巫芙蓉 閆媛媛 尹 陳

頁巖氣微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)
——以四川盆地蜀南地區(qū)為例

巫芙蓉1閆媛媛2尹 陳1

1.中國石油川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司 2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與資源學(xué)院

長水平井段多井拉鏈?zhǔn)剿毫咽翘岣咚拇ㄅ璧厥衲系貐^(qū)頁巖氣產(chǎn)量和降本增效的重要手段。微地震壓裂監(jiān)測因其能夠?qū)λ毫蚜芽p進(jìn)行實(shí)時(shí)成像而被廣泛應(yīng)用于頁巖氣壓裂效果評估和壓裂參數(shù)優(yōu)化調(diào)整。但目前國內(nèi)頁巖氣微地震壓裂監(jiān)測僅能按照壓裂監(jiān)測前設(shè)計(jì)的參數(shù)完成平臺井壓裂作業(yè)后才能評估壓裂效果，其評估結(jié)果只能為下一個(gè)平臺井的壓裂參數(shù)提供指導(dǎo)，缺少對正實(shí)施井進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化壓裂參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)，致使微地震壓裂監(jiān)測的實(shí)時(shí)作用失效。為此，利用放射狀排列微地震地面監(jiān)測和微地震井中聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)，采用實(shí)時(shí)定位方法，對四川盆地蜀南地區(qū)頁巖氣長水平井段多井拉鏈?zhǔn)剿毫蚜芽p進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，實(shí)時(shí)評估壓裂效果，現(xiàn)場實(shí)時(shí)指導(dǎo)了前置液參數(shù)、射孔、暫堵劑的投放時(shí)間等參數(shù)的優(yōu)化，有效避免了重復(fù)壓裂、壓裂效果不均等現(xiàn)象，提升了壓裂改造效果。2口井組的實(shí)踐結(jié)果表明，微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測在實(shí)時(shí)評估壓裂效果和實(shí)時(shí)優(yōu)化壓裂參數(shù)方面能夠發(fā)揮重要作用，平均測試頁巖氣產(chǎn)量增加2～5倍，值得進(jìn)一步借鑒和推廣。

頁巖氣 微地震 實(shí)時(shí)監(jiān)測 水平井 拉鏈?zhǔn)綁毫?井中監(jiān)測 地面監(jiān)測 產(chǎn)量增加 四川盆地 蜀南地區(qū)

四川盆地蜀南地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣資源十分豐富[1-3]，但由于地表屬于山地地形，地形高差達(dá)400 m，交通不便，人口稠密，再加上國內(nèi)頁巖氣勘探開發(fā)配套技術(shù)不成熟，故頁巖氣的高效勘探開發(fā)進(jìn)程較為緩慢。為了加快頁巖氣的高效勘探開發(fā)進(jìn)程和提高頁巖氣產(chǎn)量，借鑒北美頁巖氣經(jīng)驗(yàn)，需要采用長水平井段多井拉鏈?zhǔn)剿毫研录夹g(shù)[4-6]。該區(qū)長水平井段最長可達(dá)2 000 m，長水平井段多井拉鏈?zhǔn)剿毫鸭夹g(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在國內(nèi)處于起步階段，壓裂參數(shù)是否合理、壓裂效果的好壞直接關(guān)乎頁巖氣是否高產(chǎn)。因此迫切需要微地震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行壓裂效果的實(shí)時(shí)評估和指導(dǎo)壓裂參數(shù)的優(yōu)化。但是，國內(nèi)頁巖氣微地震壓裂監(jiān)測發(fā)揮的作用不佳，僅在按照壓裂監(jiān)測前設(shè)計(jì)的參數(shù)完成平臺井壓裂作業(yè)后，評估壓裂效果[7-9]，評估結(jié)果只能為下一個(gè)平臺井的壓裂參數(shù)提供指導(dǎo)，缺少對正實(shí)施井進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化壓裂參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)，致使微地震壓裂監(jiān)測的實(shí)時(shí)作用失效。

