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北美页岩气压裂微地动监测手艺成长近况及对我国的启迪

宣布日期:2017-05-05 14:46    阅读次数:次

跟着油气资本须要的不时增加,惯例油气藏愈来愈少,非惯例油气藏,特别是页岩油气的勘察开辟愈来愈遭到正视。美国、加拿大等国度已胜利实现页岩气的产业开采,且具有较为广漠的远景。我国也在页岩油气方面睁开了大批任务,在多个盆地接踵发明了具有产业代价的页岩油气资本。

惯例自然气具有“难发明、易开采”的特色,而像页岩气如许的非惯例自然气资本的最大特色是“发明轻易,开采难”。也即,惯例油气勘察的重点是“找”储层,非惯例油气勘察开辟的重点是“造”储层,即经由过程一些减产(渗)办法(包罗长间隔程度井钻井和分段压裂、同步压裂手艺等)把贮存在页岩、致密砂岩等“储层”中的游离气、吸附气经济地开采出来。要实现致密油气和页岩气的范围勘察和开辟,必须鉴戒外洋履历,实行程度井手艺、多级压裂、同步压裂等革新手艺,可以或许或许前进“页岩储层”内的连通空间和泄流面积,有用扩大渗流通道,进而建立地层与井筒之间的有用通道,到达强化页岩气开采的目标。可见,对页岩油气资本的开辟,在很大程度上取决于程度井及压裂手艺,压裂功效的黑白间接干系到终究开采结果。为了处置压裂结果评价题目,人们胜利地引入了持久以来矿山开采过程中操纵的微地动监测手艺,经由过程微地动监测手艺来求取裂痕的空间展布特色、提取岩石力学参数,为进一步储层革新及开辟井位安排供给手艺撑持。

  1. 微地动与页岩气开辟

按照IHS CERA( Imformation Handling Sevices  Cambridge Energy Research Associates)的估量,页岩气资本量是北美自然气储量的2倍还要多。曩昔几十年北美开辟页岩气堆集的履历和取得的熟悉正在赞助天下其余地域的页岩气开辟勾当,此中也包罗中国。

泥岩和页岩凡是被以为是大大都油气藏的源岩。它们良多依然包罗大批的自然气,可是因为它们具有低渗入率,很难经由过程惯例的钻井和完井手艺实现经济开辟。自然裂痕可以或许改良渗入率,但在含气页岩中,自然裂痕凡是缺少以供给油气向井筒中勾当的适合通道。绝大大都含气页岩须要在最富产能的区位钻较长的程度井,并且须要停止减产功课特别是水力压裂来前进产量。水力压裂过程中,高压液体被泵入程度井的多个压裂段使地层分裂。按照地层矿物成份和渗入率,压裂液的构成变更很大。石英砂或陶粒等固体颗粒被插手压裂液中。这些固体颗粒撑持水力裂痕面使其在压裂施工竣事后依然伸开,被撑持开的水力裂痕成为流体从地层流入井筒的通道。

北美页岩气开辟的履历已标明各页岩气井的产宇量和采收率存在很大差别,不只是各井的产宇量差别,乃至同一口井的差别压裂段的产宇量也有很大差别。页岩的物性显现出较强的垂向和横向非均质性,这是由堆积和后堆积感化包罗成岩感化、与无机质彼此感化、热成因的地化感化和矿化流体勾当构成的。别的,自然裂痕和局部地应力场对水力压裂的有用性影响很大。为气体勾当产生充足的外表积须要周全领会岩石的矿物成份和应力场。

搜集和综合对于页岩储层的差别常识是防止低产量地区、钻遇“甜点(Sweet Spots)”、有用减产施工并实现页岩气经济开辟的关头。在钻井之前,地表地球物理钻研和高品质的三维地动数据可供给有代价的数据。钻井时及钻井后取得的首要信息包罗电阻率、伽马、中子密度、声波、岩心、井下能谱和出产数据。综合这些数据源有助于领会页岩储层的非均质性(如矿物成份、无机质含量)和应力在近井筒地区及全部储层的垂向和横向上是若何变更的。

比来几年来,跟着程度井手艺和压裂手艺的不时前进,页岩气的勘察开辟高潮正在天下范围内舒展。页岩气开辟的焦点是压裂手艺,而压裂手艺又离不开配套手艺的成长,微地动监测手艺给页岩气压裂指明了标的目的。在压裂过程中,经由过程对微地动材料停止处置阐发,可实时监测裂痕的方位和尺寸,从而指点压裂参数的拔取,确保压裂取得较好的结果。

