微地震地面监测技术在城口页岩气勘查区的应用

王 飞 黄振华 郭晓中 王达远

(页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心， 重庆华地工程勘察设计院， 重庆 400042)

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。目前，我国页岩气勘查区的勘探开发程度较低，通常没有合适的井作为压裂井微地震监测的观测井，因此需要探索地面监测技术在页岩气储层压裂监测中的应用。

其实，在地面布设检波器采集微地震信号是微地震监测技术最早采用的方法。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2 440 m。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[1]。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[2]。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[3]。

近年来，地面微地震监测技术快速发展。与井中监测方法相比，地面监测的检波器布设灵活，更适合在无合适观测井的页岩气勘查区块运用。地面微地震监测，测线径向延伸长达几千米，不受采集平面方位角的限制，可以更准确地确定裂缝的走向，同时因为可以放置数量较多的检波器，监测覆盖的范围也就更大[4]。地面微地震监测中，检波器布置主要有星型排列、网格排列和散点排列3种形式。由于要考虑成本和施工效率等因素，国内采用的网格排列和散点排列形式接受道数通常较少，从十几个到几十个不等；检波器的埋置方式也存在差异。目前，国际上比较常见的地面微地震采集方式主要采用星型排列，接受道数在1 000个以上。星型排列形式的优点是在处理过程中可通过叠加和去噪的方法提高数据信噪比，可以识别到较弱的微地震信号；其缺点是检波器通常直接插入地面，耦合性较差，受地表噪声干扰严重，同时采集成本高，采集的数据量庞大，实时处理难度大。此外，稀疏台阵地面微地震监测技术在国内也有广泛应用，其优点是成本低、施工方便，数据反演定位能获得较准确的结果[3]。

2 研究区的地震地质特征

渝东北地区处于大巴山逆冲推覆带前缘，横跨秦岭地层区与扬子地层区。区内断裂发育，构造由一系列北西向紧密线形复式褶皱及斜冲断层组成，为叠瓦状逆掩推覆构造。褶皱越近地表强度越大，野外常见60°～70°的大倾角地层。

城口页岩气勘查区的城页1井区，在构造上处于岚溪-东安复式向斜，区内次级褶皱发育，背斜和向斜相间分布。在其南西和北东向，分别发育城巴断裂带和大店子-油房断层。断裂带附近发育一系列派生逆断层，但离城页1井较远，对井区页岩气的保存及压裂影响较小。

城页1井井深约1 500 m，压裂目的层为下寒武统鲁家坪组，开孔层位即鲁家坪组。区域地表低速带较薄，微震信号传播路径相对简单，信号吸收衰减少，易于地面微地震检波器的接收。压裂段上部沉积厚层状为灰黑色碳质页岩，下部为灰黑色碳质页岩与碳硅质页岩不等厚互层。岩心呈灰黑色，性硬，较致密，脆；其破裂信号纵横波能量较强，起跳干脆。岩心整体破碎严重，局部可见页岩斜层理。岩心裂隙、裂缝发育，常被亮晶方解石及碳泥质充填，呈不规则脉状、薄层状。

地层微电阻率扫描成像(FMI)双井径分析表明，椭圆井眼长轴方向为北东-南西向；井壁崩落分析表明，井壁崩落走向为北东-南西向，说明其最小水平地应力方向为北东-南西向。此井的三轴应力呈逆断层特征，储层段最大和最小水平主应力差 18～22 MPa，说明区域构造应力强，水平向上不利于复杂裂缝网络的形成，而将导致裂缝形态相对简单的两翼缝。

3 地面微地震监测试验

3.1 数据采集

渝东北城口页岩气勘查区块的勘探开发程度较低，城页1井周边无合适的井可作为观测井，不能进行井中监测。因此，对此井的压裂微地震监测采用地面监测方式，通过部署在地表的检波器进行数据采集。检波器接收微地震信号过程中受到的影响主要是地面噪声的干扰，同时由于地面检波器与压裂目的层的距离较远，高频信号容易被地层吸收。常规的地面微地震数据采集，通常是将检波器直接插入地表，因而受地面噪声干扰严重，同时地震波由于地表低速带的吸收而衰减严重，数据信噪比一般较低。本次监测试验，为了降低地面噪声干扰，在地面稀疏台站微地震监测系统基础上，应用近地表浅孔微地震监测方法，钻浅孔埋置检波器，孔深1 m以上。

共布设监测台站32个，整体呈环形分布。台站排列直径长约1 500 m，与页岩气压裂目的层深度相当。采用三分量速度检波器，其灵敏度为200 V/(m·s-1)，频率范围4.5～1 000 Hz。将检波器下放至浅孔底部后(其中有6个孔的深度为 30 m，钻至基岩以下)，用水泥灌孔至地面，使检波器与基岩耦合。

