水力压裂裂缝微地震监测测试技术与应用

第22卷第3期油气地质与采收率Vol.22,No.32015年5月Petroleum Geology and Recovery EfficiencyMay 2015—————————————收稿日期：2015-03-31。

作者简介：李红梅（1970—），云南江川人，女，高级工程师，博士，从事地震资料综合研究工作。

联系电话：（0546）8789733，E-mail ：lihong⁃mei519.slyt@ 。

基金项目：中国石化科技攻关项目“微地震监测技术及处理系统研发”（P13078）。

·油气钻采工程·微地震监测技术在非常规油气藏压裂效果综合评估中的应用李红梅（中国石化胜利油田分公司物探研究院，山东东营257022）摘要：随着非常规油气藏的规模开发，微地震监测作为该类型油气藏水力压裂体积改造设计、实施及评估的关键技术得到了迅速发展。

东营凹陷盐227井区作为低孔特低渗透油藏，在进行整体压裂开发的过程中对微地震监测数据进行了采集与处理。

通过微地震事件点俯视投影、沿井轨迹侧视投影、压裂改造体积及压裂波及前缘面积计算等方法，分析了人工裂缝带的长度、宽度、高度和方位等空间发育特征及其影响范围，综合利用钻录井、测井和三维地震等资料，分析了研究区天然裂缝分布特征、各压裂段岩性组合或沉积相带特征及其对人工裂缝空间分布的影响，综合评估了盐227井区非常规油气藏压裂改造效果，明确了砂砾岩扇体中扇中可压性好于扇根；相对厚层的含砾砂岩比厚度较薄、泥岩夹层多的含砾砂岩的压裂效果更好。

关键词：微地震监测水力压裂非常规油气藏储层改造人工裂缝中图分类号：P631.443文献标识码：A文章编号：1009-9603（2015）03-0129-06Application of micro-seismic monitoring technology tounconventional hydrocarbon reservoir fracturing evaluationLi Hongmei（Geophysical Research Institute ，Shengli Oilfield Company ，SINOPEC ，Dongying City ，Shandong Province ，257022，China ）Abstract ：Micro-seismic monitoring ，as a technique for the design ，implementation and evaluation of hydraulic fracturing volume reformation ，has been developing rapidly with the large-scale development of unconventional hydrocarbon reservoir.The sand-gravel reservoir in Yan227wellblock of Dongying sag has low porosity and very low permeability.Based on mi⁃cro-seismic monitoring data acquisition and processing of Well Yan227-3HF and Well Yan227-8HF ，the development of artificial fracture space ，including its length ，width ，direction and height ，and its effective rang were analyzed at first through the methods of vertical projection of micro-seismic event point ，side projection ，calculating of fracturing volume and fracturing frontal area ，etc.And then data from drilling ，logging ，well logging ，3D seismic and fracturing construction process parameter curve were comprehensive utilized ，thus the characteristics of natural fracture distribution ，the lithologyand sedimentary facies belt of each fracture section and their influence on spatial distribution of artificial cracks were ana⁃lyzed.Finally ，the unconventional hydrocarbon reservoir fracturing effect was evaluated comprehensively in Yan227well⁃block area.The results show that the middle-fan section is easier to be fractured compared with the fan root;pebbly sand⁃stone with relatively thick layer has better fracturing effect than the one with thinner layer and multi-interbedded mudstone.Key words ：micro-seismic monitoring ；hydraulic fracturing ；unconventional hydrocarbon reservoir ；reservoir reformation ；artificial fracture微地震监测技术是通过观测生产活动过程中所发生的微地震事件，来分析其影响的地球物理技·130·油气地质与采收率2015年5月术［1-2］。

哈里伯顿压裂裂缝微地震监测说明2015年4月1.微地震数据采集方式井下微地震裂缝监测理论源于研究天然地震的地震学，主要为利用在水力压裂过程中储层岩石被破坏会产生岩石的错动（微地震）来监测裂缝形态的技术。

