井下微地震監測技術在頁巖氣“井工廠”壓裂中的應用

20世紀90年代，微地震技術被應用到石油工業中，主要用于油藏驅動監測和儲層壓裂監測。21世紀以來，微地震監測技術開始廣泛應用于頁巖油氣開發中。頁巖油氣資源開發時多采用水平井及大型壓裂技術，壓裂效果的好壞直接影響到最終的開發效果。因此，對頁巖油氣水平井的壓裂效果進行監測和評價，可為下一步水平井壓裂方案的制定和壓裂參數的優化設計提供依據。井下微地震監測技術作為監測壓裂效果的有效手段之一，可以實時監測裂縫的展布方向、波及長度和地層破裂能量，并且可以通過分析壓裂參數與微地震監測參數對人工裂縫延伸方向和長度進行追蹤定位，客觀評價壓裂效果，有助于井網優化、“井工廠”布局、井眼軌道設計、壓裂方案設計和調整，從而提高儲層壓裂改造效果，實現頁巖油氣資源的經濟高效開發。因此，在威202井區5個平臺“井工廠”壓裂過程中，利用井下微地震監測技術對壓裂效果進行了監測，并根據監測結果對后續壓裂方案進行了優化和調整，從而提高了頁巖氣井壓裂改造效果。

1 井下微地震監測技術

微地震監測技術通過采集壓裂引發的微地震信號形成圖像，顯示壓裂裂縫的延伸方向、高度、長度和對稱性等，有助于幫助油氣藏開發人員監測壓裂施工效果，優化壓裂設計及開發方案。目前，微地震監測技術主要包括地面微地震監測技術和井下微地震監測技術。與干擾因素更多的地面微地震監測技術相比，威遠地區和焦石壩南區3000.00m以深的頁巖氣儲層壓裂時，井下微地震監測技術獲取的數據信噪比更高，信號的準確性和可靠性更強，應用也更廣泛。

1.1 基本原理

水力壓裂時，當井筒壓力迅速升高并超過巖石強度時，巖石發生破裂或剪切滑動形成裂縫。裂縫延伸擴展時，產生一系列向四周傳播的微震波。微震波可以用精密的Maxiwave井下三分量檢波器在井周圍接收到，根據各微震波的到達時差，結合地層模型和聲波模型，形成一系列方程組，求解這一系列方程組，通過數據處理分析得到有關震源的信息就可確定震源位置，進而確定出裂縫的方位、長度、高度及地應力方向等參數。

1.2 “井工廠”壓裂的監測方法

“井工廠”壓裂中的微地震事件是頁巖氣儲層因水力壓裂而引發的，由于其激發能量弱，通過地層傳播后，地表檢波器接收到的微地震波場能量已經很弱，導致微地震監測記錄數據的信噪比低。利用單個三分量檢波器接收微地震波的方法通常稱為矢端圖技術，檢波器和微震震源間的位置關系可以通過直達縱波/橫波初至的微小運動來確定。檢波器到震源的距離可以通過直達縱波和橫波初至的時間差以及這2種波的速度來確定。利用多個位置的檢波器接收到的信號和有關勘查區域的微地震波的波速，就可以根據矢端圖法準確確定震源位置。

在對井下微地震信息進行處理之前，需要對微地震事件進行分析，通過微地震事件識別和篩選有效信號，在建立地質模型和速度模型的基礎上進行空間定位，最終獲得裂縫解釋成果。

1.2.1 背景噪音分析

在對頁巖氣井壓裂進行實時監測以前，需要監測該井的背景噪音，并對背景噪音信號進行分析，得出合理的濾波方案，提高信噪比。地震檢波器非常靈敏，地面噪音有可能沿著井內液體傳播到井下，對地層破裂信號造成干擾。為降低地面噪音的干擾，需將井內液面降至300.00m以深。在開始實時監測時，往往還需對獲得的早期信號、微地震信號和背景噪音進行對比，以獲得微地震信號和背景噪音之間的差別，幫助修正濾波參數。

1.2.2 破裂事件的監測

在壓裂監測初期，要不斷查看微地震信號的波形特征，分析微地震信號，篩選模塊，修改壓制噪音模塊參數，使篩選出的模塊既能基本滿足實時監測到壓裂破裂事件的要求，又不丟失能量較低的壓裂破裂事件。

檢查壓裂初期獲得的較清晰微地震事件的定位結果，微地震事件一般應位于壓裂段射孔位置附近，必要時需檢測每個事件縱波和橫波初至時間的自動拾取結果的合理性，如果自動拾取結果不合理，需要調整縱波和橫波初至自動拾取的參數，降低自動拾取時的誤差，對自動拾取結果進行必要的修正，確保定位結果滿足要求。

2 現場應用

威遠構造位于川中隆起區的川西南低陡褶帶，儲層埋深2700.00~3200.00m。井下微地震監測技術在威202井區A、B、C等5個平臺頁巖氣水平井“井工廠”壓裂中進行了應用。其中，威202井區A平臺共有6口井，是威遠地區第一個實現“井工廠”壓裂的井組，上下半支各3口井，分兩輪進行壓裂，利用相對應的鄰井進行井下微地震監測。

第一輪壓裂監測采用12級Maxiwave三分量檢波器接收微地震波，級間電纜長10.00m，檢波器位于202H2-2井的2670.00~2780.00m井段，與目的層的垂向距離約為250.00m（見圖1）。

