劉博, 徐剛, 楊光, 容嬌君

(1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司新興物探開發(fā)處, 河北 涿州 072751;2.中國石油大慶油田有限責任公司井下作業(yè)分公司, 黑龍江 大慶 163453)

0 引 言

微地震監(jiān)測技術(shù)具有常規(guī)地震勘探無法比擬的優(yōu)越性,在非常規(guī)油氣儲層改造中,微地震井中監(jiān)測技術(shù)是最為廣泛認可的有效方法之一。國內(nèi)外微地震井中監(jiān)測技術(shù)在致密油儲層和頁巖氣應(yīng)用較廣泛,在煤層氣微地震監(jiān)測方面應(yīng)用較少。井下微地震監(jiān)測具有事件信號可靠,定位精度較高的特點,在實際應(yīng)用中主要受制于監(jiān)測距離影響。在煤層氣開發(fā)過程中,針對煤巖儲層,由于儲層低孔隙度、低滲透率的特點,通常要進行水壓或酸壓以提高氣藏的采收率,同時為提高儲層的二次動用程度,老井也要進行二次壓裂或多次壓裂[1];在裂縫網(wǎng)絡(luò)形成過程中,受壓裂規(guī)模和施工參數(shù)以及儲層特征的影響,形成的裂縫網(wǎng)絡(luò)特征不同。隨著微地震監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的成熟和定位精度提高,該技術(shù)不再局限于提供人工裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾何信息和壓裂時儲層的破裂響應(yīng),對地質(zhì)建模、井網(wǎng)布設(shè)、開發(fā)動態(tài)分析、壓裂方案等的設(shè)計與調(diào)整也具有一定的指導(dǎo)作用[2],同時可以定性分析動態(tài)水侵規(guī)律、判斷井旁斷層位置和較大天然裂縫等。本文以中國某氣田M地區(qū)二疊系山西組合太原組的5口叢式井的微地震現(xiàn)場實時監(jiān)測項目為例,從微地震監(jiān)測成果出發(fā),結(jié)合壓裂方案和測井資料,為該區(qū)塊的井間距和加密井的部設(shè)提供科學依據(jù)。

1 煤系地層微地震響應(yīng)特征

煤層氣是一類賦存在煤中的非常規(guī)天然氣,煤巖本身既是烴源巖又是儲層,煤層氣儲層的自身特點和特殊地質(zhì)條件可將其分為水動力型和自封閉型。煤層的彈性模量比圍巖低,泊松比比圍巖高,節(jié)理較發(fā)育,天然裂縫較發(fā)育;煤的成巖過程伴隨著有機質(zhì)熱演化,煤巖的有機質(zhì)脫去雜基并進行縮合作用后,分子排列更加緊湊和致密,從而晶體化程度增強,鏡質(zhì)體反射率不斷升高,同時煤巖的體積產(chǎn)生一定的收縮,內(nèi)部的拉伸應(yīng)力會導(dǎo)致煤巖破裂,并產(chǎn)生裂縫,故煤巖的裂縫十分發(fā)育[3]。研究區(qū)域煤樣滲透率為4～6 mD*非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同,孔隙度為2.84%～5.07%,平均3.88%,與砂巖相比滲透率和孔隙度相對較低。

微地震井中監(jiān)測相對于其他的監(jiān)測方法具有精度高、實時性強和性價比優(yōu)等特點。煤層微地震響應(yīng)信號弱,震級低,事件屬性復(fù)雜;煤巖的頂?shù)装宸舛履芰^差,故整體上煤巖破裂時,微地震監(jiān)測成果顯示縫網(wǎng)呈球面狀。由于煤層的自身特性,在煤層氣壓裂過程中,煤層埋深淺,速度低,煤層破裂能量較弱,微地震信號在傳播過程中衰減較快,微地震監(jiān)測可識別有效信號較少且信噪比低,P波和S波信號較難識別,頻帶集中在40～160 Hz之間,但通過后期的數(shù)據(jù)精細處理,可以有效地將弱信號提取出來,應(yīng)用于現(xiàn)場實時處理,同時再結(jié)合電阻率和自然伽馬測井信息,可以判斷和描述在目的層井壁附近的裂縫發(fā)育帶對于引導(dǎo)人工裂縫的可能性。

