煤层气水平井微地震成像裂缝监测应用研究_张永成.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. Yi’an Lanyan Coal and Coalbed Methane Simultaneous Extraction Technology Co. Ltd., Jincheng 048000, China Abstract In order to effectively guide fracturing project and uate fracturing results, the application of micro seismic imaging and fracture monitoring technology was proposed for fracturing operation in horizontal coalbed methaneCBMwell. Microseismic imaging technology was used to monitor the azimuth, length and height of fractures in horizontal CBM well, to analyze the reasons of asymmetrical development of two wings of fractures. Then the monitoring results of horizontal well and vertical well in the same scale and layer in Sihe block of Qinshui basin were comparatively analyzed. The results indicated that because of the influence of well location and construction technology, the horizontal well had big loss of fracturing fluid, was easy to produce multiple fractures，and the fracture extension distance was relatively short. It is pointed out that for the layout of subsequent horizontal wells, the axis line of the horizontal interval should be parallel to the direction of minimum principal stress, and the scale of fracturing design and fracturing stages should increase so as to ensure the highly efficient development of horizontal CBM wells. Keywords coalbed methaneCBM; horizontal well; microseismic; imaging; fracture monitoring 微地震监测是目前水力压裂中最精确、 最及时、 信息最丰富的监测手段，可以及时指导压裂工程， 客观评价压裂工程的效果，对下一步的生产开发提 供有效的指导，降低开发成本[1]。随着油气勘探难 度的增加，微地震成像技术得到了迅速的发展，并 且成为高精度地震勘探数据处理的关键技术。水力 压裂微地震成像裂缝监测技术是运用无源地震的微 地震三分量数据，进行多波振幅属性分析，并采用 相关处理方法，得到监测期一维时间域和三维空间 体地层岩石破裂活动释放的能量分布情况[2-3]。 近年来微地震监测技术作为水力压裂体积改造 设计、实施及评估的关键技术，在煤层气勘探开发 ChaoXing 68煤田地质与勘探第 46 卷 中也得到了迅速发展。但关于微地震成像技术在煤 层气井水平井中应用研究的相关论述较少。由于煤 层气水平井与直井完井方式、井筒周围应力场的差 异变化，使得煤层气水平井压裂裂缝延伸情况比较 复杂[4-5]。为此，笔者在沁水盆地寺河区块进行煤层 气水平井微地震成像裂缝监测应用研究，用以指导 煤层气水平井压裂改造工作，进一步优化水平井压 裂工艺和施工参数。 1监测原理 地面微地震法监测人工裂缝是利用压裂施工中 地层岩石破裂产生的微地震波，测定裂缝方位及几 何形态等重要参数，即对微地震信息经过叠加和成 图处理形成反映水力压裂缝大小的图像[6]。微地震 成像裂缝监测技术是运用相关资料处理系统，得到 一维时间域和三维空间域的四维成果资料。 1.1摩尔–库伦理论 地下流体压力引起的岩石微破裂会产生体波， 利用微地震裂缝监测技术，通过在监测区近地表布 置多套数据采集站系统形成采集仪器阵列进行接 收，岩石破裂微震判据主要依据是摩尔-库伦准则， 该准则[6]表述如下 τ≥τ0S1S2-2p0/2S1–S2cos2φ/21 τS1–S2sin2φ/22 式中 τ为作用在裂缝面上的剪切应力， MPa； τ0为岩 石的固有无法向应力抗剪断强度，MPa；S1、S2分 别为最大、 最小主应力， MPa； p0为地层压力， MPa； φ为最大主应力与裂缝面法向的夹角，。 当式1左侧不小于右侧时发生微地震。 由式1 可以看出，微震易于沿已有裂缝面发生。这时τ0为 零，左侧易于不小于右侧。p0增大，右侧减小，也 会使右侧小于左侧。这为监测压裂裂缝起裂提供了 依据。 1.2震源定位 采用矩阵分析理论来判别微地震震源坐标，进 行微地震震源定位。将计算结果投影到时间、空间 坐标系中，通过计算机进行数据处理分析，可得到 不同时刻的裂缝空间形态。为了便于操作和提高运 行速率，采用评分方法，即每一个判别标准给定一 个分值，重要性不同分值也可能有所不同[7]。 1.3影像处理 首先选定需监测的空间三维立方体范围，划分 扫描单元。