康玉國，閆 偉，張曉晴

(黑龍江省煤田地質(zhì)研究院，哈爾濱 150008)

中國煤層氣儲層的滲透性普遍低，為了確保煤層氣產(chǎn)出有暢通的通道，水力壓裂成為有效改造煤層氣儲層滲流通道的常用方式，其改造效果主要由壓裂裂縫的展布情況所決定，壓裂裂縫的展布情況主要受其動態(tài)擴(kuò)展規(guī)律和動態(tài)控制施工主要技術(shù)參數(shù)確定，裂縫最終的擴(kuò)展結(jié)果由壓裂裂縫的監(jiān)測效果顯示[1-3]，因此，對壓裂裂縫的監(jiān)測是壓裂施工非常重要的一個環(huán)節(jié)。煤層氣儲層與常規(guī)油氣的儲層性質(zhì)差異大，對于煤層氣井的水力壓裂產(chǎn)生裂隙的規(guī)律與常規(guī)油氣也有差別[4-5]。首先是煤儲層本身的基本力學(xué)性質(zhì)與常規(guī)油氣儲層不同，不同的煤層具有獨特的彈性模量、抗拉強度和抗壓強度；其次由于不同煤層氣儲層本身的裂隙系統(tǒng)發(fā)育程度千差萬別，同一煤層的不同井區(qū)主要裂隙系統(tǒng)差別非常明顯；其次是煤儲層屬于有機(jī)儲層，其特定的孔隙類型、內(nèi)生割理裂隙系統(tǒng)、外生裂隙系統(tǒng)導(dǎo)致壓裂時裂隙的產(chǎn)生具有強烈的非均質(zhì)性[4-5]。因此，壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)對判斷裂縫擴(kuò)展規(guī)律、裂縫形態(tài)具有非常重要的作用。目前，國內(nèi)煤層氣井開展了一系列的煤層氣井壓裂裂縫展布情況的監(jiān)測工作，但應(yīng)用微破裂四維向量掃描影像技術(shù)，通過接收壓裂液流動引起煤層破裂激發(fā)的波，動態(tài)分析監(jiān)測煤層氣井壓裂裂縫形態(tài)，并用此指導(dǎo)煤層氣的生產(chǎn)的研究開展的較少[6-7]。

1 微破裂四維向量掃描影像技術(shù)

微破裂四維向量掃描影像裂縫監(jiān)測技術(shù)主要工作步驟如下：首先在煤層氣研究區(qū)塊的井場周圍布置一系列數(shù)據(jù)采集儀，這些采集儀以特定的陣列排列；其次進(jìn)行地面水力壓裂施工，當(dāng)壓裂液流體高壓注入煤層氣儲層達(dá)到破裂壓力時，儲層的局部微破裂會產(chǎn)生縱波(P波)和橫波(S波)，數(shù)據(jù)采集儀會采集到這些信號；然后進(jìn)行多波屬性分析、相干振幅體的向量疊加掃描，最終通過建立三維可視化圖，形象描述壓裂裂縫的三維致裂形態(tài)，同時也可以借助儀器內(nèi)置GPS衛(wèi)星系統(tǒng)分析壓裂裂縫的實時變化過程。這樣，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過GEOIMAGE圖像資料處理系統(tǒng)，獲得時間與三維空間結(jié)合的四維壓裂裂縫資料。

相比其他地震監(jiān)測技術(shù)，主要存在如下優(yōu)勢：①數(shù)據(jù)采集優(yōu)勢，采集煤體微破裂震動P波和S波信號時，采用多波多分量采集和三分量檢波；②圖像處理優(yōu)勢，通過相干體計算，進(jìn)行振幅能量掃描，確定煤巖體壓裂裂縫內(nèi)部的能量分布和變化，以此來判斷破裂方位及煤巖體壓裂裂縫幾何形態(tài)；③圖像解釋優(yōu)勢，處理后的圖像可通過三維可視化技術(shù)進(jìn)行3D立體顯示，更加直觀的解釋壓裂裂縫的展布規(guī)律[8]。

