松辽盆地北部页岩油水力压裂微地震监测技术及应用

王维红，时 伟，柯 璇，韩 刚

东北石油大学，黑龙江大庆163318

0 引言

松辽盆地大庆探区非常规油气资源具有类型多、分布广、潜力大等特点［1］，近几年松辽盆地北部陆相页岩油调查取得重大突破，极大地推动了页岩油工业化开采进程［2］.对于非常规油气资源的勘探开发，水力压裂储层改造技术是国内外应用较为广泛的一种增产手段，而微地震监测技术则是定量分析、评价水力压裂后储层改造情况的一种技术方法［3］.常用的微地震监测主要有井中监测和地面监测两种方式［4］.微地震监测技术从20世纪70年代开始井中监测，逐步走向成熟.2000年以后随着仪器精度及数据处理手段的提高，地面微地震监测逐步取代井中监测，成为目前应用最为广泛的水力压裂监测方式［5］.一般情况下，微地震监测分为实时监测处理和后期高精度处理两部分［6-7］，通过对微地震数据的高精度处理可以反演水力压裂后地下裂缝的倾角、走向、震源位置及发震时刻、震源震级、压裂面积及SRV体积等参数［8-11］.通过对监测数据的实时处理还可以监测水力压裂施工中裂缝发育的实时情况，进而适时调整压裂方案，降低油气开发成本，为进一步储层改造及开发井位部署提供技术支撑［12］.目前，微地震监测技术在煤层气开发、矿山安全监测等方面也发挥着重要作用，体现出巨大的商业价值［13］.

1 地面微地震监测原理

水力压裂施工中利用地面高压泵组将高黏液体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，进而在压裂井射孔部位产生高压，当井壁附近的地应力和地层岩石抗张强度不能抵抗注入的高压时，地层产生裂缝，继续注入带有支撑剂的携沙液，裂缝向四周延展并形成复杂的裂缝网［14］.地面微地震监测技术是指将检波器阵列部署在地表，采集压裂、注水等工程作业诱发岩石破裂时产生的微地震信号，通过分析和处理微地震信号，求解岩水力压裂过程中的各种裂缝参数，进而对水力压裂效果做出一系列定性、定量分析［15］.

在水力压裂储层改造工程施工中，微地震监测技术的应用主要包含4个方面［16］：1）储层压裂监测——微地震监测与压裂施工同步进行，可以实现监测水力压裂裂缝的产生，实时或精细确定裂缝的高度、长度、倾角及方位，进而刻画裂缝网络，评价压裂作业效果，优化压裂方案；2）油藏动态监测——针对油田流体驱动中追踪流体前缘，对于动态掌握地层裂隙状态、提高产能有一定的帮助；3）震源机制研究——可提供有关油藏内部变形机制、震源震级大小、传导性裂缝和活动断裂构造形态的信息；4）多信息综合研究——将微地震监测与其他井中地震技术及反射地震技术综合分析，能够形成地震－地质－工程一体化工作模式，进一步认识储层压裂效果，为下一步井位部署及压裂施工提供技术支撑.降低储层监测的周期和费用.

2 研究区概况

松页油1HF井位于黑龙江省大庆市大同区大榆山村西1.9 km处，构造上位于松辽盆地中央拗陷区齐家凹陷南部，目的层为上白垩统青山口组一段（青一段），井别为参数井，井型为开窗侧钻水平井.此次压裂施工设计为10段，钻探目的为了评价青一段页岩油含油气性和产能（表1）.

表1 松页油1HF井简况Table 1 Profile of SYY-1HF well

区内植被覆盖严重，交通不便.地质结构复杂，标志层不明显，褶皱、断层、岩性变化不稳定，露头出露较差，故地质复杂程度为Ⅲ级.

物探工作区以第四系覆盖为主，发育冲沟，平均坡度5～10°，高差50～200 m.综合地形等级为2.0级.

3 微地震监测技术应用

3.1 观测系统布设

根据观测系统的调研和论证结果，此次松页油1HF井微地震监测设计采用矩形网格观测系统.部署观测系统基础原则是［17］：1）围绕压裂段地表投影点，全方位均匀地覆盖目标区；2）检波器距井场300 m以上且需埋深2 m，在保证检波器良好耦合的前提下，尽量降低各种背景噪声干扰，避开压裂车群、人员车辆、生产和施工井等；3）保证仪器在允许的环境条件下可靠地连续工作.

