黄202井区微地震深井监测适应性研究及应用

Research and Application of Down Hole Microseismic Monitoring Adaptability in Huang 202 Well Area

摘要: 微地震监测是压裂裂缝成像的关键技术，近年来随着石油行业对于非常规油气资源的重视以及为了低渗透油气藏增产而进行压裂施工的有关需求的增长，微地震监测已经成为地球物理界一种重要的技术。随着页岩气勘探开发的不断深入，储层埋深由早期约3000 m的垂深逐渐增加4000 m以下，对微地震监测效果产生了一定的影响，如何优化监测方案，提升监测效果，促进页岩气资源的有效开发，是目前微地震监测面临的首要难题，而不同监测方式的适应性成为关键因素。本文以四川盆地黄202井区为例，利用微地震深井监测数据，开展与3500 m以浅微地震深井监测成果对比分析，为该地区下步4000 m以深页岩气压裂监测方案选择提供指导，对提升监测效果、支撑改善储层压裂增产作业效果具有重要的价值和实践意义。

Abstract: Microseismic monitoring is a key technology for fracture imaging. In recent years, as the petro-leum industry attaches importance to unconventional oil and gas resources and the demand for fracturing construction to increase production of low-permeability oil and gas reservoirs have increased, microseismic monitoring has become an important geophysical technology in the world. With the continuous deepening of shale gas exploration and development, the vertical depth of the reservoir gradually increased from about 3000 m to below 4000 m, which has a certain impact on the effect of microseismic monitoring. How to optimize the monitoring plan, improve the monitoring effect, and promote the effective development of shale gas resources is currently the primary problem, then the adaptability of different monitoring methods has become a key factor. This paper takes the Huang 202 well area in the Sichuan Basin as an example, and use the down hole microseismic monitoring data to carry out comparative analysis with the down hole monitoring results of wells which are below 3500 m, and provide guidance for the monitoring plan of shale gas wells for over 4000 m in this area. The monitoring effect and the effect of increasing production have important value and practical significance.

1. 引言

微地震深井监测是在压裂井附近寻找一口相邻井作为监测井，将检波器串在监测井中下放到目的层位位置接收压裂时地层破裂产生的纵、横波信号的一种微地震监测技术 [1] - [7]。水力压裂产生的微地震释放弹性波频率相当高，其频率通常在200 Hz到2000 Hz的范围内变化 [8]。震源信号被位于监测井中的检波器所接收，再将接收到的微地震信号进行处理，反推出震源的空间位置，这个震源位置就代表了产生破裂的裂缝空间位置 [9]。就目前来看，在实际生产过程当中该项技术在精度、可靠性、处理速度以及设备布设四个方面都十分成熟，但必须在压裂井一定范围内有一口深度基本相当的监测井来沉放深井检波器。

近年来，在页岩气开发过程中，存在同一水平井在压裂工艺、参数接近，而不同监测距离监测效果存在明显变化的情况，反映出了不同水平段位置微地震深井监测所定位的结果、表征的裂缝特征差异性。这就需要结合前期微地震深井监测结果开展对比综合分析工作，精细描述所监测裂缝的特征关系，并做出综合评价。本文根据四川盆地黄202井区页岩气井的微地震深井监测数据，利用邻近区内中浅层页岩气压裂微地震深井监测结果进行对比分析，评价4000 m以深微地震深井监测的适应性和可行性，为该地区下一阶段页岩气压裂监测方式优选、技术方案设计优化提供了技术支撑。

2. 压裂诱发微地震机理

微地震监测的主要理论是摩尔–库伦理论 [10]。微地震事件通常发生在裂隙之类的断面上，地层内地应力呈各向异性分布，剪切应力自然聚集在断面上 [11] [12]。通常情况下，断面是稳定的，然而，当原有的应力状态受到压裂施工干扰时，岩石中原来存在或新产生的裂缝附近就会出现应力集中、应变能增高。根据断裂力学理论，当外力增加到一定程度，地层应力强度因子大于地层断裂韧性时，原有裂缝的缺陷地区就会发生微小屈服、变形或者裂缝扩展，从而使应力松弛，储集能量的一部分随之以弹性波的形式释放，即产生微地震事件 [13]。