第二輪壓裂監測采用12級Maxiwave三分量檢波器接收微地震波，級間電纜長20.00m，檢波器位于202H2-6井的2650.00~2870.00m井段，與目的層的垂向距離約為69.00m（見圖2）。

2.1 潛在天然裂縫的監測

威202井區龍馬溪組頁巖氣儲層微斷層及天然裂縫較為發育，壓裂過程中水力裂縫的延伸容易受到天然裂縫誘導作用的影響，造成儲層改造程度不夠，影響壓裂效果。因此，在預測天然裂縫的基礎上，利用井下微地震監測技術，在壓裂過程中實時觀測和分析天然裂縫對壓裂效果的影響。微地震監測過程中，根據微地震事件點的能量強弱、密度大小、事件點出現時機以及響應時間等參數，結合壓裂參數和地震曲率屬性預測裂縫情況，可以較為準確地識別壓裂過程中遇到的天然裂縫或斷層。

202H2-6井壓裂過程中有明顯的天然裂縫或斷層顯示，距離斷層越近停泵壓力越低，且壓裂過程中有壓力突降的現象。從微地震事件點可以看出，在井筒下方有大量的微地震事件發生，壓裂時采取了降排量、大段塞加砂、高黏膠液處理等技術措施，取得了一定的效果，但對于規模相對較大的天然裂縫應以溝通為主，實現儲層均勻改造的難度相對較大。

壓裂過程中遇到天然裂縫，會使液體效率大大降低，容易出現加砂困難或發生砂堵事故，合理的液體組合和支撐劑配比是應對天然裂縫對壓裂施工不利影響的重要技術措施。通過螞蟻體追蹤預測天然裂縫，結合地震資料相似性的變化和曲率變化，預測潛在的天然裂縫或破碎帶，再與壓裂過程中發生的微地震事件相結合（見圖3），就可以在壓裂過程中指導液體黏度、支撐劑用量、砂比或砂濃度、段塞液量等參數的優化和調整。

2.2 暫堵轉向體積壓裂效果的監測

暫堵轉向體積壓裂技術是指在合適的時機，通過添加可溶性的、對儲層損害極低的裂縫暫堵劑，控制壓裂裂縫的延伸，實現儲層均勻改造。威202井區B平臺1井第17壓裂井段水力裂縫主要在井筒西側延伸（見圖4，藍色為暫堵前微地震事件點，紫色為暫堵轉向后微地震事件點），在合適的時機加入了一定量的100/120目和60/80目可溶性裂縫暫堵劑（見圖5）。微地震監測解釋結果顯示，暫堵轉向作用明顯，降低了天然裂縫的誘導作用，實現了儲層的均勻改造。

2.3 射孔參數的優化

射孔位置的選擇對于頁巖氣水平井壓裂效果的影響非常大。威202井區某水平井龍馬溪組頁巖壓裂時井下微地震監測事件的統計結果表明，高伽馬和高脆性指數地層微地震事件的密度較大，說明脆性相對好的地層可壓性更高，巖石更容易發生剪切破壞，更有利于形成復雜網絡裂縫。

射孔簇數和孔數的選擇決定了相同排量下的儲層壓裂改造強度，簇數和孔數越少，單孔流速越大，縫內凈壓力和液體攜砂效率越高，對于縫長和縫高的擴展越有利。威202井區C平臺6井第13段射孔3簇，孔密16孔/m，射48孔，微地震監測水力裂縫縫高60m；第14段射孔2簇，孔密16孔/m，射32孔，微地震監測水力裂縫縫高85m。由此可知，減少射孔簇數和孔數在一定程度上有利于提高壓裂裂縫高度。

2.4 現場應用效果

受地層平面和縱向非均質性的影響，威202井區A平臺5井1-5壓裂井段壓裂后水力裂縫擴展不均。通過分析其井下微地震監測資料，在后續井段壓裂時采取了優化射孔參數、調整壓裂液和支撐劑組合、應用暫堵轉向技術等技術措施，監測結果顯示，微地震事件點增多，儲層獲得較理想的壓裂縫網，微地震監測參數見表1。由表1可以看出：1-5壓裂井段的東西兩翼裂縫長度差最大達到338.00m，而10-18壓裂井段的東西兩翼裂縫長度差最大105.00m；在加砂量相當的情況下，壓裂液用量由1800~2200m3下降為1700~1900m3。由此可知，該井后續壓裂井段采取的技術措施具有很好的針對性，基本實現了儲層的均勻改造。

威202井區A平臺6口井均獲得較好的壓裂效果，其中4井和5井采用9.0mm油嘴進行放噴返排測試，最高井口壓力分別為36.74和43.96MPa，最高日產氣量31.87×104和20.83×10m3，刷新了威遠地區頁巖氣井產氣量最高紀錄，取得了較好的開發效果。

3 結論與建議

1）利用井下微地震監測技術可以獲得裂縫的長度、方向、產狀等參數，能夠為壓裂施工參數的實時調整提供依據。
2）根據微地震監測資料的解釋結果，優化射孔參數、實時調整壓裂液和支撐劑組合、應用暫堵轉向技術，可以提高頁巖氣水平井的壓裂效果。
3）頁巖氣儲層在平面和縱向上具有較強的非均質性，建議進一步提高天然裂縫預測的精準度，并根據微地震監測結果采取有針對性的技術措施，以提高頁巖氣水平井的壓裂效果。

版權聲明|來源：《石油鉆探技術》；作者：劉旭禮；版權歸原作者所有。

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