页岩气开发中的微地震检测技术

微地震压裂检测技术是一项非常规油气藏勘探领域中的重要新技术, 全面了解和掌握微地震压裂检测技术的技术特点、技术关键、应用方法、技术实用性及其发展方向, 必将对我国页岩油气藏勘探开发工作起到重要的推进作用。

微地震检测技术在油气藏勘探开发方面的主要应用包括储层压裂监测、油藏动态监测等, 可缩短和降低储层监测的周期与费用。目前, 微地震检测技术已经成为地球物理界的热门技术之一, 是储层压裂过程中最精确、最及时、信息最丰富的监测手段。随着对微地震震源机制、反演及可视化的深入研究, 微地震检测技术将不断扩大应用范围, 发展前景将更加广阔。

微地震检测技术是近几年出现的一项用于油气田勘探开发阶段的重要新技术, 其基本应用方法是:通过在井中或地面布置检波器排列接收生产活动所产生或诱导的微小地震事件, 并通过对这些事件的反演求取微地震源位置等参数, 最后通过这些参数对生产活动进行监控和指导。

目前, 该应用方法主要用于油田低渗透储层压裂的裂缝动态成像或油田勘探开发过程中的动态监测, 主要是流体驱动监测。随着该项检测技术的日益成熟, 实时微地震成像可以及时指导压裂工程, 适时调整压裂参数;对压裂范围、裂缝发育方向和大小进行追踪定位, 客观评价压裂工程的效果, 对油气田下一步生产开发提供有效的指导。

微地震是一种小型的地震。在地下矿井深部开采过程中发生岩石破裂和地震活动, 常常是不可避免的现象。由开采诱发的地震活动, 通常定义为, 在开采坑道附近的岩体内因应力场变化导致岩石破坏而引起的那些地震事件。开采坑道周围的总的应力状态是开采引起的附加应力和岩体内的环境应力的总和。

矿山微地震检测技术共分为三类:一是矿井地震检测系统, 用于监测矿震, 特点是监测大震级破裂事件, 定位准确度为500m左右, 主要采用地震行业的技术和设备;二是分布式微地震监测系统, 用于监测小型矿震, 特点是可监测小震级破裂事件, 定位准确度为 (50~100) m, 一般适合采区尺度的震动监测;三是高精度微地震检测系统, 用于监测小震级冲击地压和岩层破裂, 定位准确度达到10m以内, 适合采掘工程尺度。

岩爆是岩石猛烈的破裂, 造成开采坑道的破坏, 只有那些能够引起矿区附近的地区都受到破坏的地震事件才叫作冲击地压或煤爆、岩爆。对地下开采诱发的地震活动的研究表明, 矿震不一定全都发生在开采地点, 且不同地区的最大震级也不相同, 但矿震深度一般对应于开采挖掘的深度。每年在一些矿区的地震台网能记录到几千个地震事件, 只有几个是岩爆。在由开采引起的地震事件的大的系列里, 岩爆只是其中很小的一个分支。对矿山地震、微地震及冲击地压的观测具有一致性, 但应用到实际生产中必须区别对待。

基于微震监测的裂缝评价技术正发展成为油层压裂生产过程中直观而又可靠的技术。近年来, 国内众多油气田纷纷投入人力、物力和资金, 积极开展微地震检测技术的应用与研究, 广泛用于油气勘探开发工作。

2011年, 东方物探公司投入专项资金, 积极开展压裂微地震检测技术研究, 压裂微地震检测技术水平得到快速提升。截至2011年11月, 东方物探公司已成功对11口钻井实施了压裂微地震监测。

同年, 华北油田物探公司针对鄂尔多斯工区大力推广水平井分段压裂技术、不断提高储量动用率及单井产量的要求, 2011年年初就对微地震检测技术发展状况进行调研, 并对检波器、记录仪器、处理软件进行实际考察。他们与科研院校合作, 在鄂南工区富县牛东4井与洛河4井开展微地震监测裂缝评价技术攻关, 采用微地震技术对储层压裂进行监测, 结果与人工电位梯度方法 (ERT) 监测结果一致。该公司还通过组建微地震监测项目组, 加强相关专业知识的培训和学习, 并与科研院校“高位嫁接”, 开发微地震检测特色技术, 打造差异化竞争优势。