$\tau \ge {\tau }_0+\frac{1}{2}\left[\mu \left(S_1+S_2-2p_0\right)+\mu \left(S_1-S_2\right)\cos \left(2\phi \right)\right]$ (1) [14]

$\tau =\frac{1}{2}\left[\left(S_1-S_2\right)\sin \left(2\phi \right)\right]$ (2) [14]

式中：τ为作用在裂缝面上的剪切应力，MPa；τ₀为岩石固有的无法向应力抗剪断强度，数值从几兆帕到几十兆帕，若沿已有断裂面错断，其数值为零；S₁、S₂为最大、最小主应力，MPa；p₀为地层压力，MPa； $\phi$ 为最大主应力与裂缝面法向的夹角，(˚)；μ为岩石的内摩擦系数。

式(1)表明微地震易沿已有断裂面发生。τ₀为零时，式(1)左端大于右端，这时会发生微地震；p₀增大，左端也会大于右端。这两种因素都会诱发微地震，微地震优先发生在已有断裂面上 [15]。因此，地层压力变化是微地震发生的关键因素。

3. 对比分析思路

受储层埋深、监测井井况、压裂施工工艺及工程参数等多种因素的差异，对微地震深井监测实施条件、监测距离、事件数量等产生影响，围绕微地震监测技术方案设计、实施过程中客观条件、采集数据、处理成果等开展对比分析，分析评价监测效果的差异原因，明确影响监测效果的主要因素和次要因素。

对比分析思路是围绕微地震监测本身，如图1所示，即监测施工参数包括监测距离、检波器沉放深度、监测井条件等的差异性，压裂施工工程参数包括施工排量、施工液量、加砂强度、施工压力等的差异，以及监测成果包括原始数据资料品质、所表征的裂缝特征、几何参数等差异，通过综合对比分析之间差异的原因及影响因素，进而获得不同埋深不同监测条件下微地震深井监测的适应性和可行性，支撑下步监测方案设计与优化，提升监测效果。

Figure 1. Comparative analysis flow chart

图1. 对比分析思路流程图

4. 关键参数对比

4.1. 监测条件对比

由于黄202井区暂无3500 m以浅页岩气井微地震深井监测成果，本次选取邻近区域的威远地区的两口页岩气井(以下简称A井、B井)深井监测成果开展对比分析。

A井监测井的监测距离范围约在380~1800 m范围(图2(a))，可监测到的事件最小震级约为−2 (图2(b))。B井监测井的监测距离范围约在1170~1700 m范围(图2(a))，受监测距离影响，可监测到的事件最小震级约为−0.3 (图2(b))。

(a) (b) (c) (d)

Figure 2. Well A (left) and Well B (right) down hole monitoring observation system and location relationship diagram. (a) Position relationship between fracturing wells and monitoring wells; (b) magnitude range of forward events

图2. A井(左)、B井(右)深井监测观测系统及位置关系图。(a) 压裂井与监测井位置关系；(b) 正演监测事件震级范围

本次黄202井区实施的深井监测(以下简称C平台)，监测距离范围约在440~1930 m范围(图3(a))，可监测到的事件最小震级约为0.2 (图3(b))。

(a) (b)

Figure 3. C platform down hole monitoring observation system and position relationship diagram. (a) Position relationship between fracturing wells and monitoring wells; (b) magnitude range of forward events

图3. C平台深井监测观测系统及位置关系图。(a) 压裂井与监测井位置关系；(b) 正演监测事件震级范围

从监测距离关系看，A井目的层埋深最浅，监测距离最近，且入靶点区域监测距离与C平台接近，B井埋深略大于A井，C平台目的层埋深最深，B井最近监测距离相对较远，出靶点区域监测距离与C平台接近，最大监测距离约2000 m。

4.2. 原始资料对比

监测距离对事件信号接收及监测效果会产生一定的影响，对比三口井监测距离，A井监测距离，B井及C平台监测条件较为接近。从典型事件信号记录看，A井资料事件信号能量强，资料信噪比高，如图4(a)所示。B井事件信号能量较强，存在少量的井筒干扰，如图4(b)所示，相比A、B井事件记录，C平台事件信号能量较弱，如图5所示。

(a) (b)

