發布時間：2021-11-17所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:天然裂縫發育程度是影響煤層氣產能的主要因素，為了準確獲取沁水盆地南部A煤層氣田井組的天然裂縫發育程度和分布位置，采用地面微地震向量掃描技術對區域內7口二次壓裂井進行天然裂縫發育情況監測。在壓裂井周圍部署一定量的三分量檢波器，采集壓裂過程中周邊儲層
摘要:天然裂縫發育程度是影響煤層氣產能的主要因素，為了準確獲取沁水盆地南部A煤層氣田井組的天然裂縫發育程度和分布位置，采用地面微地震向量掃描技術對區域內7口二次壓裂井進行天然裂縫發育情況監測。在壓裂井周圍部署一定量的三分量檢波器，采集壓裂過程中周邊儲層的微地震事件，進行Semblance疊加后得到監測區內不同時刻的破裂能量切片，解釋出監測區內天然裂縫發育情況。對比井組單井產能，與監測到的天然裂縫表現出良好的相關性，揭示了天然裂縫是影響煤層氣單井產能的主控因素，同時表明煤層氣儲層非均質性強，天然裂縫呈現局部發育特征，且比較分散、面積小，常規的三維地震預測方法難以有效的識別。應用該技術能夠準確地識別出煤層氣儲層的天然裂縫發育情況，為調整井位的部署及優選層位提供可靠的指導。
關鍵詞：煤層氣井;天然裂縫;壓裂;微地震向量掃描;監測;沁水盆地
煤層氣甜點預測主要是通過三維地震預測以及靜態參數評價方法對煤層厚度、物性、含氣性等參數建立評價指標[1-2]，預測煤層氣的富集區，優選出井位部署的甜點區[3-5]，位于甜點區內的井普遍能夠高產，具有較好的經濟性。但由于煤層氣的儲層非均質性強，即使在篩選的有利區內部，仍然存在大量的投產即表現出低產低效的井，應用這些方法對開發布井的指導作用有限[5-8]。僅僅通過單井點的靜態參數對比已經很難找出影響產能的關鍵因素，無法針對性性優化下一步的井位部署。
天然裂縫對煤層氣產能起決定性作用[5,8-9]。由于煤層氣的開發主要采取排水降壓方式[10]，天然裂縫的發育程度是影響其降壓速度的關鍵因素，天然裂縫越發育降壓速度越快，煤層氣產能越高[11-12]。同時通過對已投產井的煤層氣井產能影響因素的分析認為，對低產井的影響最主要因素是滲透率[13]。采用常規的靜態參數以及三維地震預測方法很難準確預測出對滲透率起決定作用的天然裂縫平面位置。微地震地面監測是近年發展起來的一種地面壓裂監測新技術，在地面監測的可行性[14-16]及去噪和解釋方法[17-18]方面研究越來越多，通過大量壓裂井的應用得到了廣泛認可。微地震向量掃描是利用多波振幅屬性多道疊加反演向量掃描的計算方法。該技術在各類油氣藏的壓裂監測中得到廣泛應用，主要用來識別壓裂裂縫的方向和規模[19-20]。由于煤層氣井儲層一般比較淺，微地震監測的信噪比更高，獲得的結果更為準確可靠。該技術能夠直觀得到目的層平面破裂情況，且應用成本低。
基于此，本文以沁水盆地南部A煤層氣田井組為研究對象，在二次壓裂作業的同時，對其中7口井采用微地震向量掃描技術，查明研究區的天然裂縫發育程度和分布位置，以其中2口井為例，對比了監測區內井組單井產能，與監測到的天然裂縫表現出良好的相關性，揭示了天然裂縫是影響煤層氣單井產能的主控因素。
1微地震向量掃描監測方法
1.1原理
微地震地面監測是一種地面壓裂監測新技術，通過對目的層進行破裂能量反演，獲取監測區的破裂能量差異，進行壓裂裂縫參數解釋。根據聲波測井的速度模型，進行射線追蹤，將三分量信號旋轉到入射矢量方向，形成矢量場波動方程，進行矢量疊加后得出各點的破裂能量，然后進行能量輻射掃描定位獲取破裂位置。由于煤層節理裂縫發育，受到壓裂液擠壓時，容易變形產生微地震事件，進而被地面的三分量檢波器采集到。相對于井中微地震監測，對監測環境要求低，可大幅降低施工成本;在震源定位時，無需進行縱橫波初至拾，直接通過層析成像獲取破裂位置。