井下微地震监测法将三分量地震检波器（图1）,以大级距的排列方式，多级布放在压裂井旁的一个或多个邻井的井底中（图2）。

三分量微地震检波器在压裂井的邻井有两种放置方式：一种是放置在邻井中的压裂目的层以上，用于邻井压裂目的层已射孔生产情况，由于收集微地震信号的检波器非常灵敏；为防止监测井内的液体流动对监测造成井内噪音，必须在射孔段之上下入桥塞封隔储层，然后将检波器仪器串下入到桥塞之上的位置。

另一种方法是将检波器放置在邻井中的压裂目的层位置上，这种情况检波器和水力裂缝都位于相同的深度和储层，此时声波传播距离最近、需要穿过的储层最少，属于最佳的观测位置，这种方式用于邻井的目的层未实施射孔生产的情况。

图1 三分量地震检波器图2 三分量地震检波器下井施工现场图3显示一个由5级检波器组成的仪器串在压裂井的邻井下入的两种布局方式：图中左边表示邻井已射孔的情况下，射孔段以上经过桥塞封堵，检波器仪器串放置在该井的目的层以上；图中右边表示邻井为新井的情况下，目的层未实施射孔，检波器仪器串放置在该井的压裂目的层位置上。

井下微地震压裂测试使用的三分量检波器系统检波器以多级、变级距的方式，通过普通7-芯铠装电缆或铠装光缆放置在压裂井的邻井中。

哈里伯顿使用采样速率为0.25ms的光缆检波器采集系统采集和传输数据。

常规的电缆一方面数据传输速率低，另一方面对于低频震动信号易受电磁波的干扰大。

采用铠装光纤进行数据传输不但传输速度快，并且允许连续记录高频事件，提高了对微小微地震事件的探测能力同时对微地震事件的定位更加准确，监测到的裂缝形态数据最为可靠。

图3 多级检波器系统在邻井的两种放置方式另外，由于检波器非常灵敏，井筒中的油气流动会很大程度的影响监测微地震事件的信噪比，如果监测井为已经射孔的生产井，需要在射孔段以上20米的位置下入桥塞，检波器仪器串底部下入到距离桥塞10米的位置。

压裂裂缝监测方法分析及应用项目名称：《压裂裂缝监测方法分析及应用》研究起止时间：2011年3月—2011年12月负责人：卢云霄技术首席：杜发勇报告编写人：杜发勇主要研究人员：张培东陈东茹红丽黎石松暴志娟潘勇姜立辉孙文森黄琼冰薛仁江林惠星等审核人：陈东审定人：李云目录一、项目概况 (3)（一）立项背景 (3)（二）主要研究内容 (4)（三）完成工作量 (4)（四）提交成果与主要技术指标 (5)（五）主要成果和认识 (5)二、水力压裂裂缝监测方法分析 (6)（一）水力压裂裂缝监测技术分类 (6)（二）裂缝监测方法分析 (7)1、间接裂缝监测（诊断）方法分析 (7)2、直接近井裂缝监测方法分析 (12)3、直接远场裂缝监测方法分析 (18)（三）水力压裂裂缝监测方法对比 (29)三、探井水力压裂裂缝监测资料统计分析 (31)（一）探井水力压裂裂缝监测技术及应用情况 (31)（二）探井水力压裂裂缝监测资料分析 (31)1、压前压后井温测试资料分析 (31)2、井底压力温度监测资料分析 (37)3、地面多点式微地震裂缝监测资料分析 (43)4、大地电位法裂缝监测资料分析 (45)5、压后压力恢复资料分析 (46)6、裂缝监测资料综合分析 (47)四、认识和建议 (49)1、认识 (49)2、建议 (49)附图探井压裂前后井温测井曲线图 (49)一、项目概况（一）立项背景随着油田勘探工作的不断深入，新增探明储量中低渗透油气藏所占比例大幅上升。