此外，長水平井段多井拉鏈?zhǔn)剿毫研Чu估也對微地震監(jiān)測方式提出了更高的挑戰(zhàn)。微地震監(jiān)測一般分為微地震井中監(jiān)測和微地震地面監(jiān)測[10-12]。微地震井中監(jiān)測可以獲得高信噪比的微地震信號，但受到多井拉鏈?zhǔn)綁毫驯O(jiān)測和觀測方位的限制，沒有合適監(jiān)測距離的觀測井來同時(shí)對3～4口拉鏈?zhǔn)綁毫丫M(jìn)行監(jiān)測，因而只能使用一支未同步壓裂的井進(jìn)行觀測，造成微地震井中監(jiān)測不能夠?qū)τ^測井（檢波器沉放井）進(jìn)行監(jiān)測。另外微地震井中監(jiān)測垂向定位精度比平面定位精度高。微地震地面監(jiān)測觀測方位寬、不受觀測井的限制，但該區(qū)地表屬于山地地形，在垂向監(jiān)測距離達(dá)3 500 m的地表進(jìn)行地面監(jiān)測，微地震信號衰減大、能量弱、速度場求取困難，微地震平面定位精度比垂向定位精度高[13-16]。筆者采用放射狀排列微地震地面監(jiān)測和微地震井中聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)，結(jié)合兩者的優(yōu)勢，對長水平井段多井拉鏈?zhǔn)剿毫蚜芽p實(shí)時(shí)成像，實(shí)時(shí)指導(dǎo)了壓裂參數(shù)的優(yōu)化，提高了壓裂改造效果。

1 微地震監(jiān)測采集與處理

1.1 微地震監(jiān)測采集

微地震地面監(jiān)測采用放射狀排列，即以壓裂井口為中心，在其四周呈放射狀布設(shè)8～20條測線，1 000～3 000道檢波器，道間距20 m。同時(shí)在井中布設(shè)40級三分量檢波器，級距15 m，位置盡量靠近壓裂層段（圖1）。

1.2 微地震監(jiān)測實(shí)時(shí)處理

利用自主研發(fā)的GeoMonitor微地震監(jiān)測軟件系統(tǒng)，采用如下處理流程進(jìn)行實(shí)時(shí)定位：①建立層狀速度場。采用聲波測井速度和地震層位建立初始速度模型，對地面監(jiān)測射孔信號和井中監(jiān)測射孔信號進(jìn)行聯(lián)合定位，校正速度場，射孔定位誤差在規(guī)定范圍內(nèi)，即為最終速度場。②預(yù)處理。對微地震地面監(jiān)測信號進(jìn)行靜校正、去噪等處理；對微地震井中監(jiān)測三分量信號進(jìn)行去噪、矢量旋轉(zhuǎn)、微地震事件自動拾取[17-19]。③實(shí)時(shí)定位[20]。采用三維網(wǎng)格自動搜索聯(lián)合定位方法，對檢波器接收到的微地震事件進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，實(shí)時(shí)定位延遲時(shí)小于10 s。④微地震事件點(diǎn)空間展示。將定位出的微地震事件點(diǎn)進(jìn)行三維空間顯示，實(shí)時(shí)顯示在壓裂工程師面前。壓裂工程師結(jié)合定位結(jié)果，評估壓裂效果，優(yōu)化壓裂參數(shù)[21]。

2 微地震壓裂監(jiān)測實(shí)時(shí)評估

將實(shí)時(shí)定位出的微地震事件點(diǎn)投影在三維空間中，可以通過俯視投影、側(cè)視投影，直觀分析壓裂裂縫的擴(kuò)展情況。微地震事件點(diǎn)的個(gè)數(shù)代表巖石破裂的程度，微地震事件點(diǎn)越密集，巖石破裂點(diǎn)越多；微地震事件點(diǎn)延伸方向是水力壓裂裂縫帶的延伸方位，其延伸方向上的長度為壓裂裂縫帶長度，相垂直的另一方向?yàn)榱芽p帶寬度。微地震事件深度方向的高度，為壓裂裂縫帶高度。微地震事件波及的體積為壓裂改造體積。通過微地震事件點(diǎn)的分析，可以對壓裂效果進(jìn)行實(shí)時(shí)評估，同時(shí)優(yōu)化壓裂參數(shù)。

2.1 前置液參數(shù)調(diào)整

前置液參數(shù)為壓裂施工中的關(guān)鍵參數(shù) ,對于壓裂施工的成敗有著重大的影響。不同的前置液參數(shù)對造縫長度的影響不同[22-23]。

