松遼盆地北部頁巖油水力壓裂微地震監測技術及應用

王維紅，時 偉，柯 璇，韓 剛

東北石油大學，黑龍江大慶163318

0 引言

松遼盆地大慶探區非常規油氣資源具有類型多、分布廣、潛力大等特點［1］，近幾年松遼盆地北部陸相頁巖油調查取得重大突破，極大地推動了頁巖油工業化開采進程［2］.對于非常規油氣資源的勘探開發，水力壓裂儲層改造技術是國內外應用較為廣泛的一種增產手段，而微地震監測技術則是定量分析、評價水力壓裂后儲層改造情況的一種技術方法［3］.常用的微地震監測主要有井中監測和地面監測兩種方式［4］.微地震監測技術從20世紀70年代開始井中監測，逐步走向成熟.2000年以后隨著儀器精度及數據處理手段的提高，地面微地震監測逐步取代井中監測，成為目前應用最為廣泛的水力壓裂監測方式［5］.一般情況下，微地震監測分為實時監測處理和后期高精度處理兩部分［6-7］，通過對微地震數據的高精度處理可以反演水力壓裂后地下裂縫的傾角、走向、震源位置及發震時刻、震源震級、壓裂面積及SRV體積等參數［8-11］.通過對監測數據的實時處理還可以監測水力壓裂施工中裂縫發育的實時情況，進而適時調整壓裂方案，降低油氣開發成本，為進一步儲層改造及開發井位部署提供技術支撐［12］.目前，微地震監測技術在煤層氣開發、礦山安全監測等方面也發揮著重要作用，體現出巨大的商業價值［13］.

1 地面微地震監測原理

水力壓裂施工中利用地面高壓泵組將高黏液體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，進而在壓裂井射孔部位產生高壓，當井壁附近的地應力和地層巖石抗張強度不能抵抗注入的高壓時，地層產生裂縫，繼續注入帶有支撐劑的攜沙液，裂縫向四周延展并形成復雜的裂縫網［14］.地面微地震監測技術是指將檢波器陣列部署在地表，采集壓裂、注水等工程作業誘發巖石破裂時產生的微地震信號，通過分析和處理微地震信號，求解巖水力壓裂過程中的各種裂縫參數，進而對水力壓裂效果做出一系列定性、定量分析［15］.

在水力壓裂儲層改造工程施工中，微地震監測技術的應用主要包含4個方面［16］：1）儲層壓裂監測——微地震監測與壓裂施工同步進行，可以實現監測水力壓裂裂縫的產生，實時或精細確定裂縫的高度、長度、傾角及方位，進而刻畫裂縫網絡，評價壓裂作業效果，優化壓裂方案；2）油藏動態監測——針對油田流體驅動中追蹤流體前緣，對于動態掌握地層裂隙狀態、提高產能有一定的幫助；3）震源機制研究——可提供有關油藏內部變形機制、震源震級大小、傳導性裂縫和活動斷裂構造形態的信息；4）多信息綜合研究——將微地震監測與其他井中地震技術及反射地震技術綜合分析，能夠形成地震－地質－工程一體化工作模式，進一步認識儲層壓裂效果，為下一步井位部署及壓裂施工提供技術支撐.降低儲層監測的周期和費用.

2 研究區概況

松頁油1HF井位于黑龍江省大慶市大同區大榆山村西1.9 km處，構造上位于松遼盆地中央拗陷區齊家凹陷南部，目的層為上白堊統青山口組一段（青一段），井別為參數井，井型為開窗側鉆水平井.此次壓裂施工設計為10段，鉆探目的為了評價青一段頁巖油含油氣性和產能（表1）.

表1 松頁油1HF井簡況Table 1 Profile of SYY-1HF well

區內植被覆蓋嚴重，交通不便.地質結構復雜，標志層不明顯，褶皺、斷層、巖性變化不穩定，露頭出露較差，故地質復雜程度為Ⅲ級.

物探工作區以第四系覆蓋為主，發育沖溝，平均坡度5～10°，高差50～200 m.綜合地形等級為2.0級.

3 微地震監測技術應用

3.1 觀測系統布設

根據觀測系統的調研和論證結果，此次松頁油1HF井微地震監測設計采用矩形網格觀測系統.部署觀測系統基礎原則是［17］：1）圍繞壓裂段地表投影點，全方位均勻地覆蓋目標區；2）檢波器距井場300 m以上且需埋深2 m，在保證檢波器良好耦合的前提下，盡量降低各種背景噪聲干擾，避開壓裂車群、人員車輛、生產和施工井等；3）保證儀器在允許的環境條件下可靠地連續工作.