“十一五”期间，达到当年探明储量的52.5%。

“十二五”期间勘探增储主阵地仍为低渗透油藏，年均在4000万吨以上。

压裂改造是这类储量得以探明和有效开发动用的关键技术。

正确的认识水力压裂裂缝的几何形态和延伸状况，对评价压裂效果，检验和提高压裂设计的准确性，优化开发方案，进而改善压裂增产效果，提高单井产能及最终采收率具有重要的指导作用。

因此，压裂裂缝监测诊断方法，始终是相关领域专家们最为关注，同时长期进行探索与开发应用的关键技术之一。

微地震技术与压裂效果评价摘要:本文就油田不同开发阶段,利用微地震监测技术对水力压裂人工裂缝实时监测,根据裂缝监测结果应用科学的评价方法,定量计算水力压裂措施前后渗流阻力及产量,是一项十分必要评价压裂效果的可靠方法。

关键词:微地震;监测;油气藏;地应力;储层;评价目前提高低渗透油藏单井产量最有效的方法是对油层进行水力压裂改造。

通过微地震监测技术,监测压裂人工裂缝形成过程中所诱发的微地震事件,通过对微地震事件反演及震源定位,就可以了解裂缝的产状,进而客观的描述压裂裂缝的再生作用导致的应力改变,以有效地提高油田开发水平。

1.微地震监测技术微震动(包括微地震)监测技术是20世纪90年代发展起来的一项地球物理勘探新技术,应用于油气藏勘探开发、煤矿“三带”(冒落带,裂缝带和沉降带)监测,矿山断裂带监测,地质灾害监测等多个领域。

目前微地震监测技术在国内外油气田勘探开发中的应用已经比较普遍。

1.1监测原理油气水井新井投产或后期改造进行水力压裂时,在射孔位置,当迅速升高的井筒压力超过岩石抗压强度,岩石遭到破坏,形成裂缝,裂缝扩展时,必将产生一系列向四周传播的微震波,微震波被布置在压裂井周围的多个监测分站接收到,根据各分站微震波的到时差,会形成一系列的方程组,求解这一系列方程组,就可确定微震震源位置,进而计算出裂缝分布的方位、长度、高度及地应力方向等地层参数;同时结合井口压力监测可获得闭合压力、液体滤失系数、液体效率、裂缝宽度等参数。

1.2压裂效果评价方法根据目前国际上通常评价系统,水力压裂前后几何渗流阻力(ΩrP)、产油量(q ) 、渗流阻力下降率(V )分别为:2.微地震监测技术在青海柴达木地乌南油田应用实例2.1乌南油田基本概况乌南油田位于青海省柴达木盆地西部南区,为柴达木盆地茫崖坳陷区昆北断阶亚区乌北-绿草滩断鼻带上的一个三级构造,构造面积130km2 ,构造整体为一由东南向北西方向倾没的鼻状构造,构造轴向为北西向,构造西南翼地层倾角较大,东北翼地层倾角相对较小,主体部位轴向330度。

井中微地震技术与应用陈泽东物探公司三大队摘要低渗透油田的水力裂缝特征决定了井网的部署、射孔的方位、压裂设计的优化等，对于储层改造起着指导性作用，直接影响着油田开发的好坏。

我们通过掌握这项技术开拓了勘探面向开发的新领域，进一步认识到水力压裂的裂缝延伸的复杂性，明确了压裂裂缝的延伸情况，在指导油田开发中的井网部署、压裂优化设计、压裂后效果评估方面发挥关键作用。

关键词低渗透油气藏水力压裂井中微地震技术应用效果一、前言中国低渗透油气资源十分丰富，目前国内已探明低渗透油田（油藏）共有300个左右，地质储量40×108t,占全部探明储量的24.5%，广泛分布于全国勘探开发的20多个油区，其中储量在1×108t以上的就有11个油区。

