微地震监测技术在页岩气开发过程中的应用——以四川泸州地区为例

宋慧娟，李 硕，李云迪，牟 川

(1.中石化石油工程地球物理有限公司 江汉分公司，湖北 武汉 430000；2.西南油气田公司蜀南气矿，四川 泸州 646000)

页岩气藏作为一种低孔隙度、低渗透率的储层，具有较大的开发难度。通常采用水力压裂技术，即通过地面高压泵组向地层注入高压流体使地层岩石破裂来提高页岩气的采收率(徐壮等，2021)。微地震监测技术通过监测压裂过程中岩石破裂产生的微小震动(徐刚等，2018)确定岩石破裂位置及时间，分析目的层岩石活动及状态，用于实时指导压裂工艺的改进，评估压裂效果，该技术在页岩气水力压裂过程中得到了广泛应用(张山等，2002；赵博雄等，2014)。

目前国内常用的微地震监测方法有地面微地震监测、井中微地震监测以及浅井监测(邵晓光等，2018)。浅井监测一般用于长期监测，检波点数量较少，定位精度较低。井中微地震监测施工方便、监测成本较低，但对于监测井的深度、监测井与压裂井之间的距离有较高的要求。地面微地震监测能够提供最准确的缝长、缝宽等信息，且受监测条件限制较小。

页岩气开发过程中多采用水平井组拉链式压裂的方式，实现对水平井平台大规模的体积压裂改造。井中监测需要占用平台上某一口生产井作为监测井使用，会降低平台压裂施工的效率；而地面监测可以同时对平台所有的压裂井进行监测，应用更为广泛，可以取得较好的监测效果。

笔者以泸州地区某平台为例，通过地面微地震监测的观测方式，应用震源扫描定位方法，对压裂过程中形成的裂缝位置进行了定位，达到了对压裂施工进行实时指导的目的，结合压裂施工参数和地球物理参数分析了影响压裂缝网展布的因素，并对压裂效果进行了评价，为该区压裂工艺的改进提供依据。

1 微地震处理解释技术

微地震事件定位是微地震资料处理的核心，许多学者对定位方法进行了深入的研究(宋维琪等，2013；杨瑞召等，2017)。毛庆辉等(2019)根据目标函数及求解将众多方法分为射线追踪定位方法和波形偏移定位方法，并对这2种方法的适用性及优缺点进行了分析和阐述。射线追踪定位方法基于纵横波走时，实现对微地震事件的定位，定位精度较高，需要对事件初至进行精确拾取，且对误差非常敏感，适用于井中高信噪比微地震资料。波形偏移定位方法以初至波形信息为基础，借鉴波场延拓和成像的思路实现微地震信号定位，不依赖于初至拾取精度，对信噪比较低的地面微地震监测更加适用。目前应用最为广泛的是震源扫描定位方法(Kao et al.，2004)，其基本思路是将目标区域网格化，将每个网格作为震源点，计算激发点到每个检波点的走时，沿走时曲线对微地震资料进行叠加，振幅能量最大值对应的网格为震源位置。

式中，η表示空间网格，τ为震源点激发时间，N为接收点个数，un表示第n个接收点的微地震记录，tηn表示激发点到每个检波点的走时，br(η,τ)表示某个网格点η在时刻τ的亮度函数。在目标区域网格化后，计算每个网格点在不同时间的亮度函数，亮度最大值对应的(η,τ)即为震源点的位置和发震时刻。

震源扫描方法的定位流程如图1，通过对微地震资料的处理获取事件点的位置、发震时间等信息。

图1 震源扫描定位方法流程图

在震源扫描定位法中，速度决定了激发点到每个检波点的走时，是绕射叠加结果的最大影响因素，因此速度对于微地震信号的定位精度至关重要。速度模型对于微地震信号的定位精度有至关重要的影响(崔庆辉等，2018；尹陈等，2013)，初始模型从声波测井资料和垂直地震剖面测井资料中获得，通过射孔信号对速度模型进行反演，获得更符合地层特征的模型数据。对于页岩气开采来说，目的层的各向异性是影响地震波传播规律的关键因素(吴如悦等，2020)，因此微地震资料处理过程中常采用各向异性速度模型，获取更高精度的处理结果。

微地震监测结果可以反映事件的分布形态，为压裂工艺调整及压裂效果评价提供依据。微地震监测的解释内容包括：①现场实时根据微地震事件展布特征，对压裂过程中的窜井、沟通天然裂缝等现象进行监测，并指导暂堵等特殊压裂工艺的实施；②结合三维地震提取的蚂蚁体、曲率等属性，分析裂缝展布规律及主要影响因素；③描述微地震事件波及的长、宽、高以及复杂度等特征，评价压裂效果。

2 应用实例

本次研究以泸州某平台为例，研究区位于福集向斜构造，属于川东南中隆高陡构造区，阳高寺构造群的西北部，位于螺观山构造南端与古佛山构造之间，南接梯子崖构造，西南与云顶场构造相接。压裂目的层为上志留系龙马溪组，地层横向地应力变化大，小断层和天然裂缝发育。本平台采用拉链式压裂的方式，实现对水平井平台大规模的体积压裂改造，压裂整体采用“单段多簇+暂堵转向+高强度加砂”的思路。

