發(fā)布時(shí)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(fā)育程度是影響煤層氣產(chǎn)能的主要因素，為了準(zhǔn)確獲取沁水盆地南部A煤層氣田井組的天然裂縫發(fā)育程度和分布位置，采用地面微地震向量掃描技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)7口二次壓裂井進(jìn)行天然裂縫發(fā)育情況監(jiān)測(cè)。在壓裂井周圍部署一定量的三分量檢波器，采集壓裂過(guò)程中周邊儲(chǔ)層
摘要:天然裂縫發(fā)育程度是影響煤層氣產(chǎn)能的主要因素，為了準(zhǔn)確獲取沁水盆地南部A煤層氣田井組的天然裂縫發(fā)育程度和分布位置，采用地面微地震向量掃描技術(shù)對(duì)區(qū)域內(nèi)7口二次壓裂井進(jìn)行天然裂縫發(fā)育情況監(jiān)測(cè)。在壓裂井周圍部署一定量的三分量檢波器，采集壓裂過(guò)程中周邊儲(chǔ)層的微地震事件，進(jìn)行Semblance疊加后得到監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)不同時(shí)刻的破裂能量切片，解釋出監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)天然裂縫發(fā)育情況。對(duì)比井組單井產(chǎn)能，與監(jiān)測(cè)到的天然裂縫表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，揭示了天然裂縫是影響煤層氣單井產(chǎn)能的主控因素，同時(shí)表明煤層氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，天然裂縫呈現(xiàn)局部發(fā)育特征，且比較分散、面積小，常規(guī)的三維地震預(yù)測(cè)方法難以有效的識(shí)別。應(yīng)用該技術(shù)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出煤層氣儲(chǔ)層的天然裂縫發(fā)育情況，為調(diào)整井位的部署及優(yōu)選層位提供可靠的指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：煤層氣井;天然裂縫;壓裂;微地震向量掃描;監(jiān)測(cè);沁水盆地
煤層氣甜點(diǎn)預(yù)測(cè)主要是通過(guò)三維地震預(yù)測(cè)以及靜態(tài)參數(shù)評(píng)價(jià)方法對(duì)煤層厚度、物性、含氣性等參數(shù)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)[1-2]，預(yù)測(cè)煤層氣的富集區(qū)，優(yōu)選出井位部署的甜點(diǎn)區(qū)[3-5]，位于甜點(diǎn)區(qū)內(nèi)的井普遍能夠高產(chǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。但由于煤層氣的儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，即使在篩選的有利區(qū)內(nèi)部，仍然存在大量的投產(chǎn)即表現(xiàn)出低產(chǎn)低效的井，應(yīng)用這些方法對(duì)開(kāi)發(fā)布井的指導(dǎo)作用有限[5-8]。僅僅通過(guò)單井點(diǎn)的靜態(tài)參數(shù)對(duì)比已經(jīng)很難找出影響產(chǎn)能的關(guān)鍵因素，無(wú)法針對(duì)性性優(yōu)化下一步的井位部署。
天然裂縫對(duì)煤層氣產(chǎn)能起決定性作用[5,8-9]。由于煤層氣的開(kāi)發(fā)主要采取排水降壓方式[10]，天然裂縫的發(fā)育程度是影響其降壓速度的關(guān)鍵因素，天然裂縫越發(fā)育降壓速度越快，煤層氣產(chǎn)能越高[11-12]。同時(shí)通過(guò)對(duì)已投產(chǎn)井的煤層氣井產(chǎn)能影響因素的分析認(rèn)為，對(duì)低產(chǎn)井的影響最主要因素是滲透率[13]。采用常規(guī)的靜態(tài)參數(shù)以及三維地震預(yù)測(cè)方法很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出對(duì)滲透率起決定作用的天然裂縫平面位置。微地震地面監(jiān)測(cè)是近年發(fā)展起來(lái)的一種地面壓裂監(jiān)測(cè)新技術(shù)，在地面監(jiān)測(cè)的可行性[14-16]及去噪和解釋方法[17-18]方面研究越來(lái)越多，通過(guò)大量壓裂井的應(yīng)用得到了廣泛認(rèn)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(jì)算方法。