北美页岩气压裂微地震监测技术发展现状及对我国的启示

文 | 赵争光

澳大利亚昆士兰大学

University of Queensland, Australia

随着油气资源需求的不断增长,常规油气藏越来越少,非常规油气藏,尤其是页岩油气的勘探开发越来越受到重视。美国、加拿大等国家已成功实现页岩气的工业开采,且具有较为广阔的前景。我国也在页岩油气方面开展了大量工作,在多个盆地相继发现了具有工业价值的页岩油气资源。

常规天然气具有“难发现、易开采”的特点,而像页岩气这样的非常规天然气资源的最大特点是“发现容易,开采难”。也即,常规油气勘探的重点是“找”储层,非常规油气勘探开发的重点是“造”储层,即通过一些增产(渗)措施(包括长距离水平井钻井和分段压裂、同步压裂技术等)把储存在页岩、致密砂岩等“储层”中的游离气、吸附气经济地开采出来。要实现致密油气以及页岩气的规模勘探和开发,必须借鉴国外经验,实施水平井技术、多级压裂、同步压裂等改造技术,能够提高“页岩储层”内的连通空间和泄流面积,有效扩大渗流通道,进而建立地层与井筒之间的有效通道,达到强化页岩气开采的目的。可见,对于页岩油气资源的开发,在很大程度上取决于水平井及压裂技术,压裂结果的好坏直接关系到最终开采效果。为了解决压裂效果评价问题,人们成功地引入了长期以来矿山开采过程中使用的微地震监测技术,通过微地震监测技术来求取裂缝的空间展布特征、提取岩石力学参数,为进一步储层改造及开发井位部署提供技术支撑。

微地震与页岩气开发

根据IHS CERA( Imformation Handling Sevices Cambridge Energy Research Associates)的估计,页岩气资源量是北美天然气储量的2倍还要多。过去几十年北美开发页岩气积累的经验和获取的认识正在帮助世界其他地区的页岩气开发活动,其中也包括中国。

泥岩和页岩通常被认为是大多数油气藏的源岩。它们很多仍然包含大量的天然气,但是由于它们具有低渗透率,很难通过常规的钻井和完井技术实现经济开发。天然裂缝可以改善渗透率,但在含气页岩中,天然裂缝通常不足以提供油气向井筒中流动的合适通道。绝大多数含气页岩需要在最富产能的区位钻较长的水平井,并且需要进行增产作业尤其是水力压裂来提高产量。水力压裂过程中,高压液体被泵入水平井的多个压裂段使地层破裂。根据地层矿物成分和渗透率,压裂液的组成变化很大。石英砂或陶粒等固体颗粒被加入压裂液中。这些固体颗粒支撑水力裂缝面使其在压裂施工结束后仍然张开,被支撑开的水力裂缝成为流体从地层流入井筒的通道。

北美页岩气开发的经验已经表明各页岩气井的产气量和采收率存在很大不同,不仅是各井的产气量不同,甚至同一口井的不同压裂段的产气量也有很大差别。页岩的物性呈现出较强的垂向和横向非均质性,这是由沉积和后沉积作用包括成岩作用、与有机质相互作用、热成因的地化作用以及矿化流体运动造成的。另外,天然裂缝和局部地应力场对水力压裂的有效性影响很大。为气体流动产生足够的表面积需要全面了解岩石的矿物成分和应力场。

收集和综合关于页岩储层的不同知识是避免低产量区域、钻遇“甜点(Sweet Spots)”、有效增产施工并实现页岩气经济开发的关键。在钻井之前,地表地球物理研究和高质量的三维地震数据可提供有价值的数据。钻井时及钻井后获取的重要信息包括电阻率、伽马、中子密度、声波、岩心、井下能谱和生产数据。综合这些数据源有助于了解页岩储层的非均质性(如矿物成分、有机质含量)和应力在近井筒区域及整个储层的垂向和横向上是如何变化的。

近年来,随着水平井技术和压裂技术的不断进步,页岩气的勘探开发热潮正在世界范围内蔓延。页岩气开发的核心是压裂技术,而压裂技术又离不开配套技术的发展,微地震监测技术给页岩气压裂指明了方向。在压裂过程中,通过对微地震资料进行处理分析,可实时监测裂缝的方位和尺寸,从而指导压裂参数的选取,确保压裂取得较好的效果。