此次布設檢波器為三分量、寬頻專用微地震臺站，共部署6條測線，均為近南北向的長測線，平行于井軌跡部署.圖1表示本次微地震監測檢波器部署情況，紅色及黃色標記處布設52臺三分量檢波器，黃色標記位置處增設12臺低頻檢波器.布設檢波器過程中，檢波器埋置地表打孔采用拖拉機鉆機與洛陽鏟結合的方式，三分量設備埋深均在2 m左右，低頻設備采用淺地表埋置的方式.

采集過程中連續記錄地震信號，檢波器時間采樣間隔為2 ms.監測時除整個壓裂段的壓裂過程外，常在壓裂前后的一段時間同樣進行監測，這樣可有效記錄背景噪聲和射孔信號，在了解噪音情況的同時進一步矯正儲層速度模型，為微地震成像提供基礎資料.

圖1 松頁油1HF井和微地震信號采集器布設衛片圖Fig.1 Satellite image of SYY－1HF well and layout of microseismic signal collectors

圖2 某時刻采集到的不同分量微地震原始數據Fig.2 Original microseismic data collected at a certain moment by components

3.2 微地震數據采集

為滿足本次地面微地震監測采集需要，確定采樣間隔為2 ms.共采用63套專業采集設備以SEGY格式記錄存儲原始數據，其中51套檢波器為三分量設備，12套檢波器為低頻設備，包括Sigma采集臺站、三分量檢波器VM－S112、無線傳輸天線和供電電源.采集到的原始微地震信號數據如圖2所示.

3.3 微地震數據處理及解釋

油氣井壓裂微地震監測數據處理的主要目的是確定壓裂誘發裂縫的形態，對壓裂過程中釋放的一系列微地震信號進行震源定位［18］，通過刻畫一系列事件點的空間和時間分布來確定壓裂裂縫的形態［19］.本次施工根據對監測作業區的實地踏勘及地質條件的分析，在壓裂井場周圍布設地面檢波器陣列（FracGrid）及WIFI數據實時傳輸系統，利用微震監測儀器車進行監測和數據接收，并向現場壓裂工程人員提供水力裂縫的實時成像結果.技術流程如圖3所示.

圖3 地面微地震監測技術流程圖Fig.3 Flow chart of ground microseismic monitoring technology

微地震數據處理的主要工作如下.

1）有效微地震事件信號檢測［20］：從大量連續記錄的數據中檢測出包含有微地震事件信號的數據段，以用于震源定位處理.

2）信號分析與去噪處理［21］：分析信號特性，采用各種濾波算法及噪聲壓制手段，針對不同類型的信號，有針對性地對不同類型的信號進行濾波與去噪處理，來提高微地震信號的信噪比.高信噪比的微地震信號可大大提高微地震事件的定位精度.

3）地層速度模型建立與校正：各種震源計算方法都需要利用到地震波在地層中的走時信息，建立區域的等效速度模型或分層速度模型.然后利用射孔監測到的信號對速度模型進行校正，可以得到比較準確的地層地震波速度模型，從而提高震源計算的精度.

4）震源定位［22］：采用合適的震源計算方法對監測到的微地震信號進行震源定位計算.井下監測和地面監測的震源定位方法不同，井下監測的信號信噪比高，一般采用基于初至提取的震源定位方法，地面監測的信號信噪比低，一般采用基于波形偏移疊加的震源定位方法.

圖4 第四段壓裂事件點Fig.4 Event points of fracturing in Stage 4

5）裂縫解釋：根據定位結果，結合數據分析算法，最終確定各段裂縫的形成演化過程，定量分析水力壓裂整體參數，做出壓裂效果評價.

針對本次水力壓裂微地震監測施工，通過詳細分析壓裂井的測井錄井資料，對壓裂段地層分層，建立P波、S波二維層狀模型，并采用裂縫層析成像技術［23-24］，對微地震數據進行基于能量疊加的微地震事件反演定位計算.對全井10段壓裂原始數據進行處理，這里以第四段處理結果為例.

第四段壓裂共監測到明顯微地震事件69個，處理后得到第四段壓裂事件點如圖4所示，其中藍色線條表示井軌跡.圖4為平行于井軌跡的剖面圖，坐標表示與井口的相對位置.圖5為圖4的局部放大圖的解釋結果，圖中色標表示不同微震源形成的先后順序，紅色線條表示第四段壓裂的裂縫連通情況.壓裂裂縫形成過程如圖6所示，圖中時間色標由左至右表示微震源形成的先后順序.通過計算得到第四段壓裂有效儲層改造體積（SRV）示意圖（圖7），圖中色標表示壓裂區域內能量的相對密度，能量越強表示該部位儲層改造的程度越大.

圖5 第四段裂縫解釋圖Fig.5 Interpretation of fractures in Stage 4

通過分析裂縫解釋結果（圖4—6）及第四段能量掃描空間展布圖（圖7），發現該段壓裂過程中，壓裂前期事件點數較少，形成一條主裂縫，裂縫整體沿北東向.隨著壓裂進行，事件點數不斷增加，水平方向形成與主裂縫平行的裂縫，并構成一條與主應力方向垂直的共軛裂縫.