該技術(shù)在各類油氣藏的壓裂監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，主要用來(lái)識(shí)別壓裂裂縫的方向和規(guī)模[19-20]。由于煤層氣井儲(chǔ)層一般比較淺，微地震監(jiān)測(cè)的信噪比更高，獲得的結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。該技術(shù)能夠直觀得到目的層平面破裂情況，且應(yīng)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(duì)象，在二次壓裂作業(yè)的同時(shí)，對(duì)其中7口井采用微地震向量掃描技術(shù)，查明研究區(qū)的天然裂縫發(fā)育程度和分布位置，以其中2口井為例，對(duì)比了監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)井組單井產(chǎn)能，與監(jiān)測(cè)到的天然裂縫表現(xiàn)出良好的相關(guān)性，揭示了天然裂縫是影響煤層氣單井產(chǎn)能的主控因素。
1微地震向量掃描監(jiān)測(cè)方法
1.1原理
微地震地面監(jiān)測(cè)是一種地面壓裂監(jiān)測(cè)新技術(shù)，通過(guò)對(duì)目的層進(jìn)行破裂能量反演，獲取監(jiān)測(cè)區(qū)的破裂能量差異，進(jìn)行壓裂裂縫參數(shù)解釋。根據(jù)聲波測(cè)井的速度模型，進(jìn)行射線追蹤，將三分量信號(hào)旋轉(zhuǎn)到入射矢量方向，形成矢量場(chǎng)波動(dòng)方程，進(jìn)行矢量疊加后得出各點(diǎn)的破裂能量，然后進(jìn)行能量輻射掃描定位獲取破裂位置。由于煤層節(jié)理裂縫發(fā)育，受到壓裂液擠壓時(shí)，容易變形產(chǎn)生微地震事件，進(jìn)而被地面的三分量檢波器采集到。相對(duì)于井中微地震監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境要求低，可大幅降低施工成本;在震源定位時(shí)，無(wú)需進(jìn)行縱橫波初至拾，直接通過(guò)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(huì)產(chǎn)生變形，進(jìn)而產(chǎn)生微地震事件[15]，發(fā)射出縱波(P)、橫波(Sv、Sh)，在儲(chǔ)層應(yīng)力越薄弱(天然裂縫發(fā)育、高孔滲區(qū))發(fā)育區(qū)，儲(chǔ)層變形劇烈，產(chǎn)生的微地震事件就越多[21]，通過(guò)在地面部署一定數(shù)量的三分量檢波器，能夠?qū)⑺械奈⒌卣鹗录涗浽谙鄳?yīng)的時(shí)窗內(nèi)。為了獲取微地震事件的位置和時(shí)間，需要將監(jiān)測(cè)區(qū)劃分成一定密度的網(wǎng)格。然后根據(jù)測(cè)井建立速度模型，通過(guò)射線追蹤方法計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)到每一個(gè)三分量檢波器的走時(shí)，將時(shí)窗內(nèi)的微地震數(shù)據(jù)按照走時(shí)曲線偏移，然后在每一個(gè)時(shí)間步上進(jìn)行疊加，即為可能震源位置的成像函數(shù)(圖1)。在所有網(wǎng)格中都進(jìn)行這樣的疊加后，可以得到整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)的成像函數(shù)，成像函數(shù)最大值的位置為儲(chǔ)層中的震源位置[20]。
從微地震監(jiān)測(cè)的定位過(guò)程可以看出，其反演方法主要是基于Semblance疊加，通過(guò)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(qiáng)。最后通過(guò)對(duì)比疊加后的破裂能量差異識(shí)別出監(jiān)測(cè)區(qū)破裂位置和規(guī)模。該技術(shù)在監(jiān)測(cè)區(qū)的水平定位誤差較小，最低在10m以內(nèi)，可以用來(lái)進(jìn)行平面的破裂區(qū)監(jiān)測(cè)，而垂向定位誤差較大[21-23]。但通過(guò)對(duì)壓裂層初始破裂位置進(jìn)行深度校正后，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出縱向上破裂深度。
1.2微地震部署數(shù)量及位置優(yōu)化
