刘　博，梁雪莉，容娇君，郭晓中，衡　峰

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司新兴物探开发处，河北涿州 072750)

非常规油气层压裂微地震监测技术及应用

刘博，梁雪莉，容娇君，郭晓中，衡峰

(中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司新兴物探开发处，河北涿州 072750)

摘要：介绍了微地震监测技术的原理和处理流程，分析了微地震监测技术在非常规油气储层压裂改造过程中的具体作用，实例应用表明，微地震监测技术在大型水平井多级压裂过程中发挥了非常重要的指导作用。

关键词：微地震监测；非常规储层改造；压裂评价

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。与国外的海相致密油气勘探开发相似，我国的几个重点陆相致密油勘探开发示范区多采用水平井钻探、多级大容量水力压裂方法改造致密油储层，以求获得较高的商业性致密油产能[1]。目前，一口陆相致密油水平探井或开发井的大规模水力压裂改造，其成本占全井的50%左右，但如此昂贵的储层改造依然存在改造效果不佳乃至无效的经济风险。因此，有效监测和评估非常规储层压裂改造效果非常重要。微地震监测是近几年发展起来的压裂监测的关键技术，它可以实时从井中(或地面)监测非常规储层油气压裂改造过程，评估压裂效果，为优化压裂参数和改善压裂效果提供重要信息。

1非常规油气层压裂微地震监测方法

非常规储层压裂改造过程，既是致密储层(围岩)裂缝和裂缝网络的形成发展过程，也是由于致密储层破裂而产生的一系列人为微地震事件的过程，而且这一系列微地震事件具有能量微小、以体波为主、地震信号主频较高等特点。记录并求解压裂所产生的系列微地震事件，进而依据微地震事件的求解结果来监测和评估压裂对储层的改造效果，这种方法称为压裂微地震监测，它是针对包括致密油和页岩气等在内的非常规油气储层压裂改造而发展起来的一种新的有效监测方法。其具体原理是，实施大规模储层压裂改造时，在邻井中或者压裂井段对应的地面区域，布设专用的仪器装备，实时记录压裂所产生的微地震信号；利用专门的解释软件处理这些微地震信号、求解这些微地震发生的空间位置、分析震源机制和震级规模，反演求解压裂裂缝及缝网的产生发展过程及特征，监测和评估压裂改造效果，结合其它信息和成果，对以后的储层压裂改造方案和相关参数的确定提供参考依据。如果做到了微地震信号的处理求解与压裂时间基本同步，就实现了压裂微地震的实时监测[2-4]。

1.1微地震井中监测技术

微地震井中监测是压裂微地震监测的一种主要方法，其监测精度相对较高，技术已经发展成熟。压裂作业时，在与作业井相隔一定距离的邻井(称为监测井)中下放监测检波器，同步记录压裂时储层(围岩)破裂产生的微地震波信号，通过现场处理求解微地震事件，这种方法称为微地震井中监测。微地震井中监测的最大优点是干扰噪声相对地面要小很多，记录信号的信噪比较高。实例分析表明，检波器监测到微地震事件的最远距离(或称检波器检测半径)与水力压裂规模和储层物性密切相关。因此，在非常规油气水力压裂微地震监测设计时，选择合适距离的邻井(监测井)尤为重要。有很多情况下，因为没有合适的邻井(监测井)，又不可能花费大量的投入去专门钻探一口监测井，因而无法应用微地震井中监测技术。

微地震井中监测可以实施单井或多井同时监测，检波器下放到监测井中可以清晰识别P波和S波的初至。首先，在确定压裂目的层后，选定合适的监测井，根据监测井的固井质量信息，尽量把检波器放置在目的层深度上下，以便有效监测到岩石破裂释放的能量；采集射孔信号，利用射孔信号获得检波器的方位，并优化速度模型；然后进行数据处理，对压裂产生的较大能量的微地震信号，通过滤波处理，精确拾取P波、S波初至，然后利用P波的极化信息，采用Tian'an射线追踪法和Geiger等定位方法联合确定微地震事件位置；最后，进行压裂效果解释，对随着压裂施工过程中不断发生的破裂事件，分析微地震事件出现的空间展布，破裂事件出现的速率与压裂施工曲线的对应关系，计算裂缝网络方位、长度、宽度、高度，解释裂缝的连通性，评估储层改造体积，流程见图1。

图1　微地震井中监测数据处理解释流程

1.2微地震地面监测技术

微地震地面监测技术就是在压裂井(井段)对应的地面区域布设检波器，记录压裂微地震信号，监测和评估压裂改造效果。地面监测对生产条件的适应性更强，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。地面监测由于不受采集平面方位角的限制，与井中监测相比可以更准确地确定裂缝的走向，较多数量的检波器放置可以得到更大的监测范围。同时由于需要地面上千道检波器和采集站等配套采集设备，投入的设备和人员很多，采集成本较高，检波器放置在地面受地表干扰严重，连续记录采集的数据量庞大，实时处理难度较大。按照检波器的埋置方式，微地震地面监测又可以划分为地表监测和浅井监测。

