不同倾角煤层气井的水力压裂微震监测

发布时间：2021-03-04所属分类：工程师职称论文浏览：1次

摘 要： 摘要在2017和2018两年中，我们对新疆18口煤层气井的水力压裂，应用微地震向量扫描技术，实施了微震监测。这批井的特点是，除3口井煤层的倾角小于30度外，余均为高倾角，其中6口井的倾角大于70度，近乎直立。由于煤层在强度上较常规油气储层显著得低，因而压

　　摘要在2017和2018两年中，我们对新疆18口煤层气井的水力压裂，应用微地震向量扫描技术，实施了微震监测。这批井的特点是，除3口井煤层的倾角小于30度外，余均为高倾角，其中6口井的倾角大于70度，近乎直立。由于煤层在强度上较常规油气储层显著得低，因而压裂设计预期裂缝沿煤层延展。然而，经反复校核，尽管多数井的裂缝带满足预期(占总井数的72%)，还是确认了3口井(17%)的裂缝延展面同已知煤层在倾向上有一个40~60度的夹角;另一类特例是2口井(11%)的类似X型的破裂，即一个裂缝面满足了预期的倾向和倾角，同时也有一个倾向相反、倾角相似的破裂面。因而在机理上，若视煤层为已有断层，在构造应力场作用下，煤层的压裂破裂面有三种可能性：(1)仅沿煤层延展;(2)仅沿已有断层裂隙面延展;以及(3)同时沿这两个层面破裂。此外，破裂面展布以相对压裂点向上为主。研究这些压裂裂缝面的产状、发育机理、与对其微震监测的解释方法特性，对具有不同倾角的煤层的压裂设计与压裂监测，有重要意义。

　　关键词煤层气;水力压裂;微地震;向量扫描;解释

　　0引言

　　压裂是获得油气产能的常规手段(Sheriff，1991)。近些年来，石油和天然气、煤层气、页岩气、甚至干热岩的井压裂及其监测获得了不小的发展(例如，刘振武等，2013;Liangetal.2015;LiangandWang,2017;GrechkaandHeigl,2017)。本文讨论应用微地震向量扫描技术(Vectorscanning，VS)于不同倾角煤层气井的水力压裂微震监测，是VS系列文章的重要应用的典型实例之一。

　　压裂监测中，所遇多为水平状或近水平状的煤层和油气储层，加之板块运动引起的中国大陆地区最大主压应力方向也多是水平的(中国地震局地壳应力研究所，2009)，从而压裂裂缝带无论是预测还是监测的结果，无论是直立的还是水平的平面缝，多沿水平方向延展(LiangandWang，2019)。

　　在2017和2018两年中，我们对新疆18口共35层段的煤层气井的水力压裂，应用VS(LiangandLeng，2016;Liangetal.2016;Liangetal.2017;LiangandWang，2019)实施了微震监测。这批井的煤层特点是，除3口井5层段的倾角小于30度外，余均为高倾角煤层，其中6口井11层段的倾角甚至是直立或近直立的(表1)。这对我们压裂监测的解释是一个很大的挑战。

　　由于煤层在强度上较常规油气储层显著得低(图1)，因而压裂设计预期裂缝沿煤层延展。然而，尽管我们确认已经严格执行了应用VS的必要条件(LiangandWang,2017)，最大限度地提高信噪比，保证了监测质量，并在解释中反复校核，发现结果并不完全如愿。因而必须给予合理的机理解释。此外，由于煤层是高倾角的，过去为了加快解释速度而经常采用的水平2D平面检查是否压裂点附近有微震活动的方法(例如，Guoetal.本期同发或前一期)，在这里也不适用了，而不得不使用3D或者2D纵剖面实施检查。

　　相关期刊推荐：《地球物理学进展》(双月刊)1986年创刊，本刊是中国科学院主管，中国科学院地质与地球物理研究所和中国地球物理学会共同主办的地球物理学及相关领域的综合性学术刊物，国内外公开发行。主要报道国内外地球物理学研究的最新进展和成果，探讨地球物理学的发展战略，评价地球物理学科的现状和发展趋势。

　　在第1章，我们叙述VS的原理、应用的必要条件、以及在监测过程中为满足这些条件所采取的措施，包括垂向分辨率的讨论。第2章详细描述了对于不同倾角的煤层，这18口井35层段压裂裂缝的解释、分布、及其机理的特性，并给出典型例子。第3章在分析讨论压裂裂缝带分布的基础上，对不同倾角煤层气井的水力压裂微震监测给予结论。

　　1.2监测实施过程

　　1.2.1野外数据采集

　　Liangetal.(2016)对VS应用中专用微地震监测仪器特性、仪器数量、微震监测台网布设原则、安静点的数值定义等做了详细的叙述。作为例子，本节中各图显示了W11-L1井的监测实施过程。

　　我们首先使用快速背景探测仪踏勘井口周围半径2km内的噪声水平。监测时，井口有压裂车群，故井口半径1km内无法安置台站;同理，任何繁忙公路和地面机器附近数百米至千米范围内也不能放置台站。通常选择背景噪声至少是合格的点位布设微震台网;按照安静点的数值定义，本批监测的野外数据质量多为优(<0.5)或良(<0.75)。每次均使用了25个微地震台，各台间距≥40m(图2、图3)。每个台站独立实施GPS定位。

　　需要说明的是，这18口井全部在起伏高差大于30m的丘陵或山区，以至于微震台网的几何分布无法尽量均匀分布(例如图2)。然而，对于保证微震监测质量来说，选取背景噪声低的安静处设点较均匀分布要重要得多(Liangetal.2016)。

