陳春燕 陳芷若 劉恩豪 胡力文 劉亞昊 陳鵬

摘 要：常規(guī)油氣藏開發(fā)已進(jìn)入中后期，增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)難度日益增大，非常規(guī)油氣藏逐漸投入開發(fā)。為提高非常規(guī)油氣藏單井產(chǎn)量，使其達(dá)到經(jīng)濟(jì)開發(fā)水平，水力壓裂技術(shù)已成為非常規(guī)油氣藏增產(chǎn)的主要措施之一，為評價(jià)壓裂效果，微地震監(jiān)測技術(shù)已廣泛使用于水力壓裂過程中的裂縫監(jiān)測。本文通過對水力壓裂技術(shù)與微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)了水力壓裂技術(shù)與微地震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了不同微地震監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，評價(jià)了微地震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。研究結(jié)果對于水力壓裂過程中微地震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：水力壓裂技術(shù) 微地震監(jiān)測技術(shù) 非常規(guī)油氣藏

中圖分類號：P631.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）10（a）-0068-03

近年來，非常規(guī)油氣成為國內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)。非常規(guī)油氣指成藏機(jī)理、賦存狀態(tài)、分布規(guī)律以及勘探開發(fā)方式等不同于現(xiàn)今常規(guī)油氣藏的烴類資源[1]?，F(xiàn)今，世界上的非常規(guī)油氣種類多并且儲量十分豐富，其中最具有經(jīng)濟(jì)效益和開發(fā)價(jià)值的為頁巖氣與致密油氣[1]。資料顯示，中國非常規(guī)氣資源量約為190×1012 m3，明顯多于美國已探明天然氣儲量。因此，在非常規(guī)油氣的勘探開發(fā)方面，水力壓裂技術(shù)和微地震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要。國內(nèi)外非常規(guī)油氣勘探開發(fā)實(shí)踐證明，大規(guī)模、大容量的水力壓裂是實(shí)現(xiàn)非常規(guī)儲層有效開采的核心技術(shù)手段。而其中最具有開采價(jià)值的頁巖氣藏常被稱為“人造氣藏”，其開發(fā)通常需要水平井鉆井和水力壓裂等技術(shù)手段改造儲層、形成人造網(wǎng)絡(luò)才能使其具有生產(chǎn)能力[1-4]。目前國內(nèi)外監(jiān)測裂縫的方式多樣，通過多年來不斷研究探索，發(fā)現(xiàn)微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)是優(yōu)點(diǎn)最為顯著的一種方式，它能有效地監(jiān)測和評估非常規(guī)儲層壓裂改造效果。為促進(jìn)非常油氣資源的開發(fā)，有必要對水力壓裂技術(shù)及微地震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)，以全面了解相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 水力壓裂技術(shù)

水力壓裂技術(shù)是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用于非常規(guī)油氣井增產(chǎn)的措施。其原理是利用水壓將巖石壓裂，從而形成人工裂縫，以提高油氣層中流體的流動能力，再采用配套技術(shù)使石油天然氣流入采油井中 [5]。

在1947年，美國堪薩斯州經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，使水力壓裂技術(shù)成為一項(xiàng)可用于油氣開采的技術(shù)，這是水力壓裂技術(shù)的第一次出現(xiàn)在世界上。在1998年，美國對于該技術(shù)的大規(guī)模使用使得美國頁巖氣開發(fā)的進(jìn)程和效率有了大幅度提升[5]。中國對于水力壓裂技術(shù)的研究明顯晚于國外，開始于20世紀(jì)50年代，到1973年大慶油田才開始大規(guī)模使用該項(xiàng)技術(shù)。這年來，隨著水力壓裂技術(shù)在國內(nèi)油氣田中廣泛應(yīng)用，水力壓裂技術(shù)已接近國際水平。

水力壓裂技術(shù)根據(jù)施工方式差異可以分為：多級壓裂、重復(fù)壓裂、清水壓裂、同步壓裂以及水力噴射壓裂[6]。雖然這些方法的概念都是分開的，但是在實(shí)地施工中常會同時(shí)使用多種方法以達(dá)到更好的壓裂效果。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可以了解到目前頁巖氣藏中的壓裂技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)比較成熟的階段。其中，對于較長井的多級壓裂技術(shù)應(yīng)用最多也最為成熟。

由于水力壓裂技術(shù)能提高松軟煤層裂隙和孔隙的連通性，降低煤層有效應(yīng)力，提高煤層滲透率等優(yōu)點(diǎn)[7]，常應(yīng)用于煤礦勘探方向以增加井下瓦斯開采效率。除了具有一定的經(jīng)濟(jì)效益外，還可降低開采現(xiàn)場突發(fā)事故。雞西礦區(qū)和黃陵二礦都對礦區(qū)煤層進(jìn)行了水力壓裂，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示水力壓裂對增透、增產(chǎn)以及抽采效率有顯著提高[7，8]。

在潘北礦采用了分段壓裂技術(shù)進(jìn)行井下勘探開發(fā)，結(jié)果表明它能夠很好地達(dá)到預(yù)期效果[9]。分段壓裂常用于較長的水平井中，除此對應(yīng)的限流發(fā)壓裂則用于較短水平井中。顧名思義，分段壓裂就是在同一個(gè)井中分為多個(gè)部位進(jìn)行水力壓裂，而限流法壓裂是在整個(gè)井上進(jìn)行操作。作用方式如圖1所示。

除了上述壓裂方式外，在煤層開采中還有一種重復(fù)壓裂技術(shù)。所謂重復(fù)壓裂技術(shù)，就是在一次壓裂完成后 ，間隔不太長的時(shí)間采用類似的工藝技術(shù)進(jìn)行兩次及以上的水力壓裂[10]。我國山西省保安煤礦采用了重復(fù)壓裂，壓裂后煤層透氣性系數(shù)、瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量均有大幅度提高[10]。重復(fù)壓裂步驟如圖2所示。

