井中微地震监测技术在非常规水平井压裂中的应用

◇中国石化中原油田分公司油气开发管理部 王明春

简要介绍了井中微地震监测技术的原理和技术关键，重点分析了该技术在白庙气田非常规水平井多段水力压裂中的应用，对施工重要环节、监测获得的裂缝监测成果进行了分析，认为该技术能够实现对水平井复杂、多层压裂造缝的准确描述，并对今后监测井选井提出建议。

1 前言

非常规长水平井一般储层物性差、水平井段长，为增加单井控制和动用储量，提高产能，大多采用分段压裂投产。为了更加有效的实施压裂和指导油气田的开发，开展人工裂缝监测得到人工改造裂缝的高度、长度、宽度、延伸、方位等十分重要而且十分必要。人工裂缝监测有多种方法：压裂前后井温测量、电位法、地倾斜法、微地震法等，这些方法都有其自身局限性，要么不能完全获取裂缝三维产状及实时信息等，要么价格昂贵不适合现场推广。近年来，随着计算机计算能力的提升及高灵敏度检波器的发展，微地震监测技术取得较快进步，相比其他技术，具有控制范围大，适应面广，实时性好等优点，是目前压裂监测的主要应用手段。

2 井中微地震监测技术原理

微地震监测技术是利用地面或井中检波器台网，监测由压裂引发的微地震信号，实现对压裂造缝的描述。微地震监测方法按照地震信号采集方式，分为地面、浅井、井中三种方法。井中微地震监测就是在监测目标区域周围邻近的一口或几口井中布置接收排列，进行微地震监测。由于微地震信号容易受到周围噪声遮蔽，而且在传播中受地层介质吸收，信号强度也会受到影响，因此井中方式无疑是最精确的采集方式，它利用了高灵敏度检波器，而且在井下环境中更加接近于震源，所得到的微地震信号更多、信噪比更高、反演可靠性更好。

该技术的理论基础是声发射学、摩尔-库伦理论和断裂学准则[1]。压裂时，由于地层压力的升高，岩石产生张性破裂和剪切破裂，破裂的瞬间产生微地震波，微地震波在地层中以球面波的形式向四周传播，利用设置在地面或井中的检波器监测这些微震，并通过数据处理分析确定震源位置，随着压裂不断产生新的破裂，持续监测得到足够多的震源定位，就能得到裂缝延展的方位、长度、高度、角度等信息。

反演产生微地震的准确位置是技术关键。我们知道，微地震波包括纵波（P）和横波（S），纵波快于横波，井中监测环境近似为均匀介质，其震源定位方法就采用纵横波时差法[2]，使用两者的到时作为约束，建立地震波速度模型（式4），采用解析法求解，反演破裂的空间位置。

整理可得：

联立式（1）、式（3）可得：

3 应用情况

3.1 井中微地震监测设计

白-平2HF井是中原油田白庙气田主体白9断块区的一口阶梯状、三靶定向水平井，完钻井深5374米，水平段长1200米，钻遇沙三下3+4砂组气层15层318米，气干层20层185.6米。设计分9段压裂，设计注入压裂液4051.8方，加砂487.6方,共准备压裂液4400方，支撑剂487.6方 。

在白-平2HF井分段压裂裂缝监测中，考虑白44、白66井产量高，选取白17井为监测井（图1），井中下入12级三分量检波器，白64井作为放炮定位校正井，具体监测流程如图2所示。

图1 监测井平面位置图

图2 井中微地震监测流程图

3.2 震级敏感度测试

根据本区域以往监测项目，绘制微地震震级和监测距离的关系、能量衰减和微地震震级的关系图（图3），验证监测井白17能否接收到白-平2HF多级分段压裂微地震信号，确定监测台网部署的可行性。在白17垂深3920米的震级敏感度测试结果显示：距离检波器最大距离的第10个滑套位置的微震能量等级大于里氏-1.4级时，检波器即能收到信号。而压裂时的微震信号震级一般都介于里氏-3级到+1级。因此，本次在白17井监测白-平2HF井压裂是可行的，能够监测到主要破裂事件，但距离检波器较远的层段信号弱，可能影响测试精度。

