不同傾角煤層氣井的水力壓裂微震監測

發布時間：2021-03-04所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要在2017和2018兩年中，我們對新疆18口煤層氣井的水力壓裂，應用微地震向量掃描技術，實施了微震監測。這批井的特點是，除3口井煤層的傾角小于30度外，余均為高傾角，其中6口井的傾角大于70度，近乎直立。由于煤層在強度上較常規油氣儲層顯著得低，因而壓

　　摘要在2017和2018兩年中，我們對新疆18口煤層氣井的水力壓裂，應用微地震向量掃描技術，實施了微震監測。這批井的特點是，除3口井煤層的傾角小于30度外，余均為高傾角，其中6口井的傾角大于70度，近乎直立。由于煤層在強度上較常規油氣儲層顯著得低，因而壓裂設計預期裂縫沿煤層延展。然而，經反復校核，盡管多數井的裂縫帶滿足預期(占總井數的72%)，還是確認了3口井(17%)的裂縫延展面同已知煤層在傾向上有一個40~60度的夾角;另一類特例是2口井(11%)的類似X型的破裂，即一個裂縫面滿足了預期的傾向和傾角，同時也有一個傾向相反、傾角相似的破裂面。因而在機理上，若視煤層為已有斷層，在構造應力場作用下，煤層的壓裂破裂面有三種可能性：(1)僅沿煤層延展;(2)僅沿已有斷層裂隙面延展;以及(3)同時沿這兩個層面破裂。此外，破裂面展布以相對壓裂點向上為主。研究這些壓裂裂縫面的產狀、發育機理、與對其微震監測的解釋方法特性，對具有不同傾角的煤層的壓裂設計與壓裂監測，有重要意義。

　　關鍵詞煤層氣;水力壓裂;微地震;向量掃描;解釋

　　0引言

　　壓裂是獲得油氣產能的常規手段(Sheriff，1991)。近些年來，石油和天然氣、煤層氣、頁巖氣、甚至干熱巖的井壓裂及其監測獲得了不小的發展(例如，劉振武等，2013;Liangetal.2015;LiangandWang,2017;GrechkaandHeigl,2017)。本文討論應用微地震向量掃描技術(Vectorscanning，VS)于不同傾角煤層氣井的水力壓裂微震監測，是VS系列文章的重要應用的典型實例之一。

　　壓裂監測中，所遇多為水平狀或近水平狀的煤層和油氣儲層，加之板塊運動引起的中國大陸地區最大主壓應力方向也多是水平的(中國地震局地殼應力研究所，2009)，從而壓裂裂縫帶無論是預測還是監測的結果，無論是直立的還是水平的平面縫，多沿水平方向延展(LiangandWang，2019)。

　　在2017和2018兩年中，我們對新疆18口共35層段的煤層氣井的水力壓裂，應用VS(LiangandLeng，2016;Liangetal.2016;Liangetal.2017;LiangandWang，2019)實施了微震監測。這批井的煤層特點是，除3口井5層段的傾角小于30度外，余均為高傾角煤層，其中6口井11層段的傾角甚至是直立或近直立的(表1)。這對我們壓裂監測的解釋是一個很大的挑戰。

　　由于煤層在強度上較常規油氣儲層顯著得低(圖1)，因而壓裂設計預期裂縫沿煤層延展。然而，盡管我們確認已經嚴格執行了應用VS的必要條件(LiangandWang,2017)，最大限度地提高信噪比，保證了監測質量，并在解釋中反復校核，發現結果并不完全如愿。因而必須給予合理的機理解釋。此外，由于煤層是高傾角的，過去為了加快解釋速度而經常采用的水平2D平面檢查是否壓裂點附近有微震活動的方法(例如，Guoetal.本期同發或前一期)，在這里也不適用了，而不得不使用3D或者2D縱剖面實施檢查。

