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煤层气压裂微地震监测技术简介 煤层气是我国的新型能源，开采煤层气既可以为我国经济发展提供紧缺的能源，又可以降低油田瓦斯突出、出现矿难的风险，是一举多得的生产举措。 煤层气与天然气不同，很少处于游离状态，而是吸附在煤上，不扰动不能开采。压裂既可以形成强烈的扰动，又形成煤层气汇集、流通的孔道，是必须采取的施工措施。 微地震监测技术是检测压裂效果，把每层气开采与原煤开采结合起来的重要环节，也是一个不可忽视的技术。 油田压裂有多种方法可以监测，微地震方法、大地电位法、示踪迹法。大地电位法需要在压裂液体中添加高电导率液体，易形成污染。示踪迹法需要存在大量取样孔，实施难度大。受到煤层气开采特殊性限制，大地电位法、示踪迹法的使用有很大难度。微地震方法是一个较好的方法。 1.微地震人工裂缝监测原理 微地震监测是指将井下地震技术用于探测由于岩石内应力发生变化而引起的微地震事件,即将高灵敏度的地震传感器布放于压裂井四周相应位置中,连续记录因压裂引起的油气藏物理特性改变而产生的微地震活动.该技术用于油藏和气藏水力压裂裂缝的成图,通过对压裂过程中的微地震数据连续采集记录并实时处理,标定出微地震事件即压裂裂缝的位置.借助于微地震裂缝诊断,在压裂作业过程中可以有效地优化压裂和压裂方案设计,提供油气藏资源评价、油气藏趋替信息和未来钻井位置图,达到增产目的,并为二次勘探的规划提供依据。 压裂时,由于地层压力的升高，根据摩尔-库伦准则，沿着压力升高区边缘会发生微地震。实际微地震的频段从几十到几百周，相当于-2至-5级地震。一般来说，震级越小，频率越高。我们仪器的工作频段为50-200周，仅取较大的微地震-2级。记录这些微地震，并根据微地震走时进行震源定位，由微地震震源的空间分布可以描述注水前缘区轮廓。微地震震源空间分布在柱坐标系三个坐标面上的投影，可以给出前缘区的三视图（俯视图、侧视图、前视图），分别描述裂缝轮廓的平面分布、展布方位及参考性高度。与其它方法相比，该方法即时，方便，适应性强，为国际上的同行广泛使用。 摩尔-库伦准则可以写为 1-1式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，τ是作用在裂缝面上的剪切应力；τ0 是岩石固有的无法向应力抗剪断强度，数值由几兆帕到几十兆帕，沿已有裂缝面错断，数值为零；S1，S2 分别是最大，最小主应力；P0是地层压力；φ是最大主应力与裂缝面法向的夹角。由式可以看出，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，也会使在一些特定的点出现右侧小于左侧,这使地层压力变化成为微地震发生的必然条件。后者为我们监测压裂裂缝提供了依据。由式1-1可以看出，压裂形成的微地震是地下原有能量的释放，不仅仅是施工作业能量，应该有足够的辐射强度被地面检波器接收到。 该监测系统6分站，无线传输，主站分析实时定位系统，可在现场显示监测结果。监测压裂或高压注水时出现的微震点分布，用微震点分布描述裂缝形态、走向。微地震震源以走时方法定位，假定自震源发出的微地震信号以直线传入地震检波器，把弧线传播途径拉直为一条直线，以方便油田使用。 由于随深度的减小，波速降低，近地表的地震波传播途径与地面趋于垂直。由于P波的振动方向沿传播途径，S波的振动方向与传播途径垂直。因此，P波的振动方向垂直于地面，S波的振动方向平行于地面。 在水力压裂过程中，地层破裂（或裂缝延伸扩张）产生微地震波，微地震波在地层中以球面波的形式向四周传播，检波器接收到信号后通过能量转换器将机械波转换成电磁波，经前置放大后发射送入系统，通过微机采集计算震源的位置。