而水力压裂微地动监测功效可供给对于页岩储层的很是有代价的信息,有助于程度井的钻井安排和完井设想。一些环境下,水力压裂引发的微地动勾当与绝对简略的面状裂痕分歧,而别的一些环境下,水力裂痕与页岩储层中的自然裂痕搜集彼此感化并伸开成加倍庞杂的裂痕搜集,此时水力裂痕可以或许沿多个方位成长。页岩程度井水力压裂微地动监测已观察到大批简略至庞杂的水力裂痕搜集。裂痕庞杂性受自然裂痕搜集多少和原地应力状况的影响。凡是以为与最大程度主应力标的目的呈一定角度的自然裂痕的存在会加强裂痕的庞杂性,而低应力各向同性又会使裂痕沿差别的方位开启。

将水力裂痕微震图象与别的对于储层裂痕和应力的信息连系有助于咱们周全领会页岩储层水力裂痕的庞杂性。微地动图象与三维地动图象连系的综合油藏描写也显现了它们之间的相干性。微地动监测手艺是储层压裂过程中最切确、最实时、信息最丰硕的监测手腕之一。微地动监测手艺在油气藏勘察开辟方面的首要操纵包罗储层压裂监测、油藏静态监测等,可延长和下降储层监测的周期与用度。

2006年,ESG公司推出FracMap微地动压裂监测手艺,初次在油气勘察范畴实现贸易化操纵。今朝,西方地球物理勘察无限义务公司(中国)、Microseismic Inc (美国)、哈里伯顿(美国)、EGS、Weatherford、Magnitude、斯伦贝谢、贝克休斯、道达尔等多家公司供给微地动监测手艺办事。

图1 惯例气藏与非惯例气藏开辟(水力压裂)表示图

  1. 微地动监测手艺成长过程

作为2010年天下十大煤油迷信手艺停顿之一的微地动监测手艺,它的成长在外洋和国际履历了完整差别的成长过程。外洋根基上是履历了由空中监测到井下监测再到空中监测的过程;而国际的水力压裂微地动监测从一起头便是井下监测和空中监测并驾齐驱。图2-1是外洋微地动监测手艺成长扼要过程。

图2空中微地动监测成长汗青

1962年,微地动监测手艺的观点被提出。1973年,微地动监测手艺起头操纵于地热开辟行业。以后,微地动空中和井下监测起头测验考试钻研。美国橡树岭国度测验考试室和桑地亚国度测验考试室在1976年和1978年测验考试用空中地动观察体例记实水力压裂引发微震,因为信噪比、处置体例的限定,微地动空中监测测验考试失利。与此同时,美国洛斯阿拉莫斯国度测验考试室起头了井下微震观察钻研的现场任务,在Fenten山停止了3年现场测验考试,取得大批材料。1978年,Hardy等胜利地操纵声发射手艺停止了公开水压裂裂痕的定位。1997年,在Cotton Valley停止了一次大范围综合微地动监测测验考试,本次测验考试对将微地动监测引入贸易化轨道起了首要感化。

井下监测一向被以为是一种较靠得住的监测体例,但请求压裂井四周必须有监测井,空间横向定位分辩才能也不够抱负,并且存在占用井资本、出产本钱高及施工庞杂等错误谬误,其成长空间在一定程度上遭到了限定(Hom, 2010; Pettitt and Reyes-Montes, 2009; Reyes-Montes and Pettitt, 2009)。跟着空中检波器机能的前进和旌旗灯号处置手艺的成长,在空中监测压裂微地动将是一种成长趋向。

20世纪70年月,美国油服公司和钻研机构连续睁开了水力压裂空中微地动监测,但限于当时的仪器特别是检波器机能,能量微小且频次较高的微震在地表没能被有用检测到。因为空中微震监测的失利,这些机构转而在微震震源四周监测并记实这些旌旗灯号,这项手艺便是此刻水力压裂裂痕监测的加倍遍布的监测体例——井下监测。20世纪80年月中期,井下监测已为煤油工程界的专家所承认。但是,井下监测手艺成长到明天,其本钱庞大及监测前提难以知足等错误谬误限定了它在油气田特别是井网稀少、处于开辟早期的油气田压裂裂痕监测中的操纵;而跟着检波器机能的晋升和微震数据处置体例的立异,人们的眼光再次转向了微地动空中监测。