　　相關期刊推薦：《地球物理學進展》(雙月刊)1986年創刊，本刊是中國科學院主管，中國科學院地質與地球物理研究所和中國地球物理學會共同主辦的地球物理學及相關領域的綜合性學術刊物，國內外公開發行。主要報道國內外地球物理學研究的最新進展和成果，探討地球物理學的發展戰略，評價地球物理學科的現狀和發展趨勢。

　　在第1章，我們敘述VS的原理、應用的必要條件、以及在監測過程中為滿足這些條件所采取的措施，包括垂向分辨率的討論。第2章詳細描述了對于不同傾角的煤層，這18口井35層段壓裂裂縫的解釋、分布、及其機理的特性，并給出典型例子。第3章在分析討論壓裂裂縫帶分布的基礎上，對不同傾角煤層氣井的水力壓裂微震監測給予結論。

　　1.2監測實施過程

　　1.2.1野外數據采集

　　Liangetal.(2016)對VS應用中專用微地震監測儀器特性、儀器數量、微震監測臺網布設原則、安靜點的數值定義等做了詳細的敘述。作為例子，本節中各圖顯示了W11-L1井的監測實施過程。

　　我們首先使用快速背景探測儀踏勘井口周圍半徑2km內的噪聲水平。監測時，井口有壓裂車群，故井口半徑1km內無法安置臺站;同理，任何繁忙公路和地面機器附近數百米至千米范圍內也不能放置臺站。通常選擇背景噪聲至少是合格的點位布設微震臺網;按照安靜點的數值定義，本批監測的野外數據質量多為優(<0.5)或良(<0.75)。每次均使用了25個微地震臺，各臺間距≥40m(圖2、圖3)。每個臺站獨立實施GPS定位。

　　需要說明的是，這18口井全部在起伏高差大于30m的丘陵或山區，以至于微震臺網的幾何分布無法盡量均勻分布(例如圖2)。然而，對于保證微震監測質量來說，選取背景噪聲低的安靜處設點較均勻分布要重要得多(Liangetal.2016)。

　　1.2.2數據處理

　　整個數據處理分為準備、去噪、掃描計算等步驟。其中，第1步在正式監測前準備完畢;去噪和掃描計算則融入一個完整的自動化過程;分述如下。

　　數據處理準備分為建立監測區域的速度模型與掃描計算幾何設計(圖2)。掃描計算時，需要確定空間中每點輻射出的地震射線到達臺站的路徑和走時，這就需要知道監測域的速度分布。建立地震波速度模型主要根據區塊評價的較完整的速度模型和/或已有的監測域內外的聲波測井數據(Liangetal.2017)。W11-L1井的監測使用了監測區內及附近的9口井的聲波測井數據，經光滑處理消除測量中的異常，據一般山區速度分布經驗補充了淺層速度，隨后據此插值出3D速度模型(圖2)。掃描計算中使用了最常用的泊松比值(0.25)實施縱波至橫波的速度轉換。

　　獲得臺站坐標、井軌跡數值點、壓裂點幾何位置后，通常對掃描范圍定義一個1000m×1000m×200m的體積，可得到此段的監測計算幾何設計。當煤層傾角高于45度時，上述掃描深度200m將改為600m，如圖2所示。我們采用20m(臺站GPS最大誤差或平均掃描誤差，例如Shenetal.2009和Liangetal.2016)與1分鐘的網格和時間間隔進行掃描計算，據此描述壓裂裂縫的時空分布。

　　Liangetal.(2017)詳細敘述了數據去噪的步驟和要求。去噪的重點是地面機器的干擾。經常地，一個120秒的數據段可能被分為1至幾個子時段(圖4)，否則它將被分為兩個1分鐘數據段，然后投入掃描計算，其中通過掃描計算的數據疊加，最后壓制一次殘余干擾。

