煤层气压裂裂缝井下与地面微地震联合监测技术研究与应用_吴建光

煤层气压裂裂缝井下与地面微地震联合监测技术研究与应用*

吴建光 张 平 陈主斌 曾小献 薛爱民

3.北京派特森科技发展有限公司 北京 100100

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1.中联煤层气有限责任公司 北京 100011 2.吉林大学仪电学院 长春 130000

摘要 一种新的煤层气压裂裂缝监测设备和相关技术已被开发成功，该设备包括地面采集和井下采集装置以及相关的配套设备与解释软件。现场试验表明，该设备和技术可以应用于现有的煤层气井压裂作业的裂缝监测，由于微地震距地面采集装置的距离较短，在地面也可以接收到众多较强的微地震压裂信号；井中采集的微地震信号能量更强，频率较高。两者结合可以克服地面信息反演出来的垂向深度精度低，井中信息反演出来的水平方向距离精度低的弱点，提高微地震裂缝预测精度。

关键词 煤层气 压裂 微地震 裂缝监测

1 引言

微地震压裂裂缝监测技术是近年来在低渗透油气层压裂改造领域中的一项重要新技术。该项技术通过在邻井中放置井下检波器来监测压裂井在压裂过程中诱发的微地震波，从而描述压裂过程中裂缝生长的几何形状和空间展布；它能实时提供压裂施工中产生裂缝的高度、长度和方位角，利用这些信息可以优化压裂设计、优化井网或其他油田开发措施。近年来，我国相继介绍了微地震裂缝监测技术的应用实

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例，相继引进和自主开发了一系列相关设备和解释软件，在低渗透油气藏压裂监测过程中发挥了积极的作用。相较常规地震勘探设备而言，这些设备对信号拾取要求更高，抗噪音能力更强，信号的传输效率和方式也有别于常规地震信号的传输。常规油气井压裂裂缝监测设备要求置于2000m甚或大于4000m深度的井下，因此对设备的要求比常规地震勘探设备严格的多。如果将采集装置置于地面有什么问题呢？1993年，Sleefe等人应用一系列加速度检波器测量了压裂产生的微地震信号，发现其频率一般在200~1500Hz。由此可以推测，如果在地面设置采集装置来监测如此深度发生的微地震信号，则由于大地的滤波效应，高频的信号将衰减殆尽，检波器将难以捕捉到稳定的压裂信号。

煤层气微地震压裂监测有别于常规油气井的压裂监测。通常，煤层气微地震压裂发生在300~1000m之间，有时可能更浅，从而信号通过大地到达地表的距离较短，高频衰减效应没有常规油气井压裂时严重，还有大量较高能量的压裂信号到达地表。因此，地面采集装置有能力采集到稳定的压裂信号，进而应用其反演微地震参数。生产试验表明，在基岩裸露地区，地面煤层气压裂信号的频率也可达200~300Hz或更高。

为了对煤层气压裂产生的微地震信号进行监测，本文采取在地面和井中两个空间方位监测煤层气压裂微地震信号。通常，利用地面采集的微地震信号反演裂缝空间位置时，垂向精度较低，但水平向精度高；利用井中采集信号反演裂缝空间位置时，垂向精度高，但水平向精度低。将两者结合起来，可以较为准确的定位裂缝产生的空间位置，从而实现较高精度的监测。现场试验表明，该套监测装置和相关设备与软件已经可以满足煤层气压裂监测的需要，为我国自主研发的第一套用于煤层气压裂监测的地面和井下联合监测微地震信号的装置和技术。

2 微地震裂缝监测装置设备开发

本文介绍的微地震裂缝监测设备分地面和井下两大部分（如图1所示）。地面部分非常相似于地面地震采集设备，但地下部分与此有很大区别。

地面部分的设备有：供电模块、主控模块、张力深度模块和PC主机模块。供电模块由直流电源 本文由国家科技重大专项“山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程（二期）”（2011ZX05060）资助

箱和电源控制箱组成，输入电源采用220V交流电，负责给井下仪器供电；主控模块主要功能是负责和井下数传短节的通讯，同时处理TB、子波与深度张力等相关的井中三分量仪器采集信号；PC主机通过以太网口与主控模块相连，由主机软件控制整个井中三分量系统工作。

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图1 井下与地面联合微地震监测设备系统组成示意图

井下部分的设备有：张力短节，数传GR短节、可选的CCL短节、采集短节第1级、采集短节第2级，…，采集短节第N级、配重短节。数传GR短节主要负责与地面主控模块和采集短节的通讯，同时给张力短节供电并数字化，与可选的CCL短节供电并通讯；张力短节和可选的CCL短节主要是用来测量相应的测井数据，为井中三分量仪器操作或资料解释提供依据；采集短节是井中三分量仪器的重要组成部分，它将自己推靠到紧贴井壁，完成来自地层的地震波的采集，并将数据上传到主机软件；配重短节是为了增加井下设备的重量，利于井下仪器串顺利下井。