前人對(duì)微地震向量掃描監(jiān)測(cè)技術(shù)中三分量檢波器部署方式和優(yōu)化方法研究較多[15-19]，但主要集中在對(duì)壓裂裂縫的監(jiān)測(cè)方面。為了能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出破裂能量強(qiáng)弱分布的邊界，則要求在天然裂縫發(fā)育區(qū)監(jiān)測(cè)到的振幅能量疊加后能夠顯著強(qiáng)于其他位置，才能被有效的識(shí)別。部署的檢波器數(shù)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(jīng)濟(jì)性，需要針對(duì)目標(biāo)區(qū)煤層的破裂特征是否明顯能夠被監(jiān)測(cè)，而進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)(在射孔時(shí)采用該技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別射孔位置)，當(dāng)滿足最小識(shí)別要求時(shí)(破裂能量值差異顯著)，即為合理的檢波器部署數(shù)量，如圖2所示，當(dāng)檢波器數(shù)量低于7臺(tái)時(shí)，背景噪聲較大，無(wú)法有效識(shí)別出射孔位置的破裂。通過(guò)試驗(yàn)可知，當(dāng)檢波器數(shù)量超過(guò)7臺(tái)時(shí)，可以得到比較可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[24]，破裂能量集中在中心處的井點(diǎn)位置。在重復(fù)壓裂時(shí)，為了保證能夠識(shí)別出目標(biāo)區(qū)內(nèi)有效的甜點(diǎn)位置，部署的檢波器在25臺(tái)，以保證甜點(diǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)效果。
為了提高各個(gè)檢波器采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在選擇部署三分量檢波器位置時(shí)，要避開(kāi)其他震動(dòng)源的干擾，確保監(jiān)測(cè)的信噪比大于0.5[19]。因此，需要對(duì)各個(gè)檢波器的背景噪聲振幅進(jìn)行測(cè)試，判斷其背景噪聲幅度。當(dāng)振幅低于0.7時(shí)，即表示放置點(diǎn)合理(圖3)。同時(shí)在部署方式上也需優(yōu)化，一般將檢波器放置在壓裂點(diǎn)1km以外的地方(降低施工過(guò)程中壓裂設(shè)備帶來(lái)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(hào)。
1.3速度模型構(gòu)建
地震波速度模型是進(jìn)行微地震向量掃描的基礎(chǔ)[24]。為了能夠建立準(zhǔn)確可靠的速度模型，需要利用監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)或者鄰近井的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、射孔或者壓裂初期的微地震響應(yīng)位置。速度模型的建立主要分為兩步：首先，據(jù)測(cè)井的聲波曲線數(shù)據(jù)，建立簡(jiǎn)單的速度模型(圖4)，進(jìn)行地層的速度分布進(jìn)行表征;然后，根據(jù)壓裂初期的微地震響應(yīng)進(jìn)行重新定位和驗(yàn)證，以保證速度模型的可靠性，最終形成監(jiān)測(cè)區(qū)的三維速度模型(圖5)。
2應(yīng)用實(shí)例
研究區(qū)位于沁水盆地南部，構(gòu)造較簡(jiǎn)單、單斜構(gòu)造，傾角小于5°，斷層不發(fā)育[13]。主要目的層為下二疊統(tǒng)山西組3號(hào)煤層，發(fā)育穩(wěn)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(zhì)致密，孔隙率較低，滲透率僅為(0.02~1.10)×10–3μm2[10]，由于甜點(diǎn)認(rèn)識(shí)不清影響著煤層氣的勘探開(kāi)發(fā)[2]，自2011年投產(chǎn)以后，單井均采用壓裂投產(chǎn)，生產(chǎn)穩(wěn)定的井中達(dá)到經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的僅占33%，低產(chǎn)井比例高。采用常規(guī)的單井靜態(tài)參數(shù)對(duì)比，以及三維地震預(yù)測(cè)都未能找出I類區(qū)中影響產(chǎn)能的主控因素，無(wú)法針對(duì)性的優(yōu)化井位和增產(chǎn)措施，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)效果差。