2 煤儲層的技術(shù)適應(yīng)性

2.1 微破裂產(chǎn)生縱橫地震波機(jī)制及其傳播特性

水力壓裂施工過程中，當(dāng)高壓壓裂液注入到煤層氣儲層中時，首先流體進(jìn)入到煤的外生大裂隙系統(tǒng)中，隨著流體的不斷滲入，地層壓力增大，當(dāng)應(yīng)力強度因子超過斷裂韌性時，原有的外生大裂隙系統(tǒng)開始向外擴(kuò)展，擴(kuò)展符合斷裂力學(xué)準(zhǔn)則，擴(kuò)展過程中會誘發(fā)微地震信號傳向地面接收器；其次隨著流體的持續(xù)供給，煤體的內(nèi)生次級裂隙和微裂隙開始不斷擴(kuò)展，發(fā)生大量的張性破裂和剪切破裂，并逐漸形成一系列的P波和S波信號，并向地面?zhèn)鞑ケ唤邮?；最后流體進(jìn)入到基質(zhì)孔隙中，隨著孔隙流體壓力的不斷增加，根據(jù)摩爾-庫倫摩擦定律，也會造成煤巖體產(chǎn)生細(xì)微的張性裂縫和剪切裂縫，都轉(zhuǎn)化成P波和S波信號傳到四周[9-11]。

2.2 煤儲層接收資料處理方法

相比常規(guī)油氣儲層，煤層氣開發(fā)目標(biāo)層位普遍埋深較淺，但由于煤層本身的裂隙系統(tǒng)特征，產(chǎn)生的微破裂不徹底，經(jīng)過地層的高頻濾波和信號衰減，加上強背景噪音等原因，地面采集儀監(jiān)測信號不能準(zhǔn)確識別煤層氣儲層裂縫系統(tǒng)發(fā)生微破裂時P波和S波到達(dá)地面的時間和裂微隙系統(tǒng)破裂時的高頻有效信號。為了運用微破裂矢量疊加網(wǎng)格掃描技術(shù)，在時空上高效辨別出煤儲層各級壓裂裂縫破裂和微破裂產(chǎn)生的方位及形態(tài)。需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及解釋，具體方法如下。

2.2.1 劃分掃描單元

根據(jù)需要，選定信號監(jiān)測空間范圍，空間范圍以地面海拔最高點水平面為頂，目標(biāo)煤層為Z坐標(biāo)距頂深度。按10m×10m×10m的規(guī)格剖分空間掃描單元，圖1(a)所示。

2.2.2 計算掃描單元地震波速度

利用聲波測井資料計算出剖分掃描單元格各個節(jié)點的P波和S波速度，圖1(b)所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理及解釋流程Figure 1 Data processing and interpretation procedure

2.2.3 計算入射方向和時間

通過射線追蹤，計算出各剖分掃描單元格內(nèi)各節(jié)點到地面接收檢波點的射線方向(入射角方位與傾角)，同時計算最小旅行時數(shù)，圖1(c)所示。

2.2.4 信號處理

首先形成失量場波動方程，通過失量場能量疊加，減少隨機(jī)噪音，加強有用信號，獲取煤儲層各級破裂系統(tǒng)的能量值。對各采集儀所記錄的特定時間窗口W，掃描單元格內(nèi)各節(jié)點K通過入射追蹤可確定發(fā)射波到采集儀的入射角，將三分量信號統(tǒng)一到入射方向，就可形成失量場波動方程；對所有掃描單元格內(nèi)各節(jié)點K進(jìn)行矢量迭加到信號振幅f的平方，經(jīng)過歸一化因處理得出K點的煤層裂隙系統(tǒng)破裂輻射能量S(k)；疊加后的能量增加，噪音信號減弱，有用的K點破裂能量信號增強。

2.2.5 煤儲層壓裂破裂點定位

按10m×10m×10m的規(guī)格剖分空間掃描單元，圖1(a)所示。通過能量輻射掃描定位，可求出空間單元內(nèi)各個剖分掃描單元格節(jié)點的能量值，各節(jié)點間進(jìn)行體計算，根據(jù)能量空間分布和梯度變化確定煤儲層壓裂破裂點位置。

2.2.6 煤儲層裂縫系統(tǒng)破裂能量輸出解釋

經(jīng)過歸一化處理的能量值不僅可消除儀器噪音和不同時窗的差別，同時還便于對不同時長入射波的能量進(jìn)行對比，經(jīng)過歸一化處理的能量值S(k)就可以代表煤儲層裂縫系統(tǒng)破裂釋放能量，并與天然地震震級有一定的對應(yīng)關(guān)系。

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3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 YD-03煤層氣井概況

YD-03煤層氣井位于黑龍江省依蘭煤層氣區(qū)塊，完鉆井深800.64m，2009年9月28日開展壓裂層射孔，油層套管采用139.7mm×788.19m×J55×7.72mm，即(規(guī)范×深度×鋼級×壁厚)，研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖如圖2所示。

YD-03井共壓裂3層，工藝采用水力攜砂壓裂，壓裂施工順序為：第一層(725.65 ～733.80m,層厚8.15m，為上2煤層+砂巖段)，第二層(695.05 ～707.45m，層厚12.40m，為純煤層段)，第三層(677.10 ～685.10m，層厚8.00，為下煤層+油頁巖+砂巖段)，共加砂1170.27m3,總液量3 099.70m3。壓裂成功后單井產(chǎn)量達(dá)到日產(chǎn)1 500m3/d以上。