地下设备开发的关键技术为： （1）长距离电缆高速传输技术

根据测井电缆线路衰减的特性，利用ADSL宽带接入的DMT技术和回波抵消技术，并通过不对称传输，使上、下行信道分开以降低衰减、串音、码间干扰，提高了现有电缆的频带利用率；多载波系统串并变换等效于延长了符号周期，从而提高了测井电缆通讯的抗脉冲噪声和快衰减的能力，同时提高了系统灵活适应信道的能力。同时利用测井电缆远程驱动技术和测井电缆复杂环境抗干扰技术以提高长距离测井电缆传输速率，3000m时传输率达2Mbps。

（2）高温高压结构设计技术

如何保证井下设备能够承受高温和高压的情况下的最小化和最高可靠性的结构设计技术，借鉴测井仪器的设计经验，结合井中三分量仪器的特点优化设计出满足要求的井下设备。

（3）高温下小信号处理技术

该设备考虑到可以应用于较深的井中信号采集，应用了可适用于125℃高温环境下的小信号处理技术：温飘小，精度高，采用温度补偿和筛选耐高温器件等方法解决仪器处于高温井下环境时的漏电流、

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温度漂移等引起的信号畸变，达到较高的测量精度。

（4）采集同步设计技术

同步采集是井中三分量系统设计的重要因素。同步关系有两个层次，一个是同一个采集板上的各个通道之间采样脉冲上升沿的同步，这个同步的量级是纳秒的，通过地震套片内部的同步机理保证；另一个是不同采集板上的通道之间采得数据样点的同步关系，这个同步的量级是百毫秒级的，最小是一个采样时间间隔，如250毫秒，这个同步需要通过采集系统的同步设计来保证。

3 地面微地震信号采集试验

毋庸置疑，井中的微地震压裂信号能量是很强的，较易识别和确认，但在地面可否稳定的采集到压裂信号是衡量系统是否具备同时在地面和井中两个方向进行信号采集和裂缝反演的关键。图2为A井压裂过程中进行压裂监测时地面布设的采集器状况。A井所在地区地表可见裸露岩石，主要为中生界下部的砂岩，沟谷第四系主要为砂土和粉砂质粘土，为3~5m厚。采集器大部沿沟布设，由于地形的关系，压裂井没有布设在测网的中心。压裂点位于井下720m左右，最大压裂施工压力为35MPa。

图3为A井压裂开始10min后两秒中的记录数据。数据采样间隔为0.25ms。可见在两秒时间内，可见到非常明显的三个微地震事件的信号记录，在后续的处理中还在其中分析出数条微事件。由此可认为，煤层气压裂信号完全可以利用地面采集装置进行采集。

图2 A井压裂监测地面采集站分布图 图3 A井压裂监测微地震波形图

4 水平井压裂微地震监测实例

该套压裂监测设备和相关技术已经在水平井分段压裂监测实验中得到应用。图4显示的是水平井分段压裂施工示意图。压裂分6段进行，深度大致在1000m左右，监测井距最近压裂段600m左右。地面交叉型布设3条监测剖面（如图5所示），交叉点位于第2个压裂点正上方。本区地形极端复杂，第四纪黄土覆盖在台地位置可达70m，在冲沟内达50多m。井下采集站位置在图中水文井处，井中检波器安排在直井500~600m深处，保证震源点与井中检波器点之间存在一定的水平夹角。图5是地面和井下

采集器接收到的微地震信号波形图，由图5可见：井中信号较强信号，在地面有明显的响应，但较弱的信号和高频信号，在地面没有明显的响应。

根据地面和部分井下微地震信息，反演了微地震震源（裂缝发生）位置（如图7所示）。考虑到本次试验仅应用了井中单分量检波器，难以独立确定微地震源点，人工将井下和地面可识别的微地震信号进行比对拾取初至到时，应用最小二乘法联合反演了震源点位置；图7清晰的反映了6段压裂形成的震源位置分布，此一般解释为压裂监测到的裂缝发育情况。

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图 4 水平井压裂地面与井下监测布阵示意图

图5 地面和井下采集器接收到的微地震 图6 水平井6段压裂裂缝微地震

信号波形图 监测结果平面显示图

5 结论

地震监测设备和相关技术已经开发成功，设备包括井中采集器和地面采集器两部分；对井中单分量和地面采集装置以及软件系统也进行了野外试验。结果表明，煤层气井压裂微地震的较大事件可以在地面成功获取，但频率较低，小事件在覆盖层较厚情况下难以获得。地面数据配合井中数据对数据进行反演，有助于反演精度的提高。

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