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摘 要： 摘要在2017和2018兩年中，我們對(duì)新疆18口煤層氣井的水力壓裂，應(yīng)用微地震向量掃描技術(shù)，實(shí)施了微震監(jiān)測(cè)。這批井的特點(diǎn)是，除3口井煤層的傾角小于30度外，余均為高傾角，其中6口井的傾角大于70度，近乎直立。由于煤層在強(qiáng)度上較常規(guī)油氣儲(chǔ)層顯著得低，因而壓
摘要在2017和2018兩年中，我們對(duì)新疆18口煤層氣井的水力壓裂，應(yīng)用微地震向量掃描技術(shù)，實(shí)施了微震監(jiān)測(cè)。這批井的特點(diǎn)是，除3口井煤層的傾角小于30度外，余均為高傾角，其中6口井的傾角大于70度，近乎直立。由于煤層在強(qiáng)度上較常規(guī)油氣儲(chǔ)層顯著得低，因而壓裂設(shè)計(jì)預(yù)期裂縫沿煤層延展。然而，經(jīng)反復(fù)校核，盡管多數(shù)井的裂縫帶滿(mǎn)足預(yù)期(占總井?dāng)?shù)的72%)，還是確認(rèn)了3口井(17%)的裂縫延展面同已知煤層在傾向上有一個(gè)40~60度的夾角;另一類(lèi)特例是2口井(11%)的類(lèi)似X型的破裂，即一個(gè)裂縫面滿(mǎn)足了預(yù)期的傾向和傾角，同時(shí)也有一個(gè)傾向相反、傾角相似的破裂面。因而在機(jī)理上，若視煤層為已有斷層，在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下，煤層的壓裂破裂面有三種可能性：(1)僅沿煤層延展;(2)僅沿已有斷層裂隙面延展;以及(3)同時(shí)沿這兩個(gè)層面破裂。此外，破裂面展布以相對(duì)壓裂點(diǎn)向上為主。研究這些壓裂裂縫面的產(chǎn)狀、發(fā)育機(jī)理、與對(duì)其微震監(jiān)測(cè)的解釋方法特性，對(duì)具有不同傾角的煤層的壓裂設(shè)計(jì)與壓裂監(jiān)測(cè)，有重要意義。
關(guān)鍵詞煤層氣;水力壓裂;微地震;向量掃描;解釋
0引言
壓裂是獲得油氣產(chǎn)能的常規(guī)手段(Sheriff，1991)。近些年來(lái)，石油和天然氣、煤層氣、頁(yè)巖氣、甚至干熱巖的井壓裂及其監(jiān)測(cè)獲得了不小的發(fā)展(例如，劉振武等，2013;Liangetal.2015;LiangandWang,2017;GrechkaandHeigl,2017)。本文討論應(yīng)用微地震向量掃描技術(shù)(Vectorscanning，VS)于不同傾角煤層氣井的水力壓裂微震監(jiān)測(cè)，是VS系列文章的重要應(yīng)用的典型實(shí)例之一。
壓裂監(jiān)測(cè)中，所遇多為水平狀或近水平狀的煤層和油氣儲(chǔ)層，加之板塊運(yùn)動(dòng)引起的中國(guó)大陸地區(qū)最大主壓應(yīng)力方向也多是水平的(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，2009)，從而壓裂裂縫帶無(wú)論是預(yù)測(cè)還是監(jiān)測(cè)的結(jié)果，無(wú)論是直立的還是水平的平面縫，多沿水平方向延展(LiangandWang，2019)。
在2017和2018兩年中，我們對(duì)新疆18口共35層段的煤層氣井的水力壓裂，應(yīng)用VS(LiangandLeng，2016;Liangetal.2016;Liangetal.2017;LiangandWang，2019)實(shí)施了微震監(jiān)測(cè)。這批井的煤層特點(diǎn)是，除3口井5層段的傾角小于30度外，余均為高傾角煤層，其中6口井11層段的傾角甚至是直立或近直立的(表1)。這對(duì)我們壓裂監(jiān)測(cè)的解釋是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
由于煤層在強(qiáng)度上較常規(guī)油氣儲(chǔ)層顯著得低(圖1)，因而壓裂設(shè)計(jì)預(yù)期裂縫沿煤層延展。然而，盡管我們確認(rèn)已經(jīng)嚴(yán)格執(zhí)行了應(yīng)用VS的必要條件(LiangandWang,2017)，最大限度地提高信噪比，保證了監(jiān)測(cè)質(zhì)量，并在解釋中反復(fù)校核，發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不完全如愿。因而必須給予合理的機(jī)理解釋。此外，由于煤層是高傾角的，過(guò)去為了加快解釋速度而經(jīng)常采用的水平2D平面檢查是否壓裂點(diǎn)附近有微震活動(dòng)的方法(例如，Guoetal.本期同發(fā)或前一期)，在這里也不適用了，而不得不使用3D或者2D縱剖面實(shí)施檢查。