20世纪90年月,Kiselevitch 等(1991)钻研出空中微地动监测体例,称其为“发射层析成像(Emission tomography)”。Kiselevitch 等(1991)操纵发射层析成像手艺胜利勘察到冰岛地热田。2000年,微地动监测起头贸易化,在美国Texas州Fort Worth市的Barnett油田停止了一次胜利的水力压裂微地动监测,并对Barnett页岩层内裂痕停止了成像。2003年,微地动监测手艺周全进入贸易化运作阶段,间接鞭策了美国等国度的页岩气、致密气的勘察开辟过程。2004年,美国Barnett页岩气井减产革新储层时初次用地表检波器摆列发射层析成像手艺监测程度井水力压裂并取得庞大胜利(Lakings, 2006)。至此,微地动空中监测手艺走向合用阶段,并起头为煤油产业界专家所承认。

跟着微地动手艺在油田压裂中的操纵愈来愈遍布,接踵呈现了一些可以或许出产成套监测设备和停止压裂施工的单元,此中包罗美国的Mciroseismic公司、南非的ISS公司等,它们在将微地动监测手艺与现实操纵相连系方面做出了严重的进献。此中Microseismic公司接纳地表单份量检波器停止空中监测。检波器阵列数目多达上千乃至上万,并且开辟了FracStar星形检波器摆列体例。南非的ISS公司以井中加空中三份量检波器监测,经由过程在地表及近地表浅钻孔中安排高密度监测台阵停止监测,统筹了本钱和旌旗灯号品质。

经由过程几十年的成长,外洋微地动压裂监测办事公司成长敏捷,已具有了专有手艺、软件、设备等一体化的办事才能,并在环球范围停止办事,把持了高端微地动监测手艺办事市场。进入新世纪以来,微地动监测手艺取得了不少停顿,使得微地动监测手艺(首要是井下微震监测手艺)不只能加倍精确的展望出水力压裂产生裂痕的方位与形状,并且还能供给裂痕发育过程的具体材料,这些是接纳其余体例所没法到达的。微地动监测手艺的前进也极大的增进了该项手艺的贸易化过程。今朝,微地动监测手艺首要以井下监测为主,很多公司凭仗怪异的手艺上风面向全天下供给微地动监测办事,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,其办事几近涵盖了微地动监测的各个方面。

近几年,跟着检波器各项机能目标的前进,和材料处置手艺的前进,空中微震监测又取得人们的存眷。因为空中微震监测较井下监测有布线便利、操纵简略、无需监测井等特色,是以具有本钱低、合用范围遍布等优胜性。但因为空中微震材料信噪比较低,给材料处置和震源的定位带来不小的难度,终究致使微震事务的定位结果不尽抱负,使得空中微震监测不取得大范围的工程操纵。鉴于此,国际外不少专家学者对空中微震监测停止了钻研,经由过程不懈尽力,在微震弱旌旗灯号提取、微震有用事务辨认、微震裂痕诠释等方面都取得了一定的功效。值得重视的是经由过程手艺攻关美国MicroSeismic公司已具有一套绝对成熟的空中微震监测体例(从数据收罗到震源反演),凭仗FracStar手艺在天下范围内供给空中微震监测办事,在非惯例动力中阐扬了首要的感化。可见,跟着手艺的成长,微地动监测手艺从井下转为空中是成长的一定趋向。

图3 微地动监测道理

  1. 微地动监测手艺成长近况

曩昔十年,各类出书物,包罗The Leading Edge和Geophysics等期刊,大批的论文和SEG年会中对于微震监测的分会见证了微地动监测手艺的成长与推行,今朝,微地动监测手艺已成为页岩气开采过程中必不可少的关头配套手艺之一。

2005年,美国MicroSeismic公司开创人Duncan 在《First Break》颁发“Is there a future for seismic passive?” (主动地动手艺有未来吗)一文,回首了主动地动手艺(微地动手艺)在描画速率布局、描写公开勾当、流量测验考试监测、水力压裂监测和噪声阐发范畴的操纵;固然他对油气勘察和开辟中操纵主动地动手艺的潜力和挑衅做了明白评价,但也明白指出主动地动手艺的未来具有不必定性,对微地动旌旗灯号诠释的履历匮乏是主动地动手艺成长的一大挑衅。若是说当时的人们还对微地动手艺的成长缺少信息或持思疑立场,那末5年以后的2010年,Rode 等人在《First Break》期刊上颁发“Is the future of seismic passive?”(主动地动是地动手艺的未来吗)一文,明白指出主动地动手艺(包罗微地动监测手艺)作为一种现有地球物理手艺的补充,为油气藏中流体勾当的延续可视化供给了可以或许,未来主动地动手艺将实现真正意思上的5D监测。该文岂但必定了微地动手艺操纵的须要与现实意思,也为主动地动手艺的成长指明了标的目的。

