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微地震压裂监测应在井中进行(大庆2007)

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地震 监测 进行 大庆 2007
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收 稿 日期 : 2006212217作者简 介 : 崔 荣 旺 (1941 - ) , 男 , 河 北 大 厂 人 , 教授 级高级工 程 师 , 从 事 油 气 地球物理研究 工 作 。文 章编 号 : 100023754 (2007) 0420138205微地震压裂监测应在井中进行崔 荣 旺(大庆油田有限责任公司 勘探部 , 黑龙江 大庆  163453)摘要 : 国外经过多年多次试验确立了水力压裂诱生微地震井中监测方法 , 我国刚开始应用此项技术 ,而应用比较多的是在地面进行监测。根据 20世纪 90年代以来 , 典型微地震压裂监测试验成果、井中微地震压裂监测实例及有关的技术试验史料分析认为 , 微地震压裂监测应在井中进行。同时还进一步分析了地面监测不到高信噪比、高分辨率、高保真度诱生微地震波的原因 , 并建议引进和发展井中微地震压裂监测技术、地面测斜仪压裂监测技术和电位法水力压裂监测技术。关 键 词 : 水力压裂 ; 微地震波 ; 监测中图分类号 : 15    文献标识码 : AM ic m on be in om D 63453, m ic p by in of in a 990 s, of m ic be in an m of m ic is p in as m ic 1 ]。该项技术通过在临井中的检波器来监测相对应的压裂井在压裂过程中诱发的微地震波来描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布。它能实时提供压裂施工产生裂隙的高度、长度和方位角 , 利用这些信息可以优化压裂设计、优化井网或其他油田开发措施 , 从而提高采收率 [ 2 ]。20世纪 80年代末 , 国外已将微地震监测技术视为确定水力压裂裂缝方位和形状的一种重要的实用方法了 [ 3 ]。近 10多年来 , 水力压裂微震监测技术的研究主要集中在裂缝成像数据处理方法、资料解释方法及相关理论上 , 使利用诱发微震的裂缝成像技术有不少重要进展 , 不仅使得裂缝方位和形态的确定更加准确 ,能提供水力压裂时裂缝的发育过程的详细资料 , 还可以提供储层中流体通道图像 , 甚至提供渗透率参数 ,地应力参数等 , 促进了水力压裂技术的进步 , 起到了别的方法起不到的作用。与此同时 , 微地震监测技术在仪器装备方面也有了更大的提高。根据水力压裂诱生微地震波能量弱、频率高、传播距离短的特点 , 经过多年多次试验的结论 , 国外微地震压裂监测都在井中进行 , 因为地面不具备微地震压裂监测技术的应用条件 , 采集不到油藏地球物理所需要的高信噪比、高分辨率、高保真度的诱生微地震资料 , 很难确切描述压裂裂缝 [ 1 ]。根据 20世纪 90年代以来 , 应用新设备、新技术获得的典型微地震压裂监测试验成果 , 笔者认为微地震压裂监测还是应该在井中进行 , 并指出其广阔前景。同时建议 , 在地面进行的测斜仪压裂监测技术和电位法水力压裂监测技术·831· 第 26卷    第 4期    大庆石油地质与开发  P 1  2007年 8月都具 有 实 用性 。1  水力 压裂 诱 生 微地 震 波 的 频谱 特 性与 传 播 距 离水力 压裂使 得 岩 石 破 裂 时 产 生地 震 波 。 由于 岩 石破裂规模 有 限 , 释放 出 的 能量很 小 , 诱 生 的地 震 波是很 微 弱 的 , 震级 在 0级 以下。裂缝发射的微震频率很高 , 频带为 200~ 1 500 2 ] , 其主频在 700 11 水力压裂诱生微地震的频谱关于水力压裂诱生的微地震频谱 , 美国人先后做了大量的试验和研究工作 , 1993年 0月美国 当时研究了一系列改进的加速度检波器记录的诱生微地震 , 发现其频带为 200~ 1 500 1画出了这次试验中一次凝胶液小型压裂记录到的256个微震频谱的平均值。图 1中 个水平分量和 1个垂直分量。作为参考 , 图 1中还画出了测量到的噪音频谱。可以看到 , 在整个 200~ 1 500 频率低于 200 在频率高于1 500 加速度检波器的推靠膊和加速度检波器自身的谐振开始影响微震 3个分量信号的相关性。