裂缝监测技术在煤层气井压裂中的应用初探
张 健
( 中联煤层气有限责任公司 北京 100011)
摘 要: 采用井下微地震监测技术和电位法监测技术对压裂过程中的裂缝形态进行了实时监测，结果表明: 井下微地震监测实现了对裂缝方位、高度、长度、对称性及裂缝随时间的延伸情况的有效解释。电位法测试技术适用于规模较大型压裂，特别适合于浅井大型水力压裂。对同一口井应用两种技术实施监测结果表明，裂缝监测能够有效反映压裂裂缝的水平走向，有助于认清该区地层应力分布状态，但垂向扩展仅能反映事件频率，无法实现对裂缝高度和宽度的有效分析监测。
关键词: 压裂 裂缝监测 煤层气 微地震 电位法
Application of Fracture Monitoring Technology to Fracturing Well in Coalbed Methane Reservoir
ZHANG Jian
( China United Coalbed Methane Co. ，Ltd. ，Beijing 100011，China)
Abstract: Down hole micro-seismic monitoring technology and potentiometry monitoring technology are used to show fracture real-time geometry. It shows that fracture orientation，height，length，symmetry and extension can be interpreted by down hole micro-seismic monitoring technology. The potentiometry monitoring technology is suit for major scale fracturing，especially for shallow well. As the result of monitor adopted on the same well with two methods shows，the fracture orientation on horizontal level can be reflected effectively，which will be favor of recognizing stress distribution. However，the frequency of fracturing can only be characterized in vertical direc- tion. The height and width of fracture can not be analyzed effectively.
Keywords: fracturing; fracture monitoring; coalbed methane; micro-seismic; potentiometry
基金项目: 国家科技重大专项项目 42 “深煤层煤层气开发技术研究和装备研制”( 2011ZX05042) 。
作者简介: 张健，1981 年生，博士，2009 年毕业于中国石油大学 ( 北京) 并获得博士学位; 主要从事煤层气开发和现代完井工程研究。地址: ( 100011) 北京市东城区安外大街甲 88 号。Email: zhangjian@ chinacbm. com。
1 引言
目前我国煤层气开发主要采用压裂提高采收率技术，压裂参数优化设计对于完善压裂方案、提高单井产能十分重要。前期压裂方案以浅层、经验为主，随着煤层深度增加，有必要建立适用于较深煤层的压裂参数组合，通过采用井下微地震监测技术和电位法监测技术对现有压裂方案下的施工裂缝形态进行了实时监测，为进一步完善煤层气压裂技术提供了技术支持。
2 测试原理
2.1 井下微地震测试原理
井下微地震测试方法是在邻井监测直井压裂作业，通过使用井下三分量地震成像系统监测压裂过程中产生的微地震事件，对采集到的井下三分量微地震数据进行解释，得到压裂形成裂缝的空间展布(方位、长度)［1，2］。
2.1.1 微地震的起源
微地震源于由于压力影响围绕着水力裂缝的一定区域内，该区域内的微地震事件包括:裂缝尖端的应力改变诱发微地震，液体滤失诱发微地震，地层薄弱面处诱发微地震。
2.1.2 微地震产生点距离的确定
地层由于应力状态改变产生剪切滑动并诱发压缩波(P波)和剪切波(S波)，P波传播速度大于S波，随着传播距离的增加，初至波的时差增大，利用三分量检波器接收可分辨不同分量的剪切波和压缩波，从而确定微地震点产生距离。
2.1.3 微地震方位的确定
采用振幅交汇图方法，即建立P波首波的振幅交汇图确定微地震震源的方向，压缩波的传播方向和振动方向一致，跟踪一个周期内质点的振动即可确定其传播方位α，如图1所示。现场测试系统包括数据记录系统、SeisNet工作站和质量控制系统，实现数据的保存、分析，如图2所示。
图1 微地震方位确定示意图
图2 测试系统示意图
2.2 电位法测试原理
电位法监测技术以传导类电法勘探基本理论为依据，通过监测注入到目的层的压裂液引起的地面电场变化获得裂缝方位、长度、形态等参数［3，4］。
假设地层为无限大均匀介质，采用环形测量方式，在供电电极外任一点M观测电场的电位为:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
式中:ρ为地层视电阻率，Ω·m;I为供电电流强度，A;h为测试目的层深度，m;r为观测点M到点源之间的距离，m。
当场源为任意形状时，计算外电场电位应首先在场源处划出一个面元ds，如果ds处的电流密度为j，则从ds处流出的电流为jds，它在观测点M产生的电位dUM仿上式可写为:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
积分得外电场电位为:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
现场测试所用的仪器系统由测量系统(经纬仪)、供电系统(ZT7000型发电机)、发送系统和接收系统(HGQ-5/10kW/Js-03发送接收系统)四部分组成，如图3所示。
图3 测试装置示意图
3 现场应用与评价
对山西沁水盆地施工区域五口井进行了电位法监测，对三口井实施了井下微地震监测。电位法监测显示:压裂施工形成了一组两翼方向基本对称或略有夹角的不等长裂缝，如图4所示，地层渗透率各向异性和构造应力复杂是造成该现象的主要因素。对氮气注入实验井的监测结果表明:由于煤层中氮气等气体化学性质不活泼，其在煤层中仍然以分子形式存在，因此基本不改变煤储层的导电性能，通过电位法难以实现监测其在煤储层中的分布。
井下微地震监测结果显示，裂缝向两个方向延伸且不对称，监测到的微地震事件大多位于煤层以上的地层，微地震事件发生范围较广，如图5所示。
4 结论
(1)井下微地震监测实现了对裂缝方位、长度、对称性及裂缝随时间的延伸情况的有效解释。
(2)电位法测试技术适用于规模较大型压裂，特别适合于浅井大型水力压裂。
(3)对同一口井应用两种技术实施监测结果表明，裂缝监测能够有效反映压裂裂缝的水平走向，有助于认清该区地层应力分布状态，但垂向扩展仅能反映事件频率，无法实现对裂缝高度和宽度的有效分析监测。
图4 电位法监测压裂裂缝水平投影图
图5 微地震监测压裂裂缝剖面图
参考文献
［1］夏永学，潘俊锋，王元杰等.2011.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究［J］.煤炭学报，36(2):239～243
［2］徐剑平.2011.裂缝监测方法研究及应用实例［J］.科学技术与工程，11(11):2575～2577，2581
［3］王香增.2006.井地电位法在煤层气井压裂裂缝监测中的应用［J］.煤炭工程，5:36～37
［4］郭建春，李勇明等.2009.电位法裂缝测试技术研究与应用［J］.石油地质与工程，23(3):127～129