　　1.2.2数据处理

　　整个数据处理分为准备、去噪、扫描计算等步骤。其中，第1步在正式监测前准备完毕;去噪和扫描计算则融入一个完整的自动化过程;分述如下。

　　数据处理准备分为建立监测区域的速度模型与扫描计算几何设计(图2)。扫描计算时，需要确定空间中每点辐射出的地震射线到达台站的路径和走时，这就需要知道监测域的速度分布。建立地震波速度模型主要根据区块评价的较完整的速度模型和/或已有的监测域内外的声波测井数据(Liangetal.2017)。W11-L1井的监测使用了监测区内及附近的9口井的声波测井数据，经光滑处理消除测量中的异常，据一般山区速度分布经验补充了浅层速度，随后据此插值出3D速度模型(图2)。扫描计算中使用了最常用的泊松比值(0.25)实施纵波至横波的速度转换。

　　获得台站坐标、井轨迹数值点、压裂点几何位置后，通常对扫描范围定义一个1000m×1000m×200m的体积，可得到此段的监测计算几何设计。当煤层倾角高于45度时，上述扫描深度200m将改为600m，如图2所示。我们采用20m(台站GPS最大误差或平均扫描误差，例如Shenetal.2009和Liangetal.2016)与1分钟的网格和时间间隔进行扫描计算，据此描述压裂裂缝的时空分布。

　　Liangetal.(2017)详细叙述了数据去噪的步骤和要求。去噪的重点是地面机器的干扰。经常地，一个120秒的数据段可能被分为1至几个子时段(图4)，否则它将被分为两个1分钟数据段，然后投入扫描计算，其中通过扫描计算的数据叠加，最后压制一次残余干扰。

　　1.2.3解释

　　一个时段监测的解释基本过程是，解释人员检查破裂能量空间分布，选出压裂点附近有较高破裂能量的某种S波型的重要时段，并不断累积已有的重要时段，观察压裂裂缝带随时间的变化;当压裂结束时，到最后一个重要时段的累积就是最终压裂裂缝总效应。

　　这里应当说明挑选重要时段的具体方法。一次压裂诱发的微震活动，通常具有积累一段时间的注入能量、然后再释放的间歇性;压裂点附近的破裂亦可诱发远处的将来或许与主裂缝网连通的裂隙，即跳跃性(LiangandZhu，2004;Maxwell，2014;GrechkaandHeigl,2017;Guoetal.本期同发或前一期)。因而，解释中必须去除那些微震平静期残余干扰占主要成分、以及太远的诱发破裂而不可能与压裂主裂缝连通的时段。我们在过去的压裂监测中，一般所遇多为水平状或近水平状的煤层和油气储层，加之板块运动引起的大陆地区的最大主压应力方向也多是水平的(中国地震局地壳应力研究所，2009)，从而压裂裂缝带无论是预测还是监测的结果，无论是直立的还是水平的平面缝，多沿水平方向延展。因而，这种解释中的检查，仅需观察围绕压裂点的2D水平平面即可(LiangandWang，2019)。

　　对于倾角小于30度的煤层的压裂，上述方法依然奏效。然而，对于高倾角煤层(图5a、b)，则可能漏掉某些重要时段。似乎最好最快的方法是检查煤层所在空间的平面;但问题是，整个煤层的产状在空间也可能有变化，差别甚至可达一二十度甚至更多;加之微震活动经常是“天女散花、适当集中”，不仅要考虑微震的几何分布，还要顾及其能量大小。于是，顾及解释中的检查效率，应当检查与煤层走向正交的所有纵剖面(图5c)。

　　实际解释中，我们发现，对各时段仅仅检查过压裂点的纵剖面所得重要时段的集成结果与检查所有纵剖面的大体一致。这是由于，在一个数秒以上的时段内，一般由于过压裂点纵剖面上的破裂而选中的重要时段，其所在的3D数据体的集合足以描述出当时整个煤层平面的微震活动。于是，在存在大量重要时段的情况下，仅仅检查过压裂点的纵剖面去挑选重要时段即可，而不一定去检查一个时段的所有纵剖面。

　　另一方面，在解释中，按照煤层的地质调查的走向切取纵剖面检查，有时得到的最终破裂面的倾向和倾角与地质调查所设想的并不一致;甚至，无论在哪个方位切取纵剖面，最后结果始终是具有稳定的倾向和倾角的破裂面，当然略有极小差异。因而，我们常常是先用地质调查的倾向试检查，最后总有一个稳定的倾向作为最后的解释输出。

　　1.3垂向分辨率

　　煤层气井压裂中，除了层介质强度低(图1)，另一个重要特点是一般煤层垂深小于千米。由于VS通常是在最大为3km×3km面积上的地面监测，当压裂点较深时，垂向误差可达水平向的2~3倍之多(Shenetal.2009;LiangandLeng，2016)。而这里我们需要切取纵剖面检查，有必要分析垂向上的分辨率。

　　图6比较了微震在深度500m和4000m时的监测结果。若取最高破裂能量(或信噪比下限)的一定百分比，如95%，以上的点作为监测到的微震点，则水平位置(图6上排)均准确。但在垂向上(图6下排)，则500m深的垂向定位有10~20m的误差，而4000m的震源垂深误差则达30~50m。显然，煤层深度较浅，有利于我们确定纵剖面上的微震活动。应当说明的是，实际上，当我们集成(叠加)大量的3D重要时段数据时，相当于减弱垂向上的误差;因而，最后的集成结果，无论水平还是垂向，均可为10~20m。