注意在 200~ 1 500 个加速度检波器信号的频率成分是相似的 , 即在这个频带内无谐振影响 , 因此可以用来作极化分析。112 水力压裂诱生微地震的最远传播距离微震数据采集方法决定于微震的特点 , 尤其是微震强度 , 它涉及到检波器的有效探测范围。由于水力压裂诱生微震本身能量很小 , 而其高频成分极易被衰减吸收 ( 1989) , 因此水力压裂诱生微震在地层中传播距离不长。这些微震能被检波器检测到并可靠定位 , 除取决于其本身能量外 , 还与检波器的灵敏度等性能密切相关。较早的文献认为检波器只能在半径 200 m 内可靠地检测到水力压裂诱生微震(1987; 1993 ) , 近 10年来 , 井下检波器的性能虽已明显提高 , 但由于水力压裂诱生微震能量太小 , 检波器能可靠探测到微震的有效半径依然有限 [ 1 ]。就目前所见文献 , 将几种有代表性的数据列于表 1内。可以看到 , 检波器可靠检测到水力压裂微震的最远距离为 615 m[ 1 ]。实例分析表明 , 检波器可靠检测到微震的最远距离 (或称检波器检测半径 )与岩性无明显相关性 , 而与水力压裂时注入流体能量关系较密切。容易理解 , 在水力压裂微震监测设计时 , 检波器可靠检测到微震的最远距离对监测井位的选择是很重要的。表 1 水力压裂诱生微震的最远传播距离   L d m by   区 岩 性最远距离/m 文献来源200 1987; 19931994年 砂泥岩 153 1996花岗岩 503 19961995年 4月 美国 泥岩 176 19961997年 7月 美国 泥岩 615 U 20002000年 1月 美国 泥岩 427 20002 微地震水力压裂监测试验与井中监测的实例由于水力压裂诱生微震能量非常微弱 , 通常在传播不远后便衰减到难以检测水平。早期水力压裂微震监测试验是将检波器布置在地面上的 , 但终因信噪比太低而失败 [ 3 ]。井中的环境噪音比地面要低许多 ,并且没有地表低降速带对高频信号的衰减影响和检波器接近微震源 , 因此 , 水力压裂微震监测都是将检波器放在井中观测。211 在地面和井中同时进行的微地震水力压裂监测试验图 2提供地面和井中检波器同时记录的微震的对比。这是 1994年在美国 1 ]。一个三分量检波器安置在井下2 751 压裂井距监测井 393 m, 在深度为2 898 监测井与压裂井之间 , 距监测井约 61 31·  2007年 8月             崔荣旺 : 微地震压裂监测应在井中进行个 三 分量 检波 器 。 图 2面 检 波 器记 录 到 的 微震 ,图 2中检 波器 记 录 到 的 微震 。 图 中纵 轴 为 微 震总运动能 量 , 横 轴为记 录 时 段 。 可 以看到 , 图 2震 包括 2部 分 : 一部 分 是 连成 一 片 的能 量 水 平 近似相等的振动 , 这是各种原因 (自然界的和油田生产活动 ) 引起的微弱的连续发生的振动 , 形成一种微震背景 ; 另外是一些分立的比微震背景强得多的尖陡信号。在压裂注水之前出现的尖陡信号 , 据分析是监测井和压裂井附近生产井 (这些生产井距监测井数十米至数百米不等 ) 天然气采出引起的微震 ; 压裂井注入流体和支撑剂期间的尖陡信号 , 绝大多数是水力压裂诱生微震 ; 而停泵后微震仍持续出现一段时间 , 其中的部分是水力压裂引起微震 , 部分是是生产井采气引起的微震。可以明显看出 , 水力压裂期间的微震强度较大 , 出现的频数也比压裂前和压裂后微震发生频数大得多。图 2 可以看到除了背景振动外 , 几乎没有明显可分辨的高于背景值的微震。图 2除仪器故障引起的振动外 ) , 这表明在地面无法记录到有足够能量的水力压裂诱生微震。研究表明 , 地面检波器记录到的背景振动实际上大多是泵的噪音等 ( 1996)。注意 , 人走动引起的干扰振动只在地面记录上出现 , 而在井中记录上没有看到 , 这说明井中观测可避免地面一些干扰。212 井中微地震水力压裂监测技术及应用实例应用高精度井下地震检波器和数据传导系统 , 以及微地震数据处理分析和成像系统 , 在全球已进行了数百次井中微地震水力压裂监测工程。21211 现场操作微地震波由多个检波器检测 , 这些检波器用光纤电缆下到一个或几个监测井中。如果检波器放置在几口井中 , 像探测地震一样 , 地震波的震源可以由三角形法来确定。根据 波到达时间和波在地层中的传播速度来确定微地震波震源位置和分布。