圖6 第四段裂縫形成過程示意圖Fig.6 Formation process of fractures in Stage 4

圖7 第四段壓裂有效儲層改造體積示意圖Fig.7 Sketch of SRV for fracturing in Stage 4

經綜合分析后得到主破裂的空間分布特征如下.1）該段壓裂主裂縫縫長度約為79 m，其中左縫有效長度約為38 m，右縫有效長度約為41 m，主裂縫縫寬約為20 m，縫高約為15 m.2）主裂縫的走向為NE50°.3）有效壓裂區域面積約為8 000 m2，有效壓裂區域SRV約為216 384 m3.4）第四段兩翼造縫規模西側與東側大致相等，形成一條北東向主裂縫，裂縫整體呈復雜的網狀縫.5）壓裂段形成理想的共軛裂縫，判斷該裂縫最大水平應力方向為北東方向，北西向應為與最大水平應力垂直的最小水平應力方向.

3.4 全井段微地震事件成果解釋

應用3.3節中微地震數據處理模式對全井段微地震資料進行處理，獲得松頁油1HF井全井段壓裂微地震事件點處理結果圖（圖8），圖中坐標為井口位置的相對坐標.對數據處理后得到松頁油1HF井總有效壓裂面積圖（圖9）、松頁油1HF井壓裂有效儲層改造體積圖（圖10）和松頁油1HF井全井段壓裂能量掃描二維空間展布圖（圖11）.

全井段總有效壓裂面積圖（圖9）是根據不同壓裂段裂縫解釋結果（圖8）對全井段去包絡得到的，該面積是后續計算壓裂改造體積的重要參數.計算表明，松頁油1HF井總有效壓裂面積為82 818 m2.

圖8 松頁油1HF井全井段壓裂微地震事件點處理結果圖Fig.8 Process of the microseismic event points of whole well

通過計算得到SRV體積示意圖（圖10）.因地面微地震對事件垂向上定位誤差較大，加之目的層的厚度不大，所以對壓裂的高度直接按照目的層的平均厚度進行近似計算.參考地質和地震綜合研究結果，目的層厚度取12 m，利用圖9給出的壓裂面積與目的層厚度建模，獲取SRV體積值.計算表明，松頁油1HF井壓裂有效儲層改造體積為2 115 576 m3.

將松頁油1HF井全井段壓裂能量掃描二維空間展布（圖11）與事件點分布（圖8）進行對比，圖11中色標表示相對能量強弱，其中紅點為射孔點參照物，藍點為分割器，即表示壓裂目的層改造程度.結果顯示，隨著橋塞間的距離減小，分布越密集，壓裂效果越好.

圖9 松頁油1HF井總有效壓裂面積圖Fig.9 Total effective fracturing area of SYY－1HF well

4 結論

對于非常規油氣的鉆采，水力壓裂技術得到廣泛的應用.本次松頁油1HF井地面微地震監測工程，通過監測水力壓裂產生的微震對壓裂裂縫方位、傾角、長度、高度、寬度、儲層改造體積等壓裂評價參數進行定量計算，進而掌握壓裂后人工裂縫延伸情況，為優化井位部署、壓裂工藝設計、油氣田設計及生產開發等提供了依據.綜合分析松頁油1HF井地面微地震水力壓裂監測成果，取得結論及認識如下.

圖10 松頁油1HF井壓裂有效儲層改造體積圖Fig.10 Sketch of SRV for fracturing in SYY－1HF well

圖11 全井段壓裂能量掃描二維空間展布圖Fig.11 2－D fracturing distribution by energy scanning of the whole well

1）各段壓裂造縫效果較為明顯，裂縫方位近北東向.水平段除第一和第二段東翼壓裂效果較好，裂縫延展長度較大外，其他各壓裂段兩翼裂縫延展長度大致相當.

2）壓裂造縫以主裂縫為主，伴隨有次要裂縫產生，在一些壓裂段呈現復雜的網狀縫特征.相比于致密砂巖油氣藏，松頁油1HF井的壓裂井整體造縫長度略顯不夠，綜合分析后認為可能是泥頁巖的塑性較大，對遠離井軌跡的區域壓裂造縫難度較大.

3）壓裂井整體造縫效果顯示，第四、第七和第九段兩翼造縫規模相當，第一、第六和第十段西側稍小于東側，第二段西側遠小于東側，第三、第五和第八段西側稍大于東側，說明目的儲層存在一定的非均質性.

4）對松頁油1HF井全井段壓裂能量掃描二維空間展布圖分析后發現，隨著橋塞間距離減小，事件點分布越密集，壓裂效果較好.