由于1号平台和2号平台距离较近且计划同时进行压裂施工，地面微地震监测方案采用14条放射状测线(余洋洋等，2017)，实现对2个平台8口井压裂过程的实时监测(图2)。测线道距为30 m，共计检波器1 754道。

图2 地面微地震监测观测系统

由于2号平台压裂工程工作推迟，实际只对1号平台4口井的压裂过程进行了监测，共监测到压裂110段，获取微地震事件10 688个，平均裂缝波及长度263.60 m，裂缝波及宽度平均为122.95 m,裂缝走向大致为北偏东65°～85°。

2.1 微地震监测实时指导压裂生产

在压裂施工现场实时显示微地震事件点位，为压裂施工提供实时指导。研究区目的层裂缝发育，压裂过程中容易产生窜井、沟通天然裂缝等不利于压裂改造的现象，需要通过实时调整压裂规模进行不利因素的规避，同时可以对暂堵工艺进行实时评价，分析有利的暂堵施工时间。

2.1.1 压裂窜井现象分析和适当调整压裂规模

平台井压裂施工过程中，邻井已压裂区域会对当前压裂段产生诱导作用，导致事件点波及范围明显扩大，根据成因大致分为2类。

第1类：应力传导作用引起邻井已存在的缝网活化，但并未与本段压裂缝网沟通重合。图3展示了B井第3段微地震事件分布，本段压裂过程中在A井第2～3段、C井第4段已压裂区域均产生了微地震事件，压裂缝网并未沟通，压裂液主要对本段目的层进行改造，能够达到预期改造效果。

图3 B井第3段微地震事件分布情况

第2类：本井压裂缝网与邻井缝网串通，造成当前压裂段改造不均衡，甚至会危及邻井井筒安全。图4示意了B井第6段压裂过程中微地震事件波及到C井，出现窜井现象，因此要及时降低压裂规模(主要是减少压裂液排量和加砂量)，必要时提前结束压裂施工，避免造成不必要的损失。

图4 B井第6段微地震事件分布情况

2.1.2 指示暂堵时机和评价暂堵效果

如果压裂初期出现事件点分布不均匀，对本段难以进行有效改造时，需要通过暂堵工艺对缝网的延伸方向进行控制，达到均匀改造的效果。

图5展示的是A井第1段压裂初期微地震事件的分布(墨绿色)，由于本段北侧天然裂缝发育，初期的微地震事件能量较强且向北侧延伸特征明显，未对本段进行有效改造。此时需要通过暂堵施工遏制此趋势，避免压裂缝网与天然裂缝形成有效沟通造成不利后果，包括无法对本段进行有效改造，甚至造成页岩气的流失。暂堵后微地震事件(黄色)的延伸方向发生了变化，实现了对本段目的层的有效改造。

图5 A井第1段暂堵前后微地震事件分布图

2.2 微地震监测压后评估

2.2.1 天然裂缝诱导局部缝网走向

为了达到更好的压裂效果、提高产能以及井孔稳定性，本平台水平井轨迹的方向与水平最大主应力方向垂直，通过压裂可以形成垂直于水平井井轴的多条人工裂缝。由于本区域天然裂缝发育，对人工裂缝的延伸方向有一定的诱导作用，导致部分段微地震事件的方向与最大主应力方向产生了一定的夹角。

图6是B井13段附近的局部显示，A井16段、B井13段附近发育天然裂缝，微地震事件的分布与天然裂缝的走向一致。因此在该地区进行水平井轨迹方向设计的过程中，除了参考地层最大主应力方向外，还要考虑地层天然裂缝的发育方向，以达到更好的压裂改造效果。

图6 A井16段、B井11、12、13段微地震事件分布与曲率对比图

2.2.2 压裂效果评价

本研究平台微地震事件波及体长度平均值为263.6 m，接近水平井轨迹间距300 m，除部分压裂段井间干扰不明显；本井段长范围主要集中在60～85 m，部分段可达到110 m，微地震事件波及宽度平均值为123 m，可以有效覆盖段长。

根据微地震事件的分布对压裂改造体积进行估算，用单个微地震事件的能量大小确定破裂的波及范围，用所有破裂点形成的三维空间区域计算水力压裂缝网波及体积。本平台4口井的波及体积分别为6.2×107m3、5.8×107m3、5.9×107m3、6.23×107m3，平台总压裂改造体积约为2.1×108m3，压裂改造较为均匀，取得了较好的改造效果，井间重复改造率为15.1%，说明井间距设置以及压裂规模都较为合理。

3 结论

通过本次平台井的地面微地震监测获得以下认识：

(1)微地震监测技术是一种比较成熟的评价压裂效果的技术，可以实时展示破裂位置以及缝网的延伸范围等空间信息，达到评价压裂效果的目的。

(2)由于本平台天然裂缝发育，通过微地震实时处理解释资料，及时采取了暂堵转向、调整压裂液量等措施，提高了压裂改造均匀性，有效规避了窜井风险。

(3)本区域天然裂缝的分布位置和方向与曲率特征高度吻合，且目的层天然裂缝的存在影响了压裂裂缝的延伸方向。因此本区域水平井轨迹方位可根据目的层曲率属性进行适当调整，对天然裂缝附近段进行压裂的时候需要注意控制压裂规模，尽量避免窜井风险。