此次布设检波器为三分量、宽频专用微地震台站，共部署6条测线，均为近南北向的长测线，平行于井轨迹部署.图1表示本次微地震监测检波器部署情况，红色及黄色标记处布设52台三分量检波器，黄色标记位置处增设12台低频检波器.布设检波器过程中，检波器埋置地表打孔采用拖拉机钻机与洛阳铲结合的方式，三分量设备埋深均在2 m左右，低频设备采用浅地表埋置的方式.

采集过程中连续记录地震信号，检波器时间采样间隔为2 ms.监测时除整个压裂段的压裂过程外，常在压裂前后的一段时间同样进行监测，这样可有效记录背景噪声和射孔信号，在了解噪音情况的同时进一步矫正储层速度模型，为微地震成像提供基础资料.

图1 松页油1HF井和微地震信号采集器布设卫片图Fig.1 Satellite image of SYY－1HF well and layout of microseismic signal collectors

图2 某时刻采集到的不同分量微地震原始数据Fig.2 Original microseismic data collected at a certain moment by components

3.2 微地震数据采集

为满足本次地面微地震监测采集需要，确定采样间隔为2 ms.共采用63套专业采集设备以SEGY格式记录存储原始数据，其中51套检波器为三分量设备，12套检波器为低频设备，包括Sigma采集台站、三分量检波器VM－S112、无线传输天线和供电电源.采集到的原始微地震信号数据如图2所示.

3.3 微地震数据处理及解释

油气井压裂微地震监测数据处理的主要目的是确定压裂诱发裂缝的形态，对压裂过程中释放的一系列微地震信号进行震源定位［18］，通过刻画一系列事件点的空间和时间分布来确定压裂裂缝的形态［19］.本次施工根据对监测作业区的实地踏勘及地质条件的分析，在压裂井场周围布设地面检波器阵列（FracGrid）及WIFI数据实时传输系统，利用微震监测仪器车进行监测和数据接收，并向现场压裂工程人员提供水力裂缝的实时成像结果.技术流程如图3所示.

图3 地面微地震监测技术流程图Fig.3 Flow chart of ground microseismic monitoring technology

微地震数据处理的主要工作如下.

1）有效微地震事件信号检测［20］：从大量连续记录的数据中检测出包含有微地震事件信号的数据段，以用于震源定位处理.

2）信号分析与去噪处理［21］：分析信号特性，采用各种滤波算法及噪声压制手段，针对不同类型的信号，有针对性地对不同类型的信号进行滤波与去噪处理，来提高微地震信号的信噪比.高信噪比的微地震信号可大大提高微地震事件的定位精度.

3）地层速度模型建立与校正：各种震源计算方法都需要利用到地震波在地层中的走时信息，建立区域的等效速度模型或分层速度模型.然后利用射孔监测到的信号对速度模型进行校正，可以得到比较准确的地层地震波速度模型，从而提高震源计算的精度.

4）震源定位［22］：采用合适的震源计算方法对监测到的微地震信号进行震源定位计算.井下监测和地面监测的震源定位方法不同，井下监测的信号信噪比高，一般采用基于初至提取的震源定位方法，地面监测的信号信噪比低，一般采用基于波形偏移叠加的震源定位方法.

图4 第四段压裂事件点Fig.4 Event points of fracturing in Stage 4

5）裂缝解释：根据定位结果，结合数据分析算法，最终确定各段裂缝的形成演化过程，定量分析水力压裂整体参数，做出压裂效果评价.

针对本次水力压裂微地震监测施工，通过详细分析压裂井的测井录井资料，对压裂段地层分层，建立P波、S波二维层状模型，并采用裂缝层析成像技术［23-24］，对微地震数据进行基于能量叠加的微地震事件反演定位计算.对全井10段压裂原始数据进行处理，这里以第四段处理结果为例.

第四段压裂共监测到明显微地震事件69个，处理后得到第四段压裂事件点如图4所示，其中蓝色线条表示井轨迹.图4为平行于井轨迹的剖面图，坐标表示与井口的相对位置.图5为图4的局部放大图的解释结果，图中色标表示不同微震源形成的先后顺序，红色线条表示第四段压裂的裂缝连通情况.压裂裂缝形成过程如图6所示，图中时间色标由左至右表示微震源形成的先后顺序.通过计算得到第四段压裂有效储层改造体积（SRV）示意图（图7），图中色标表示压裂区域内能量的相对密度，能量越强表示该部位储层改造的程度越大.