地表监测是按照常规地震的方法将检波器埋置20～30 cm地下进行微地震信号接收的方式。由于压裂微地震能量弱，微地震信号传到地表时基本淹没于地面各种噪音之中，根据实际的地表特征、地下地震条件，结合可能的岩石破碎(微地震)区域，进行布置设计，检波器一般需要远离井口一定距离，以尽量避开井口压裂车组强噪音的影响。检波器接收微地震信号时，其排列应尽量以压裂井为中心多方位、多偏移距的覆盖，以达到更好的能量收敛效果。

微地震地表监测时，由于地面的随机噪音强，纵横波信息大部分淹没在地表随机噪音中，很难“看到”清晰的微地震信号，微地震地面监测事件定位方法主要采用能量扫描定位法。在记录上可以根据旅行时差聚焦微地震事件的绕射能量，理论旅行时差和记录时差一致性最好的空间位置为微地震事件的发生位置，这样就可以对微地震事件进行定位。

微地震地表监测的解释方法和流程(图2)类似于井中监测，主要目标是确定裂缝分布方位、长度、高度及地应力方向等参数，通过微地震事件在时间和空间的三维可视化显示，与压裂施工曲线及压裂层段进行综合解释，计算储层改造体积，评估压裂效果，提供压裂方案的改进意见。

图2　微地震地表监测数据处理解释流程

微地震浅井监测是在地表监测基础上的一种改进，属于地面监测的一种特殊方式，与地表监测的主要区别是将三分量检波器埋置在人工钻探的某一深度的浅井之中，一是避开地面随机噪音的影响，二是降低地表低降速层对微地震信号衰减的影响。这种监测方式除了适用于非常规油气的单井压裂监测项目外，还适合于描述非常规油气区块注采关系和剩余油分布的长期动态监测。微地震浅井监测在地表覆盖的面积相对较大、动用的设备较多、作业周期也较长，针对单井监测的总成本较高。但是在“工厂化”压裂作业模式下，布设一次浅井监测的观测系统，可以同时监测一个丛式井组所有井的压裂施工，平均到单井的监测成本会大幅降低。另外考虑到非常规区块勘探开发的长期效益，长期动态监测技术已是发展的必然趋势，微地震浅井监测将是较为理想的技术手段。微地震浅井监测的处理解释方法与地表监测的处理解释方法相同。

2非常规油气层压裂微地震监测作用

微地震监测在非常规储层储层压裂改造中具有七个方面的主要作用：

(1)裂缝尺度描述。缝网尺度描述是微地震监测最基本的作用，通过微地震事件的定位，确定储层改造所形成缝网的长度、宽度、高度和方向，进而计算储层改造体积(SRV)。但是缝网尺度描述更重要的是分析微地震事件准确的空间位置随时间变化的情况，通过实时监测，观察人工裂缝的延展情况是否符合预期设计，以便在压裂施工时随时调整方案。

(2)了解压裂层破裂响应。不同的致密储层在破裂时的微地震响应和形成的人工裂缝形态是有差异的，将微地震事件和压裂施工曲线匹配显示在三维空间上，可以更加直观、清晰地了解和认识压裂过程中致密储层(或围岩)中裂缝产生与扩展过程，进而研究压裂改造的有效性和压裂参数的针对性。

(3)分析应力场方向。压裂时如果没有断层和天然裂缝的影响，压裂所产生的人工裂缝应该主要沿最大主应力方向延展[6]。通过实际压裂及微地震监测数据的对比分析，可以更好地研究和分析地应力场特征及对压裂效果的影响，为后续的水平井轨迹设计提供重要的参考依据。

(4)识别断层和天然裂缝。微地震事件具有时序性和能量差异的属性，对微地震事件属性的分析可以帮助我们识别在压裂时遇到的断层和天然裂缝，从而根据工作需要，进行压裂方案和参数的调整，使压裂达到更好的效果。

(5)段间距及井间距调整。水平井压裂段间距和井间距的设计，对单井改造以及一个区块的合理布井是非常重要的。根据微地震监测成果，结合压裂施工参数的综合分析，为水平井压裂段间距和井间距的设计提供第一手资料和成果，使其设计和调整更趋合理。

(6)岩性分析。将微地震事件和测井曲线匹配分析，可以发现砂岩、泥岩及碳酸盐岩等不同岩性中微地震事件的响应差异和裂缝扩展的不同规律，进而再参考测井数据对压裂设计做进一步优化。

(7)综合分析。将微地震事件定位结果与三维地震属性、砂体展布、压裂相关数据结合起来，通过综合解释，指导非常规油气的勘探开发生产，为井网部署、井轨迹设计、压裂设计优化及后评估、油藏建模等提供综合成果和技术支撑[7-8]。

