水力压裂微地震裂缝监测技术及其应用

段银鹿，李倩，姚韦萍

（中国石油集团测井有限公司生产测井中心，陕西 西安 710201）

0 引言

微地震压裂监测技术是近年来低渗透油气藏压裂改造领域应用的一项重要技术。由于其具有验证或修正压裂模型、指导压裂液的选取和加砂量的判断、保证压裂施工按设计顺利进行、提高压后产量和延长压后有效期等优点，逐渐引起了人们的广泛关注［1-4］。水力压裂通过向致密低渗透、无油气开采价值的地层注入高黏度的高压流体，使储层岩石中形成裂缝；沿着裂缝，能量可以不断地向地层中辐射，造成裂缝周围地层的张裂或错动，同时各种张裂或错动会向外辐射弹性波地震能量。利用压裂裂缝微地震监测技术可以很好地检测弹性波地震能量，从而达到对地下裂缝进行解释的目的［5］。因钻井工程本身无法确定钻井和压裂的效果，故需用开发地震中的人工主动震源资料和油藏工程诱发的被动震源资料对油藏动态进行监测；而微地震裂缝监测技术是水力压裂裂缝监测的可靠手段［6-8］。

微地震裂缝监测技术起源于20世纪40年代的采矿业，而水力压裂微震监测技术则始于对地热的开发研究。到了1976年，美国桑地亚国家实验室方确立了水力压裂诱发微震的井下观测方法，随后这种方法的可行性逐渐得到了人们的认可［9-11］。进入20世纪80年代，微地震水力压裂技术研究主要集中于裂缝成像反演方法研究和井下观测仪器研发［12-14］；90年代，井中高性能多级检波器陆续出现，并得到广泛应用。目前，国内对该技术的相关研究也取得了许多成果，但对于水力压裂裂缝成像技术的研究还不够成熟，其软硬件的商业化程度较低，因此，深入开展水力压裂微地震裂缝监测技术的研究具有十分重要的意义。

1 原理及数据处理

1.1 原理

水力压裂是向储层注入高黏度的高压流体，并配以适当比例的砂子和化学物质，使储层岩石形成裂缝，从而顺利开采储层中的油气［15-18］。水力压裂时，大量高黏度、高压流体被注入储层，使孔隙流体压力迅速提高。高孔隙压力以剪切破裂和张性破裂2种方式引起岩石破坏：当高孔隙流体压入储层时，高孔隙流体压力使有效围应力降低，导致剪切裂缝产生；当孔隙流体压力超过最小围应力和整个岩石抗张强度之和时，岩石会形成张性裂缝。水力压裂形成裂缝可看成是声发射事件。

岩石破裂会发出地震波，储存在岩石中的能量以波的形式释放出来，即诱发微地震。根据摩尔-库仑准则，水力压裂或高压注水时，由于地层压力升高，沿着进水边缘会发生微地震。这种地震波能量包括纵波和横波，类似于地震勘探中的震源，但其频率相当高，在100～2 000 Hz范围内变化，能量相当于-2～-5级地震。其波形特征与储层、地层剖面有关，也与注水和压裂的过程及参数有关。绝大多数微地震发生在注水过程中，当地层受到的压力大于历史上承受的最高压力时，微震开始明显发生；注水压力越高，微震发生率越高，注入流体量越大，微震发震次数就越多［19］。一般1次水力压裂可记录到的微地震达上百次至上万次，平均发生率为0.5～1.0次/min，最高可达60次/min。

1.2 数据处理

微地震具有能量弱、频率高、持续时间短等特点，容易受周围噪声影响，因此，为了精确地进行初至拾取和震源定位，需要对微地震资料进行处理。首先，通过预处理和合理滤波，使过滤背景噪音后的微震信号显示一致；其次，选择有利的微震事件作极化分析和初至拾取，获取相对震源的偏振角和微地震事件的时间；最后，依据相应的反演理论进行计算，从而达到对震源精确定位的目的［20］。

1.2.1 微地震事件识别

由于微地震信号能量较弱，因此准确识别微地震信号是微地震实时监测成败的关键。应在对微地震信号特征（幅度谱、频谱、能量包络、频带范围等）分析计算的基础上进行判断和识别，以确定有效事件。

1.2.2 拾取P波初至和S波波至

微地震时间的拾取是一项基础性处理工作。由于水力压裂时有较大的压力作用，可能存在大量的有效事件，因此，需要在人工干预、识别的基础上进行自动拾取。初至重拾取是对初至波作2次拾取的方法，即先初步确定各微地震的震源位置，在直线传播路径的假设下，将每个三分量记录转换为P，SH，SV波，然后将微地震群在纵向上分成几组，分别将每组里的P，SH，SV波按位置顺序重排，再根据重排后同相轴的相似性进一步拾取初至时间。

1.2.3 偏振分析

偏振分析主要用于三分量数据的波场分离（采用2次定向和1次空间定向方法，分离P，SV，SH波）；用于估计P波的矢径方向，从而估计波的空间传播方向。

1.2.4 微地震震源定位

微地震震源定位是数据处理的直接目标。由于对反演结果准确度的要求越来越高，该过程是最重要也是最困难的步骤。处理的主要方法有纵横波时差震源定位法、震源-速度联合反演法、绕射叠加法和相对震源定位法［20］。

2 应用实例

利用微地震监测技术对水力压裂裂缝进行检测，可以记录水力压裂过程中的微地震事件，并根据微地震走时对震源定位［5，21-22］。由微地震震源的空间分布可以描述裂缝区轮廓。根据微地震空间分布在柱坐标系3个坐标面上的投影，可以给出裂缝的俯视图、侧视图和前视图，它们可以分别描述裂缝的平面分布、方位、参考性高度、起伏，以及裂缝面的倾斜方向、倾角等［5，21］。

