渝東北地區(qū)頁巖氣壓裂近地表淺孔微地震監(jiān)測技術

重慶華地資環(huán)科技有限公司頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 401120 (重慶頁巖氣勘探開發(fā)有限責任公司，重慶 401120) 重慶華地資環(huán)科技有限公司頁巖氣勘探開發(fā)國家地方聯(lián)合工程研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 401120 (中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島 266580)

微地震監(jiān)測技術近年來在低滲透油氣藏壓裂改造領域得到了快速發(fā)展，尤其是在頁巖氣開發(fā)熱潮中得到了廣泛應用，是監(jiān)測評價儲層壓裂效果的最有效技術之一[1]。微地震監(jiān)測技術通過在鄰井中或地面布置的檢波器來監(jiān)測A井在壓裂過程中誘發(fā)的微地震波，描述壓裂過程中裂縫生長的幾何形狀和空間展布[2]，實時提供壓裂施工產生裂隙的高度、長度和方位角。利用上述信息可以優(yōu)化壓裂設計、井網及其他油田開發(fā)措施，從而提高采收率[3,4]。微地震監(jiān)測成果對壓裂施工、產量預測以及新井部署都具有重要的參考意義。尤其是開發(fā)早期，對于準確評價儲層壓裂效果，獲得儲層改造參數(shù)十分重要。

根據(jù)檢波器布設方式的不同，微地震監(jiān)測技術可分為井中監(jiān)測和地面監(jiān)測2種。井中監(jiān)測技術依靠其傳輸速率高，過濾低頻噪聲，接收頻率響應高，處于井底位置全方位感應縱、橫波信號精確度高的特點，成為國際上公認的最先進的裂縫監(jiān)測技術[5]，得到了一定的應用[6～8]。但是，目前國內頁巖氣勘查區(qū)勘探開發(fā)程度一般較低，通常沒有合適的井作為微地震監(jiān)測的觀測井。與井中監(jiān)測相比，地面監(jiān)測的檢波器布設靈活，對于無合適觀測井的頁巖氣勘查區(qū)塊更為合適。地面微地震監(jiān)測測線徑向延伸長達幾千米，能夠取得廣泛的接收孔徑與空間覆蓋，不受采集平面方位角的限制[9]，其優(yōu)點是處理過程中可通過疊加和去噪方法提高數(shù)據(jù)信噪比，能夠識別較弱的微地震信號；缺點是檢波器通常直接插至地面，耦合性較差，受地表噪聲干擾嚴重。為此，筆者提出了近地表淺孔微地震數(shù)據(jù)采集方法，通過增加檢波器與地層的耦合性來提高微地震數(shù)據(jù)的信噪比。

1 渝東北地區(qū)地質特征

渝東北地區(qū)位于大巴山逆沖推覆帶前緣，橫跨秦嶺地層區(qū)與揚子地層區(qū)。區(qū)域斷裂發(fā)育，構造由一系列北東向緊密線形復式褶皺及斜沖斷層組成，構成疊瓦狀逆掩推覆構造。褶皺越靠近地表，強度越大，野外常見60～70°的大傾角地層。

研究區(qū)的頁巖氣壓裂井(A井)位于城巴斷裂與烏坪斷裂之間，目的層平均傾角大約在60°左右，傾向為北東方向，局部有小型褶皺。巖心資料顯示，硅質巖段發(fā)育半充填網狀裂縫，呈半開啟狀態(tài)，傾角50～70°，縫寬大于1～3mm，縫密度高達60條/m。利用成像測井資料，在目的層段共識別統(tǒng)計出天然裂縫721條，其中高導裂縫597條，高阻裂縫124條。裂縫主要發(fā)育在1540～1615、1640～1740、1820～1920、1960～2040、2100～2200、2260～2290、2685～2705m等井段。該井自上而下鉆遇地層為第四系、下寒武統(tǒng)水井沱組、震旦系燈影組。由于區(qū)域地層傾角較大，目的層水井沱組常出露地表，巖性以黑色碳質頁巖、灰質頁巖為主，底部為一套硅質巖沉積，夾少量薄層粉砂巖和粉砂質泥巖。儲層巖石的主要礦物組成為石英(平均體積分數(shù)40.2%)、碳酸鹽礦物(平均體積分數(shù)27.0%)、長石(平均體積分數(shù)14.5%)、黃鐵礦(平均體積分數(shù)7.6%)、黏土礦物(平均體積分數(shù)4.0%)等。根據(jù)研究區(qū)頁巖儲層地質特征分析結果認為，目的層脆性好，頁巖破裂信號(縱橫波能量)較強，起跳干脆；目的層傾角大，且直接出露于地表，微地震信號傳播路徑相對簡單，信號吸收衰減少，易于地面微地震檢波器的接收。