由于煤層在受到高壓流體擠壓后會產生變形，進而產生微地震事件[15]，發射出縱波(P)、橫波(Sv、Sh)，在儲層應力越薄弱(天然裂縫發育、高孔滲區)發育區，儲層變形劇烈，產生的微地震事件就越多[21]，通過在地面部署一定數量的三分量檢波器，能夠將所有的微地震事件記錄在相應的時窗內。為了獲取微地震事件的位置和時間，需要將監測區劃分成一定密度的網格。然后根據測井建立速度模型，通過射線追蹤方法計算出每個網格點到每一個三分量檢波器的走時，將時窗內的微地震數據按照走時曲線偏移，然后在每一個時間步上進行疊加，即為可能震源位置的成像函數(圖1)。在所有網格中都進行這樣的疊加后，可以得到整個監測區的成像函數，成像函數最大值的位置為儲層中的震源位置[20]。
從微地震監測的定位過程可以看出，其反演方法主要是基于Semblance疊加，通過將破裂能量掃描疊加，背景噪聲則被削弱，有效微地震的振幅被增強。最后通過對比疊加后的破裂能量差異識別出監測區破裂位置和規模。該技術在監測區的水平定位誤差較小，最低在10m以內，可以用來進行平面的破裂區監測，而垂向定位誤差較大[21-23]。但通過對壓裂層初始破裂位置進行深度校正后，能夠準確地識別出縱向上破裂深度。
1.2微地震部署數量及位置優化
前人對微地震向量掃描監測技術中三分量檢波器部署方式和優化方法研究較多[15-19]，但主要集中在對壓裂裂縫的監測方面。為了能夠準確地識別出破裂能量強弱分布的邊界，則要求在天然裂縫發育區監測到的振幅能量疊加后能夠顯著強于其他位置，才能被有效的識別。部署的檢波器數量越多，則疊加后的振幅能量差異越明顯，故需要在地面部署較多的三分量檢波器。但考慮到經濟性，需要針對目標區煤層的破裂特征是否明顯能夠被監測，而進行監測試驗(在射孔時采用該技術進行監測，識別射孔位置)，當滿足最小識別要求時(破裂能量值差異顯著)，即為合理的檢波器部署數量，如圖2所示，當檢波器數量低于7臺時，背景噪聲較大，無法有效識別出射孔位置的破裂。通過試驗可知，當檢波器數量超過7臺時，可以得到比較可靠的監測數據[24]，破裂能量集中在中心處的井點位置。在重復壓裂時，為了保證能夠識別出目標區內有效的甜點位置，部署的檢波器在25臺，以保證甜點區監測效果。
為了提高各個檢波器采集的數據質量，在選擇部署三分量檢波器位置時，要避開其他震動源的干擾，確保監測的信噪比大于0.5[19]。因此，需要對各個檢波器的背景噪聲振幅進行測試，判斷其背景噪聲幅度。當振幅低于0.7時，即表示放置點合理(圖3)。同時在部署方式上也需優化，一般將檢波器放置在壓裂點1km以外的地方(降低施工過程中壓裂設備帶來的噪聲)，埋置地下2m的深度[20]，以保證能夠獲取有效的微地震信號。
1.3速度模型構建
地震波速度模型是進行微地震向量掃描的基礎[24]。為了能夠建立準確可靠的速度模型，需要利用監測區內或者鄰近井的聲波測井數據、射孔或者壓裂初期的微地震響應位置。速度模型的建立主要分為兩步：首先，據測井的聲波曲線數據，建立簡單的速度模型(圖4)，進行地層的速度分布進行表征;然后，根據壓裂初期的微地震響應進行重新定位和驗證，以保證速度模型的可靠性，最終形成監測區的三維速度模型(圖5)。
2應用實例
研究區位于沁水盆地南部，構造較簡單、單斜構造，傾角小于5°，斷層不發育[13]。主要目的層為下二疊統山西組3號煤層，發育穩定，埋深小于1000m，厚度為0.5~7.8m，平均含氣量為12m3/t。煤巖整體物性較差，基質致密，孔隙率較低，滲透率僅為(0.02~1.10)×10–3μm2[10]，由于甜點認識不清影響著煤層氣的勘探開發[2]，自2011年投產以后，單井均采用壓裂投產，生產穩定的井中達到經濟產量的僅占33%，低產井比例高。采用常規的單井靜態參數對比，以及三維地震預測都未能找出I類區中影響產能的主控因素，無法針對性的優化井位和增產措施，導致開發效果差。
