裂缝监测技术在煤层气井压裂中的应用
基金项目:国家科技重大专项42“深部煤层煤层气开发技术研究与装备开发”(2011ZX05042)。
作者简介:张剑，出生于1981，博士，2009年毕业于中国尤氏大学(北京)，获博士学位；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88号。邮箱:张健@chinacbm.com .
(中国联合煤层气有限责任公司北京100011)
利用井下微震监测技术和电位监测技术，实时监测压裂过程中的裂缝形态。结果表明，地下微震监测可以有效地解释裂缝的方位、高度、长度、对称性以及裂缝随时间的延伸情况。电位测试技术适用于大规模压裂，尤其适用于浅井大规模水力压裂。两种技术对同一口井的监测结果表明，裂缝监测可以有效地反映压裂裂缝的水平走向，有助于认识该区地层应力的分布，但纵向扩展只能反映同相轴频率，不能有效分析和监测裂缝的高度和宽度。
关键词:微震电位法压裂裂缝监测煤层气
裂缝监测技术在煤层气储层压裂井中的应用
张健
(中国联合煤层气有限公司，北京100011，中国)
摘要:井下微地震监测技术和电位监测技术用于显示裂缝实时几何形态。表明井下微地震监测技术可以解释裂缝的方位、高度、长度、对称性和延伸程度。电位监测技术适用于大规模压裂，尤其适用于浅井。两种方法对同一口井的监测结果表明，该方法能有效地反映水平裂缝的方位，有利于认识应力分布。然而，破裂的频率只能在垂直方向上表征。不能有效地分析裂缝的高度和宽度。
关键词:压裂；裂缝监测；煤层气；微地震；电位滴定
1简介
目前，我国煤层气开发主要采用压裂来提高采收率，压裂参数的优化设计对于完善压裂方案、提高单井产能至关重要。之前的压裂方案主要是浅层，经验丰富。随着煤层深度的增加，需要建立适合较深煤层的压裂参数组合。利用井下微地震监测技术和电位监测技术，实时监测现有压裂方案下的施工裂缝形态，为进一步完善煤层气压裂技术提供技术支撑。
2测试原则
2.1井下微震测试原理
井下微震测试方法是监测邻井的直井压裂作业，利用井下三分量地震成像系统监测压裂过程中产生的微震事件，对采集的井下三分量微震数据进行解释，得到压裂形成的裂缝的空间分布(方位和长度)。
2.1.1微震的起源
由于压力的影响，微震起源于水力裂缝周围的某一区域。该区微震事件包括:裂尖应力变化诱发的微震事件、流体滤失诱发的微震事件、软弱地层诱发的微震事件。
2.1.2微震点间距离的测定
由于应力状态的变化，地层产生剪切滑移，诱发压缩波(P波)和剪切波(S波)。P波的传播速度比S波快。随着传播距离的增加，初至波时差增大。三分量检波器用来接收能够区分不同分量的横波和压缩波，从而确定微震点的发生距离。
2.1.3微震方位的测定
采用振幅交会图法，即建立P波首波振幅交会图确定微震震源方向，压缩波传播方向与振动方向一致，通过跟踪一个周期内质点的振动即可确定传播方向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，用于保存和分析数据，如图2所示。
图1微震方位测定示意图
图2测试系统示意图
2.2电位测试原理
电位监测技术是基于导电法勘探的基本理论，通过监测压裂液注入目的层引起的地面电场变化，获得裂缝方位、长度、形状等参数。
假设地层为无限均匀介质，在电源电极外任意m点观测到的电场电位为:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
式中:ρ为地层视电阻率，ω·m；I为电源电流强度，a；h为测试目的层的深度，m；r是观测点m和点源之间的距离，m。
当场源为任意形状时，应在场源处画一个面元ds来计算外电场势。如果ds处的电流密度为J，则从ds流出的电流为jds，观测点M处产生的电位dUM可写成:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
综合外部电场电势为:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
野外试验所用的仪器系统由测量系统(经纬仪)、供电系统(ZT7000发电机)、发送系统和接收系统(HGQ-5/10kW/Js-03收发系统)四部分组成，如图3所示。
图3测试装置示意图
3现场应用和评估
山西沁水盆地施工区5口井采用电位法监测，3口井采用地下微震监测。电位法监测显示，压裂过程中形成一组不等长裂缝，两翼基本对称或略有夹角。如图4所示，地层渗透率的各向异性和构造应力的复杂性是造成这种现象的主要因素。注氮实验井的监测结果表明，煤层中的氮气等气体由于其化学性质不活泼，仍以分子形式存在，因此煤储层的电导率基本不变，用电位法难以监测其在煤储层中的分布。
井下微震监测结果显示，断裂向两个方向延伸且不对称，监测到的微震事件大多位于煤层以上地层，微震事件范围较广，如图5所示。
4结论
(1)地下微震监测实现了裂缝方位、长度、对称性和裂缝随时间延伸的有效解释。
(2)电位测试技术适用于大规模压裂，尤其适用于浅井大规模水力压裂。
(3)两种技术对同一口井的监测结果表明，裂缝监测可以有效地反映压裂裂缝的水平走向，有助于认识该区地层应力的分布，但垂直扩展只能反映事件的发生频率，不能有效地分析和监测裂缝的高度和宽度。
图4电位法监测裂缝水平投影图
图5微地震监测压裂裂缝剖面图
参考
夏，，王，，等。基于高精度微地震监测的煤岩破裂及应力分布特征研究[J].《煤炭学报》，36卷2期:239~243页。
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王祥增。2006.井地电位法在煤层气井裂缝监测中的应用[J].煤炭工程，5:36~37
[4]郭建春，李永明，等. 2009 .电位法压裂测试技术的研究与应用[J].石油地质与工程，23(3):127~129