通过矢量场波动方程，计算所有扫描单 元的网格节点的破裂能量，利用能量最大值的空间 分布及能量的梯度变化对地下破裂点定位，得出不 同时刻裂缝的形态[6]。 矢量场波动方程如下 2 1 c F M Wi fij Sk          （ ） 3 2 2 21 kN/M j k N/i FN Mfij       4 式中 W 为特定时间窗口；f 为矢量迭加 k 点到所有 采集站记录信号振幅的平方； F 为归一化因子； Sck 为 k 点的破裂辐射能量；N、M 分别为监测站台、 记录点数量。 2数据采集处理 2.1检波器站点布置 依据压裂设计计算出各压裂层段压裂端点，以 其在地面的投影为中心并依据周边地形地貌布设检 波器。检波器的布置及要求① 探区地面均匀设置 相对独立的采集站群。 ② 检波器定位必须用高精度 GPS 准确定位GPS 精度≤1.0 m。 ③ 检波器的埋置 深度≥0.5 m。④ 检波器放置时必须用高精度指南 针系统标定方位，并且保证内部 3 个传感器互相垂 直，用以保证接收到的地震波真实有效。⑤ 实际布 置检波器 24 个。 2.2水平井压裂施工 以沁水盆地寺河井田 SHXX-X 水平井为例，目 的层位为太原组 15 号煤层，该井水平段总长度为 619 m5831 202 m；钻遇煤层 476 m，占水平段总 长度的 76.89，根据投产设计，决定对该水平井段 进行分层压裂改造，共压裂施工四级，压裂施工各 级位置为 1 0871 093 m、922928 m、772778 m、 647653 m。整个压裂施工注入总液量 2 636.53 m3， 总砂量 180 m3。 2.3数据采集与成像 微地震信号与大地噪音同时进入检波器，由计 算机提取出压裂时微震信号特征，对监测地点的噪 音及信号特征予以鉴别和留存，将每个发生微地震 的点投到以压裂井为原点的三维坐标系中，便可得 到要采集的数据[8]。速度建模在构造、层序模型的 约束下，利用区块已有井的资料，建立地震波在多 地层中传播的震源定位三维数据体模型，供叠前偏 移使用。在反演计算和三角定位基础上，采用实时 正演计算方法，可以有效地利用地层速度曲线，解 决了反演定位中假设地层为均匀分布的前提，提高 了测量结果的空间定位精度。 根据地震波速度结构、 破裂定位与破裂能量分布等数据，处理后形成微地 震三维影像[9]，数据处理流程见图 1。 ChaoXing 第 4 期张永成等 煤层气水平井微地震成像裂缝监测应用研究69 图 1数据处理流程 Fig.1Data processing process 3结果分析 监测结果表明，SHXX-X 井第 1 级裂缝发生微 震事件 34 个，平均裂缝半长 42 m，缝高 9 m，裂缝 方位 NE50；第 2 级裂缝发生微震事件 33 个，平均 裂缝半长 45 m，缝高 7 m，裂缝方位 NE54；第 3 级裂缝发生微震事件 28 个，平均裂缝半长 52 m， 缝高 8 m，裂缝方位 NE50；第 4 级裂缝发生微震 事件 27 个，平均裂缝半长 49 m，缝高 9 m，裂缝方 位 NE55图 2。从结果看，4 级监测裂缝其延伸长 度相对较短，裂缝间距较大。 图 2裂缝监测结果 Fig.2Results of fracture monitoring 依据震源定位三维数据体模型对水力压裂产生 的裂缝形态参数进行求解， 并进行微地震成像处理， 能够更直观地观察压裂过程中裂缝的空间展布。成 像结果表明，SHXX-X 水平井压裂裂缝形态复杂， 空间展布上，压裂裂缝延伸主方向为 NESW，基 本与该地区主裂隙方向一致，每级主裂缝周围存在 多条次生裂缝， 这主要与煤层本身为孔隙–裂隙双重 介质有关，同时寺河区块煤层本身具有脆性，水力 压裂裂缝在沿主裂隙方向延伸时，由于液体高压作 用造成脆性岩石不规则破裂，从而形成不同方向上 的次生裂缝[10-11]。 对监测结果进行玫瑰图分析，根据玫瑰图分析 更能直观确定 4 级压裂裂缝延伸主方向。以第 2 级 裂缝发育情况为例图 3 和图 4， 压裂裂缝呈现出明 显的双翼不对称缝，主要原因是该区域煤层的非均 质性影响，使得压裂过程中局部裂缝在延伸方向上 受限，且阻力大小不相等，引起双翼裂缝不对称。 由于裂缝延伸受阻，裂缝在不同的方向上存在次生 裂缝，而次生裂缝发育不规律，也是造成双翼主裂 缝不对称的一个原因[12-14]。 图 3第 2 级裂缝成像 Fig.3Fracture imaging of the second stage 图 4第 2 级裂缝玫瑰图 Fig.4Rose diagram of fractures of the second stage 4分析对比 将水平井裂缝监测结果与寺河区块同样压裂规 模、同层位的附近垂直井裂缝监测结果进行对比， 水平井以第 2 级为例裂缝总长度为 90 m，附近垂 直井裂缝长度为 157.7 m，统计表明，寺河区块 15 号煤层同压裂规模的垂直井监测裂缝延伸规模为 130220 m， 说明该水平井单级裂缝延伸长度比垂直 井裂缝延伸长度短很多图 5 和图 6。 本次监测的水 平井井眼轴线与煤层主应力方向成一定夹角约 ChaoXing 70煤田地质与勘探第 46 卷 71，无论裂缝在近井眼处如何起裂扩展，裂缝延 伸到远处时仍然会向垂直于最小主应力的方向延 伸，由于裂缝发生了转向使得压裂液效率会有所降 低，还容易产生多级裂缝，最终阻碍裂缝向前延伸， 使得水平井监测结果表现为裂缝延伸相对较短，且 产生的次生裂缝相对较多；此外，由于煤层气水平 井生产套管不固井，压裂液经过套管与煤层之间的 环空会产生较大滤失，能量损失极大，水动力传递 的距离不够，从监测结果看，水平井大部分微震事 件发生在近井筒附近，裂缝延伸较短。 图 5垂直井裂缝监测结果 Fig.5Fracture monitoring results of vertical well 图 6SHXX-X 水平井第 2 级裂缝监测结果 Fig.6Fracture monitoring results of the second stage of well SHXX-X 分析认为，后续煤层气水平井布井应考虑水平 段轴线与最小主应力方向平行， 增加裂缝延伸长度。 