本文选取某油田水力压裂微地震资料进行比较和分析。井下仪器录制参数为：压裂井和监测井水平间距为219 m；10级检波器接收，布设深度为2 083～2 173 m；时间采样间隔0.5 ms，记录长度5 s，传输间隔时间34 s，记录格式为SEG-2。射孔段共有3个，分别为深层2 185～2 187 m、 中层 2 176～2 179 m、 浅层 2 167～2 170 m。射孔及压裂监测结果如图1所示。

图1 射孔及压裂监测结果

2.1 射孔资料处理

处理的目的：首先，估计三分量井下检波器推靠到井壁上的姿态，即估计Z分量检波器的取向与垂直方向的夹角θ和H1，H2两水平分量检波器合成的方向与过2井（压裂井和监测井）连线剖面方向的夹角φ；其次，估计2井之间储层射孔段的速度分布。

表1是各级检波器利用水平X分量、Y分量计算出的偏转角及经过定位旋转之后的角度。图2和图3分别是10级检波器中第5、第10级水平分量按估计的夹角φ定位前后的矢端曲线（标值均乘以105）对比。可以看出，估计夹角是合适的，各级水平分量定位之后都转到一致的坐标系。

表1 各级检波器水平偏转角及旋转定位后的角度

图2 第5级检波器水平分量定位前后矢端曲线对比

图3 第10级检波器水平分量定位前后矢端曲线对比

图4a为第3段射孔接收到的原始X和Y分量记录，图4b为水平分量旋转定向后的记录。由图4可以看出，由于10级检波器都旋转到一致的坐标系，因而纵波和横波的同相轴都能更方便地进行对比追踪，另外，纵波和横波也得到了较好的分离。该记录显示，由于各级检波器的水平偏转方向不同，导致一些接收道存在极性反转及接收时间上的差异。如X分量中的第3，4，6，9道与其他的接收道极性相反，这导致了同相轴的不连续性，对波至时间的拾取造成困难。

通过X，Y分量旋转定位，可以将纵横波分离，纵波投影到X分量，横波投影到Y分量。从图4中能明显看到纵、横波波至，且X，Y分量旋转的角度可为实际压裂采集记录的三分量旋转提供参数。

2.2 压裂监测资料处理

2.2.1 微地震事件识别标志和方法

首先，在连续记录的波形中识别出微地震波至，其标志是振幅明显增大、相邻道相位相近、相邻道波形相似，可以看出是一个同相轴；其次，估计这个波至或这个同相轴的微地震波类型，再根据压裂井和监测井之间的位置和井旁速度模型，估计整个排列10道检波器记录的地震同相轴的时差范围，并判断其是否在合理的范围之内；最后，再考虑其他约束条件。

根据同相轴特征，识别的微地震事件可分为正常和异常微地震事件2类：1）正常微地震事件，存在于50～160 Hz的频带范围内，根据射孔和检波点深度上的位置关系（射孔在第10级检波点深度或略深的位置，因此，第10级检波器和第1级检波器的事件时差应为正值，纵波约为8 ms，横波约为15 ms），则认为这些记录对应的事件为正常事件。射孔段1，2，3正常事件分别共出现在105，101，105个数据文件中。2）异常微地震事件，存在于10～60 Hz的频带范围内，反映在各射孔段其余的记录文件中，时差为-20～-30 ms，则认为这些记录为异常事件。

图4 射孔段3水平分量记录

2.2.2 波至时间拾取

在识别微地震事件的基础上，对每个微地震事件可以自动或手工拾取每道的波至时间。图5是对射孔段2的第44号文件记录识别出的微地震事件，黄色线条标注的是波的初至时间位置。

图5 初至识别和拾取

可以看出，压裂监测接收到的微地震事件中，有纵波也有横波。另外，图5右侧图显示了Z分量上的异常微地震事件。分析认为，其波型纵波、横波均存在，是由检波器上方的震源引起。

2.2.3 震源位置定位

由各道拾取的波至时间，用反演的方法估计每个微地震震源的位置和每个微地震的发震时间［3］。假设待求的某一个微地震震源的位置坐标是 Xs，Ys，Zs，发震时间为 ts。 10 个接收点的空间坐标为 Xj，Yj，Zj（j=1，2，…，10），则拾取的微地震事件的波至时间为 tj（j=1，2，…，10）。

2.2.4 监测资料解释

将3次压裂每次微地震震源位置反演的结果分别画出来，就可据此推断每次水力压裂生成裂缝的空间分布，延伸的长度、宽度和发育的方位，估计裂缝发育和演化的过程［3，22］（见图 6、图 7）。

图6 3个射孔段反演结果

图7 3个射孔段俯视

根据每个射孔段压裂诱导的微地震震源分布，可解释每次压裂产生的裂缝参数，结果见表2。

3 结论

1）微地震事件的识别和波至时间的拾取需要考虑的因素较多，因此，自动拾取方法具有较高的可靠性。

2）微地震位置的反演精度依赖于压裂井周围介质速度模型的精确性，模型的建立除与反演方法和建模方法有关外，还依赖于地质、测井、地震资料提供信息；因此，微地震资料的处理应综合运用多种资料。另外，微地震位置的反演往往具有多解性，特别是Y方向（即微震源偏离压裂井和监测井构成剖面的距离）的正负，故需适当增加约束条件。

3）微地震的震源分布，指示压裂裂缝的位置和发育情况，是水力压裂微地震监测的最重要目标；但能否根据微地震监测的情况估计它们与水力压裂压力大小、射孔方向、压注液体配置、加砂量和程序等的关系，还需加强与地质、油藏工程和地震监测等方面的配合。

表2 3次压裂的裂缝参数

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