而水力压裂微地震监测成果可提供关于页岩储层的十分有价值的信息,有助于水平井的钻井部署和完井设计。一些情况下,水力压裂诱发的微地震活动与相对简单的面状裂缝一致,而另外一些情况下,水力裂缝与页岩储层中的天然裂缝网络相互作用并张开成更为复杂的裂缝网络,此时水力裂缝可能沿多个方位生长。页岩水平井水力压裂微地震监测已经观测到大量简单至复杂的水力裂缝网络。裂缝复杂性受天然裂缝网络几何以及原地应力状态的影响。通常认为与最大水平主应力方向呈一定角度的天然裂缝的存在会增强裂缝的复杂性,而低应力各向异性又会使裂缝沿不同的方位开启。

将水力裂缝微震图像与其它关于储层裂缝和应力的信息结合有助于我们全面了解页岩储层水力裂缝的复杂性。微地震图像与三维地震图像结合的综合油藏描述也显示了它们之间的相关性。微地震监测技术是储层压裂过程中最精确、最及时、信息最丰富的监测手段之一。微地震监测技术在油气藏勘探开发方面的主要应用包括储层压裂监测、油藏动态监测等,可缩短和降低储层监测的周期与费用。

2006年,威德福公司推出FracMap微地震压裂监测技术,首次在油气勘探领域实现商业化应用。目前,东方地球物理勘探有限责任公司(中国)、Microseismic Inc (美国)、哈里伯顿(美国)、ESG、Weatherford、Magnitude、斯伦贝谢、贝克休斯、道达尔等多家公司提供微地震监测技术服务。

微地震监测技术发展历程

作为2010年世界十大石油科学技术进展之一的微地震监测技术,它的发展在国外和国内经历了完全不同的发展历程。国外基本上是经历了由地面监测到井下监测再到地面监测的过程;而国内的水力压裂微地震监测从一开始便是井下监测和地面监测并驾齐驱。图1是国外微地震监测技术发展简要历程。

图1地面微地震监测发展历史

1962年,微地震监测技术的概念被提出。1973年,微地震监测技术开始应用于地热开发行业。之后,微地震地面和井下监测开始试验研究。美国橡树岭国家实验室和桑地亚国家实验室在1976年和1978年尝试用地面地震观测方式记录水力压裂诱发微震,由于信噪比、处理方法的限制,微地震地面监测试验失败。与此同时,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开始了井下微震观测研究的现场工作,在Fenten山进行了3年现场试验,获得大量资料。1978年,Hardy等成功地运用声发射技术进行了地下水压裂裂缝的定位。1997年,在Cotton Valley进行了一次大规模综合微地震监测试验,本次试验对将微地震监测引入商业化轨道起了重要作用。

井下监测一直被认为是一种较可靠的监测方式,但要求压裂井附近必须有监测井,空间横向定位分辨能力也不够理想,并且存在占用井资源、生产成本高及施工复杂等缺点,其发展空间在一定程度上受到了限制(Hom, 2010; Pettitt and Reyes-Montes, 2009; Reyes-Montes and Pettitt, 2009)。随着地面检波器性能的提高和信号处理技术的发展,在地面监测压裂微地震将是一种发展趋势。

20世纪70年代,美国油服公司和研究机构陆续开展了水力压裂地面微地震监测,但限于当时的仪器尤其是检波器性能,能量微弱且频率较高的微震在地表没能被有效检测到。由于地面微震监测的失败,这些机构转而在微震震源附近监测并记录这些信号,这项技术就是现在水力压裂裂缝监测的更为普遍的监测方式——井下监测。20世纪80年代中期,井下监测已为石油工程界的专家所认可。然而,井下监测技术发展到今天,其成本巨大及监测条件难以满足等缺点限制了它在油气田尤其是井网稀疏、处于开发初期的油气田压裂裂缝监测中的应用;而随着检波器性能的提升以及微震数据处理方法的创新,人们的目光再次转向了微地震地面监测。