2 壓裂微地震波特征

頁巖氣等非常規(guī)油氣由于其儲層具有低孔隙度、超低滲透率等特點，需要進行水力壓裂才能獲得工業(yè)氣流。微地震監(jiān)測是以聲發(fā)射學和地震學為基礎[10]。水力壓裂時，大量高黏度、高壓流體被注入地層，使地層孔隙流體壓力迅速上升，導致巖石產生張性裂縫和剪切裂縫[1]。巖石破裂時，巖石中的能量一部分以彈性波的形式釋放出來產生微小地震(即微地震)[11,12]。由于巖石破裂規(guī)模有限，釋放的能量較小，誘發(fā)的地震波是較微弱的，震級通常在0級以下，一般為-4～0級，地面微地震監(jiān)測到的事件震級一般在-2級以上，只有震級較大的微地震信號才能通過幾千米的地層傳到地表被監(jiān)測設備接收。因此，地面微地震監(jiān)測接收到的壓裂事件信號一般是井中監(jiān)測的10%～20%。壓裂誘發(fā)微地震的頻帶范圍能達到3000Hz，但當頻率高于1500Hz時，加速度檢波器的推靠臂和加速度檢波器自身的諧振開始影響微地震三分量信號的相關性，因此1500Hz以上高頻成分在井中檢波器中接收不到，而且高頻成分在地層中衰減很快，可探測距離很短。地面微地震監(jiān)測受較厚地層的吸收衰減作用，壓裂事件主頻一般僅有幾十Hz。水力壓裂產生的裂縫以剪切破裂為主，因此微地震波形一般表現(xiàn)為同時具有縱波和橫波，且橫波振幅比縱波強，這是頁巖氣儲層壓裂微地震信號的典型特征。

3 渝東北地區(qū)微地震監(jiān)測

3.1 數(shù)據(jù)采集

渝東北地區(qū)頁巖氣勘查區(qū)鉆井數(shù)量較少，無法開展井中監(jiān)測。筆者在地面稀疏臺站微地震監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上提出近地表淺孔微地震監(jiān)測技術，根據(jù)井型、壓裂深度等參數(shù)，呈網狀或環(huán)形布設30～50個監(jiān)測臺站，鉆淺孔埋置檢波器，孔深1m以上，降低地面聲波、多次波、風吹草動、動物走動等造成的微地震干擾；少量鉆孔深度約20～30m，鉆至基巖以下，將檢波器下放至孔底后使用水泥灌孔至地面，使檢波器與基巖耦合，可有效降低地面噪聲。另外，檢波器布設時應避開地下斷層與溶洞，分布排列盡量均勻。

圖1 A井微地震監(jiān)測系統(tǒng)

A井為一口直井，井深約2700m，試氣井段為1600～2650m，采用近地表淺孔微地震監(jiān)測系統(tǒng)，共布設監(jiān)測臺站30個，整體呈環(huán)形分布，監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示，其中6孔深度30m。監(jiān)測臺站排列直徑長約1800m，與頁巖氣壓裂目的層深度相當。由于重慶渝東北地區(qū)地表條件復雜，山高林茂、交通不便，井口北側和南側部分區(qū)域監(jiān)測臺站較少。

3.2 信號分析

通過采用淺孔方法布設檢波器采集微地震數(shù)據(jù)，微地震信號明顯。圖2為A井1min的微地震原始數(shù)據(jù)，可識別有效事件10余個。總體來看，能量較大的微地震事件基本能被全部檢波器接收到，能量較弱的信號僅30m深孔中的檢波器能接收到，說明增加孔深能降低地面噪聲干擾，提高信號識別能力。然而，在被全部檢波器接收到的較強信號中，30m深孔中檢波器接收的信號能量并不一定是最強的，這是因為復雜的地下構造、裂縫及溶洞、儲層非均質性和信號接收角度等都可能造成該現(xiàn)象。

圖2 A井1min微地震原始數(shù)據(jù)圖

圖3為微地震信號局部放大圖及其頻譜分布圖，可以看出，微地震事件波形特征明顯，縱、橫波成對出現(xiàn)，縱波能量弱，橫波能量相對較強，縱、橫波時差約400ms，頻帶范圍20～40Hz。