3应用实例

实例1为准噶尔盆地的一口大规模水力压裂微地震井中监测。压裂井为水平井，监测井为直井，两井之间的监测距离为199～719 m，采用微地震井中监测方式监测致密油储层压裂效果。压裂井A井构造位置在准噶尔盆地东部隆起,目的层为二叠系芦草沟组致密油层，储层岩性为灰色、深灰色荧光泥岩、粉砂质泥岩、灰质泥岩、白云质泥岩、泥质粉砂岩、灰质粉砂岩、白云质粉砂岩，水平井井轨迹测深(水平段)3 458.2～4 763.0 m。采用裸眼封隔器和投球滑套多级分段压裂技术，水平段长度为1 200 m，分17段进行压裂，总液量为23 580 m3，总砂量为1 288 m3，最大施工排量为11 m3/min。

通过监测结果分析多数压裂段形成的裂缝方向基本沿着最大主应力方向，即垂直于井轨迹均匀扩展，部分压裂段裂缝方向为近南北向，且事件震级较大，判断存在天然裂缝；在A井施工过程中，由于第一段压裂失败，故对第一段进行补射孔，由于射孔枪下入问题，位置在4 602.5～4 605.5 m，与设计第二段第三簇射孔间距较近，经过对第一段补射孔压裂监测，发现大量微地震事件向设计的第二段位置扩展，故根据该段的微地震监测结果，现场实时调整下一段的射孔位置，此后各段均结合微地震监测结果进行了调整。整体分析，有效定位微地震事件13120个，最大微地震事件震级为里氏-0.46级，最小微地震事件震级为里氏-3.42级。根据微震监测成果，对压裂施工提供了有效支撑和指导，减少了不必要的重复压裂，同时优化了压裂方案，提高了压裂改造的针对性和效果。

实例2为四川页岩气两口大规模水力压裂微地震地表和浅井监测。压裂井为水平井，监测井为直井，压裂井B井水平段井轨迹测深为2817.7～4 317.7 m，水平段长度为1 500 m，分18段进行压裂，总液量为28 042 m3，总砂量为1 043 m3，最大施工排量为9.6 m3/min；压裂井C井水平段井轨迹测深为2 990.0～4 490.0 m，水平段长度为1 500 m，分17段进行压裂，总液量为29 315 m3，总砂量为730 m3，最大施工排量为10.9 m3/min。地表监测接收线数3条，道距50 m，总接收道数为240道；浅井监测检波器数量为250个，接收线数为17条，道距350 m，单条接收线为19道。

由于检波器在地表埋置，微地震地表监测资料记录到的有效事件有时不可避免的会受到地表起伏和近地表风化层厚度变化的影响；同时噪声干扰非常复杂，不同于常规地震和井中微地震监测，这些噪声源主要包括地面干扰源和地下干扰源，地面干扰源主要是压裂生产时井场附近压裂设备产生的较大干扰，在记录数据中表现为多条测线近井端排列噪声能量较强、时间与压裂生产相对应；地下干扰源主要是天然地震活动，在记录中表现为能量强、多条测线可同时监测到、时距关系异于微地震事件等特征。地表监测和浅井监测与井中监测微地震信号相比，井中监测信号频率和信噪比较高。地表监测B井有效定位微地震事件977个，C井有效定位微地震事件369个，浅井监测B井有效定位微地震事件1065个，C井有效定位微地震事件372个，对于信噪比较高、能量较强的信号可以进行定位和解释，平面上能够刻画人工缝网形态与特征。

4结论

(1)微地震井中监测技术已经得到了广泛应用与认可，其最大优势是微地震信号的信噪比较高、定位结果受速度横向变化影响较小，垂向定位精度高；其缺点是检波器分布具有明显的局限性，在井中呈线状分布，得到的波场是接近水平方向传播的波场，受各向异性影响较大，监测范围有限。

(2)微地震地面监测受监测距离的限制较小，能够取得广泛的空间覆盖，能较完整地获取较大震级的微地震事件，垂向定位精度需深入研究。

(3)长水平井多段水力压裂技术已成为提高产能的重要手段，对压裂情况进行实时监测是保证压裂成功的重要环节，但目前的微地震监测技术不能完全满足生产需要。

参考文献

[1]杜金虎，刘合.试论中国陆相致密油有效开发技术[J].石油勘探与开发，2014，41(2):85-90.

[2]Warpinski N R. Interpretation of hydraulic fracture mapping experiments[C].SPE 27985，1994.

[3]Arcangelo Sena，Gabino Castillo，Kevin Chesser，et al. Seismic reservoir characterition resource shale play:stress analyisis and sweet discrimination[J].The Leading Edge, 2011, 30(3): 758-764.

[4]梁兵，朱广生.油气田勘探开发中的微震监测方法[M].北京：石油工业出版社，2004：110-120.

编辑：李金华

文章编号：1673-8217(2016)01-0142-04

收稿日期：2015-08-13

作者简介：刘博，工程师，硕士，21981年生，010年毕业于吉林大学地球科学学院矿产普查与勘探专业，现从事非常规油气微地震监测技术方面研究工作。

基金项目：中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司基金项目(12-11-08-2015)。

中图分类号：TE348

文献标识码：A