對(duì)研究區(qū)內(nèi)已投產(chǎn)的煤層氣井的產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)得出，地質(zhì)參數(shù)綜合評(píng)價(jià)位于I類區(qū)的井組產(chǎn)能差異大。為了提高單井產(chǎn)能，對(duì)其中13口低產(chǎn)井采取二次壓裂，壓裂后產(chǎn)氣量增幅不明顯，增幅最高630m3/d，其中6口井產(chǎn)氣量增幅均低于200m3/d，在采取措施后未達(dá)到單井500m3/d的經(jīng)濟(jì)門限(圖6)。在二次壓裂時(shí)采取了多種不同的新工藝，但依舊沒(méi)有見(jiàn)到明顯的增產(chǎn)效果，常規(guī)的分析方法難以找出增產(chǎn)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(yè)的同時(shí)進(jìn)行了微地震向量掃描裂縫監(jiān)測(cè)。以X-200井二次壓裂井為例，對(duì)甜點(diǎn)監(jiān)測(cè)過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。檢波器的部署方式是以目標(biāo)井(X-200井)為中心的600m×600m網(wǎng)格，根據(jù)該井周圍環(huán)境噪聲檢測(cè)情況，優(yōu)化后最終檢波器部署25臺(tái)，其分布位置如圖7所示，圖8為部分檢波器在三個(gè)方向(平面上的北、東向和垂向)監(jiān)測(cè)到的微地震事件。
利用井組中3口老井的聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，插值建立了井組的三維速度模型(圖5);對(duì)各個(gè)檢波器的破裂能量進(jìn)行去噪疊加后，形成了以壓裂井為中心600m×600m的不同時(shí)間破裂能量切片圖。在不同時(shí)刻的破裂能量切片中，由于部分時(shí)刻的環(huán)境噪聲較大，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果中存在明顯的能量偽點(diǎn)，通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻的破裂能量圖對(duì)比分析，在同一位置不同時(shí)刻出現(xiàn)3次以上的高的破裂能量時(shí)，被認(rèn)為是有效的破裂能量，才能夠進(jìn)行不同時(shí)刻的破裂能量疊加，進(jìn)而獲取整個(gè)壓裂過(guò)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(xiàn)局部發(fā)育，且面積小分布范圍為500~10000m2，因此，采用常規(guī)三維地震預(yù)測(cè)的方式難以找出來(lái)。通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，部分二次壓裂的井所處位置均未見(jiàn)明顯的天然裂縫發(fā)育，即使二次壓裂后也未取得明顯的增產(chǎn)效果(圖6)。
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分別統(tǒng)計(jì)了X-200、X-232兩口井二次壓裂時(shí)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)鄰井的動(dòng)態(tài)(表1)。對(duì)比甜點(diǎn)監(jiān)測(cè)圖中各井的分布位置，與各井的產(chǎn)能表現(xiàn)出較好的相關(guān)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(jiān)測(cè)出的天然裂縫分布面積大于X-232井組，該井組的產(chǎn)能普遍高于X-232井組;在2個(gè)井組中，井點(diǎn)位置的破裂能量越高，壓裂產(chǎn)能越高。進(jìn)一步驗(yàn)證了天然裂縫發(fā)育程度是決定煤層氣產(chǎn)能的主要因素，也驗(yàn)證了煤層氣井甜點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為后期增產(chǎn)措施的層位優(yōu)選和調(diào)整井位部署提供了可靠的指導(dǎo)。
3結(jié)論
a.在壓裂時(shí)應(yīng)用微地震向量掃描技術(shù)可以監(jiān)測(cè)出壓裂井周圍的天然裂縫發(fā)育程度和分布位置，與井組的單井產(chǎn)能相關(guān)性好，表明天然裂縫發(fā)育是決定煤層氣井能否高產(chǎn)的主要因素。
b.由于煤層的節(jié)理裂縫發(fā)育，受到壓裂液擠壓后，容易變形產(chǎn)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(duì)天然裂縫的識(shí)別精度較高。
c.由于地面微地震監(jiān)方法容易受到環(huán)境噪聲的影響，因此，在部署檢波器的位置時(shí)需要對(duì)背景噪聲進(jìn)行測(cè)試;對(duì)噪聲的識(shí)別是影響天然裂縫識(shí)別精度的重要因素，通過(guò)有效的去噪方法，增加壓裂過(guò)程中有效的破裂能量切片數(shù)量，提高監(jiān)測(cè)精度。
d.采用地面微地震向量掃描技術(shù)能夠有效地識(shí)別出小面積的天然裂縫發(fā)育情況，用于指導(dǎo)煤層氣井位部署和層位優(yōu)選。——論文作者：劉子雄
