裂縫監測技術在煤層氣井壓裂中的應用

基金項目:國家科技重大專項42“深部煤層煤層氣開發技術研究與裝備開發”(2011ZX05042)。

作者簡介:張劍，出生於1981，博士，2009年畢業於中國尤氏大學(北京)，獲博士學位；主要從事煤層氣開發和現代完井工程研究。地址:(100011)北京市東城區安外大街88號。郵箱:張健@chinacbm.com .

(中國聯合煤層氣有限責任公司北京100011)

利用井下微震監測技術和電位監測技術，實時監測壓裂過程中的裂縫形態。結果表明，地下微震監測可以有效地解釋裂縫的方位、高度、長度、對稱性以及裂縫隨時間的延伸情況。電位測試技術適用於大規模壓裂，尤其適用於淺井大規模水力壓裂。兩種技術對同壹口井的監測結果表明，裂縫監測可以有效地反映壓裂裂縫的水平走向，有助於認識該區地層應力的分布，但縱向擴展只能反映同相軸頻率，不能有效分析和監測裂縫的高度和寬度。

關鍵詞:微震電位法壓裂裂縫監測煤層氣

裂縫監測技術在煤層氣儲層壓裂井中的應用

張健

(中國聯合煤層氣有限公司，北京100011，中國)

摘要:井下微地震監測技術和電位監測技術用於顯示裂縫實時幾何形態。表明井下微地震監測技術可以解釋裂縫的方位、高度、長度、對稱性和延伸程度。電位監測技術適用於大規模壓裂，尤其適用於淺井。兩種方法對同壹口井的監測結果表明，該方法能有效地反映水平裂縫的方位，有利於認識應力分布。然而，破裂的頻率只能在垂直方向上表征。不能有效地分析裂縫的高度和寬度。

關鍵詞:壓裂；裂縫監測；煤層氣；微地震；電位滴定

1簡介

目前，我國煤層氣開發主要采用壓裂來提高采收率，壓裂參數的優化設計對於完善壓裂方案、提高單井產能至關重要。之前的壓裂方案主要是淺層，經驗豐富。隨著煤層深度的增加，需要建立適合較深煤層的壓裂參數組合。利用井下微地震監測技術和電位監測技術，實時監測現有壓裂方案下的施工裂縫形態，為進壹步完善煤層氣壓裂技術提供技術支撐。

2測試原則

2.1井下微震測試原理

井下微震測試方法是監測鄰井的直井壓裂作業，利用井下三分量地震成像系統監測壓裂過程中產生的微震事件，對采集的井下三分量微震數據進行解釋，得到壓裂形成的裂縫的空間分布(方位和長度)。

2.1.1微震的起源

由於壓力的影響，微震起源於水力裂縫周圍的某壹區域。該區微震事件包括:裂尖應力變化誘發的微震事件、流體濾失誘發的微震事件、軟弱地層誘發的微震事件。

2.1.2微震點間距離的測定

由於應力狀態的變化，地層產生剪切滑移，誘發壓縮波(P波)和剪切波(S波)。P波的傳播速度比S波快。隨著傳播距離的增加，初至波時差增大。三分量檢波器用來接收能夠區分不同分量的橫波和壓縮波，從而確定微震點的發生距離。

2.1.3微震方位的測定

采用振幅交會圖法，即建立P波首波振幅交會圖確定微震震源方向，壓縮波傳播方向與振動方向壹致，通過跟蹤壹個周期內質點的振動即可確定傳播方向α，如圖1所示。現場測試系統包括數據記錄系統、SeisNet工作站和質量控制系統，用於保存和分析數據，如圖2所示。

圖1微震方位測定示意圖

圖2測試系統示意圖

2.2電位測試原理

電位監測技術是基於導電法勘探的基本理論，通過監測壓裂液註入目的層引起的地面電場變化，獲得裂縫方位、長度、形狀等參數。

假設地層為無限均勻介質，在電源電極外任意m點觀測到的電場電位為:

中國煤層氣技術進展:2011煤層氣學術討論會論文集。

式中:ρ為地層視電阻率，ω·m；I為電源電流強度，a；h為測試目的層的深度，m；r是觀測點m和點源之間的距離，m。

當場源為任意形狀時，應在場源處畫壹個面元ds來計算外電場勢。如果ds處的電流密度為J，則從ds流出的電流為jds，觀測點M處產生的電位dUM可寫成:

中國煤層氣技術進展:2011煤層氣學術討論會論文集。

綜合外部電場電勢為:

中國煤層氣技術進展:2011煤層氣學術討論會論文集。

野外試驗所用的儀器系統由測量系統(經緯儀)、供電系統(ZT7000發電機)、發送系統和接收系統(HGQ-5/10kW/Js-03收發系統)四部分組成，如圖3所示。

圖3測試裝置示意圖

3現場應用和評估

山西沁水盆地施工區5口井采用電位法監測，3口井采用地下微震監測。電位法監測顯示，壓裂過程中形成壹組不等長裂縫，兩翼基本對稱或略有夾角。如圖4所示，地層滲透率的各向異性和構造應力的復雜性是造成這種現象的主要因素。註氮實驗井的監測結果表明，煤層中的氮氣等氣體由於其化學性質不活潑，仍以分子形式存在，因此煤儲層的電導率基本不變，用電位法難以監測其在煤儲層中的分布。

井下微震監測結果顯示，斷裂向兩個方向延伸且不對稱，監測到的微震事件大多位於煤層以上地層，微震事件範圍較廣，如圖5所示。

4結論

(1)地下微震監測實現了裂縫方位、長度、對稱性和裂縫隨時間延伸的有效解釋。

(2)電位測試技術適用於大規模壓裂，尤其適用於淺井大規模水力壓裂。

(3)兩種技術對同壹口井的監測結果表明，裂縫監測可以有效地反映壓裂裂縫的水平走向，有助於認識該區地層應力的分布，但垂直擴展只能反映事件的發生頻率，不能有效地分析和監測裂縫的高度和寬度。

圖4電位法監測裂縫水平投影圖

圖5微地震監測壓裂裂縫剖面圖

參考

夏，，王，，等。基於高精度微地震監測的煤巖破裂及應力分布特征研究[J].《煤炭學報》，36卷2期:239~243頁。

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王祥增。2006.井地電位法在煤層氣井裂縫監測中的應用[J].煤炭工程，5:36~37

[4]郭建春，李永明，等. 2009 .電位法壓裂測試技術的研究與應用[J].石油地質與工程，23(3):127~129