井中微地震監測技術在非常規水平井壓裂中的應用

◇中國石化中原油田分公司油氣開發管理部 王明春

簡要介紹了井中微地震監測技術的原理和技術關鍵，重點分析了該技術在白廟氣田非常規水平井多段水力壓裂中的應用，對施工重要環節、監測獲得的裂縫監測成果進行了分析，認為該技術能夠實現對水平井復雜、多層壓裂造縫的準確描述，并對今后監測井選井提出建議。

1 前言

非常規長水平井一般儲層物性差、水平井段長，為增加單井控制和動用儲量，提高產能，大多采用分段壓裂投產。為了更加有效的實施壓裂和指導油氣田的開發，開展人工裂縫監測得到人工改造裂縫的高度、長度、寬度、延伸、方位等十分重要而且十分必要。人工裂縫監測有多種方法：壓裂前后井溫測量、電位法、地傾斜法、微地震法等，這些方法都有其自身局限性，要么不能完全獲取裂縫三維產狀及實時信息等，要么價格昂貴不適合現場推廣。近年來，隨著計算機計算能力的提升及高靈敏度檢波器的發展，微地震監測技術取得較快進步，相比其他技術，具有控制范圍大，適應面廣，實時性好等優點，是目前壓裂監測的主要應用手段。

2 井中微地震監測技術原理

微地震監測技術是利用地面或井中檢波器臺網，監測由壓裂引發的微地震信號，實現對壓裂造縫的描述。微地震監測方法按照地震信號采集方式，分為地面、淺井、井中三種方法。井中微地震監測就是在監測目標區域周圍鄰近的一口或幾口井中布置接收排列，進行微地震監測。由于微地震信號容易受到周圍噪聲遮蔽，而且在傳播中受地層介質吸收，信號強度也會受到影響，因此井中方式無疑是最精確的采集方式，它利用了高靈敏度檢波器，而且在井下環境中更加接近于震源，所得到的微地震信號更多、信噪比更高、反演可靠性更好。

該技術的理論基礎是聲發射學、摩爾-庫倫理論和斷裂學準則[1]。壓裂時，由于地層壓力的升高，巖石產生張性破裂和剪切破裂，破裂的瞬間產生微地震波，微地震波在地層中以球面波的形式向四周傳播，利用設置在地面或井中的檢波器監測這些微震，并通過數據處理分析確定震源位置，隨著壓裂不斷產生新的破裂，持續監測得到足夠多的震源定位，就能得到裂縫延展的方位、長度、高度、角度等信息。

反演產生微地震的準確位置是技術關鍵。我們知道，微地震波包括縱波（P）和橫波（S），縱波快于橫波，井中監測環境近似為均勻介質，其震源定位方法就采用縱橫波時差法[2]，使用兩者的到時作為約束，建立地震波速度模型（式4），采用解析法求解，反演破裂的空間位置。

整理可得：

聯立式（1）、式（3）可得：

3 應用情況

3.1 井中微地震監測設計

白-平2HF井是中原油田白廟氣田主體白9斷塊區的一口階梯狀、三靶定向水平井，完鉆井深5374米，水平段長1200米，鉆遇沙三下3+4砂組氣層15層318米，氣干層20層185.6米。設計分9段壓裂，設計注入壓裂液4051.8方，加砂487.6方,共準備壓裂液4400方，支撐劑487.6方 。

在白-平2HF井分段壓裂裂縫監測中，考慮白44、白66井產量高，選取白17井為監測井（圖1），井中下入12級三分量檢波器，白64井作為放炮定位校正井，具體監測流程如圖2所示。

圖1 監測井平面位置圖

圖2 井中微地震監測流程圖

3.2 震級敏感度測試

根據本區域以往監測項目，繪制微地震震級和監測距離的關系、能量衰減和微地震震級的關系圖（圖3），驗證監測井白17能否接收到白-平2HF多級分段壓裂微地震信號，確定監測臺網部署的可行性。在白17垂深3920米的震級敏感度測試結果顯示：距離檢波器最大距離的第10個滑套位置的微震能量等級大于里氏-1.4級時，檢波器即能收到信號。而壓裂時的微震信號震級一般都介于里氏-3級到+1級。因此，本次在白17井監測白-平2HF井壓裂是可行的，能夠監測到主要破裂事件，但距離檢波器較遠的層段信號弱，可能影響測試精度。

