 m；主裂缝沿主应力方向约北西60°发育，第14、15 级压裂井筒东侧次生裂缝方向为北东60°。

3）大量的微地震事件集中发育的深度介于2 250～2 420 m，压裂微裂缝垂向发育的高度约为70～120 m，裂缝主体贯穿①至⑤号小层。

4）近井筒压裂微裂缝宽度约为180～210 m。其中第14 级压裂微裂缝在井筒北侧拓展出新的区域，近井筒裂缝宽度达到270 m。

4 应用效果分析

4.1 压裂微裂缝方向分析

利用纵横波比值对6 段压裂监测微地震事件进行过滤，进一步分析压裂微裂缝的发育特征。图4为纵横波比值大于2 的全部微地震事件。分析认为第10～15 段压裂井筒西侧发育的主裂缝方向为北西60°，第14、15 段压裂微裂缝在井筒东侧产生了次生裂缝，裂缝方向为北东60°。

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4.2 裂缝类型分析

B-Value 的概念最早是由GUTENBERG 和RICHTER[11]提出来的，其原理是通过统计地震或压裂过程中采集到的不同震级事件个数的频率分布关系（FMD），得到一个常数值b。

式中：N代表事件的个数，M是震级，A是截距，b是斜率。b代表的是在一系列事件中，不同大小的事件的频率分布变化。斜率b值越高，表示少量高震级事件伴随着大量小震级事件。

MAXWELL等[12]观察发现，如果天然裂缝或断层发育，在其发育位置得到的微地震事件通过统计得到的b值约为1；当压裂产生人工缝为主时，b值约为2。这是由于在压裂过程中，如果压裂液进入断层或天然裂缝，其应力释放需要更长的时间，期间便会伴随着不同数量微地震事件的产生。

图3 整体监测结果Fig.3 Overall monitoring results

图4 纵横波比值大于2的微地震事件Fig.4 Microseismic events when P/S wave ratio is greater than 2

JY×-1 井6 级压裂微裂缝产生的微地震事件可分为3 个区域：第一个区域为第10、11 级压裂区域，第二个区域为第12、13、14 压裂区域，第三个区域为第14、15 压裂区域（在第15 段射孔段附近）。采用B-Value 统计方式对这3 个区域的微地震事件进行分析（图5）。

图5 微地震事件区域划分Fig.5 Division of microseismic events

通过统计发现，3 个区域的微地震事件B-Value分别为1.98，1.87，2.1。水平井水力压裂微裂缝以人工裂缝为主。

4.3 裂缝参数分析

通过微地震事件的空间分布统计出单段压裂裂缝的长、宽、高及方向（表2）。压裂微裂缝平均半缝长250 m，宽210 m，高85 m，主裂缝方向为北西60°，次生裂缝方向为北东60°。结合单段压裂液量对裂缝半缝长进行分析，压裂微裂缝半缝长与单段施工液量呈明显正相关关系，当单级施工液量达到2 000 m3左右时，裂缝半缝长达到250 m。

4.4 压裂微裂缝复杂程度分析

裂缝复杂指数（FCI）常用于描述水平井水力压裂裂缝类型和形态的复杂性，反映体积压裂改造的效果。裂缝复杂指数是井中微地震监测的水平井水力压裂缝网宽度与长度的比值。FCI值越大表明产生的压裂微裂缝越复杂、改造体积越大、改造效果越好[13-14]。通过对本次监测获得的裂缝宽度和半缝长进行计算得出第10至15段压裂微裂缝的FCI值（表3）。

表3 压裂微裂缝裂缝复杂指数Table 3 Fracture complexity index of micro-fracture

4.5 储层改造体积分析

储层改造体积（SRV）可直观地判断改造的储层体积大小和评价压裂效果。首先将微地震事件的空间分布范围网格化，在计算微地震事件密度的基础上计算网格化的体积，最终得出储层改造体积（图6）[15]。

表2 压裂微裂缝参数Table 2 Parameters of fracturing micro-fracture

计算第10至15段每一段的微地震事件，得出单段压裂储层改造体积（表4）。单段压裂微裂缝储层改造体积和为2 608.08×104m3，全部6段压裂的储层改造体积为2 187×104m3。SRV 重合比为19.29 %。显示单段压裂区域有一定重合。

图6 计算储层改造体积Fig.6 Calculation of SRV

表4 单段压裂裂缝储层改造体积Table 4 SRV of fractures by single-stage fracturing

4.6 压裂屏障

JY×-1井第10至15段压裂微裂缝具有明显单翼发育的特点，大量微地震事件出现在井筒西侧，裂缝从射孔段附近起裂并不断向西侧延伸，部分区域延伸至邻井井筒附近；而东侧裂缝在短暂延伸后，均停止发育。第14、15 段压裂微裂缝在向西侧延伸的同时向北侧也有延伸，并在井筒东侧产生了北东60°方向的次生裂缝。结合三维地震的曲率属性预测图进一步分析表明压裂微裂缝的延伸受到地下垂直于最小水平主应力方向闭合裂缝的影响，这些天然闭合裂缝成为了压裂微裂缝延伸的屏障，即压裂屏障[4]。

曲率属性是地震数据中的一种属性，最大正曲率图可突出显示背斜，尤其是背斜的枢纽带。据NELSON[16]分析，曲率值高的区域可能出现天然裂缝发育带，当天然裂缝方向与现今最小水平主应力方向垂直时，天然裂缝应为闭合裂缝[17-18]。JY×-1井轨迹附近的曲率呈条带状分布在井筒两侧，与现今最小水平主应力方向近似垂直，分析可能为天然闭合裂缝。

对全部微地震事件结合曲率属性（图7）分析表明：JY×-1 井第10 至15 段东侧条带状高曲率区域在压裂过程中成为明显的压裂屏障，限制裂缝向井筒东侧发育。

图7 微地震事件结合曲率属性Fig.7 Microseismic events combined with curvature attribute

JY×-2井井筒两侧无明显压裂屏障，裂缝相对发育，地形相对舒缓。通过施工压力对比可看出JY×-1井第15 段施工压力较大，为92 MPa，从曲线上看出施工压力整体起伏较大，JY×-2井施工压力明显低于JY×-1井，分析认为压裂屏障的存在可能是同一平台单井压裂施工参数明显不同的主要原因（图8）。

图8 JYX-1井与JYX-2井施工压力对比Fig.8 construction pressure comparison of well JYX-1 and well JYX-2

5 结论

1）JY×-1 井微地震监测解释表明：6 段压裂微裂缝以人工裂缝为主，主裂缝方向为北西60°，次生裂缝（第14、15 段产生）发育方向为北东60°，压裂微裂缝有明显的单翼发育趋势，西侧较东侧裂缝延伸更远，储层改造体积为2 187×104m3。

2）井中微地震监测结果结合三维地震曲率属性分析显示：储层内的天然闭合裂缝是压裂微裂缝延伸的屏障，不但会影响压裂微裂缝的延伸方向和长度，也会导致施工压力升高。