圖2 地質(zhì)構(gòu)造圖Figure 2 Geological structure map

3.2 野外采集站的布置方式

此次煤儲層壓裂裂縫監(jiān)測區(qū)內(nèi)共用12套采集站，現(xiàn)場采用圖3的方式布置，開成陣列。每套采集站皆用四維(4D)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時配備三分量檢波器、GPS接受機(jī)和電源組。

圖3 壓裂監(jiān)測12套采集站的地面擺布方式Figure 3 Surface layout of fracturing monitoring 12 setsof data acquisition unit

3.3 監(jiān)測結(jié)果

3.3.1 YD-03井壓裂施工與地層能量變化對應(yīng)關(guān)系

裂縫系統(tǒng)破裂釋放能量值通過二維切片圖表示，圖中高能量的梯度邊界代表煤儲層裂縫系統(tǒng)破進(jìn)應(yīng)力的影響區(qū)域邊界[12]。煤儲層裂縫系統(tǒng)破裂釋放能量值與井下各級系統(tǒng)破裂與微破裂產(chǎn)生的地震波的振幅成正比，與注入的高壓壓裂液引起的煤體破裂時的壓力突變有關(guān)，與煤儲層壓力的大小相關(guān)性不大。煤儲層裂縫系統(tǒng)破裂釋放能量值可反應(yīng)剖分掃描單元格各個節(jié)點的能量差異。如圖4所示，壓裂施工過程中，隨著壓裂裂縫的擴(kuò)展，壓裂井周圍出現(xiàn)能量集中的現(xiàn)象。在裂縫擴(kuò)展的過程中，地層能量表現(xiàn)出動態(tài)變化的過程，地層能量的主要集中方向為裂縫擴(kuò)展的主方向。

3.3.2 壓裂井周邊應(yīng)力場分析

應(yīng)用微破裂四維向量掃描影像技術(shù)獲取的煤儲層裂縫系統(tǒng)破裂釋放能量圖可以判斷研究區(qū)最大主應(yīng)力方向[13]。

圖4 壓裂施工與地層能量變化的對應(yīng)關(guān)系Figure 4 Correspondence between fracturing operation and strata energy variation

圖5 不同時刻壓裂井周邊應(yīng)力場分布規(guī)律Figure 5 Different times fracturing well peripheral stressfield distribution pattern

3.3.2 壓裂裂縫形成過程及其三維形態(tài)

通過對不同時刻的地層能量進(jìn)行對比分析，可以得到壓裂裂縫的動態(tài)擴(kuò)展，如圖6所示。即通過-三維空間域和一維時間域?qū)崿F(xiàn)壓裂裂縫的四維動態(tài)監(jiān)測。裂縫長度參數(shù)獲取：21:10分過井730m深度的能量分布圖，進(jìn)一步對能量進(jìn)行70%梯度顯示，可知該裂縫參數(shù)如下，東北端點(270，250)；西南端點(340，290)；裂縫最大縫長：81m；裂縫方位：北偏東約29 度。裂縫高度參數(shù)獲取：通過分析21：10分的三維數(shù)據(jù)體，其在X(N)=300m處的YZ方向能量切片，進(jìn)一步對能量進(jìn)行梯度顯示，可知裂縫高度參數(shù)：最大裂縫高：715 ～735m之間。最終可以獲取YD-03煤層氣井的三維裂縫展布圖，如圖7所示。

圖6 壓裂裂縫形成過程Figure 6 Fracturing fissure formation process

圖7 裂縫三維形態(tài)Figure 7 3D configuration of fissures

4 結(jié)論

1)微破裂四維向量掃描影像裂縫監(jiān)測技術(shù)在黑龍江依蘭煤田煤層氣井壓裂裂縫監(jiān)測中得到了初步應(yīng)用，尤其在YD-03煤層氣井壓裂裂縫監(jiān)測取得了良好的效果。

2)通過對不同時刻的地層能量進(jìn)行對比分析，YD-03壓裂裂縫最長81m，最大縫高715 ～735m，裂縫方位北偏東29°，主應(yīng)力方向為北東-南西向。

3)準(zhǔn)確獲取了動態(tài)壓裂過程中壓裂裂縫的擴(kuò)展規(guī)律，建立了YD-03煤層氣井的壓裂裂縫的三維形態(tài)，對該技術(shù)應(yīng)用于煤層氣井水力壓裂裂縫監(jiān)測起到了一定的指導(dǎo)作用。