　　1.2.3解釋

　　一個時段監測的解釋基本過程是，解釋人員檢查破裂能量空間分布，選出壓裂點附近有較高破裂能量的某種S波型的重要時段，并不斷累積已有的重要時段，觀察壓裂裂縫帶隨時間的變化;當壓裂結束時，到最后一個重要時段的累積就是最終壓裂裂縫總效應。

　　這里應當說明挑選重要時段的具體方法。一次壓裂誘發的微震活動，通常具有積累一段時間的注入能量、然后再釋放的間歇性;壓裂點附近的破裂亦可誘發遠處的將來或許與主裂縫網連通的裂隙，即跳躍性(LiangandZhu，2004;Maxwell，2014;GrechkaandHeigl,2017;Guoetal.本期同發或前一期)。因而，解釋中必須去除那些微震平靜期殘余干擾占主要成分、以及太遠的誘發破裂而不可能與壓裂主裂縫連通的時段。我們在過去的壓裂監測中，一般所遇多為水平狀或近水平狀的煤層和油氣儲層，加之板塊運動引起的大陸地區的最大主壓應力方向也多是水平的(中國地震局地殼應力研究所，2009)，從而壓裂裂縫帶無論是預測還是監測的結果，無論是直立的還是水平的平面縫，多沿水平方向延展。因而，這種解釋中的檢查，僅需觀察圍繞壓裂點的2D水平平面即可(LiangandWang，2019)。

　　對于傾角小于30度的煤層的壓裂，上述方法依然奏效。然而，對于高傾角煤層(圖5a、b)，則可能漏掉某些重要時段。似乎最好最快的方法是檢查煤層所在空間的平面;但問題是，整個煤層的產狀在空間也可能有變化，差別甚至可達一二十度甚至更多;加之微震活動經常是“天女散花、適當集中”，不僅要考慮微震的幾何分布，還要顧及其能量大小。于是，顧及解釋中的檢查效率，應當檢查與煤層走向正交的所有縱剖面(圖5c)。

　　實際解釋中，我們發現，對各時段僅僅檢查過壓裂點的縱剖面所得重要時段的集成結果與檢查所有縱剖面的大體一致。這是由于，在一個數秒以上的時段內，一般由于過壓裂點縱剖面上的破裂而選中的重要時段，其所在的3D數據體的集合足以描述出當時整個煤層平面的微震活動。于是，在存在大量重要時段的情況下，僅僅檢查過壓裂點的縱剖面去挑選重要時段即可，而不一定去檢查一個時段的所有縱剖面。

　　另一方面，在解釋中，按照煤層的地質調查的走向切取縱剖面檢查，有時得到的最終破裂面的傾向和傾角與地質調查所設想的并不一致;甚至，無論在哪個方位切取縱剖面，最后結果始終是具有穩定的傾向和傾角的破裂面，當然略有極小差異。因而，我們常常是先用地質調查的傾向試檢查，最后總有一個穩定的傾向作為最后的解釋輸出。

　　1.3垂向分辨率

　　煤層氣井壓裂中，除了層介質強度低(圖1)，另一個重要特點是一般煤層垂深小于千米。由于VS通常是在最大為3km×3km面積上的地面監測，當壓裂點較深時，垂向誤差可達水平向的2~3倍之多(Shenetal.2009;LiangandLeng，2016)。而這里我們需要切取縱剖面檢查，有必要分析垂向上的分辨率。

　　圖6比較了微震在深度500m和4000m時的監測結果。若取最高破裂能量(或信噪比下限)的一定百分比，如95%，以上的點作為監測到的微震點，則水平位置(圖6上排)均準確。但在垂向上(圖6下排)，則500m深的垂向定位有10~20m的誤差，而4000m的震源垂深誤差則達30~50m。顯然，煤層深度較淺，有利于我們確定縱剖面上的微震活動。應當說明的是，實際上，當我們集成(疊加)大量的3D重要時段數據時，相當于減弱垂向上的誤差;因而，最后的集成結果，無論水平還是垂向，均可為10~20m。