Figure 4. Records of typical events of down hole monitoring in Well A (a) and Well B (b)

图4. A井(a)、B井(b)深井监测典型事件记录图

Figure 5. Records of typical events of down hole monitoring in C platform

图5. C平台深井监测典型事件记录图

5. 实际资料效果

5.1. A、B井微地震深井监测效果

两口井监测结果均较为清楚的刻画了裂缝特征，A井监测事件总数4777个，平均251个/段，监测结果如图6所示。B井监测事件总数699个，平均78个/段，监测结果如图7所示。

(a) (b)

Figure 6. Microseismic monitoring map of Well A. (a) Top view; (b) side view

图6. A井整体监测效果图。(a) 俯视图；(b) 侧视图

(a) (b)

Figure 7. Microseismic monitoring map of Well B. (a) Top view; (b) side view

图7. B井整体监测效果图。(a) 俯视图；(b) 侧视图

5.2. C平台微地震深井监测效果

C平台入靶点至水平段中部监测结果均较为清楚的刻画了裂缝特征，出靶点区域事件急剧减少，对裂缝形态刻画较弱。平台监测事件总数3480个，平均69个/段，靠近出靶点区域压裂段定位事件数量极少，如图8所示。

(a) (b)

Figure 8. Microseismic monitoring map of C platform. (a) Top view; (b) side view

图8. C平台整体监测效果图。(a) 俯视图；(b) 侧视图

5.3. 监测效果对比

根据对比分析区域监测的特点，A井各压裂段事件数量整体较为均匀，水平段两端受天然裂缝影响事件数量相对较多，如图9(左)所示。B井事件随着监测距离减小事件数量呈上升趋势，如图9(右)所示。C平台出靶点区域事件数量较少，且横向变化不大，从水平段中部至入靶点区域，事件数量呈明显的上升趋势，如图10所示。

通过建立各井事件震级与监测距离交会分析，整体来看随着监测距离的逐渐增加，所定位事件震级逐渐增大，A井事件数量随着监测距离的增加分布相对均匀，如图11(a)所示。C平台监测距离约1400 m以内时，事件数量相对稳定，当监测距离在1400~1800 m范围内时，事件数量逐渐减少，且事件减少数量随监测距离的增加逐渐增加，当监测距离大于1800 m时，所定位事件数量急剧减少，如图11(b)所示。

Figure 9. Well A (left) and Well B (right) each section event quantity statistics chart

图9. A (左)、B (右)井各段事件数量统计图

Figure 10. C platform each section event quantity statistics chart

图10. C平台各段事件数量统计图

(a)(b)

Figure 11. The relationship between the magnitude of the events and the monitoring distance. (a) The relationship between the magnitude of the events and the monitoring distancein Well A; (b) the relationship between the magnitude of the events and the monitoring distancein C platform

图11. 事件震级与监测距离关系图。(a) A井事件震级与监测距离关系；(b) C平台事件震级与监测距离关系

将A井监测距离与C平台相同范围事件提取进行交会，二者事件数量及震级范围趋于一致，事件数量也主要集中在1400 m范围内，如图12所示。

(a)(b)

Figure 12. Relationship between event magnitude and monitoring distance in the same monitoring distance range. (a) The relationship between the magnitude and the monitoring distance of events with a monitoring distance of more than 1000 m in Well A; (b) the relationship between the magnitude of the events and the monitoring distancein C platform

图12. 相同监测距离范围事件震级与监测距离关系图。(a) A井监测距离1000 m以上事件震级与监测距离关系；(b) C平台事件震级与监测距离关系

6. 结论

根据不同埋深微地震深井监测对比分析结果，监测距离与事件震级、数量关系成明显的反比关系，与储层埋深无关，针对黄202井区，微地震深井监测具有一定的适应性，当监测距离小于1400 m时，监测结果能够清晰的刻画压裂裂缝展布特征，当监测距离大于1400 m后监测事件数量呈下降趋势，当监测距离超过1800 m时，深井监测效果影响明显，部分段无法完成对裂缝形态的有效刻画。但由于黄202井区前期开展微地震深井监测工作较少，用于本次对比分析统计的数据成果有限，可能不完全代表该区域的监测效果，监测距离的适应性需要生产的进一步检验。