◇中國(guó)石化中原油田分公司油氣開(kāi)發(fā)管理部 王明春

簡(jiǎn)要介紹了井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理和技術(shù)關(guān)鍵，重點(diǎn)分析了該技術(shù)在白廟氣田非常規(guī)水平井多段水力壓裂中的應(yīng)用，對(duì)施工重要環(huán)節(jié)、監(jiān)測(cè)獲得的裂縫監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行了分析，認(rèn)為該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水平井復(fù)雜、多層壓裂造縫的準(zhǔn)確描述，并對(duì)今后監(jiān)測(cè)井選井提出建議。

1 前言

非常規(guī)長(zhǎng)水平井一般儲(chǔ)層物性差、水平井段長(zhǎng)，為增加單井控制和動(dòng)用儲(chǔ)量，提高產(chǎn)能，大多采用分段壓裂投產(chǎn)。為了更加有效的實(shí)施壓裂和指導(dǎo)油氣田的開(kāi)發(fā)，開(kāi)展人工裂縫監(jiān)測(cè)得到人工改造裂縫的高度、長(zhǎng)度、寬度、延伸、方位等十分重要而且十分必要。人工裂縫監(jiān)測(cè)有多種方法：壓裂前后井溫測(cè)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(chǎn)狀及實(shí)時(shí)信息等，要么價(jià)格昂貴不適合現(xiàn)場(chǎng)推廣。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升及高靈敏度檢波器的發(fā)展，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)取得較快進(jìn)步，相比其他技術(shù)，具有控制范圍大，適應(yīng)面廣，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，是目前壓裂監(jiān)測(cè)的主要應(yīng)用手段。

2 井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用地面或井中檢波器臺(tái)網(wǎng)，監(jiān)測(cè)由壓裂引發(fā)的微地震信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂造縫的描述。微地震監(jiān)測(cè)方法按照地震信號(hào)采集方式，分為地面、淺井、井中三種方法。井中微地震監(jiān)測(cè)就是在監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域周?chē)徑囊豢诨驇卓诰胁贾媒邮张帕校M(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)。由于微地震信號(hào)容易受到周?chē)肼曊诒危以趥鞑ブ惺艿貙咏橘|(zhì)吸收，信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)受到影響，因此井中方式無(wú)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(huán)境中更加接近于震源，所得到的微地震信號(hào)更多、信噪比更高、反演可靠性更好。

該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)、摩爾-庫(kù)倫理論和斷裂學(xué)準(zhǔn)則[1]。壓裂時(shí)，由于地層壓力的升高，巖石產(chǎn)生張性破裂和剪切破裂，破裂的瞬間產(chǎn)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(shè)置在地面或井中的檢波器監(jiān)測(cè)這些微震，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析確定震源位置，隨著壓裂不斷產(chǎn)生新的破裂，持續(xù)監(jiān)測(cè)得到足夠多的震源定位，就能得到裂縫延展的方位、長(zhǎng)度、高度、角度等信息。

反演產(chǎn)生微地震的準(zhǔn)確位置是技術(shù)關(guān)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(jiān)測(cè)環(huán)境近似為均勻介質(zhì)，其震源定位方法就采用縱橫波時(shí)差法[2]，使用兩者的到時(shí)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(lián)立式（1）、式（3）可得：

3 應(yīng)用情況

3.1 井中微地震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

白-平2HF井是中原油田白廟氣田主體白9斷塊區(qū)的一口階梯狀、三靶定向水平井，完鉆井深5374米，水平段長(zhǎng)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(shè)計(jì)分9段壓裂，設(shè)計(jì)注入壓裂液4051.8方，加砂487.6方,共準(zhǔn)備壓裂液4400方，支撐劑487.6方 。

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

圖1 監(jiān)測(cè)井平面位置圖

圖2 井中微地震監(jiān)測(cè)流程圖

3.2 震級(jí)敏感度測(cè)試

根據(jù)本區(qū)域以往監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，繪制微地震震級(jí)和監(jiān)測(cè)距離的關(guān)系、能量衰減和微地震震級(jí)的關(guān)系圖（圖3），驗(yàn)證監(jiān)測(cè)井白17能否接收到白-平2HF多級(jí)分段壓裂微地震信號(hào)，確定監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)部署的可行性。在白17垂深3920米的震級(jí)敏感度測(cè)試結(jié)果顯示：距離檢波器最大距離的第10個(gè)滑套位置的微震能量等級(jí)大于里氏-1.4級(jí)時(shí)，檢波器即能收到信號(hào)。而壓裂時(shí)的微震信號(hào)震級(jí)一般都介于里氏-3級(jí)到+1級(jí)。因此，本次在白17井監(jiān)測(cè)白-平2HF井壓裂是可行的，能夠監(jiān)測(cè)到主要破裂事件，但距離檢波器較遠(yuǎn)的層段信號(hào)弱，可能影響測(cè)試精度。