因此，对已开发的低渗透油气田如何进一步提高开发效益，对于石油工业的发展有着十分重要的意义。

区块整体压裂改造技术作为低渗透油田高效开采的有效方法，在各个低渗透油田被广泛采用。

因此必须对区块整体压裂改造技术进行系统研究，以期对不同类型的低渗透油藏提出相应的开发模式，以提高开采效益与开发水平。

低渗透油田的水力裂缝特征决定了井网的部署、射孔的方位、压裂设计的优化等，对于储层改造起着指导性作用，直接影响着油田开发的好坏。

但是目前常用的各种测试方法由于受地貌条件、井斜及仪器位置的限制，使得测试结果可信度低。

因此采用目前国际上最先进的井下微地震裂缝测试技术对压裂过程中水力裂缝的特征进行监测与描述，对于提高裂缝测试水平、促进压裂工艺及开发技术进步意义重大。

二、井中微地震技术原理及特点井中微地震技术原理起源于天然地震的监测。

水力压裂井中，由于压力的变化，地层被强制压开一条大的裂缝，沿着这条主裂缝，能量不断的向地层中辐射，形成主裂缝周围地层的张裂或错动，这些张裂和错动可以向外辐射弹性波地震能量，包括压缩波和剪切波，类似于地震勘探中的震源，但其频率相当高，其频率通常从200Hz到2000Hz左右的范围内变化。

油气、地矿、电力设备管理与技术1812017年11月下 第22期 总第274期在未来很长一段时间内注水开发都将是油田的主要开发方式,而这就使得水驱前缘和裂缝监测技术在注水油田开发中将长期扮演重要角色,而为了保证两种技术更好满足油田开发需要,正是本文就水驱前缘和裂缝监测技术的研究与现场应用展开具体研究的原因所在。

1 水驱前缘和裂缝监测技术研究现状1.1 水驱前缘技术研究现状在应用时间较久的经典水驱油理论中,莱文莱特函数式在其中负责含水率的确定,不过在近年来学界的研究中发现,虽然莱文莱特函数能够较好充当各类水驱计算方法的理论基础,但高含水时期该函数的适用性将大大降低,这就为新型水驱前缘解析技术的出现提供了契机。

结合W e l g e 方程以及图1所示的含水率与含水饱和度关系,即可得出注入孔隙体积倍数)(1'wew i d i S f LA W W ==φ,这里的A 、φ、L 、W i 、'w f 、we S 分别指岩石渗流横截面积、孔隙度、注采井距、累计注水量、含水率、出口端含水饱和度。

结合经典水驱油理论,同时参考文献[1]所进行的油、水相对渗透率模型直接相比研究,本文得出了新型油水相渗比关系式,其简化式为wd wd cS m wdbS n wd rw ro S S a K K ++-=)1(,其中or wi wiwewd S S S S S ---=1,这其中的a 、b 、c 、m 、n 指的是待定常数,而S o r 、S wi 、K o r 、K r w 分别是指残余油饱和度、束缚水饱和度、油相相对渗透率、水相相对渗透率,继续展开计算则可得出驱油效率解析式:)1(11---+--=wi w orwi wi wi we d S f S S S S S E 1)1ln(ln 1-⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+++-+∙wd wd wd wd wd wd S b S c S cS m S bS n 1.2 裂缝监测技术研究现状裂缝监测技术是一种在油田开发中应用较广的技术形式,该技术在裂缝生成监测、压裂效果评价、裂缝生长过程描述、保证压裂施工按设计顺利进行等方面都有着较为出彩的应用,而本文研究的水力压裂微地震裂缝监测则属于该技术的重要应用方向[2]。

微地震监测技术及应用摘要微地震监测工艺包括近震研究的定位与地壳构架成像，微地震监测各类定位手段需创建不同目标函数，地震定位情况的实质为求得目标函数的极小值。

NA拥有不依靠于模型初始值选用，不会收敛与部分极小值，比以往线性近似手段有更大的精度与稳定性。

经过地震信息的震相研究，走时拾取反演能够得到地震干扰区的地震波速度系统，当前已推行使用在石油、气田勘察开发和页岩开发领域；矿山开挖中矿震、岩爆，煤和瓦斯突出，承压水突水检测；水利项目施工坝址、边坡可靠性以及天然滑坡检测等诸多方面。