2 現(xiàn)場應(yīng)用與分析

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣北部,總體地勢東高西低,最高點位于井區(qū)東部西溝塔村東北部山頂,最低點位于井區(qū)西北部黃河岸邊。鄂爾多斯盆地地處華北地臺西部,北鄰天山-興安造山系,南為秦嶺-大別山造山帶,西與阿拉善地塊和祁連山造山帶相鄰,東接山西地塊。鄂爾多斯盆地的地質(zhì)演化歷史,與華北地臺基本一致,在經(jīng)歷了地臺結(jié)晶基底(或陸核、陸殼)形成階段、地臺穩(wěn)定發(fā)展階段以及中、新生代盆地形成與發(fā)展階段之后,不僅造就了特征各不相同的構(gòu)造層,同時形成了盆地的現(xiàn)今構(gòu)造格局。研究區(qū)域地層與鄂爾多斯盆地及華北地臺其他成煤盆地基本一致。

圖1 5口井監(jiān)測距離示意圖

研究區(qū)首次實施微地震監(jiān)測項目為5口井的煤層氣叢式井壓裂,5口井井口位于同一個平臺,相鄰井口距離為5 m,根據(jù)采樣定理,需要滿足時間t≤1/2Fmax≤1 ms的要求,其中Δt是時間采樣間隔,Fmax是最高反射頻率。為滿足微地震高頻信號的需要,確定采樣間隔為0.25 ms,該項目采用12級檢波器進行壓裂信號采集,檢波器主頻率為500 Hz,記錄長度為10 s,由于儲層埋深較淺,在722～907 m之間,并且儲層較薄,故檢波器級間距采用10 m,壓裂段與監(jiān)測井檢波器之間的監(jiān)測距離為300～400 m(見圖1)。進行微地震數(shù)據(jù)分析與解釋時,首先通過已校正的井下三分量檢波器方向為基礎(chǔ),再對P波速度進行正演,校正P波速度模型、S波速度模型通過測井相關(guān)資料確定,通過射孔信號反定位的結(jié)果分析,速度模型和檢波器方向較準確,與射孔位置吻合率達到95%以上,微地震事件信號的P波和S波起跳越清晰,P波和S波的能量越強,P波的偏振方向和巖石破裂位置到檢波器的距離將越準確;同時,通過微地震信號的波形信息可以直觀分析裂縫網(wǎng)絡(luò)的高度(見圖2),通過可定位的微地震事件空間展布,可以判斷裂縫網(wǎng)絡(luò)的長度和寬度以及裂縫的方位信息。數(shù)據(jù)處理流程:①微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)采集之前首先要對監(jiān)測范圍進行論證,通過對區(qū)域地質(zhì)情況的了解,從巖石物性、壓裂規(guī)模、監(jiān)測井檢波器與壓裂段的距離、地面及地層噪聲、衰減Q因子、檢波器的靈敏度綜合論證,最終形成監(jiān)測距離和震級的關(guān)系,確定探測范圍,從而論證及確定井中監(jiān)測的采集觀測系統(tǒng),建立模型并正演,論證監(jiān)測可行性;②通過射孔信息對三分量檢波器方向進行校正,依據(jù)試壓裂產(chǎn)生的高能量信號,通過濾波處理精確拾取P波和S波初至,通過信號分析及偏振分析分離微地震信號,利用P波的極化信息和P波、S波的時差聯(lián)合確定微地震事件的空間位置;③根據(jù)微地震發(fā)生的空間位置,分析震源機制和震級規(guī)模,反演求解壓裂裂縫及縫網(wǎng)的產(chǎn)生發(fā)展過程及特征,計算壓裂改造體積(VSR),監(jiān)測及評估壓裂改造效果及壓裂的有效性(見圖3)。

圖2 微地震信號波形信息圖

圖3 微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程圖

微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示巖石破裂信號特征主要表現(xiàn)為低頻信號,頻率主要集中在50～80 Hz之間(見圖4),這與致密砂巖有很大差別,并且縱橫波能量都較弱,信噪比較低(見圖5),大部分信號只能看到橫波信息,縱波信號較弱;分析主要原因為煤的密度低、質(zhì)松,縱波傳播性能差,因煤的層理發(fā)育,縱聲傳播減慢,并且速度低變化大(見圖6)。

圖4 典型微地震事件頻率圖

圖5 微地震事件信噪比與震級交會圖

對5口井的微地震事件主要采用多波聯(lián)合定位技術(shù)進行定位,多波聯(lián)合微地震定位技術(shù)源于1912年Geiger提出的經(jīng)典方法:設(shè)n個臺站的觀測到時為t1,t2,…,tn,求震源(x0,y0,z0)及發(fā)震時刻t0,使得目標函數(shù)最小