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在第1章，我們敘述VS的原理、應(yīng)用的必要條件、以及在監(jiān)測(cè)過(guò)程中為滿(mǎn)足這些條件所采取的措施，包括垂向分辨率的討論。第2章詳細(xì)描述了對(duì)于不同傾角的煤層，這18口井35層段壓裂裂縫的解釋、分布、及其機(jī)理的特性，并給出典型例子。第3章在分析討論壓裂裂縫帶分布的基礎(chǔ)上，對(duì)不同傾角煤層氣井的水力壓裂微震監(jiān)測(cè)給予結(jié)論。
1.2監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程
1.2.1野外數(shù)據(jù)采集
Liangetal.(2016)對(duì)VS應(yīng)用中專(zhuān)用微地震監(jiān)測(cè)儀器特性、儀器數(shù)量、微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)原則、安靜點(diǎn)的數(shù)值定義等做了詳細(xì)的敘述。作為例子，本節(jié)中各圖顯示了W11-L1井的監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程。
我們首先使用快速背景探測(cè)儀踏勘井口周?chē)霃?km內(nèi)的噪聲水平。監(jiān)測(cè)時(shí)，井口有壓裂車(chē)群，故井口半徑1km內(nèi)無(wú)法安置臺(tái)站;同理，任何繁忙公路和地面機(jī)器附近數(shù)百米至千米范圍內(nèi)也不能放置臺(tái)站。通常選擇背景噪聲至少是合格的點(diǎn)位布設(shè)微震臺(tái)網(wǎng);按照安靜點(diǎn)的數(shù)值定義，本批監(jiān)測(cè)的野外數(shù)據(jù)質(zhì)量多為優(yōu)(<0.5)或良(<0.75)。每次均使用了25個(gè)微地震臺(tái)，各臺(tái)間距≥40m(圖2、圖3)。每個(gè)臺(tái)站獨(dú)立實(shí)施GPS定位。
需要說(shuō)明的是，這18口井全部在起伏高差大于30m的丘陵或山區(qū)，以至于微震臺(tái)網(wǎng)的幾何分布無(wú)法盡量均勻分布(例如圖2)。然而，對(duì)于保證微震監(jiān)測(cè)質(zhì)量來(lái)說(shuō)，選取背景噪聲低的安靜處設(shè)點(diǎn)較均勻分布要重要得多(Liangetal.2016)。
1.2.2數(shù)據(jù)處理
整個(gè)數(shù)據(jù)處理分為準(zhǔn)備、去噪、掃描計(jì)算等步驟。其中，第1步在正式監(jiān)測(cè)前準(zhǔn)備完畢;去噪和掃描計(jì)算則融入一個(gè)完整的自動(dòng)化過(guò)程;分述如下。
數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備分為建立監(jiān)測(cè)區(qū)域的速度模型與掃描計(jì)算幾何設(shè)計(jì)(圖2)。掃描計(jì)算時(shí)，需要確定空間中每點(diǎn)輻射出的地震射線到達(dá)臺(tái)站的路徑和走時(shí)，這就需要知道監(jiān)測(cè)域的速度分布。建立地震波速度模型主要根據(jù)區(qū)塊評(píng)價(jià)的較完整的速度模型和/或已有的監(jiān)測(cè)域內(nèi)外的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)(Liangetal.2017)。W11-L1井的監(jiān)測(cè)使用了監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)及附近的9口井的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)光滑處理消除測(cè)量中的異常，據(jù)一般山區(qū)速度分布經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)充了淺層速度，隨后據(jù)此插值出3D速度模型(圖2)。掃描計(jì)算中使用了最常用的泊松比值(0.25)實(shí)施縱波至橫波的速度轉(zhuǎn)換。
獲得臺(tái)站坐標(biāo)、井軌跡數(shù)值點(diǎn)、壓裂點(diǎn)幾何位置后，通常對(duì)掃描范圍定義一個(gè)1000m×1000m×200m的體積，可得到此段的監(jiān)測(cè)計(jì)算幾何設(shè)計(jì)。當(dāng)煤層傾角高于45度時(shí)，上述掃描深度200m將改為600m，如圖2所示。我們采用20m(臺(tái)站GPS最大誤差或平均掃描誤差，例如Shenetal.2009和Liangetal.2016)與1分鐘的網(wǎng)格和時(shí)間間隔進(jìn)行掃描計(jì)算，據(jù)此描述壓裂裂縫的時(shí)空分布。
Liangetal.(2017)詳細(xì)敘述了數(shù)據(jù)去噪的步驟和要求。去噪的重點(diǎn)是地面機(jī)器的干擾。經(jīng)常地，一個(gè)120秒的數(shù)據(jù)段可能被分為1至幾個(gè)子時(shí)段(圖4)，否則它將被分為兩個(gè)1分鐘數(shù)據(jù)段，然后投入掃描計(jì)算，其中通過(guò)掃描計(jì)算的數(shù)據(jù)疊加，最后壓制一次殘余干擾。
1.2.3解釋
