地面微地震压裂监测技术在煤层气开发中的应用

梁胡其图

摘要：微地震监测技术是一种通过观测微地震事件来监测生产活动的地球物理技术。该技术分析计算裂缝网络的几何特征，即方位、长度、高度等信息，实时评判压裂效果，了解压裂增产过程中人工造缝情况，以指导优化下一步压裂方案，达到提高采收率的目的。

关键词：地面微地震;压裂监测技术;应用

前言

微地震压裂监测技术是监测评价储层压裂效果的最有效的技术之一，近年来在低渗透油气藏压裂改造领域得到了广泛应用。微地震压裂监测就是通过在邻井中或地面布置检波器，监测压裂井在压裂过程中诱发的微地震波，从而描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布。微地震压裂监测成果对优化压裂施工、产量预测以及新井部署都具有重要参考意义。

1微地震地面监测技术发展概况

微地震压裂监测可分为井中监测和地面监测2种。井中监测就是把检波器布设在井底进行监测，地面监测就是在压裂井区地面布设检波器进行监测。一般而言，井中监测的效果都会好于地面监测。20世纪70年代，阿莫科（Amoco）公司在美国开展了地面微地震监测现场试验，地面检波器成放射状和直线状布置，目的层为含气致密砂岩，深度2440m。由于地面噪音太高，诱发的微地震水平很低，加之那时记录仪器及处理技术水平有限，试验没有成功。1976年，美国桑地亚国家实验室在瓦滕伯格（Wattenberg）油田进行了地面监测试验，结果认为不能用地面观测的方法确定水力裂缝方位和几何形状，而应该在靠近这种裂缝附近记录诱发微震。1991年，Kiselevitch等人提出了一种地面微地震监测方法即发射层析成像技术，并应用此技术成功勘探到冰岛一处地热田。2004年，美国Barnett页岩气井增产改造储层时，首次用地表检波器排列发射层析成像技术监测水平井水力压裂并获得巨大成功。

2区域地质特征

某地區地层厚66.23～80.78m，平均厚74.4m，为深灰、黑灰色泥岩、砂质泥岩夹薄层石灰岩及煤层组成，该组底部有厚3m左右的铝土质泥岩，顶部为厚10m的石灰岩夹粉砂岩和泥岩。区内岩性由深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及少量细砂岩、泥灰岩、石灰岩和铝质泥岩组成，含煤10～12层，但煤层相对较薄，天然裂缝较为发育。区内煤层气储层测井曲线响应特征主要表现为“三高二低”特征（高电阻率、高补偿中子、高声波时差、低自然伽马、低密度），现今最大主应力方向为北东东-南西西向，煤层含气量在9.4～19.7m3/t之间，气体成分中甲烷含量较高（82.41%～99.21%），煤层气质量较好。

3观测系统设计

常用于煤层气压裂的微地震地面观测系统以环形、网格状、星形、十字形等多种方式布设。根据井区的地质和地表条件，采用满足方位角覆盖以及信号传播衰减规律条件的环形布设方式，以井口为中心，共安装40台微地震监测检波器，其中深孔（地表深度20m～50m）安装检波器10台，浅孔（地表深度5m～20m）安装检波器10台，近地表安装检波器20台。

本次监测采用深孔、浅孔和近地表的组合式观测方法，首先有利于减少钻孔数量，从而降低监测成本;其次，由于埋置在深孔中的检波器受到环境噪声的影响较少，采集的微地震监测数据信噪比更高，可以通过深孔检波器的有效信号标定近地表检波器的微弱信号，提高微地震事件的正确识别率。

4分析与处理

4.1压裂工艺

采用投球分层压裂工艺技术对该井M6-1、M6-2、M7、M8、M12煤层分三段进行压裂改造。通过压裂施工，改造煤层气储层的渗流条件和泄气体积，增大煤层的解吸速率，解除储层近井区域的污染堵塞。三段压裂共使用压裂液方，压裂施工压力在20～40MPa之间，施工排量约为10m3/min，共使用压裂液2800m3。其中，前置液采用70-100目的石英粉砂段塞降低滤失、孔眼摩阻及支撑微裂缝。携砂液前期采用40-70目石英细砂，主要用于支撑次裂缝;后期采用20-40目的石英中砂，主要用于支撑水力主裂缝和提高近井裂缝的导流能力。

4.2速度模型建立

利用QM1井的多极子阵列声波测井曲线建立初始速度模型，利用监测到的射孔事件对速度模型进行了校正。利用校正后的速度模型对射孔位置进行了重定位处理，可以看出反演射孔位置与真实射孔位置能过较好对应，二者之间的误差是由于拾取的初至到时中存在拾取误差以及反演并未完全搜索到全局极小点造成的。

4.3微地震事件识别

针对煤层气储层压裂微地震事件信号能量弱、数据信噪比低，采用基于MatchandLocate的定位方法（简称M&L）对微震信号做互相关叠加来探测微震事件（ZhangMandWenLX，2015）。与传统的微震监测方法相比，M&L方法可以检测到更小震级的地震事件。分析检测的有效信号，微地震信号频带主要分布在40-100Hz。

5结论

（1）通过对QM1井的水力压裂监测，裂缝长约160m，缝宽约为80m，方向北东东-南西西，与该区域现今最大主应力方向相一致。

（2）相对于砂岩和页岩，煤岩刚度小、强度低、脆性较好，在压裂规模较小的情况下，微地震信号能量较弱。采用深孔、浅孔和近地表的组合式观测方法，有利于降低监测成本，可以通过深孔检波器的有效信号标定近地表检波器的微弱信号，提高微地震事件的识别率。

（3）由于煤岩的岩石力学性质，微地震信号能量微弱，采用改进的MatchandLocate的可以检测到更小震级的地震事件。

（4）煤层气储层在压裂过程中，多以应力传递的方式发生破裂，微地震信号分布范围较广、且事件较为分散。

（5）由于渝南地区煤层厚度较薄，煤层顶底板以泥岩、灰岩为主，建议压裂设计时应充分考虑煤层顶底板的岩石力学性质，合理设计压裂规模，优选支撑剂及相关入井材料，避免压裂时对煤层顶底板的破坏。

参考文献：

[1]赵争光，马彦龙，刘颖，等.油气田水力压裂地面微地震监测技术研究[J].能源技术与管理，2014，39（1）：1-3.

[2]刘博，梁雪莉，荣娇君，等.非常规油气层压裂微地震监测技术及应用[J].石油地质与工程，2016，30（1）：142-145.