2 微地震監(jiān)測技術(shù)

微地震壓裂監(jiān)測即通過在井中（或地面）布設(shè)檢波器來監(jiān)測壓裂過程中誘發(fā)的微地震波進(jìn)而描述裂縫網(wǎng)絡(luò)的幾何特征[11]。其主要通過對壓裂過程伴隨產(chǎn)生的微地震事件定位，獲取人造裂隙的長度、高度和方位角信息。通過微地震分析可以將實(shí)際壓裂效果與預(yù)期壓裂效果進(jìn)行對比分析，然后優(yōu)化壓裂方案以改善壓裂效果。微地震監(jiān)測技術(shù)主要包含以下步驟：微地震數(shù)據(jù)采集、微地震資料處理、微地震事件篩選、定位有效震源和裂縫參數(shù)計(jì)算 [1，12-14]。

2.1 微地震監(jiān)測基本原理

在裂隙之類的斷面上，當(dāng)原來的應(yīng)力受到生產(chǎn)活動干擾時(shí)，巖石中原來存在的或新產(chǎn)生的裂縫周圍就會出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)變能量增高，當(dāng)外力增加到一定程度時(shí)，原有裂縫的缺陷地區(qū)就會發(fā)生微觀屈服或變形，裂縫擴(kuò)展使應(yīng)力松弛，儲藏能量一部分以彈性波（聲波）的形式釋放出來產(chǎn)生小地震，即微地震[15]。這是水力壓裂過程中微地震裂縫監(jiān)測的相關(guān)機(jī)理。也正因?yàn)槲⒌卣鸬陌l(fā)生機(jī)理，使其具有信號能量弱、頻率高、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)[16]。圖3為微地震壓裂監(jiān)測示意圖。

2.2 微地震震源定位

水力壓裂過程中微地震震源定位技術(shù)是微地震監(jiān)測技術(shù)的核心，只有對震源位置進(jìn)行有效精準(zhǔn)的定位，隨后壓裂參數(shù)計(jì)算與壓裂效果評價(jià)才具有實(shí)用價(jià)值。目前國內(nèi)外主要采用的微地震震源定位主要有基于直達(dá)波初至與地層模型的反演方法和相對定位方法[17]。應(yīng)用最普遍的是第一類反演定位，其中又細(xì)分為P波定位法、地震波射線法和P波射線傳播方向交匯點(diǎn)法。此外，涪陵國家級頁巖氣示范區(qū)的焦石鎮(zhèn)將三分量微地震監(jiān)測儀用于野外試驗(yàn)，其結(jié)果表明，三分量微地震監(jiān)測儀能夠?qū)τ行⒌卣鹗录M(jìn)行捕捉，并能較真實(shí)地反映震源位置及裂縫的發(fā)育程度[18]。

2.3 井中監(jiān)測與地面監(jiān)測

微地震監(jiān)測技術(shù)有地面和井中監(jiān)測兩大類，地面監(jiān)測又可以根據(jù)檢波器的埋藏方式，將其分為地表監(jiān)測和淺井監(jiān)測，井中監(jiān)測又可以分為同井監(jiān)測和鄰井監(jiān)測，都各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。地表監(jiān)測是按照常規(guī)地震方法將檢波器埋置在20～30m地下進(jìn)行微地震信號接收的方式[19]。微地震淺井監(jiān)測是在地表監(jiān)測基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)，是將三分量檢波器埋置在人工鉆井的某一深度的淺井中[19]。同井監(jiān)測是對停泵后所產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行監(jiān)測[1]，而鄰井監(jiān)測顧名思義就是在壓裂井的附近且已存在的井進(jìn)行監(jiān)測，如表1所示。

2.4 面臨問題

近些年來，我國在微地震監(jiān)測技術(shù)方向取得了突破性的進(jìn)展。但是，為了發(fā)展更高質(zhì)量、更精準(zhǔn)的微地震監(jiān)測技術(shù)，還有很多問題需要解決。首先，由于人工裂縫所引發(fā)的微地震震級小，周期短，使儀器對于微震的識別具有一定難度[20]。除此之外，儀器工作所產(chǎn)生的噪音以及工作區(qū)的其他噪音，都對微地震的識別具有一定的干擾，甚至?xí)雎砸恍┱鸺墭O低的微震。為了解決以上問題，研究一個(gè)有效的去噪技術(shù)至關(guān)重要。其次，目前使用的反演速度模型都是默認(rèn)同一地層下進(jìn)行的，將聲波在地層中傳播的速度視為同一值，而在實(shí)際地層中由于巖性不同地震波傳播速度不同[21]，如何建立速度模型去模擬地震波在不同地層之間的運(yùn)動狀態(tài)，對震源定位極為重要。

3 結(jié)語

水力壓裂技術(shù)目前發(fā)展已是較為成熟的技術(shù)，無論是用于頁巖氣的勘探開發(fā)還是用于煤層氣的增透增產(chǎn)均具有顯著性成果。微地震監(jiān)測技術(shù)作為水力壓裂過程中監(jiān)測壓裂發(fā)育參數(shù)的主要手段，在非常規(guī)油氣藏開發(fā)中應(yīng)用廣泛，如何對震源進(jìn)行有效的定位將會是之后的研究重心。高效去噪技術(shù)，震級正確判別以及建立反演多模型等技術(shù)已成為微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)中急需提高的核心問題。水力壓裂技術(shù)和微地震監(jiān)測共同發(fā)展，會使兩項(xiàng)技術(shù)在油氣田開采上具有廣泛應(yīng)用前景。

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