近年来, 胜利油田积极开展微地震压裂检测技术应用研究, 并把它作为油田油气勘探开发的重要技术手段和技术储备。通过开展对国内外微地震压裂检测技术现状、微地震压裂检测采集方法、数据处理及裂缝预测方法、目前成熟的处理反演软件、微地震压裂检测技术应用实例分析等方面的调查研究, 全面了解和掌握微地震压裂检测技术的技术特点、技术关键、技术实用性及其发展方向, 为胜利油田下一步开展非常规油气资源的勘探开发提供先进的技术支持, 更好地为油气藏勘探开发工作服务。

美国之所以成为目前世界上页岩油气开发的领跑者, 就是因为它已经熟练掌握了利用地面、井下测斜仪与微地震检测技术相结合先进的裂缝综合诊断技术, 可直接测量因裂缝间距超过裂缝长度而造成的变形来表征所产生的裂缝网络, 评价压裂作业效果, 实现页岩气藏管理的最佳化。该技术有以下优点:一是测量快速, 方便现场应用;二是实时确定微地震事件的位置;三是确定裂缝的高度、长度、倾角及方位;四是具有噪音过滤能力。

在英国, P.Young教授领导的KEELE大学应用地震实验室, 主要从事岩石力学方面的微地震基础应用研究, 主要分为3个方向:震源力学、微地震成像及岩石力学。其主要研究目的是:揭示岩石在外界条件 (如承载、温度、渗流压力等) 变化时裂纹初始结晶、凝聚接合及其扩展的机理, 研究岩石宏观损伤、破裂的监测技术。位于加拿大金斯敦的工程地震组织的主要成员出自P.Young教授的门下, 该组织主要进行工程实际现场应用研究, 研究方向为岩石地下工程微地震系统的构建、微地震信号采集、处理及分析, 编制的软件可以实时进行微地震事件定位。

在澳大利亚, 澳大利亚联邦科学与工业研究院CISRO已完成15个矿的微震监测试验, 积累了大量的现场经验, 为微地震监测工作的广泛开展和进一步研究打下了良好的基础。以姜福兴教授为首的矿山微地震研究团队在吸取国际方面微地震监测成果的基础上, 针对矿山的不同灾害, 研制了系列微地震检测仪器、传感器和软件, 已经形成灾害监测、评价和治理的成套技术和装备, 并在多个矿山取得了成功应用。

在南非, 于1939年设计并布设了5个机械式地震仪, 在地面组成台阵, 主要为矿震定位。

在加拿大, 国家原子能公司为监测深部开挖引发的大应力集中, 防止其造成危害, 采用了微地震监测技术, 定量评定损伤程度, 并监测存放在地下的放射性核燃料扩散到周围地下水中的可能途径, 以防造成污染。该研究机构为了保证置放核燃料的地下结构的稳定性, 在-420m水平开挖了一条直径为3.5m、长46m的实验隧道进行专门研究, 称为地下实验室URL。其开挖围岩主要是低渗透性硬岩, 研究的主要课题是地下坚硬围岩开挖引发的柱状隧道损伤。在传统的应力、应变监测的同时, 进行了详细的微地震监测, 使用了分布在开挖体周围的16个三分向加速度计, 在一年的时间内记录并定位了大约10000个微地震事件。这是一项耗资巨大的科研工程, 围绕这一项目得出了许多有价值的科研成果。重点内容是微震事件分布、能级、机理及其与岩石变形的关系, 依据现场实测结果来建立和分析数学模型。

总之, 加大科技投入, 强化微地震检验技术的调研, 坚持不懈地开展技术创新和现场应用试验, 积极开展微地震压裂检测技术应用研究, 了解和掌握微地震压裂监测技术的技术特点、技术关键和应用方法, 使之成为页岩气勘探开发过程中一把利器, 就能够使分布广泛的页岩气资源量逐步转化为经济和技术可采储量, 打破传统的能源格局, 缓解不断增长的能源需求压力, 实现页岩气的商业化瘀规模化发展。