對研究區內已投產的煤層氣井的產能統計得出，地質參數綜合評價位于I類區的井組產能差異大。為了提高單井產能，對其中13口低產井采取二次壓裂，壓裂后產氣量增幅不明顯，增幅最高630m3/d，其中6口井產氣量增幅均低于200m3/d，在采取措施后未達到單井500m3/d的經濟門限(圖6)。在二次壓裂時采取了多種不同的新工藝，但依舊沒有見到明顯的增產效果，常規的分析方法難以找出增產效果差的主要原因。
在二次壓裂的13口井中，有7口井二次壓裂作業的同時進行了微地震向量掃描裂縫監測。以X-200井二次壓裂井為例，對甜點監測過程進行說明。檢波器的部署方式是以目標井(X-200井)為中心的600m×600m網格，根據該井周圍環境噪聲檢測情況，優化后最終檢波器部署25臺，其分布位置如圖7所示，圖8為部分檢波器在三個方向(平面上的北、東向和垂向)監測到的微地震事件。
利用井組中3口老井的聲波測井數據，插值建立了井組的三維速度模型(圖5);對各個檢波器的破裂能量進行去噪疊加后，形成了以壓裂井為中心600m×600m的不同時間破裂能量切片圖。在不同時刻的破裂能量切片中，由于部分時刻的環境噪聲較大，導致監測結果中存在明顯的能量偽點，通過對不同時刻的破裂能量圖對比分析，在同一位置不同時刻出現3次以上的高的破裂能量時，被認為是有效的破裂能量，才能夠進行不同時刻的破裂能量疊加，進而獲取整個壓裂過程中的有效破裂疊加圖(圖9、圖10)。
從圖9可以看出，破裂能量分布不均勻，表明天然裂縫呈現局部發育，且面積小分布范圍為500~10000m2，因此，采用常規三維地震預測的方式難以找出來。通過監測發現，部分二次壓裂的井所處位置均未見明顯的天然裂縫發育，即使二次壓裂后也未取得明顯的增產效果(圖6)。
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分別統計了X-200、X-232兩口井二次壓裂時監測范圍內鄰井的動態(表1)。對比甜點監測圖中各井的分布位置，與各井的產能表現出較好的相關性。從圖9、圖10中可以看出，在X-232和X-200井組中，X-200井組監測出的天然裂縫分布面積大于X-232井組，該井組的產能普遍高于X-232井組;在2個井組中，井點位置的破裂能量越高，壓裂產能越高。進一步驗證了天然裂縫發育程度是決定煤層氣產能的主要因素，也驗證了煤層氣井甜點監測結果的準確性。為后期增產措施的層位優選和調整井位部署提供了可靠的指導。
3結論
a.在壓裂時應用微地震向量掃描技術可以監測出壓裂井周圍的天然裂縫發育程度和分布位置，與井組的單井產能相關性好，表明天然裂縫發育是決定煤層氣井能否高產的主要因素。
b.由于煤層的節理裂縫發育，受到壓裂液擠壓后，容易變形產生微地震事件，采用微地震向量掃描的方式能夠直接獲得破裂的位置，對天然裂縫的識別精度較高。
c.由于地面微地震監方法容易受到環境噪聲的影響，因此，在部署檢波器的位置時需要對背景噪聲進行測試;對噪聲的識別是影響天然裂縫識別精度的重要因素，通過有效的去噪方法，增加壓裂過程中有效的破裂能量切片數量，提高監測精度。
d.采用地面微地震向量掃描技術能夠有效地識別出小面積的天然裂縫發育情況，用于指導煤層氣井位部署和層位優選。——論文作者：劉子雄
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