20世纪90年代,Kiselevitch 等(1991)研究出地面微地震监测方法,称其为“发射层析成像(Emission tomography)”。Kiselevitch 等(1991)利用发射层析成像技术成功勘探到冰岛地热田。2000年,微地震监测开始商业化,在美国Texas州Fort Worth市的Barnett油田进行了一次成功的水力压裂微地震监测,并对Barnett页岩层内裂缝进行了成像。2003年,微地震监测技术全面进入商业化运作阶段,直接推动了美国等国家的页岩气、致密气的勘探开发进程。2004年,美国Barnett页岩气井增产改造储层时首次用地表检波器排列发射层析成像技术监测水平井水力压裂并获得巨大成功(Lakings, 2006)。至此,微地震地面监测技术走向实用阶段,并开始为石油工业界专家所认可。

随着微地震技术在油田压裂中的应用越来越广泛,相继出现了一些可以生产成套监测设备和进行压裂施工的单位,其中包括美国的Mciroseismic公司、南非的ISS公司等,它们在将微地震监测技术与实际应用相结合方面做出了重大的贡献。其中Microseismic公司采用地表单分量检波器进行地面监测。检波器阵列数量多达上千甚至上万,并且开发了FracStar星形检波器排列方式。南非的ISS公司以井中加地面三分量检波器监测,通过在地表及近地表浅钻孔中布置高密度监测台阵进行监测,兼顾了成本和信号质量。

通过几十年的发展,国外微地震压裂监测服务公司发展迅速,已经具备了专有技术、软件、设备等一体化的服务能力,并在全球范围进行服务,垄断了高端微地震监测技术服务市场。进入新世纪以来,微地震监测技术取得了不少进展,使得微地震监测技术(主要是井下微震监测技术)不仅能更加准确的预测出水力压裂产生裂缝的方位与形态,而且还能提供裂缝发育过程的详细资料,这些是采用其他方法所无法达到的。微地震监测技术的进步也极大的促进了该项技术的商业化进程。目前,微地震监测技术主要以井下监测为主,许多公司凭借独特的技术优势面向全世界提供微地震监测服务,如法国的Magnitude公司,美国的Pinnacle公司,美国的Weatherford公司,加拿大的ESG公司等,其服务几乎涵盖了微地震监测的各个方面。

近几年,随着检波器各项性能指标的提高,以及资料处理技术的进步,地面微震监测又得到人们的关注。由于地面微震监测较井下监测有布线方便、操作简单、无需监测井等特点,因此具有成本低、适用范围广泛等优越性。但由于地面微震资料信噪比较低,给资料处理和震源的定位带来不小的难度,最终导致微震事件的定位效果不尽理想,使得地面微震监测没有得到大规模的工程应用。鉴于此,国内外不少专家学者对地面微震监测进行了研究,通过不懈努力,在微震弱信号提取、微震有效事件识别、微震裂缝解释等方面都取得了一定的成果。值得注意的是通过技术攻关美国MicroSeismic公司已拥有一套相对成熟的地面微震监测方法(从数据采集到震源反演),凭借FracStar技术在世界范围内提供地面微震监测服务,在非常规能源中发挥了重要的作用。可见,随着技术的发展,微地震监测技术从井下转为地面是发展的必然趋势。

图2 微地震监测原理

微地震监测技术发展现状

过去十年,各种出版物,包括The Leading Edge和Geophysics等期刊,大量的论文以及SEG年会中关于微震监测的分会见证了微地震监测技术的发展与推广,目前,微地震监测技术已经成为页岩气开采过程中必不可少的关键配套技术之一。

2005年,美国MicroSeismic公司创始人Duncan 在《First Break》发表“Is there a future for seismic passive?” (被动地震技术有未来吗)一文,回顾了被动地震技术(微地震技术)在描绘速度结构、描述地下运动、流量试验监测、水力压裂监测和噪声分析领域的应用;虽然他对油气勘探和开发中使用被动地震技术的潜力和挑战做了明确评估,但也明确指出被动地震技术的未来具有不确定性,对微地震信号解释的经验匮乏是被动地震技术发展的一大挑战。如果说那时的人们还对微地震技术的发展缺乏信息或持怀疑态度,那么5年之后的2010年,Rode 等人在《First Break》期刊上发表“Is the future of seismic passive?”(被动地震是地震技术的未来吗)一文,明确指出被动地震技术(包含微地震监测技术)作为一种现有地球物理技术的补充,为油气藏中流体运动的持续可视化提供了可能,将来被动地震技术将实现真正意义上的5D监测。该文不但肯定了微地震技术应用的需求与实际意义,也为被动地震技术的发展指明了方向。

