地面微地震壓裂監測技術在煤層氣開發中的應用

梁胡其圖

摘要：微地震監測技術是一種通過觀測微地震事件來監測生產活動的地球物理技術。該技術分析計算裂縫網絡的幾何特征，即方位、長度、高度等信息，實時評判壓裂效果，了解壓裂增產過程中人工造縫情況，以指導優化下一步壓裂方案，達到提高采收率的目的。

關鍵詞：地面微地震;壓裂監測技術;應用

前言

微地震壓裂監測技術是監測評價儲層壓裂效果的最有效的技術之一，近年來在低滲透油氣藏壓裂改造領域得到了廣泛應用。微地震壓裂監測就是通過在鄰井中或地面布置檢波器，監測壓裂井在壓裂過程中誘發的微地震波，從而描述壓裂過程中裂縫生長的幾何形狀和空間展布。微地震壓裂監測成果對優化壓裂施工、產量預測以及新井部署都具有重要參考意義。

1微地震地面監測技術發展概況

微地震壓裂監測可分為井中監測和地面監測2種。井中監測就是把檢波器布設在井底進行監測，地面監測就是在壓裂井區地面布設檢波器進行監測。一般而言，井中監測的效果都會好于地面監測。20世紀70年代，阿莫科（Amoco）公司在美國開展了地面微地震監測現場試驗，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2440m。由于地面噪音太高，誘發的微地震水平很低，加之那時記錄儀器及處理技術水平有限，試驗沒有成功。1976年，美國桑地亞國家實驗室在瓦滕伯格（Wattenberg）油田進行了地面監測試驗，結果認為不能用地面觀測的方法確定水力裂縫方位和幾何形狀，而應該在靠近這種裂縫附近記錄誘發微震。1991年，Kiselevitch等人提出了一種地面微地震監測方法即發射層析成像技術，并應用此技術成功勘探到冰島一處地熱田。2004年，美國Barnett頁巖氣井增產改造儲層時，首次用地表檢波器排列發射層析成像技術監測水平井水力壓裂并獲得巨大成功。

2區域地質特征

某地區地層厚66.23～80.78m，平均厚74.4m，為深灰、黑灰色泥巖、砂質泥巖夾薄層石灰巖及煤層組成，該組底部有厚3m左右的鋁土質泥巖，頂部為厚10m的石灰巖夾粉砂巖和泥巖。區內巖性由深灰色泥巖、砂質泥巖、粉砂巖及少量細砂巖、泥灰巖、石灰巖和鋁質泥巖組成，含煤10～12層，但煤層相對較薄，天然裂縫較為發育。區內煤層氣儲層測井曲線響應特征主要表現為“三高二低”特征（高電阻率、高補償中子、高聲波時差、低自然伽馬、低密度），現今最大主應力方向為北東東-南西西向，煤層含氣量在9.4～19.7m3/t之間，氣體成分中甲烷含量較高（82.41%～99.21%），煤層氣質量較好。

3觀測系統設計

常用于煤層氣壓裂的微地震地面觀測系統以環形、網格狀、星形、十字形等多種方式布設。根據井區的地質和地表條件，采用滿足方位角覆蓋以及信號傳播衰減規律條件的環形布設方式，以井口為中心，共安裝40臺微地震監測檢波器，其中深孔（地表深度20m～50m）安裝檢波器10臺，淺孔（地表深度5m～20m）安裝檢波器10臺，近地表安裝檢波器20臺。

本次監測采用深孔、淺孔和近地表的組合式觀測方法，首先有利于減少鉆孔數量，從而降低監測成本;其次，由于埋置在深孔中的檢波器受到環境噪聲的影響較少，采集的微地震監測數據信噪比更高，可以通過深孔檢波器的有效信號標定近地表檢波器的微弱信號，提高微地震事件的正確識別率。

4分析與處理

4.1壓裂工藝

采用投球分層壓裂工藝技術對該井M6-1、M6-2、M7、M8、M12煤層分三段進行壓裂改造。通過壓裂施工，改造煤層氣儲層的滲流條件和泄氣體積，增大煤層的解吸速率，解除儲層近井區域的污染堵塞。三段壓裂共使用壓裂液方，壓裂施工壓力在20～40MPa之間，施工排量約為10m3/min，共使用壓裂液2800m3。其中，前置液采用70-100目的石英粉砂段塞降低濾失、孔眼摩阻及支撐微裂縫。攜砂液前期采用40-70目石英細砂，主要用于支撐次裂縫;后期采用20-40目的石英中砂，主要用于支撐水力主裂縫和提高近井裂縫的導流能力。

4.2速度模型建立

利用QM1井的多極子陣列聲波測井曲線建立初始速度模型，利用監測到的射孔事件對速度模型進行了校正。利用校正后的速度模型對射孔位置進行了重定位處理，可以看出反演射孔位置與真實射孔位置能過較好對應，二者之間的誤差是由于拾取的初至到時中存在拾取誤差以及反演并未完全搜索到全局極小點造成的。

4.3微地震事件識別

針對煤層氣儲層壓裂微地震事件信號能量弱、數據信噪比低，采用基于MatchandLocate的定位方法（簡稱M&L）對微震信號做互相關疊加來探測微震事件（ZhangMandWenLX，2015）。與傳統的微震監測方法相比，M&L方法可以檢測到更小震級的地震事件。分析檢測的有效信號，微地震信號頻帶主要分布在40-100Hz。

5結論

（1）通過對QM1井的水力壓裂監測，裂縫長約160m，縫寬約為80m，方向北東東-南西西，與該區域現今最大主應力方向相一致。

（2）相對于砂巖和頁巖，煤巖剛度小、強度低、脆性較好，在壓裂規模較小的情況下，微地震信號能量較弱。采用深孔、淺孔和近地表的組合式觀測方法，有利于降低監測成本，可以通過深孔檢波器的有效信號標定近地表檢波器的微弱信號，提高微地震事件的識別率。

（3）由于煤巖的巖石力學性質，微地震信號能量微弱，采用改進的MatchandLocate的可以檢測到更小震級的地震事件。

（4）煤層氣儲層在壓裂過程中，多以應力傳遞的方式發生破裂，微地震信號分布范圍較廣、且事件較為分散。

（5）由于渝南地區煤層厚度較薄，煤層頂底板以泥巖、灰巖為主，建議壓裂設計時應充分考慮煤層頂底板的巖石力學性質，合理設計壓裂規模，優選支撐劑及相關入井材料，避免壓裂時對煤層頂底板的破壞。

參考文獻：

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