受客观条件限制，当轴线方向与最小主应力方向存 在夹角时，应适当增加压裂规模，同时采取相应措 施提高液体利用效率如前置液加入细砂降低滤 失，保障裂缝扩展延伸，以提高水平井控制面积； 不建议水平井轴线方向与最小主应力垂直，这样会 大大降低水平井控制面积。根据 SHXX-X 井 4 段监 测结果指出，煤层气水平井压裂设计时，在考虑增 加压裂规模的同时应适当增加压裂级数。 5结 论 a. 微地震信息经过叠加和成图处理后，形成反 映水力压裂缝大小的图像，能够反映人工裂缝方位 及几何形态等重要信息。根据地震波速度结构、破 裂定位与破裂能量分布及其他监测数据，形成微地 震四维影像，能够更准确直观地监测压裂施工中裂 缝的空间分布形态， 为压后效果评估提供参考依据。 b. 微地震成像裂缝监测技术在寺河区块 SHXX- X 水平井进行应用，成像结果表明该井压裂裂缝形 态复杂，主裂缝半长 4252 m，裂缝延伸主方向为 NESWNE50NE55，每级主裂缝周围存在多 条次生裂缝，第 1 级和第 4 级压裂裂缝呈现出明显 的双翼不对称。 c. 与直井裂缝监测结果对比分析表明，水平井 四级监测裂缝延伸长度相对较短，裂缝间距较大。 建议后续煤层气水平井布井应考虑水平段轴线与最 小主应力方向平行；当存在夹角时应适当增加压裂 规模和压裂级数，同时采取相应措施降低压裂液滤 失量；不建议水平井水平段轴线与最小主应力方向 垂直。 参考文献 [1] 单学军，张士诚，张遂安，等. 华北地区煤层气井压裂裂 缝监测及其扩展规律[J]. 煤田地质与勘探，2005，335 25–28. SHAN Xuejun，ZHANG Shicheng，ZHANG Sui’an，et al. Fracture monitoring and analysis of propped fracture geometry in fracturedcoalbedmethanewells inNorthChina[J].Coal Geology Exploration，2005，33525–28. [2] 单学军，张士诚，李安启，等. 煤层气井压裂裂缝扩展规律分 析[J]. 天然气工业，2015，251130–132. SHAN Xuejun，ZHANG Shicheng，LI Anqi，et al. Analysis of coalbed methane well fracturing propagation[J]. Natural Gas Industry，2015，251130–132． [3] 修乃岭，严玉忠，付海峰，等. 吉县区块煤层气 U 形水平井 水力压裂裂缝形态监测与模拟实验[J]. 新疆石油地质，2016， 372213–217. XIU Nailing，YAN Yuzhong，FU Haifeng，et al. Hydraulic fracture monitoring and physical simulation experiment for U shaped horizontal well with coalbed methaneCBM in Jixian block[J]. Xinjiang Petroleum Geology，2016，372 213–217. [4] 李红梅. 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[J]. 油气地质与采收率，2015，223129–134. ChaoXing 第 4 期张永成等 煤层气水平井微地震成像裂缝监测应用研究71 LIHongmei.Applicationofmicro-seismicmonitoring technology to unconventional hydrocarbon reservoir fracturing uation[J]. Petroleum Geology and Recovery Efficiency ， 2015，223129–134. [5] 李丹琼，张士诚，张遂安，等. 基于煤系渗透率各向异性测试 的水平井穿层压裂效果模拟[J]. 石油学报，2015，368 988–994. LI Danqiong，ZHANG Shicheng，ZHANG Suian，et al. Effect simulation of horizontal well fracturing through strata based on coal seam permeability anisotropy test[J]. Acta Petrolei Sinica， 2015，368988–994. [6] 姚伟， 窦武， 陈杰， 等. 裂缝监测技术在煤层压裂中的应用[J]. 中国煤层气，2014，11335–38. YAO Wei，DOU Wu，CHEN Jie，et al. Application of fracture monitoring technology in CBM fracturing[J]. China Coalbed Methane，2014，11335–38. [7] 白建平. 微地震法在煤层气井人工裂缝监测中的应用[J]. 中 国煤层气，2006，3334–36. BAI Jianping. Application of surface micro-seismic in monitoringCBMwellartificalfactures[J].ChinaCoalbed Methane，2006，3334–36． [8] 李雪， 赵志洪， 荣军委. 水力压裂裂缝微地震监测测试技术与 应用[J]. 