检波器直接接收地层对地震波的传播信号，经过计算地震波到达的时间分析裂缝的走向与长度。 2.煤层气监测实例 2.1固10-9井微地震裂缝监测报告 我公司的监测队伍于2008年5月5日，在华北煤层气，对固10-9井的压裂过程进行了监测，该井位于山西省沁水县固县乡固县村南100m处; 构造位置沁水盆地南部晋城斜坡带樊庄区块。压裂一层（二小层合压），监测层段492.83497.0m7号层、502.0506.0m 8号层。监测结果表明，固10-9井第一小层人工裂缝方向是北东东向；第二小层人工裂缝方向是北东东向。 2.1.1固10-9井压裂监测结果 第一小层监测记录时间持续100分钟；第二小层监测记录时间持续99分钟。由于压裂深度较大，采取了较大的台网尺度表2-1。表2-1的坐标是以压裂点在地面的投影为坐标原点，x轴沿东西向，向东为正；y轴沿南北向，向北为正。 表2-1. 固10-9井压裂监测台站坐标 台站 X米 Y米 Z米 1 32 94 4 2 77 0 7 3 32 -102 4 4 -59 -100 -1 5 -92 3 0 6 -78 107 2 2.1.1.1第一小层压裂监测结果 监测层段为502.00506.00米。 图2-1. 固10-9井第一小层压裂监测结果平面图 图2-1中，每个格的尺寸为100米；水平轴东西向，向东为正；竖直轴沿南北向，向北为正。 表2-2. 固10-9井第一小层压裂监测结果参数表 表2-2是依据现场数据的后分析结果。尺度是最大尺度；方位是所有微地震点的统计方位。高度数据的上侧是裂缝面上沿深度，下侧是裂缝面下沿深度。 图2-2. 固10-9井第一小层监测结果的人工裂缝高度 图2-2表示裂缝高度随长度的变化，由图可见高度不平稳，西翼前缘向上升起；二翼裂缝长度不对称，东翼偏长。 图2-3. 固10-9井第一小层压裂的人工裂缝倾向 图2-3是沿人工裂缝走向，从东向西看的投影图，标示裂缝面倾向，应该和后面的统计倾角图对比来看，如果倾角图不为零，此图才有意义。此次监测，倾角为0度，由此图可以看出裂缝面直立。 图2-4. 固10-9井第一小层压裂置信度75时的裂缝监测半高度 图2-5. 固10-9井第一小层压裂置信度75时的裂缝监测半长度 图2-6. 固10-9井第一小层压裂置信度75时的裂缝监测倾角 此图应该和前面的倾向图对比来看，如果此图不为零，前面的倾向图才有意义。此次监测，倾角为0度，由图2-3可以看出裂缝面直立。 图2-7. 固10-9井第一小层压裂近井裂隙分布图 图2-7绘出了可能存在的裂隙（绿）、回归线（蓝色粗线）。近井裂隙中等发育，为北东向、北西向。 图2-8. 固10-9井第一小层时间频度图 固10-9井时间频度图的横轴是监测时间，纵轴是单位时间微地震个数。可以看到，在时间进程上，微地震分布可以分为四簇，压裂过程大体正常。 图2-9. 固10-9井第一小层人工裂缝立体俯视图 由图2-9可以看出，主缝（蓝色）北东向，有三条显著的支逢，为北北东向、北东东向、北东东向。 2.1.1.2第二小层压裂监测结果 监测层段为492.83497.00米。 图2-10. 固10-9井第二小层压裂监测结果平面图 图2-10中，每个格的尺寸为100米；水平轴东西向，向东为正；竖直轴沿南北向，向北为正。 表2-3. 固10-9井第二小层压裂监测结果参数表 表2-3是依据现场数据的后分析结果。尺度是最大尺度；方位是所有微地震点的统计方位。高度数据的上侧是裂缝面上沿深度，下侧是裂缝面下沿深度。 图2-11. 固10-9井第二小层监测结果的人工裂缝高度 图2-11表示裂缝高度随长度的变化，由图可见高度不平稳，二翼前缘向上升起；二翼裂缝长度不对称，东翼偏长。 