圖3 地震震級敏感度測試（TVD:3920m）

3.3 檢波器定向與速度模型校準

通過定位校正井放炮，監測井采集記錄微地震事件，對事件開展兩個方面的處理。一是根據放炮事件信號的偏振特征，應用極化原理確定三分量檢波器的空間方位，并以此方位定位壓裂產生的破裂位置。二是驗證調整速度模型。初始速度模型中縱波速度是依據壓裂井和監測井的聲波測井資料求取的，而橫波速度通過偶極子聲波測井資料擬合的經驗公式換算得到，與實際存在一定差異，需要通過利用校準井輔助放炮反演進行速度模型校正。白64井為本次震源校正井，放炮深度選擇在3700m，距離第1個、第8個檢波器距離分別為463m、468m。修正速度模型使得信號反演后定位的點與深度3700m點基本重合，檢波器方位校正與速度校正準確，為實際監測過程中的精確定位提供了保障。

3.4 背景噪音處理

在壓裂實時監測開始前，首先對監測井進行背景噪音監測，利用快速頻譜分析功能對噪音信號進行及時的分析，作為設置濾波參數的重要依據之一。實測大地背景噪音一般是低頻噪聲，在0～200Hz的范圍內，而一般微地震事件一般在200～1500Hz。在開始實時監測時，還需要利用獲得的早期信號對比微地震信號和背景噪音之間的差別，修正濾波參數。原始的微地震數據經去噪處理后信號明顯、清楚（圖4），能夠準確地拾取P波、S波，可以進行準確定位。

圖4 接收到微地震信號（左：處理前，右：處理后）

3.5 監測結果

通過歷時兩天的連續不間斷的監測，被最終準確定位的信號有649個。其中第一級壓裂75個，第二級壓裂78個，第三級壓裂87個，第四級壓裂116個，第五級壓裂67個，第六級壓裂62個，第七級壓裂59個，第八級壓裂50個，第九級壓裂55個。

從不同壓裂段監測到的破裂事件數目對比，第5～9段明顯低于1～4段。分析原因主要是本次監測井選井時，考慮到影響產量因素，沒有選擇位置更合適的白44或白66井，選擇的白17井距離上部壓裂段偏遠，在一定程度上影響了監測精度。

從監測結果可得到，白-平2HF井9級壓裂裂縫走向基本一致，在北偏東60°～71°之間，平均65°。其中第5級裂縫走向為最大，為北偏東71°，第6級與第7級壓裂裂縫走向最小，為北偏東60°。統計裂縫發育區動態長度最大的為第1級左翼動態長度，約為164m；統計裂縫發育區動態長度最小的為第8級右翼動態長度，約為120m。統計出裂縫發育區長、寬、高見表1。

表1 白-平2HF井水力壓裂裂縫發育區長、寬、高統計表

圖5、圖6為白-平2HF壓裂9段微地震裂縫監測結果圖。圖中橢圖為裂縫發育區，黑色雙頭線為每段裂縫的走向。監測結果表明：本區最大主應力方向為60°～71°。

圖5 白-平2HF井9段壓裂微地震監測結果（俯視圖）

圖6 白-平2HF井9段壓裂微地震監測結果（側視圖）

4 結論與認識

（1）應用井中微地震監測技術對白廟氣田水平井白-平2HF共計9段壓裂監測，準確判斷了分段裂縫是否形成以及裂縫形成的先后順序，定量解釋了裂縫的長度、高度、寬度、方位角，分析認為本次水平井多井段壓裂設計基本合理，達到了預期效果。

（2）在今后的監測井選擇上應加強論證，尤其對此類水平段超長、投入巨大的水平井，應該以取全取準資料為原則，監測井盡量居中，監測半徑覆蓋全井段，如有必要可選擇2口井，同時開展監測，提高監測精度。