A井前期（第4壓裂段）加入20 m3酸液后，就直接加入線性膠，其微地震監(jiān)測結(jié)果如圖2-a所示，微地震事件點(diǎn)極少，造縫效果不好。壓裂工程師根據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果，調(diào)整了第5壓裂段的前置液參數(shù)，先加入20 m3酸液，其后加100 m3滑溜水，再其后加線性膠，監(jiān)測結(jié)果如圖2-b所示，微地震事件點(diǎn)明顯增多，全部覆蓋了第5段，主要向南西方向展布，造縫明顯，第5段壓裂效果明顯好于第4段。

2.2 射孔方案的調(diào)整

圖2 不同前置液參數(shù)的微地震壓裂監(jiān)測結(jié)果對比圖

射孔方案對水力壓裂裂縫的擴(kuò)展影響較大[24]。利用微地震監(jiān)測結(jié)果可以分析射孔方案的合理性。圖3-a、b是B井第4壓裂段的微地震監(jiān)測結(jié)果，微地震事件點(diǎn)密集分布，形成了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了第4壓裂段和第5壓裂段。為了避免第5段的重復(fù)壓裂和壓裂成本的浪費(fèi)，將第5段的射孔方案進(jìn)行了調(diào)整，跳過125 m進(jìn)行射孔，然后進(jìn)行壓裂。圖3-c、d是調(diào)整射孔方案后壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果，微地震事件點(diǎn)沒有與第四段重合，而是沿著調(diào)整后位置進(jìn)行破裂。

2.3 暫堵劑應(yīng)用與投放

蜀南地區(qū)龍馬溪組頁巖微斷層、天然裂縫發(fā)育，對人工裂縫發(fā)育具有明顯控制作用。部分相對大尺度微斷層易造成大量壓裂液進(jìn)入，濾液漏失嚴(yán)重，地面泵壓異常增高，不僅給施工增加難度，而且不易形成復(fù)雜縫網(wǎng)，造成部分區(qū)域不能達(dá)到理想改造效果。

圖3 射孔方案調(diào)整前后微地震監(jiān)測結(jié)果對比圖

圖4 加暫堵劑前后微地震監(jiān)測結(jié)果對比圖

當(dāng)微地震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)存在微斷層時(shí)，且壓裂破裂主要沿?cái)鄬臃轿徽共?，而沒有向其他區(qū)域拓展時(shí)，需要果斷加入暫堵劑，迫使人工壓裂裂縫轉(zhuǎn)向，壓開未破裂區(qū)域。圖4-a是暫堵劑投放前微地震事件點(diǎn)俯視圖，水平井軌跡的兩旁微地震事件分布不均勻，西南方向微地震事件點(diǎn)主要垂直井軌跡展布，但微地震事件點(diǎn)數(shù)和地層破裂寬度沒有水平井軌跡上方（北東方向）多和寬；水平井軌跡上方（北東方向）微地震事件點(diǎn)密集，說明地層破裂點(diǎn)多，形成了復(fù)雜的縫網(wǎng)，但隨著壓裂時(shí)間的推移，突然在黑色粗箭頭處，實(shí)時(shí)定位出一條呈南北向展布的線狀微地震事件密集點(diǎn)，且微地震事件震級比前期微地震事件震級大8倍（微地震事件點(diǎn)的大小代表震級大?。浜笪⒌卣鹗录c(diǎn)一致沿南北向展布，其他區(qū)域沒有產(chǎn)生新的微地震事件點(diǎn)，說明南北向微地震事件密集點(diǎn)處為一南北向展布的微斷層。壓裂工程師觀測到該現(xiàn)象時(shí)，果斷加入暫堵劑，剛開始，微斷層發(fā)育處仍然有微地震事件點(diǎn)（圖4-b黑色粗箭頭處），隨著暫堵劑進(jìn)入地層，與微斷層溝通的虛線圓圈B處暫堵效果明顯，人工壓裂裂縫開始轉(zhuǎn)向，在水平井軌跡下方以前裂縫未打開區(qū)域即實(shí)線圓圈處，出現(xiàn)微地震事件點(diǎn)。表明暫堵劑投放后，減少了微斷層對壓裂的影響，裂縫轉(zhuǎn)向效果明顯，擴(kuò)大并新造了一片復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。

