王 飛 黃振華 郭曉中 王達(dá)遠(yuǎn)

(頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 重慶華地工程勘察設(shè)計(jì)院， 重慶 400042)

微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)是監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層壓裂效果的最有效的技術(shù)之一，近年來在低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。微地震壓裂監(jiān)測(cè)就是通過在鄰井中或地面布置檢波器，監(jiān)測(cè)壓裂井在壓裂過程中誘發(fā)的微地震波，從而描述壓裂過程中裂縫生長的幾何形狀和空間展布。微地震壓裂監(jiān)測(cè)成果對(duì)優(yōu)化壓裂施工、產(chǎn)量預(yù)測(cè)以及新井部署都具有重要參考意義。

1 微地震地面監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展概況

微地震壓裂監(jiān)測(cè)可分為井中監(jiān)測(cè)和地面監(jiān)測(cè)2種。井中監(jiān)測(cè)就是把檢波器布設(shè)在井底進(jìn)行監(jiān)測(cè)，地面監(jiān)測(cè)就是在壓裂井區(qū)地面布設(shè)檢波器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一般而言，井中監(jiān)測(cè)的效果都會(huì)好于地面監(jiān)測(cè)。目前，我國頁巖氣勘查區(qū)的勘探開發(fā)程度較低，通常沒有合適的井作為壓裂井微地震監(jiān)測(cè)的觀測(cè)井，因此需要探索地面監(jiān)測(cè)技術(shù)在頁巖氣儲(chǔ)層壓裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

其實(shí)，在地面布設(shè)檢波器采集微地震信號(hào)是微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)最早采用的方法。20世紀(jì)70年代，阿莫科(Amoco)公司在美國開展了地面微地震監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，地面檢波器成放射狀和直線狀布置，目的層為含氣致密砂巖，深度2 440 m。由于地面噪音太高，誘發(fā)的微地震水平很低，加之那時(shí)記錄儀器及處理技術(shù)水平有限，試驗(yàn)沒有成功[1]。1976年，美國桑地亞國家實(shí)驗(yàn)室在瓦滕伯格(Wattenberg)油田進(jìn)行了地面監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為不能用地面觀測(cè)的方法確定水力裂縫方位和幾何形狀，而應(yīng)該在靠近這種裂縫附近記錄誘發(fā)微震[2]。1991年，Kiselevitch等人提出了一種地面微地震監(jiān)測(cè)方法即發(fā)射層析成像技術(shù)，并應(yīng)用此技術(shù)成功勘探到冰島一處地?zé)崽铩?004年，美國Barnett頁巖氣井增產(chǎn)改造儲(chǔ)層時(shí)，首次用地表檢波器排列發(fā)射層析成像技術(shù)監(jiān)測(cè)水平井水力壓裂并獲得巨大成功[3]。

近年來，地面微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)快速發(fā)展。與井中監(jiān)測(cè)方法相比，地面監(jiān)測(cè)的檢波器布設(shè)靈活，更適合在無合適觀測(cè)井的頁巖氣勘查區(qū)塊運(yùn)用。地面微地震監(jiān)測(cè)，測(cè)線徑向延伸長達(dá)幾千米，不受采集平面方位角的限制，可以更準(zhǔn)確地確定裂縫的走向，同時(shí)因?yàn)榭梢苑胖脭?shù)量較多的檢波器，監(jiān)測(cè)覆蓋的范圍也就更大[4]。地面微地震監(jiān)測(cè)中，檢波器布置主要有星型排列、網(wǎng)格排列和散點(diǎn)排列3種形式。由于要考慮成本和施工效率等因素，國內(nèi)采用的網(wǎng)格排列和散點(diǎn)排列形式接受道數(shù)通常較少，從十幾個(gè)到幾十個(gè)不等；檢波器的埋置方式也存在差異。目前，國際上比較常見的地面微地震采集方式主要采用星型排列，接受道數(shù)在1 000個(gè)以上。星型排列形式的優(yōu)點(diǎn)是在處理過程中可通過疊加和去噪的方法提高數(shù)據(jù)信噪比，可以識(shí)別到較弱的微地震信號(hào)；其缺點(diǎn)是檢波器通常直接插入地面，耦合性較差，受地表噪聲干擾嚴(yán)重，同時(shí)采集成本高，采集的數(shù)據(jù)量龐大，實(shí)時(shí)處理難度大。此外，稀疏臺(tái)陣地面微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國內(nèi)也有廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、施工方便，數(shù)據(jù)反演定位能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果[3]。

2 研究區(qū)的地震地質(zhì)特征

渝東北地區(qū)處于大巴山逆沖推覆帶前緣，橫跨秦嶺地層區(qū)與揚(yáng)子地層區(qū)。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，構(gòu)造由一系列北西向緊密線形復(fù)式褶皺及斜沖斷層組成，為疊瓦狀逆掩推覆構(gòu)造。褶皺越近地表強(qiáng)度越大，野外常見60°～70°的大傾角地層。