3.3 事件定位

3.3.1 雙差定位算法

目前，常用的地震事件定位算法包括絕對定位法、相對定位法、震源空間掃描法和逆時偏移成像法等[13]。相對定位法是一種能有效減少因對地殼結構了解不夠精細而引起誤差的定位方法[14]，其中雙差定位算法具有較強的事件叢集性特點，適合于微地震監(jiān)測。

圖3 微地震信號波形局部放大圖及其頻譜分布圖

地震事件i到地震臺站k的體波到時可以利用射線理論對路徑積分：

(1)

(2)

由式(2)有：

(3)

假設2事件空間距離很近，它們到同一臺站的路徑幾乎一致，并且速度結構已知，則式(3)可簡化為：

(4)

當擾動距離超過速度變化范圍長度時，利用上述方法定位會產生誤差，筆者直接利用式(3)和到時差數(shù)據(jù)，在反演過程中加入絕對到時計算震源區(qū)外的速度結構，這樣既可以確定速度模型又可以進行相對定位和絕對定位。

3.3.2 定位結果與分析

A井共進行了五級壓裂施工改造，通過長短時窗法自動識別和人工修正，拾取有效微地震信號1450個，并應用雙差定位算法對全部微地震事件進行定位。圖4為事件定位結果在各深度上的成像切片，黑點為微地震事件點，圖像背景為速度結構。

注：Z為該事件定位切片水平面以下的真實垂直深度；vp為縱波速度；1630、1720、1820、1870、2020、2070、2170、2270、2370、2470、2570、2670m為從地面計算的垂直深度(增加了鉆井平臺所在位置海拔深度)。圖4 微地震事件雙差定位在不同深度的成像切片

從圖4可以看出，儲層壓裂效果整體較好，去除分散事件點及天然斷裂的影響，壓裂裂縫半縫長約300m。由于地層傾角較大，微地震事件垂向延伸較廣：第1壓裂段處于2600m左右，從事件定位深度切片上可以看到微地震信號較少，壓裂效果相對較差，主要原因是該壓裂段巖性以黑色硅質巖、含泥硅質巖夾黑色泥質為主，儲層脆性略差，且天然裂縫不發(fā)育；第2壓裂段為2300m左右，該壓裂段微地震信號明顯增多，從2570m到2270m再到2070m，微地震信號表現(xiàn)出逐漸增多再減少的趨勢，而射孔段附近微地震信號最多，反映了水力壓裂儲層影響范圍的變化；第3壓裂段為1900m左右，微地震信號相對較多且較集中，究其原因該井段為天然裂縫較為發(fā)育的層段，井旁半開啟及閉合狀態(tài)的裂縫在壓裂過程中被重新開啟，并沒有向遠端延伸；第4壓裂段為1750m左右，天然裂縫不發(fā)育，由于該壓裂段層厚相對較大，壓裂中采用了化學暫堵轉向工藝，以便充分改造整個儲層，該壓裂段液量最高，壓裂微地震信號最多，影響范圍大于第3壓裂段，整體壓裂效果較好；第5壓裂段為1650m左右，天然裂縫發(fā)育，壓裂裂縫呈條帶狀分布，推測該段壓裂過程中可能溝通了小型斷裂，壓裂裂縫南北向延伸。

4 結論

1)渝東北地區(qū)地表低速帶較薄地區(qū)，采用鉆孔埋置檢波器的方法開展微地震監(jiān)測，有效降低了地面環(huán)境噪聲，可以識別到大量有效壓裂微地震信號，且信號信噪比較高，縱、橫波明顯，證實了近地表淺孔微地震監(jiān)測技術在重慶渝東北地區(qū)的可行性。

2)淺孔鉆至基巖，檢波器與基巖耦合，其采集的微地震數(shù)據(jù)信噪比明顯高于1m鉆孔采集到的數(shù)據(jù)。檢波器布設時應盡量避開斷層和溶洞，以得到品質較好的數(shù)據(jù)，事件定位更準確。

3)雙差定位算法利用相對到時減少系統(tǒng)誤差，產生較為精確的速度模型，對地震叢集性較強的頁巖氣壓裂微地震監(jiān)測較為適用，定位誤差較小。通過數(shù)據(jù)處理，研究區(qū)頁巖氣壓裂井的微地震監(jiān)測事件定位結果客觀反映了儲層分布特征和壓裂施工參數(shù)，能有效評價儲層壓裂效果，對壓裂施工具有一定指導作用。