一個(gè)時(shí)段監(jiān)測(cè)的解釋基本過(guò)程是，解釋人員檢查破裂能量空間分布，選出壓裂點(diǎn)附近有較高破裂能量的某種S波型的重要時(shí)段，并不斷累積已有的重要時(shí)段，觀察壓裂裂縫帶隨時(shí)間的變化;當(dāng)壓裂結(jié)束時(shí)，到最后一個(gè)重要時(shí)段的累積就是最終壓裂裂縫總效應(yīng)。
這里應(yīng)當(dāng)說(shuō)明挑選重要時(shí)段的具體方法。一次壓裂誘發(fā)的微震活動(dòng)，通常具有積累一段時(shí)間的注入能量、然后再釋放的間歇性;壓裂點(diǎn)附近的破裂亦可誘發(fā)遠(yuǎn)處的將來(lái)或許與主裂縫網(wǎng)連通的裂隙，即跳躍性(LiangandZhu，2004;Maxwell，2014;GrechkaandHeigl,2017;Guoetal.本期同發(fā)或前一期)。因而，解釋中必須去除那些微震平靜期殘余干擾占主要成分、以及太遠(yuǎn)的誘發(fā)破裂而不可能與壓裂主裂縫連通的時(shí)段。我們?cè)谶^(guò)去的壓裂監(jiān)測(cè)中，一般所遇多為水平狀或近水平狀的煤層和油氣儲(chǔ)層，加之板塊運(yùn)動(dòng)引起的大陸地區(qū)的最大主壓應(yīng)力方向也多是水平的(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，2009)，從而壓裂裂縫帶無(wú)論是預(yù)測(cè)還是監(jiān)測(cè)的結(jié)果，無(wú)論是直立的還是水平的平面縫，多沿水平方向延展。因而，這種解釋中的檢查，僅需觀察圍繞壓裂點(diǎn)的2D水平平面即可(LiangandWang，2019)。
對(duì)于傾角小于30度的煤層的壓裂，上述方法依然奏效。然而，對(duì)于高傾角煤層(圖5a、b)，則可能漏掉某些重要時(shí)段。似乎最好最快的方法是檢查煤層所在空間的平面;但問(wèn)題是，整個(gè)煤層的產(chǎn)狀在空間也可能有變化，差別甚至可達(dá)一二十度甚至更多;加之微震活動(dòng)經(jīng)常是“天女散花、適當(dāng)集中”，不僅要考慮微震的幾何分布，還要顧及其能量大小。于是，顧及解釋中的檢查效率，應(yīng)當(dāng)檢查與煤層走向正交的所有縱剖面(圖5c)。
實(shí)際解釋中，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)各時(shí)段僅僅檢查過(guò)壓裂點(diǎn)的縱剖面所得重要時(shí)段的集成結(jié)果與檢查所有縱剖面的大體一致。這是由于，在一個(gè)數(shù)秒以上的時(shí)段內(nèi)，一般由于過(guò)壓裂點(diǎn)縱剖面上的破裂而選中的重要時(shí)段，其所在的3D數(shù)據(jù)體的集合足以描述出當(dāng)時(shí)整個(gè)煤層平面的微震活動(dòng)。于是，在存在大量重要時(shí)段的情況下，僅僅檢查過(guò)壓裂點(diǎn)的縱剖面去挑選重要時(shí)段即可，而不一定去檢查一個(gè)時(shí)段的所有縱剖面。
另一方面，在解釋中，按照煤層的地質(zhì)調(diào)查的走向切取縱剖面檢查，有時(shí)得到的最終破裂面的傾向和傾角與地質(zhì)調(diào)查所設(shè)想的并不一致;甚至，無(wú)論在哪個(gè)方位切取縱剖面，最后結(jié)果始終是具有穩(wěn)定的傾向和傾角的破裂面，當(dāng)然略有極小差異。因而，我們常常是先用地質(zhì)調(diào)查的傾向試檢查，最后總有一個(gè)穩(wěn)定的傾向作為最后的解釋輸出。
1.3垂向分辨率
煤層氣井壓裂中，除了層介質(zhì)強(qiáng)度低(圖1)，另一個(gè)重要特點(diǎn)是一般煤層垂深小于千米。由于VS通常是在最大為3km×3km面積上的地面監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓裂點(diǎn)較深時(shí)，垂向誤差可達(dá)水平向的2~3倍之多(Shenetal.2009;LiangandLeng，2016)。而這里我們需要切取縱剖面檢查，有必要分析垂向上的分辨率。
圖6比較了微震在深度500m和4000m時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果。若取最高破裂能量(或信噪比下限)的一定百分比，如95%，以上的點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)到的微震點(diǎn)，則水平位置(圖6上排)均準(zhǔn)確。但在垂向上(圖6下排)，則500m深的垂向定位有10~20m的誤差，而4000m的震源垂深誤差則達(dá)30~50m。顯然，煤層深度較淺，有利于我們確定縱剖面上的微震活動(dòng)。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，實(shí)際上，當(dāng)我們集成(疊加)大量的3D重要時(shí)段數(shù)據(jù)時(shí)，相當(dāng)于減弱垂向上的誤差;因而，最后的集成結(jié)果，無(wú)論水平還是垂向，均可為10~20m。