(1)

其中,ri為到時殘差

ri=ti-t0-Ti(x0,y0,z0)

(2)

Ti為震源到第i個臺站的計算走時。

使目標函數(shù)取極小值也即

θφ(θ)=0

(3)

其中

圖6 5口井目的層速度示意圖

可簡化為

g(θ)=θφ(θ)

(4)

則由式(3),在真解θ附近任意試探解θ*及其校正矢量δθ滿足

g(θ*)+[θg(θ*)T]Tδθ=0

(5)

(6)

由φ的定義可得式(6)的具體表達式

(7)

(8)

以矩陣形式表示

ATAδθ=ATr

(9)

其中

若二階導(dǎo)數(shù)項不可忽略,則式(7)給出非線性最小二乘解

[ATA-(θAT)r]δθ=ATr

(10)

(11)

按照上述同樣的步驟,通過求式(11)的極小值,得到加權(quán)線性最小二乘解

(12)

由于信號較弱,可定位事件有限,除了采用縱橫波定位微地震事件之外[4-5],同時采用S波定向技術(shù)[6],在P波信號較弱或人工拾取困難的前提下,采用S波進行定位。S波定位技術(shù)是通過S波初至信息進行極化分析,采用基于極化分析的S波高斯束定位方法[7],故可定位微地震事件增多。

進行微地震信號識別與定位時,除了需要準確的速度模型以外,還需要通過射孔信號對P波進行極化分析,校正井中三分量檢波器方向,微地震事件定位主要采用縱橫波時差法進行定位[8-9]。通過微地震事件屬性分析[10-11],大部分事件震級主要集中在-3.2～-1.5之間,受煤巖物性的影響,監(jiān)測范圍主要集中在400 m以內(nèi)(見圖7)。與致密砂巖地層相比,煤層的節(jié)理發(fā)育、天然裂縫較多、埋藏淺、硬度低、滲透率低、孔隙度較小;其次,煤層的彈性模量較小,泊松比較大,硬度較小[12];所以,煤層壓裂時,當煤層破裂后,裂縫沿大割理延伸,但井筒周圍的煤層,由于受到巨大的沖擊,沿著割理形成的裂縫的同時,伴隨有網(wǎng)狀的細小裂縫產(chǎn)生,整體上看似面狀;同時,壓裂液中的支撐劑顆粒在煤層的嵌入情況比在砂巖中嚴重,此外,在支撐劑發(fā)生嵌入的同時還伴有支撐劑顆粒的破碎,這2種情況都將導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力的降低。

壓裂效果的判斷主要是根據(jù)微地震檢測到的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)的長寬高和儲層改造體積是否達到了壓裂構(gòu)想,并結(jié)合壓裂后反排率和投產(chǎn)后的產(chǎn)量綜合判斷壓裂效果。該次壓裂屬于常規(guī)壓裂,通過微地震監(jiān)測成果可以看出,整體上達到了壓裂構(gòu)想,因5口井的排量、液量和加砂量的不同,微地震事件數(shù)量有所不同,建議可以在相鄰2口井之間部署2口加密井(見圖8),這樣可以通過加密井壓裂造縫時,使這幾口井的裂縫網(wǎng)絡(luò)充分溝通,達到充分動用儲層、區(qū)塊增產(chǎn)增效的目的。

圖8 5口井成果平面圖

3 結(jié) 論

(1) 微地震井中監(jiān)測技術(shù)是評價煤層吸附氣藏壓裂效果的有效手段,可以現(xiàn)場實時展示裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)展等空間信息,以及提供較準確的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)幾何參數(shù),為壓裂技術(shù)方案提供實時指導(dǎo)。

(2) 煤巖地層壓裂的人工裂縫網(wǎng)絡(luò)整體上為球面式破裂,并且井網(wǎng)部署可以進一步優(yōu)化,監(jiān)測成果為加密井的選擇提供了依據(jù)。

(3) 建議在該區(qū)域進行壓裂改造之前,結(jié)合地震數(shù)據(jù)進行綜合分析,以壓前預(yù)測到現(xiàn)場實時監(jiān)測和壓后綜合解釋為基本思路,從而更好地利用三維地震和微地震監(jiān)測等地球物理技術(shù)指導(dǎo)儲層改造工程。

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