图3 地震震级敏感度测试（TVD:3920m）

3.3 检波器定向与速度模型校准

通过定位校正井放炮，监测井采集记录微地震事件，对事件开展两个方面的处理。一是根据放炮事件信号的偏振特征，应用极化原理确定三分量检波器的空间方位，并以此方位定位压裂产生的破裂位置。二是验证调整速度模型。初始速度模型中纵波速度是依据压裂井和监测井的声波测井资料求取的，而横波速度通过偶极子声波测井资料拟合的经验公式换算得到，与实际存在一定差异，需要通过利用校准井辅助放炮反演进行速度模型校正。白64井为本次震源校正井，放炮深度选择在3700m，距离第1个、第8个检波器距离分别为463m、468m。修正速度模型使得信号反演后定位的点与深度3700m点基本重合，检波器方位校正与速度校正准确，为实际监测过程中的精确定位提供了保障。

3.4 背景噪音处理

在压裂实时监测开始前，首先对监测井进行背景噪音监测，利用快速频谱分析功能对噪音信号进行及时的分析，作为设置滤波参数的重要依据之一。实测大地背景噪音一般是低频噪声，在0～200Hz的范围内，而一般微地震事件一般在200～1500Hz。在开始实时监测时，还需要利用获得的早期信号对比微地震信号和背景噪音之间的差别，修正滤波参数。原始的微地震数据经去噪处理后信号明显、清楚（图4），能够准确地拾取P波、S波，可以进行准确定位。

图4 接收到微地震信号（左：处理前，右：处理后）

3.5 监测结果

通过历时两天的连续不间断的监测，被最终准确定位的信号有649个。其中第一级压裂75个，第二级压裂78个，第三级压裂87个，第四级压裂116个，第五级压裂67个，第六级压裂62个，第七级压裂59个，第八级压裂50个，第九级压裂55个。

从不同压裂段监测到的破裂事件数目对比，第5～9段明显低于1～4段。分析原因主要是本次监测井选井时，考虑到影响产量因素，没有选择位置更合适的白44或白66井，选择的白17井距离上部压裂段偏远，在一定程度上影响了监测精度。

从监测结果可得到，白-平2HF井9级压裂裂缝走向基本一致，在北偏东60°～71°之间，平均65°。其中第5级裂缝走向为最大，为北偏东71°，第6级与第7级压裂裂缝走向最小，为北偏东60°。统计裂缝发育区动态长度最大的为第1级左翼动态长度，约为164m；统计裂缝发育区动态长度最小的为第8级右翼动态长度，约为120m。统计出裂缝发育区长、宽、高见表1。

表1 白-平2HF井水力压裂裂缝发育区长、宽、高统计表

图5、图6为白-平2HF压裂9段微地震裂缝监测结果图。图中椭图为裂缝发育区，黑色双头线为每段裂缝的走向。监测结果表明：本区最大主应力方向为60°～71°。

图5 白-平2HF井9段压裂微地震监测结果（俯视图）

图6 白-平2HF井9段压裂微地震监测结果（侧视图）

4 结论与认识

（1）应用井中微地震监测技术对白庙气田水平井白-平2HF共计9段压裂监测，准确判断了分段裂缝是否形成以及裂缝形成的先后顺序，定量解释了裂缝的长度、高度、宽度、方位角，分析认为本次水平井多井段压裂设计基本合理，达到了预期效果。

（2）在今后的监测井选择上应加强论证，尤其对此类水平段超长、投入巨大的水平井，应该以取全取准资料为原则，监测井尽量居中，监测半径覆盖全井段，如有必要可选择2口井，同时开展监测，提高监测精度。