城口頁巖氣勘查區(qū)的城頁1井區(qū)，在構(gòu)造上處于嵐溪-東安復(fù)式向斜，區(qū)內(nèi)次級(jí)褶皺發(fā)育，背斜和向斜相間分布。在其南西和北東向，分別發(fā)育城巴斷裂帶和大店子-油房斷層。斷裂帶附近發(fā)育一系列派生逆斷層，但離城頁1井較遠(yuǎn)，對(duì)井區(qū)頁巖氣的保存及壓裂影響較小。

城頁1井井深約1 500 m，壓裂目的層為下寒武統(tǒng)魯家坪組，開孔層位即魯家坪組。區(qū)域地表低速帶較薄，微震信號(hào)傳播路徑相對(duì)簡(jiǎn)單，信號(hào)吸收衰減少，易于地面微地震檢波器的接收。壓裂段上部沉積厚層狀為灰黑色碳質(zhì)頁巖，下部為灰黑色碳質(zhì)頁巖與碳硅質(zhì)頁巖不等厚互層。巖心呈灰黑色，性硬，較致密，脆；其破裂信號(hào)縱橫波能量較強(qiáng)，起跳干脆。巖心整體破碎嚴(yán)重，局部可見頁巖斜層理。巖心裂隙、裂縫發(fā)育，常被亮晶方解石及碳泥質(zhì)充填，呈不規(guī)則脈狀、薄層狀。

地層微電阻率掃描成像(FMI)雙井徑分析表明，橢圓井眼長軸方向?yàn)楸睎|-南西向；井壁崩落分析表明，井壁崩落走向?yàn)楸睎|-南西向，說明其最小水平地應(yīng)力方向?yàn)楸睎|-南西向。此井的三軸應(yīng)力呈逆斷層特征，儲(chǔ)層段最大和最小水平主應(yīng)力差 18～22 MPa，說明區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)，水平向上不利于復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成，而將導(dǎo)致裂縫形態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單的兩翼縫。

3 地面微地震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集

渝東北城口頁巖氣勘查區(qū)塊的勘探開發(fā)程度較低，城頁1井周邊無合適的井可作為觀測(cè)井，不能進(jìn)行井中監(jiān)測(cè)。因此，對(duì)此井的壓裂微地震監(jiān)測(cè)采用地面監(jiān)測(cè)方式，通過部署在地表的檢波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。檢波器接收微地震信號(hào)過程中受到的影響主要是地面噪聲的干擾，同時(shí)由于地面檢波器與壓裂目的層的距離較遠(yuǎn)，高頻信號(hào)容易被地層吸收。常規(guī)的地面微地震數(shù)據(jù)采集，通常是將檢波器直接插入地表，因而受地面噪聲干擾嚴(yán)重，同時(shí)地震波由于地表低速帶的吸收而衰減嚴(yán)重，數(shù)據(jù)信噪比一般較低。本次監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，為了降低地面噪聲干擾，在地面稀疏臺(tái)站微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，應(yīng)用近地表淺孔微地震監(jiān)測(cè)方法，鉆淺孔埋置檢波器，孔深1 m以上。

共布設(shè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站32個(gè)，整體呈環(huán)形分布。臺(tái)站排列直徑長約1 500 m，與頁巖氣壓裂目的層深度相當(dāng)。采用三分量速度檢波器，其靈敏度為200 V/(m·s-1)，頻率范圍4.5～1 000 Hz。將檢波器下放至淺孔底部后(其中有6個(gè)孔的深度為 30 m，鉆至基巖以下)，用水泥灌孔至地面，使檢波器與基巖耦合。

3.2 信號(hào)分析

采用上述方法布設(shè)的檢波器，接收到了較明顯的壓裂微地震信號(hào)。圖1所示，為30 m淺孔檢波器接收到的微地震事件。從圖中可以看到，微震事件初至清晰，縱橫波成對(duì)出現(xiàn)，符合壓裂微震事件典型特征。其中，縱波能量弱，橫波能量相對(duì)較強(qiáng)，縱橫波時(shí)差約200 ms。從城頁1井縱橫波測(cè)井資料得知，區(qū)域縱波速度約5 000 m/s，橫波速度約3 000 m/s。地震波傳播距離以井深1 500 m計(jì)，得縱橫波時(shí)差為200 ms，驗(yàn)證了此地震波為壓裂微地震事件。

裂縫發(fā)射的微震頻率很高，根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室做的不連續(xù)的裂縫擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，其高頻成分在30～300 kHz。如此高的頻率成分是目前的檢波器不可能接收到的，且高頻成分在地層中衰減很快，可探測(cè)距離很短[5]。井中監(jiān)測(cè)一般要求觀測(cè)井與壓裂井的距離不超過800 m，檢波器與壓裂目的層要處于同一套地層，其接收到的信號(hào)主頻在150～400 Hz。此次監(jiān)測(cè)到的微震信號(hào)頻帶范圍在50～60 Hz，壓裂產(chǎn)生的高頻信號(hào)在地層傳播過程中基本上被完全吸收。

3.3 數(shù)據(jù)處理及壓裂效果評(píng)價(jià)