在大多数情况下 , 不可能利用多个邻井作监测井。在仅有一个相邻监测井时 , 则利用检波器的多层垂直分布来定位微地震波的震源位置。通常要确定检波器的间距 , 检波器排列的长度大约是 2口井之间距离的一半。最理想的是 , 一些检波器放在压裂层内 , 一些位于上部 , 另一些在压裂层的下部 , 但在压裂层内不放检波器也有成功的例子。监测井与压裂井之间最长的距离应该在 762 同的地层监测距离不同 , 对于高孔隙度的砂岩油藏 ,监测井与压裂井之间的距离要短一些。监测井必须无噪音 , 例如没有射孔的新井或用桥塞封闭住的旧生产井。21212 监测系统应具备的主要特点(1) 高采样率下的连续记录能力。由于微地震事件的频率主要集中于 200~ 1 500 为了得到这些地震数据 , 要求采集系统的采样率至少为 1 /4 m s。由于压裂施工时间长达 2~ 10 h, 为了完整记录这段时间内发生的所有微地震事件 , 要求采集系统具有连·041· 大庆石油地质与开发         第 26卷  第 4期续 记录 的 能 力 。(2) 高 灵 敏 度 。 由 于微 地 震 事件 能量非 常 弱 ,常 规检波器很难 检测到这些 微 弱的 信 号 。 高灵 敏 万向 具 有在倾斜 状态 下除 振 幅发生 变化 外 , 灵 敏 度 、 失真 等其他指标不变的特点 , 并且灵敏度比以往常规的检波器提高了约 30% , 在每个分量上用双检波器 , 双倍提高信号输出 , 同时还克服了常规万向节检波器中框架结构带来的不可避免的噪音。(3) 多接收级数和高传输率。为了更准确地监测微地震事件的方向和位置 , 必须采用多级记录 , 一般要求 12级以上。多级接收和高采样率势必导致大数据量传输 , 所以采用光纤电缆传输数据。21213 数据分析及解释数据处理所需要的数据包括地层速度 , 井斜数据和井的地表位置 , 还有检查检波器的方位。 1994年 , 在 后 , 应用 析和成像系统分析了上述获得的震源分布资料 , 就地实时进行了裂缝测绘 , 并采用特殊的提取信号的滤波技术以及先进的速率模型和震源定位的 V 其主要成果是诱生微地震震源分布俯视图和垂直剖面图。图 3诱生微地震震源分布俯视图显示可分成 3个时间片段 : 前期、压裂中期和关井 , 展现了在压裂过程中裂缝的增长过程。早期 , 裂缝非对称增长 , 东侧增长远远大于西侧 , 但裂缝在垂直方向上控制在注入层内。中间阶段在 2个方向都有增长 , 但还是显示出很大的非对称性。同时也能看到水平裂缝在东侧部增长。裂缝东翼长度大约是 150 m, 而西翼大约 120 m。图 3直线表示裂缝的走向。从图 4诱生微地震震源分布垂直剖面图可以量出缝高和缝长。通过有经验的压裂和油气藏地球物理工程师的大力配合 , 应用科学的工作方法以及配套的设备和软件 , 在压裂施工完成后即可提供压裂裂缝的高度、长度和方位角的初步结果。进一步细化速度模型 , 就可提供更精确的压裂裂缝几何形状的最终解释成果。3 结论与建议311 结论(1) 微地震压裂监测应在井中进行。石油工业首次微地震水力压裂监测现场试验于 1973年由美国人在美国的科罗拉多州的 W 1973年以来的一系列试验失败中 , 终于摆脱了几十年来地面地震勘探方法的影响 , 确立了水力压裂诱发微地震的井中监测方法 ( 1978; A 1980, 1982) [ 1 ]。 20世纪 70年代的多次试验及本文引用的 1994年在美国 采用现代技术设备 , 在地面和井中同时进行的微地震水力压裂监测试验 ) 都证明井中监测方法适合于水力压裂诱生微地震能量弱、频率高、传播距离短的特点 , 条件满足 , 可行。 20世纪 80年代末 , 井中微地震水力压裂监测技术已发展成为一套实用技术 , 其可靠性和精度已得到石油业界的广泛承认 [ 2 ]。国外 , 从来没有进行过地面微地震水力压裂监测生产。地面微地震压裂监测试验没有获得高信噪比、高分辨率、高保真度的有效微地震资料的原因有三 : 一是诱生微地震波能量弱 , 传播距离短 , 地面检波器不能靠近裂缝附近记录诱生微地震波 ; 二是诱生·141·  2007年 8月             崔荣旺 : 微地震压裂监测应在井中进行微地 震 波频 率高 , 适合 在 地 层 深 部 的 高 速层中 传 播 ,在近 地表的低降 速 带 地 层 对 高 频 地震 波有很 强 的吸 收作用 ; 三 是 地面 噪声 大 , 就 是 传 播 到地面的 诱生微地震 波 的 信 噪比 也很低 , 资料 可 靠性差 。