关键词微地震；监测方法；运用；研究1 微地震具体定位手段微震监测方法是在地震监测方法的前提下发展起来的，其在原理上和地震监测、声发射监测方法一样，是依靠岩体受力损坏阶段破裂的声、能原理。

近震3D空间微地震定位忽视深度后能视为平面微地震定位情况，使用三点定位几何手段，在已知三个测量点坐标与地层介质传递速度基础上，经过三点到时就能够明确震源部位[1]。

O0是坐标原点，以R，R+ΔR1，R+ΔR2分别是半径作圆，三圆交点就是震源，如图1所示。

天然微地震出现频率相对偏低，地震震相容易区别，常体现出单事件特点。

精确的定位手段均是创建在3D空间前提下，常见的微地震震源定位基本手段包括Geiger法、网格检索手段等线性优化途径；还有遗传算法、模拟退火以及邻近算法等非线性优化手段[2]。

2 微地震监测运用2.1 矿山安全开挖微地震监测伴随开挖深度增大，地压、瓦斯以及地下承压水等安全情况突出，微地震监测技术起到关键的作用。

冲击地压属于矿山内损坏行最大的地压问题，出现时大小不同的煤块以较大的速度飞向巷道，对矿山设备以及人员生命的威胁较大，因此对其研究具有重要作用[3]。

统计结构显示，大概50%的矿震是因为沙砾岩等重点层损害造成的，僅有少数矿震造成了冲击地压情况，表示矿震和冲击地压的差异。

冲击地压与地震一样均是和地球中物理损坏相关联的岩体可靠性现象，其出现时均表现为较短时间内散发大量的应变能。

水力压裂实时监测技术水力压裂实时监测技术摘要：水力压裂实时监测技术，有利于使低渗透油田的采收率提高，通过利用压裂施工产生裂缝的长度、高度和方位角，优化井网、优化压裂设计或其他油田开发措施，对与油井的经济收益到达最大化是意义重大的。

关键词：水力压裂实时监测技术在油田开发过程中，为了使油区的开采价值提高，经常需要对油区进行压裂作业，以使其开采条件改变，从而提高采收率。

压裂是指在井筒中形成高压迫使底层形成裂缝的施工过程，包括水力压裂和酸化压裂，是国内、国外广泛应用的行之有效的增产、增注的措施。

下面主要来介绍一下其中的水力压裂方面的实时监测技术。

一、直接远源裂缝监测技术这种监测技术主要包括微地震裂缝描述技术与测斜仪裂缝描述，在压裂过程中利用地表或邻井进行裂缝参数测量，但测不出裂缝导流能力或有效裂缝长度。

这类技术的测量精度会随着测量距离的增大而下降。

1.地面-地下测斜仪裂缝描述技术生产水力压裂裂缝时其附近的岩石要变形。

通过灵敏度高的测斜仪在所引起的几处倾斜的位置〔变形派生出的〕上测量到的水力裂缝，然后通过反演可以得到裂缝的几何形态和方位。

压裂过程中造成的变形在地面上主要是裂缝倾角、方位角、距裂缝中心深度及裂缝总体积的函数。

比方一致大小的一条南北向垂直裂缝不管是在极硬的碳酸盐岩中、酥松的砂岩中还是低杨氏模量的硅藻岩中，都会产生同样的外表变形区。

变形区是一个被两条对称隆起带〔如果裂缝是倾斜的，那么隆起就是不对称的〕所包围着的南北走向地槽，该隆起带的大小取决于所造缝的体积，两个隆起之间的别离程度取决于裂缝中心深度。

以上的概念虽然简单，但可以确定少数主要压裂参数——比方裂缝倾角、方位角、不十分精确的距裂缝中心深度以及因为不对称发育而引起的裂缝偏移。

倾斜区的方向和特征形状不随裂缝深度的增大而改变。

但倾斜的大小会随裂缝增大而变小。

现在的测斜仪能解决由裂缝所引起的小到纳弧度级别的倾斜度，也能用于测量超过3000m 深度的〔大型〕压裂施工。