微地震數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)加載、波形降噪、初至拾取、速度校正、事件定位及儲(chǔ)層改造體積計(jì)算等環(huán)節(jié)。波形降噪，采用帶通濾波方法。城頁1井微地震監(jiān)測(cè)事件主頻約50 Hz，濾波器通帶頻率設(shè)置為 10～100 Hz，去掉10 Hz以下、100 Hz以上噪聲干擾。波形初至拾取，采用長短時(shí)窗能量比法。數(shù)據(jù)信噪比較低的情況下，可能有漏拾、錯(cuò)拾現(xiàn)象。因此，數(shù)據(jù)自動(dòng)拾取后進(jìn)行了人工校正，確保事件拾取的準(zhǔn)確性。初始速度模型，根據(jù)此井的縱橫波測(cè)井資料建立，并利用已知射孔坐標(biāo)和接收到的射孔信號(hào)進(jìn)行了校正。微地震事件定位，采用經(jīng)典絕對(duì)定位算法。儲(chǔ)層改造體積計(jì)算，針對(duì)微地震事件點(diǎn)的位置及其密集程度、微地震屬性(震級(jí)、能量、方位角度、可信度、距離)等建立不同網(wǎng)格尺寸的模型，建立并計(jì)算壓裂改造地質(zhì)體的厚度、面積、體積(SRV)等參數(shù)。

圖1 壓裂微地震波形及頻譜圖

對(duì)城頁1井進(jìn)行了兩級(jí)壓裂施工改造。正式壓裂前進(jìn)行了小型壓裂測(cè)試，共接收到10個(gè)微地震事件，主要集中在小型壓裂測(cè)試期間20 h至 20 h 10 min之間，分布在井筒20 m范圍內(nèi)，深度 1 430～1 450 m，裂縫延伸方向?yàn)楸北蔽?南南東向，基本垂直于最小水平主應(yīng)力方向。微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，小型壓裂測(cè)試已經(jīng)初步壓開地層。

第一段壓裂，采用可鉆橋塞分段壓裂改造技術(shù)，電纜射孔和座封橋塞聯(lián)作。壓裂過程中，由于井口壓力超限，難于建立排量，施工難度極高，微地震監(jiān)測(cè)也僅接收到1個(gè)有效信號(hào)，顯示儲(chǔ)層未能壓開。壓裂方案調(diào)整后，選用水力噴砂射孔交聯(lián)膠體系。施工總液量1 530 m3，總砂量93.41 t。地面微地震監(jiān)測(cè)對(duì)整個(gè)壓裂施工過程進(jìn)行了記錄。數(shù)據(jù)處理結(jié)果：第一段壓裂共拾取有效微地震事件35個(gè)，壓裂裂縫延伸方向?yàn)楸蔽?南東向，半縫長約160 m；第二段壓裂共拾取有效微地震事件39個(gè)，壓裂裂縫延伸方向同樣為北西-南東向，大部分事件集中在井筒南翼，南側(cè)半縫長約130 m。微地震監(jiān)測(cè)裂縫統(tǒng)計(jì)信息見表1。從微地震監(jiān)測(cè)總體效果看，微地震信號(hào)共74個(gè)，主要集中于井筒南側(cè)，壓裂裂縫延伸方向?yàn)楸蔽?南東向，垂直于最小水平主應(yīng)力方向，有效裂縫半縫長約160 m，總體改造效果較好。

表1 微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)微地震事件發(fā)生的位置和分布密度(去除個(gè)別孤立事件點(diǎn))，建立了城頁1井儲(chǔ)層改造密度體(見圖2)。圖中，顏色越深，表示微震事件密度越大。其中，紅色表示密度最大，裂縫的連通性最好。通過計(jì)算，兩級(jí)壓裂儲(chǔ)層改造體積共1.93×107m3。

4 結(jié) 語

渝東北城口頁巖氣勘查區(qū)塊基巖出露，地表低速帶較薄。在城頁1井區(qū)，采用鉆孔埋置檢波器的方法開展微地震監(jiān)測(cè)，降低地面環(huán)境噪聲，增加檢波器與地層的耦合性，可以識(shí)別到大量有效壓裂微震信號(hào)，且信號(hào)信噪比較高，縱橫波初至明顯。這說明，在該地區(qū)運(yùn)用地面微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是可行的。

在城頁1井的壓裂微地震監(jiān)測(cè)作業(yè)中，采用地面監(jiān)測(cè)方式，環(huán)形布設(shè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，鉆淺孔埋置檢波器，結(jié)果共拾取到有效信號(hào)74個(gè)，壓裂裂縫延伸方向垂直于最小水平主應(yīng)力方向，有效裂縫半縫長約160 m，儲(chǔ)層改造體積1.93×107m3，總體改造效果較好。

圖2 儲(chǔ)層改造體積圖

在城頁1井的壓裂過程中，井口超限壓導(dǎo)致排量較低，微地震事件數(shù)量較少。以后在該區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層實(shí)施壓裂監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)考慮提高套管和井口設(shè)備的承壓能力。