油气藏地 球物理采集 是基础 , 得 不到合格资 料 , 其 他 都是徒劳的。(2) 井中微地震监测技术前景看好。石油业界的微震监测技术开展比采矿业晚得多 , 但却进展快 ,应用领域广 [ 1 ]。约 20世纪 70年代末 , 井中微地震水力压裂裂缝监测方法的可行性得到了人们的承认 , 到20世纪 80年代中期 , 井中微地震水力压裂监测成像方法已得到石油工程学家的充分肯定 , 认为微震监测法可以给出水力压裂裂缝明确的图像 , 并且比其他各种方法都准确。 20世纪 80年代末 , 国外已将微地震监测法视为确定水力压裂裂缝方位和形状的一种重要而实用的方法。 1991年开始以来 , 人们将微地震水力压裂监测的经验用于油气田开发 , 即利用采油(气 )、注水、注气、热驱等诱生微地震监测油气田开发过程或有关油田工程活动 , 解决储层孔隙流体的运动方向和范围。 21世纪初提出的 “仪表化油田 ”的概念 , 其核心技术之一就是微震监测。主张在大量井中安置永久性多级地震检波器和其他地球物理仪器以及永久性工程传感器 (如压力计、温度计、流速计等 ) , 以便对油气田开发全过程实施微震监测以及实施多种井中和地面的有源地震的重复测量。将有源地震与微地震监测相配合并以油藏工程数据进行标定 , 对油气田开发动态实施有效的实时监测与管理 ,其技术潜力和经济效益将是巨大的。312 建议井中微地震水力压裂裂缝监测技术含量高、精度高、成果丰富 , 但需要监测井 , 成本高 , 软硬件设备昂贵。目前 , 微地震方法在国内还处在少量试验阶段。从长远看 , 肯定要引进及发展此项技术。但根据国内石油业界现实要求 , 建议采用不用监测井的“地面测斜仪压裂监测技术 ”和 “电位法水力压裂监测技术 ”进行水力压裂裂缝监测生产。(1) 地面测斜仪水力压裂监测技术。在地面 ,应用高灵敏度的测斜仪就可监测到地下 3 000 以及精度低一些的裂缝体积、大概深度和裂缝是否对称。最新一代的高灵敏度测斜仪能够探测到小于 10 - 9 深度为 1 500°以下 , 2 000 m 时为10°左右。 20世纪 80年代末 , 国外已将地面测斜仪水力压裂监测技术视为确定裂缝方位和形状的 3种方法之一。该项技术不用监测井 , 这就给油气藏工作者带来了不少的方便 , 而且不影响临井的油气生产。(2) 电位法水力压裂监测技术 [ 4 ]。该技术是以传导类电法勘探的基本理论为依据 , 通过监测注入到水力压裂裂缝内高电离能量的工作液所引起的地面电场形态的变化 , 来解释推断压裂裂缝方位等相关参数。该项技术在地面进行 , 建立人工电场也可不需要临井作监测井 , 可用距压裂井一定距离的接地电极来代替。随着电子技术和数字技术的快速发展 , 电位法水力压裂监测技术发展很快。 20世纪 70年代末期 ,美国以国家 A 实验室为代表的研究机构和公司 , 将电位法水力压裂监测技术作为成熟方法采用 ,利用该技术确定大型水力压裂裂缝方位评价及裂缝的不对称性分析。 能在现场对完整水力压裂过程进行实时监测。 1984年 , 在 9届年会上 , 电位法水力压裂监测技术被归纳确定为水力压裂方位角的地球物理方法之一。中国于 20世纪 80年代初 , 引进并发展了电位法水力压裂监测技术 , 取得了长足进步 , 并得到国内专家的评定认可。 2005年在大 ×× 2××井进行电位法水力压裂监测 , 通过分析解释认为 , 该压裂层在 105°及 285°方向上形成了 2条不等长对称垂直裂缝。经数值反演计算裂缝长度分别为103 25 m。此项电位法水力压裂监测成果与同步进行的地面测斜仪水力压裂监测获得的成果资料相关较好 , 但电位法水力压裂监测技术价格要低得多。参考文献 :[ 1 ] 梁 兵 , 朱广生 1油气田勘探开发中的微震监测方法 [M ] 1北京 : 石油工业出版社 , 20041[ 2 ] 蒋 阗 1水力压裂技术新进展 [M ] 1北京 : 石油工业出版社 ,19951[ 3 ] 王治中 , 邓金根 , 赵振峰 , 等 1井下微地震裂监测设计及压裂效果评价 [ J ] 1大庆石油地质与开发 , 2006, 25 (6) : 762781[ 4 ] 崔荣旺 1大庆油气地球物理发展史例 [M ] 1北京 : 石油工业出版社 , 20031编辑 : 李安峰·241· 大庆石油地质与开发         第 26卷  第 4期
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