图2-12. 固10-9井第二小层压裂的人工裂缝倾向 图2-12是沿人工裂缝走向，从东向西看的投影图，标示裂缝面倾向，应该和后面的统计倾角图对比来看，如果倾角图不为零，此图才有意义。此次监测，倾角为2度，由此图可以看出裂缝面倾向西北。 图2-13. 固10-9井第二小层压裂置信度75时的裂缝监测半高度 图2-14. 固10-9井第二小层压裂置信度75时的裂缝监测半长度 图2-15. 固10-9井第二小层压裂置信度75时的裂缝监测倾角 此图应该和前面的倾向图对比来看，如果此图不为零，前面的倾向图才有意义。此次监测，倾角为2度，由图2-12可以看出裂缝面倾向西北。 图2-16. 固10-9井第二小层压裂近井裂隙分布图 图2-16绘出了可能存在的裂隙（绿）、回归线（蓝色粗线）。近井裂隙中等发育，为北东向、北西向。 图2-17. 固10-9井第二小层时间频度图 固10-9井时间频度图的横轴是监测时间，纵轴是单位时间微地震个数。可以看到，在时间进程上，微地震分布可以分为四簇，压裂过程大体正常。 图2-18. 固10-9井第二小层人工裂缝立体俯视图 由图2-18可以看出，主缝（蓝色）北东向，有一条显著的支逢，为北东东向。 2.1.2固10-9井人工裂缝监测小结 固10-9井监测的第一小层人工裂缝方向为北东东向，主缝（蓝色）北东向，有三条显著的支逢，为北北东向、北东东向、北东东向。近井裂隙中等发育，为北东向、北西向。高度不平稳，西翼前缘向上升起；二翼裂缝长度不对称，东翼偏长。倾角为0度，裂缝面直立。 固10-9井监测的第二小层人工裂缝方向为北东东向，主缝（蓝色）北东向，有一条显著的支逢，为北东东向。近井裂隙中等发育，为北东向、北西向。高度不平稳，二翼前缘向上升起；二翼裂缝长度不对称，东翼偏长。倾角为2度，裂缝面倾向西北。 实际进水裂缝尺度是监测尺度的三分之二。表2-4列出了裂缝参数及进水裂缝尺度。 表2-4. 固10-9井压裂参数及进水裂缝尺度 统计方 位度 进水裂缝长度 （米） 西翼进水裂缝长度/米 东翼进水裂缝长度/米 进水裂缝高度（米） 倾角/度 倾向 主缝走向 支缝走向 第一小层 北东76.6 173.3 76.3 97 5.3 0 直立 北东 北北东、北东东、北东东 第二小层 北东61.5 170.7 68.3 102.4 4 2 西北 北东 北东东 3.煤层气压裂监测结果的应用前景 煤层气是我国的新型能源，开采煤层气既可以为我国经济发展提供紧缺的能源，又可以降低油田瓦斯突出、出现矿难的风险，是一举二得的生产举措。 煤层气与天然气不同，很少处于游离状态，而是吸附在煤上，不扰动不能开采。压裂既可以形成强烈的扰动，又形成煤层气汇集、流通的孔道，是必须采取的施工措施。 煤层气开采与原煤开采常常同时进行，或者先采气、后采煤。但应该避免人工压裂裂缝与采煤巷道相通，否则会加大瓦斯突出的可能性。监测煤层气压裂过程，了解人工裂缝走向，依据人工裂缝走向调整采煤巷道位置、方位对安全生产有重要意义。依据监测给出的人工裂缝方向、尺度，可以科学的设计巷道走向。 人工裂缝监测还可以给出监测区的最大水平主应力方向，参考应力方向布置巷道走向、结构，可以增大巷道的安全性。 了解人工裂缝走向、长度，对合理布置煤层气井、排也有指导意义。 人工裂缝监测可以提供人工裂缝走向、长度、高度及产状，为判断压裂效果、压裂结果是否符合压裂设计提供重要的判断依据。人工裂缝监测技术在油田也常常用来检验新型压裂方案、压裂技术是否完善的重要方法。 人工裂缝监测技术在煤层气开采中有重要的应用前景。 北京科若思技术开发有限公司 2008年11月01日 16