3.2 信号分析

采用上述方法布设的检波器，接收到了较明显的压裂微地震信号。图1所示，为30 m浅孔检波器接收到的微地震事件。从图中可以看到，微震事件初至清晰，纵横波成对出现，符合压裂微震事件典型特征。其中，纵波能量弱，横波能量相对较强，纵横波时差约200 ms。从城页1井纵横波测井资料得知，区域纵波速度约5 000 m/s，横波速度约3 000 m/s。地震波传播距离以井深1 500 m计，得纵横波时差为200 ms，验证了此地震波为压裂微地震事件。

裂缝发射的微震频率很高，根据在实验室做的不连续的裂缝扩展实验，其高频成分在30～300 kHz。如此高的频率成分是目前的检波器不可能接收到的，且高频成分在地层中衰减很快，可探测距离很短[5]。井中监测一般要求观测井与压裂井的距离不超过800 m，检波器与压裂目的层要处于同一套地层，其接收到的信号主频在150～400 Hz。此次监测到的微震信号频带范围在50～60 Hz，压裂产生的高频信号在地层传播过程中基本上被完全吸收。

3.3 数据处理及压裂效果评价

微地震数据处理，包括数据加载、波形降噪、初至拾取、速度校正、事件定位及储层改造体积计算等环节。波形降噪，采用带通滤波方法。城页1井微地震监测事件主频约50 Hz，滤波器通带频率设置为 10～100 Hz，去掉10 Hz以下、100 Hz以上噪声干扰。波形初至拾取，采用长短时窗能量比法。数据信噪比较低的情况下，可能有漏拾、错拾现象。因此，数据自动拾取后进行了人工校正，确保事件拾取的准确性。初始速度模型，根据此井的纵横波测井资料建立，并利用已知射孔坐标和接收到的射孔信号进行了校正。微地震事件定位，采用经典绝对定位算法。储层改造体积计算，针对微地震事件点的位置及其密集程度、微地震属性(震级、能量、方位角度、可信度、距离)等建立不同网格尺寸的模型，建立并计算压裂改造地质体的厚度、面积、体积(SRV)等参数。

图1 压裂微地震波形及频谱图

对城页1井进行了两级压裂施工改造。正式压裂前进行了小型压裂测试，共接收到10个微地震事件，主要集中在小型压裂测试期间20 h至 20 h 10 min之间，分布在井筒20 m范围内，深度 1 430～1 450 m，裂缝延伸方向为北北西-南南东向，基本垂直于最小水平主应力方向。微地震监测结果显示，小型压裂测试已经初步压开地层。

第一段压裂，采用可钻桥塞分段压裂改造技术，电缆射孔和座封桥塞联作。压裂过程中，由于井口压力超限，难于建立排量，施工难度极高，微地震监测也仅接收到1个有效信号，显示储层未能压开。压裂方案调整后，选用水力喷砂射孔交联胶体系。施工总液量1 530 m3，总砂量93.41 t。地面微地震监测对整个压裂施工过程进行了记录。数据处理结果：第一段压裂共拾取有效微地震事件35个，压裂裂缝延伸方向为北西-南东向，半缝长约160 m；第二段压裂共拾取有效微地震事件39个，压裂裂缝延伸方向同样为北西-南东向，大部分事件集中在井筒南翼，南侧半缝长约130 m。微地震监测裂缝统计信息见表1。从微地震监测总体效果看，微地震信号共74个，主要集中于井筒南侧，压裂裂缝延伸方向为北西-南东向，垂直于最小水平主应力方向，有效裂缝半缝长约160 m，总体改造效果较好。

表1 微地震监测数据统计

根据微地震事件发生的位置和分布密度(去除个别孤立事件点)，建立了城页1井储层改造密度体(见图2)。图中，颜色越深，表示微震事件密度越大。其中，红色表示密度最大，裂缝的连通性最好。通过计算，两级压裂储层改造体积共1.93×107m3。

4 结 语

渝东北城口页岩气勘查区块基岩出露，地表低速带较薄。在城页1井区，采用钻孔埋置检波器的方法开展微地震监测，降低地面环境噪声，增加检波器与地层的耦合性，可以识别到大量有效压裂微震信号，且信号信噪比较高，纵横波初至明显。这说明，在该地区运用地面微地震监测技术是可行的。

在城页1井的压裂微地震监测作业中，采用地面监测方式，环形布设监测台站，钻浅孔埋置检波器，结果共拾取到有效信号74个，压裂裂缝延伸方向垂直于最小水平主应力方向，有效裂缝半缝长约160 m，储层改造体积1.93×107m3，总体改造效果较好。

图2 储层改造体积图

在城页1井的压裂过程中，井口超限压导致排量较低，微地震事件数量较少。以后在该区页岩气储层实施压裂监测时，应考虑提高套管和井口设备的承压能力。