图5 第四段裂缝解释图Fig.5 Interpretation of fractures in Stage 4

通过分析裂缝解释结果（图4—6）及第四段能量扫描空间展布图（图7），发现该段压裂过程中，压裂前期事件点数较少，形成一条主裂缝，裂缝整体沿北东向.随着压裂进行，事件点数不断增加，水平方向形成与主裂缝平行的裂缝，并构成一条与主应力方向垂直的共轭裂缝.

图6 第四段裂缝形成过程示意图Fig.6 Formation process of fractures in Stage 4

图7 第四段压裂有效储层改造体积示意图Fig.7 Sketch of SRV for fracturing in Stage 4

经综合分析后得到主破裂的空间分布特征如下.1）该段压裂主裂缝缝长度约为79 m，其中左缝有效长度约为38 m，右缝有效长度约为41 m，主裂缝缝宽约为20 m，缝高约为15 m.2）主裂缝的走向为NE50°.3）有效压裂区域面积约为8 000 m2，有效压裂区域SRV约为216 384 m3.4）第四段两翼造缝规模西侧与东侧大致相等，形成一条北东向主裂缝，裂缝整体呈复杂的网状缝.5）压裂段形成理想的共轭裂缝，判断该裂缝最大水平应力方向为北东方向，北西向应为与最大水平应力垂直的最小水平应力方向.

3.4 全井段微地震事件成果解释

应用3.3节中微地震数据处理模式对全井段微地震资料进行处理，获得松页油1HF井全井段压裂微地震事件点处理结果图（图8），图中坐标为井口位置的相对坐标.对数据处理后得到松页油1HF井总有效压裂面积图（图9）、松页油1HF井压裂有效储层改造体积图（图10）和松页油1HF井全井段压裂能量扫描二维空间展布图（图11）.

全井段总有效压裂面积图（图9）是根据不同压裂段裂缝解释结果（图8）对全井段去包络得到的，该面积是后续计算压裂改造体积的重要参数.计算表明，松页油1HF井总有效压裂面积为82 818 m2.

图8 松页油1HF井全井段压裂微地震事件点处理结果图Fig.8 Process of the microseismic event points of whole well

通过计算得到SRV体积示意图（图10）.因地面微地震对事件垂向上定位误差较大，加之目的层的厚度不大，所以对压裂的高度直接按照目的层的平均厚度进行近似计算.参考地质和地震综合研究结果，目的层厚度取12 m，利用图9给出的压裂面积与目的层厚度建模，获取SRV体积值.计算表明，松页油1HF井压裂有效储层改造体积为2 115 576 m3.

将松页油1HF井全井段压裂能量扫描二维空间展布（图11）与事件点分布（图8）进行对比，图11中色标表示相对能量强弱，其中红点为射孔点参照物，蓝点为分割器，即表示压裂目的层改造程度.结果显示，随着桥塞间的距离减小，分布越密集，压裂效果越好.

图9 松页油1HF井总有效压裂面积图Fig.9 Total effective fracturing area of SYY－1HF well

4 结论

对于非常规油气的钻采，水力压裂技术得到广泛的应用.本次松页油1HF井地面微地震监测工程，通过监测水力压裂产生的微震对压裂裂缝方位、倾角、长度、高度、宽度、储层改造体积等压裂评价参数进行定量计算，进而掌握压裂后人工裂缝延伸情况，为优化井位部署、压裂工艺设计、油气田设计及生产开发等提供了依据.综合分析松页油1HF井地面微地震水力压裂监测成果，取得结论及认识如下.

图10 松页油1HF井压裂有效储层改造体积图Fig.10 Sketch of SRV for fracturing in SYY－1HF well

图11 全井段压裂能量扫描二维空间展布图Fig.11 2－D fracturing distribution by energy scanning of the whole well

1）各段压裂造缝效果较为明显，裂缝方位近北东向.水平段除第一和第二段东翼压裂效果较好，裂缝延展长度较大外，其他各压裂段两翼裂缝延展长度大致相当.

2）压裂造缝以主裂缝为主，伴随有次要裂缝产生，在一些压裂段呈现复杂的网状缝特征.相比于致密砂岩油气藏，松页油1HF井的压裂井整体造缝长度略显不够，综合分析后认为可能是泥页岩的塑性较大，对远离井轨迹的区域压裂造缝难度较大.

3）压裂井整体造缝效果显示，第四、第七和第九段两翼造缝规模相当，第一、第六和第十段西侧稍小于东侧，第二段西侧远小于东侧，第三、第五和第八段西侧稍大于东侧，说明目的储层存在一定的非均质性.

4）对松页油1HF井全井段压裂能量扫描二维空间展布图分析后发现，随着桥塞间距离减小，事件点分布越密集，压裂效果较好.