3 壓裂后評估

多井拉鏈?zhǔn)剿毫炎鳂I(yè)完成后，結(jié)合微地震監(jiān)測結(jié)果，對壓裂有效改造體積進(jìn)行了計(jì)算。A、B井組采用微地震地面和井中聯(lián)合監(jiān)測方法，實(shí)時(shí)優(yōu)化壓裂參數(shù)，其有效儲層改造體積分別達(dá)到1.8×108m3、2.5×108m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未實(shí)時(shí)優(yōu)化壓裂參數(shù)C井組的有效儲層改造體積（0.8×108m3）。A、B井組日產(chǎn)平均測產(chǎn)量分別為8.2×104m3、15.3×104m3，C井組日產(chǎn)平均測產(chǎn)量僅為3.8×104m3。不難看出，實(shí)時(shí)監(jiān)測效果得到后期測試產(chǎn)量的驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

筆者利用放射狀排列微地震地面監(jiān)測和微地震井中聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)，可以對頁巖氣長水平井多井拉鏈?zhǔn)剿毫蚜芽p進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，提高定位精度，現(xiàn)場指導(dǎo)壓裂參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化，提升了儲層改造效果，得到后期測試產(chǎn)量的驗(yàn)證。因此頁巖氣微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測是頁巖氣壓裂工程師的眼睛，也是壓裂改造成功與否的關(guān)鍵手段。為了提高壓裂改造效果，筆者建議對所有頁巖氣井的壓裂改造均應(yīng)進(jìn)行微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測。另外，這僅僅總結(jié)了有效壓裂改造體積與測試產(chǎn)量的對比關(guān)系，未對后期生產(chǎn)產(chǎn)量進(jìn)行分析，下一步還需要研究分析實(shí)際生產(chǎn)井的產(chǎn)量大小與微地震監(jiān)測結(jié)果的關(guān)系。

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Real-time microseismic monitoring technology for hydraulic fracturing in shale gas reservoirs: A case study from the Southern Sichuan Basin

Wu Furong1, Yan Yuanyuan2, Yin Chen1
(1. Geophysical Exploration Company, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610213, China; 2. School of Science, China University of Geosciences , Beijing 100083, China)

Zipper hydraulic fracturing in multiple wells with long horizontal sections is a primary solution means to increase the shale gas production rate and efficiency and to reduce the cost in Southern Sichuan Basin. Microseismic based fracturing monitoring can be used for real-time imaging of hydraulic fractures, so it has been widely used to evaluate the fracturing effect of shale gas reservoirs and to direct the optimization and adjustment of fracturing parameters. In China, however, the microseismic fracturing monitoring on fracturing of shale gas reservoirs cannot be used to evaluate the fracturing results until the fracturing operation in the pad wells is completed according to the parameters which are designed prior to the fracturing monitoring. Its evaluation results can merely provide a guidance for the fracturing parameters of the next pad wells instead of the wells in operation. As a result, the real-time effect of microseismic fracturing monitoring is out of work. In view of this, the fractures induced by zipper hydraulic fracturing in multiple shale gas wells with long horizontal sections in Southern Sichuan area, Sichuan Basin, was real-time imaged by using the combined technology of radially arranged microseismic surface monitoring and microseismic well monitoring on the basis of real-time positioning method. The fracturing results were assessed and used in real time for the optimization of prepad fluid parameter, perforation and temporary plugging additive releasing time, so as to effectively avoid repeated fracturing and uneven fracturing effects and improve fracturing stimulation effects. This method is applied in two well groups. It is shown that the average shale gas production rate is increased by 2–5 times. Furthermore, microseismic fracturing real-time monitoring plays a vital role in real-time evaluation of fracturing effect and real-time optimization of fracturing parameters, so it can be used as the reference and should be popularized further.

Shale gas; Microseismic; Real-time monitoring; Horizontal well; Zipper fracturing; Well monitoring; Surface monitoring; Production increase; Southern Sichuan Basin

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.11.006

2016-07-16 編 輯 韓曉渝)

巫芙蓉等.頁巖氣微地震壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)——以四川盆地蜀南地區(qū)為例. 天然氣工業(yè)，2016, 36(11): 46-50.

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 11, pp.46-50, 11/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

國家科技重大專項(xiàng)課題“水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測與地質(zhì)工程一體化評估技術(shù)”（編號：2016ZX05023004）。

巫芙蓉，女，1971年生，高級工程師，碩士；主要從事地球物理勘探方法與應(yīng)用研究工作。地址：（610213）四川省天府新區(qū)華陽大道一段216號。電話：（028）85608216。ORCID: 0000-0002-0532-6830。E-mail: 276053858@qq.com