油气井测试，2012，21344–45． LI Xue， ZHAO Zhihong， RONG Junwei. Testing technology and application of hydraulic fracturing micro seismic monitoring[J]. Well Testing，2012，21344–45. [9] ZIMMER U. Microseismic mapping of hydraulic treatments in coalbed methaneCBM ationsChallenges and solutions[C]//SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition. Brisbane，Queensland，Australia，SPE 132958， 2010，1–7. [10] 杨焦生，王一兵，李安启，等. 煤岩水力裂缝扩展规律试验研 究[J]. 煤炭学报，2012，37173–76． YANG Jiaosheng，WANG Yibing，LI Anqi，et al. Experimental study on propagation mechanism of complex hydraulic fracture in coal-bed[J]. Journal of China Coal Society，2012，371 73–76． [11] DENNEY D. uating hydraulic fracture effectiveness in a coal-seam-gas reservoir from surface tiltmeter and microseismic monitoring[J]. Journal of Petroleum Technology，2015，633 59–62. [12] 温庆志，刘华，李海鹏，等. 油气井压裂微地震裂缝监测技术 研究与应用[J]. 特种油气藏，2015，225141–144. WEN Qingzhi，LIU Hua，LI Haipeng，et al. Research and application of microseismic fracture monitoring technology in oil and gas wells[J]. Special Oil Gas Reservoirs，2015，225 141–144. [13] ESIRADA E， ROBERIS N， WEIJERS L， et al. Fracture mapping in the San Juan basin[J]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. New Orleans，Louisiana，USA，2009. [14] 武子玉. 井地电位成像技术在煤层气水力压裂缝探测中的应 用[J]. 煤田地质与勘探，2006，34663–64. WU Ziyu. Applicationof theborehole-tosurfaceelectric potential image technique to monitorting hydraulic fractures of coalbed methane[J]. Coal Geology Exploration，2006，346 63–64. 责任编辑 范章群 上接第 66 页 [15] 尹光志，王登科，张东明，等．两种含瓦斯煤样变形特性与 抗压强度的试验分析[J]. 岩石力学与工程学报，2009，282 410–417. YIN Guangzhi， WANG Dengke， ZHANG Dongming， et al. Test analysisofdeationcharacteristicsandcompressive strengths of two types of coal specimens containing gas[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009， 282410–417. [16] 戚灵灵，王兆丰，杨宏民，等. 基于低温氮吸附法和压汞法的 煤样孔隙研究[J]. 煤炭科学技术，2012，40836–39. QI Lingling， WANG Zhaofeng， YANG Hongmin， et al. Study on porosity of coal samples based on low temperature nitrogen adsorption and mercury porosimetry[J]. Coal Science and Technology，2012，40836–39. [17] HADJICONSTANTINOU N G. The limits of Navier-Stokes theoryand kineticextensionsfor describingsmall-scale gaseous hydrodynamics[J]. Physics Fluids，2006，1811 111301–111319. [18] 汪岗，秦勇，申建，等. 基于变孔隙压縮系数的深部低阶煤层 渗透率实验[J]. 石油学报，2014，353462–468. WANG Gang， QIN Yong， SHEN Jian， et al. Experimental studies of deep low-rank coal reservoirs permeability based on variable pore compressibility[J]. Acta Petrolei Sinica，2014，353 462–468. [19] 赵发军，王倩，邓奇根，等. 滑动构造对马岭山矿区二1煤层 瓦斯突出的控制作用[J]. 煤炭学报， 2013， 38增刊1 112–116. ZHAO Fajun， WANG Qian， DENG Qigen， et al. Tectonic control on coal and gas outburst of coal seam in Malingshan gliding structure[J]. Journal of China Coal Society，2013，38S1 112–116. 责任编辑 范章群 ChaoXing