圖3 地震震級(jí)敏感度測(cè)試（TVD:3920m）

3.3 檢波器定向與速度模型校準(zhǔn)

通過(guò)定位校正井放炮，監(jiān)測(cè)井采集記錄微地震事件，對(duì)事件開(kāi)展兩個(gè)方面的處理。一是根據(jù)放炮事件信號(hào)的偏振特征，應(yīng)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(chǎn)生的破裂位置。二是驗(yàn)證調(diào)整速度模型。初始速度模型中縱波速度是依據(jù)壓裂井和監(jiān)測(cè)井的聲波測(cè)井資料求取的，而橫波速度通過(guò)偶極子聲波測(cè)井資料擬合的經(jīng)驗(yàn)公式換算得到，與實(shí)際存在一定差異，需要通過(guò)利用校準(zhǔn)井輔助放炮反演進(jìn)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(gè)、第8個(gè)檢波器距離分別為463m、468m。修正速度模型使得信號(hào)反演后定位的點(diǎn)與深度3700m點(diǎn)基本重合，檢波器方位校正與速度校正準(zhǔn)確，為實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中的精確定位提供了保障。

3.4 背景噪音處理

在壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)始前，首先對(duì)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行背景噪音監(jiān)測(cè)，利用快速頻譜分析功能對(duì)噪音信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的分析，作為設(shè)置濾波參數(shù)的重要依據(jù)之一。實(shí)測(cè)大地背景噪音一般是低頻噪聲，在0～200Hz的范圍內(nèi)，而一般微地震事件一般在200～1500Hz。在開(kāi)始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，還需要利用獲得的早期信號(hào)對(duì)比微地震信號(hào)和背景噪音之間的差別，修正濾波參數(shù)。原始的微地震數(shù)據(jù)經(jīng)去噪處理后信號(hào)明顯、清楚（圖4），能夠準(zhǔn)確地拾取P波、S波，可以進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

圖4 接收到微地震信號(hào)（左：處理前，右：處理后）

3.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)歷時(shí)兩天的連續(xù)不間斷的監(jiān)測(cè)，被最終準(zhǔn)確定位的信號(hào)有649個(gè)。其中第一級(jí)壓裂75個(gè)，第二級(jí)壓裂78個(gè)，第三級(jí)壓裂87個(gè)，第四級(jí)壓裂116個(gè)，第五級(jí)壓裂67個(gè)，第六級(jí)壓裂62個(gè)，第七級(jí)壓裂59個(gè)，第八級(jí)壓裂50個(gè)，第九級(jí)壓裂55個(gè)。

從不同壓裂段監(jiān)測(cè)到的破裂事件數(shù)目對(duì)比，第5～9段明顯低于1～4段。分析原因主要是本次監(jiān)測(cè)井選井時(shí)，考慮到影響產(chǎn)量因素，沒(méi)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(yuǎn)，在一定程度上影響了監(jiān)測(cè)精度。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可得到，白-平2HF井9級(jí)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(jí)裂縫走向?yàn)樽畲螅瑸楸逼珫|71°，第6級(jí)與第7級(jí)壓裂裂縫走向最小，為北偏東60°。統(tǒng)計(jì)裂縫發(fā)育區(qū)動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度最大的為第1級(jí)左翼動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度，約為164m；統(tǒng)計(jì)裂縫發(fā)育區(qū)動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度最小的為第8級(jí)右翼動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度，約為120m。統(tǒng)計(jì)出裂縫發(fā)育區(qū)長(zhǎng)、寬、高見(jiàn)表1。

表1 白-平2HF井水力壓裂裂縫發(fā)育區(qū)長(zhǎng)、寬、高統(tǒng)計(jì)表

圖5、圖6為白-平2HF壓裂9段微地震裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果圖。圖中橢圖為裂縫發(fā)育區(qū)，黑色雙頭線為每段裂縫的走向。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：本區(qū)最大主應(yīng)力方向?yàn)?0°～71°。

圖5 白-平2HF井9段壓裂微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果（俯視圖）

圖6 白-平2HF井9段壓裂微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果（側(cè)視圖）

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）應(yīng)用井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)白廟氣田水平井白-平2HF共計(jì)9段壓裂監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)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(zhǎng)度、高度、寬度、方位角，分析認(rèn)為本次水平井多井段壓裂設(shè)計(jì)基本合理，達(dá)到了預(yù)期效果。

（2）在今后的監(jiān)測(cè)井選擇上應(yīng)加強(qiáng)論證，尤其對(duì)此類水平段超長(zhǎng)、投入巨大的水平井，應(yīng)該以取全取準(zhǔn)資料為原則，監(jiān)測(cè)井盡量居中，監(jiān)測(cè)半徑覆蓋全井段，如有必要可選擇2口井，同時(shí)開(kāi)展監(jiān)測(cè)，提高監(jiān)測(cè)精度。