目前,微地震监测已经快速发展成为一项用于对各种油藏作业过程进行成像监测的技术。其中,对水力压裂增产过程进行成像是此项技术最常见的应用领域之一。每年在北美各个盆地中,采用这种技术对数千条裂缝进行成像。随着这项技术的发展,已经举行了多次技术研讨会(欧洲地球学家与工程师学会2007 年和2009 年技术研讨会、美国勘探地球物理学家学会2008 年技术研讨会,以及加拿大勘探地球物理家学会2009 年技术研讨会),同时在由美国勘探地球物理学家学会(SEG)、美国石油地质学家协会(AAPG)、国际石油工程师学会(SPE)和欧洲地球学家与工程师学会(EAGE)最近所主办的大会上,也针对此项技术举行了多次论坛和专题讨论。尤其是2014年8月,美国勘探地球物理学家学会(SEG)专门举办了第一届微地震技术国际研讨会。展示了这一领域的最新进展。

随着油气行业非常规资源的勘探开发以及对更有效的水力压裂增产施工的日益增长的需求。微地震监测技术的应用不局限于水力压裂诱发裂缝成像,这项技术目前也广泛应用于地热资源勘探、高温注汽热力开采、CO2地质封存监测,将来也可能扩展到其它领域,其技术和经济潜力十分巨大。

国内微震监测服务公司发展战略

目前,水力压裂微地震监测技术在国外发展很快,已形成了从数据采集到分析、解释以及油藏监测的配套技术系列。在国内,2010年以前,该项技术被国外技术服务公司垄断,价格居高不下。近年来,国内一些石油技术服务公司通过引进学习,不断创新,已研制出具有自主产权的微地震压裂检测技术。截止至2015年5月,中国石油、中国石化都已经具备了深井、浅井和地面微地震数据采集的能力。2010年起,中石油与壳牌合作,在我国四川盆地展开大规模页岩气勘探、开发工程,进行了多口页岩气井的多段压裂及微地震监测。

中国石油集团公司旗下东方地球物理勘探公司和川庆地球物理勘探公司均形成了自主研发的微地震监测技术及软硬件装备。

东方地球物理公司自2006年开始技术调研,2009年进行了压裂微震监测先导性研究,2010年起,开展了专题技术研究,并在微地震震源机理、资料采集、资料处理、定位方法等方面取得重要进展,建立了技术流程。东方地球物理公司于2012年成功推出了基于GeoEast平台和基于GeoMountain平台、具有自主知识产权、具备工业化生产能力的微地震实时监测软件系统,拥有采集设计、处理、解释、油藏建模等一体化服务功能,实现了中国石油集团微地震监测软件从无到有的跨越。其中东方物探自主研发的GeoEast-ESP微地震实时监测系统从采集到处理解释,软件整体配套、功能完善。2013年东方地球物理公司与中国石油勘探开发研究院廊坊分院成功研发了井下微地震裂缝监测配套软件,通过引进法国Sercel公司井下三分量数字检波器,形成了较为成熟的井下微地震监测服务能力,已在国内14个油气田进行了80多口井的微地震监测,整体技术水平与国际同步。

川庆物探公司依托集团公司项目“微地震监测技术研究与应用”,自主研发了GeoMonitor微地震采集、处理和解释一体化软件平台,形成了成熟的地面微地震监测技术,建立了野外施工流程。川庆井中物探事业部已建立深井、浅井、地面压裂微地震监测采集、处理、解释一体化工程技术服务体系,为国内外页岩气勘探企业提供25余次作业,拥有一支能同时完成多个不同类型施工项目的工程技术服务团队。

中石化方面,中国石化物探高新技术研发中心也突破微地震速度建模和静校正、去噪、弱信号提取、微地震事件快速拾取、震源定位技术、快速震源成像等关键技术,开发了Frac Listener的微地震软件,在建页1井、河页1井和新场32井进行了成功应用,有效圈定了新场32井等探井地下3100米压裂段的岩石破裂位置和范围。

上述国内微地震监测技术的发展历程表明,国内公司主要走“与外国公司技术合作为辅、自主研发为主”的技术发展战备。然而,笔者在长期的微地震监测研究及项目实践中发现,国际巨型油服公司却是以并购能够提供水力压裂微地震监测服务的小型地球物理公司来补上这一技术短板。哈里伯顿于2008年收购提供井下监测服务的Pinnacle Technologies公司;贝克休斯一方面同CGGVeritas合资成立Magnitude和VS Fusion公司提供浅井、井下和地面监测服务。这种并购及成立合资公司,使哈里伯顿和贝克休斯在极短的时间内掌握了属于勘探地震领域的地球物理技术,助力其非常规油气储层压裂增产等石油工程服务,产生了巨大的经济效益。而国内部分油公司下属分公司及研究院目前在积极引进InSite/Transform/SMT/Coviz等微地震数据处理、解释软件以及美国OYO Geospace公司GEORES、法国Sercel公司Geowaves等硬件系统,意在引进技术的同时消化技术,最后自主研发。笔者建议上述公司在自主研发的同时,并购成熟的技术服务公司或与其成立合资公司亦是一种选择,有利于迅速弥补技术上的不足,完善自主研发的技术体系,迅速形成生产力,为非常规油气勘探开发作出应有的且及时的贡献。

另外,国内油公司及旗下油服公司或研究院也应该注重市场化运作来将自己的技术推广至集团公司所属油田之外的市场及国外市场。美国MicroSeismic公司的创始人Peter M. Duncan不仅是工业界的精英人物,亦是学术达人。Duncan 曾经是2003/04年度美国勘探地球物理学家协会(Society of Exploration Geophysicsists, SEG)主席,同时亦是SEG 杰出讲师(Distinguished Lecturer)。他在研发地面微地震监测技术及推广地面监测技术至油气行业的贡献卓著,是地面微地震监测技术发展史上的重要人物。正如前文提到的2004年,MicroSeismic公司在Barnett页岩气井增产改造储层时首次用地表检波器排列发射层析成像技术监测水平井水力压裂并获得巨大成功(Lakings, 2006),这是水力压裂地面微地震监测技术发展历史上的里程碑事件。MicroSeismic公司及地面监测技术(FracStar专利技术)的成功,与Duncan本人的商业化运作紧密相关。在人们对井下监测深信不疑却对地面监测普遍持怀疑态度的2000年左右,Duncan借助其前SEG主席的身份,广泛发动在业内的人脉,在国际学术会议及SEG/AAPG等协会举办的研讨会发表演讲,说服油公司接受地面监测方式;另一方面,他积极开展地面监测试验,在不断完善技术体系及可靠程度的同时,也赢得了大量的监测合同。MicroSeismic公司已经实施了多达20000个压裂段的监测,安装了50个永久监测装置,监测业务遍及全球包括美国在内的19个国家。虽然目前地面监测方法不断创新,如Spectraseis公司的稀疏台网观测方式和NanoSeis公司的Acquisition Patch观测方式,MicroSeismic始终走在地面监测服务公司的最前沿,并于2014年推出EventPick井下监测服务及在2015年推出AlertArray风险预警监测服务。因此,国内微地震监测服务公司应该注重公司的商业化运作,积极开拓国内市场和国际市场,乘页岩气革命的东风,不断壮大自身实力和规模。

最后,笔者希望国内微地震监测领域广大科研人员、油气田压裂现场施工人员以及微地震监测服务公司能够借鉴北美页岩气压裂微地震监测技术成功研发并广泛应用的经验,使作为促成页岩气革命的两大技术即水平井和水力压裂的配套技术的微地震监测技术助力我国方兴未艾的页岩气开发热潮,如此,属于中国的页岩气革命必将在不远的将来发生。