今朝,微地动监测已疾速成长成为一项用于对各类油藏功课过程停止成像监测的手艺。此中,对水力压裂减产过程停止成像是此项手艺最罕见的操纵范畴之一。每一年在北美各个盆地中,接纳这类手艺对数千条裂痕停止成像。跟着这项手艺的成长,已停止了屡次手艺钻研会(欧洲地球学家与工程师学会2007 年和2009 年手艺钻研会、美国勘察地球物理学家学会2008 年手艺钻研会,和加拿大勘察地球物理家学会2009 年手艺钻研会),同时在由美国勘察地球物理学家学会(SEG)、美国煤油地质学家协会(AAPG)、国际煤油工程师学会(SPE)和欧洲地球学家与工程师学会(EAGE)比来所主理的大会上,也针对此项手艺停止了屡次服装论坛t.vhao.net和专题会商。特别是2014年8月,美国勘察地球物理学家学会(SEG)特地举行了第一届微地动手艺国际钻研会。展现了这一范畴的最新停顿。

跟着油气行业非惯例资本的勘察开辟和对更有用的水力压裂减产施工的日趋增加的须要。微地动监测手艺的操纵不范围于水力压裂引发裂痕成像,这项手艺今朝也遍布操纵于地热资本勘察、低温注汽热力开采、CO2地质封存监测,未来也可以或许扩大到别的范畴,其手艺和经济潜力很是庞大。

  1. 国际微震监测办事公司成长计谋

今朝,水力压裂微地动监测手艺在外洋成长很快,已构成了从数据收罗到阐发、诠释和油藏监测的配套手艺系列。在国际,2010年之前,该项手艺被外洋手艺办事公司把持,价钱居高不下。比来几年来,国际一些煤油手艺办事公司经由过程引进进修,不时立异,已研制出具有自立产权的微地动压裂检测手艺。停止至2015年5月,中国煤油、中国石化都已具有了深井、浅井和空中微地动数据收罗的才能。2010年起,中煤油与壳牌协作,在我国四川盆地睁开大范围页岩气勘察、开辟工程,停止了多口页岩气井的多段压裂及微地动监测。图4为我国四川盆地一口程度井多段压裂时的微地动监测表示图,该程度井压裂监测时将监测装配安排于相邻的直井中(IPTC 16571)。

图4 我国四川盆地一口页岩气程度井多级压裂微地动监测表示图(IPTC 16571)

中国煤油团体公司旗下西方地球物理勘察公司和川庆地球物理勘察公司均构成了自立研发的微地动监测手艺及软硬件设备。

西方地球物理公司自2006年起头手艺调研,2009年停止了压裂微震监测先导性钻研,2010年起,睁开了专题手艺钻研,并在微地动震源机理、材料收罗、材料处置、定位体例等方面取得首要停顿,建立了手艺流程。西方地球物理公司于2012年胜利推出了基于GeoEast平台和基于GeoMountain平台、具有自立常识产权、具有产业化出产才能的微地动实时监测软件系统,具有收罗设想、处置、诠释、油藏建模等一体化办事功效,实现了中国煤油团体微地动监测软件从无到有的逾越。此中西方物探自立研发的GeoEast-ESP微地动实时监测系统从收罗到处置诠释,软件全体配套、功效完美。2013年西方地球物理公司与中国煤油勘察开辟钻研院廊坊分院胜利研发了井下微地动裂痕监测配套软件,经由过程引进法国Sercel公司井下三份量数字检波器,构成了较为成熟的井下微地动监测办事才能,已在国际14个油气田停止了80多口井的微地动监测,全体手艺程度与国际同步。

川庆物探公司依靠团体公司名目“微地动监测手艺钻研与操纵”,自立研发了GeoMonitor微地动收罗、处置和诠释一体化软件平台,构成了成熟的空中微地动监测手艺,建立了田野施工流程。川庆井中物探奇迹部已建立深井、浅井、空中压裂微地动监测收罗、处置、诠释一体化工程手艺办事系统,为国际外页岩气勘察企业供给25余次功课,具有一支能同时实现多个差别范例施工名目标工程手艺办事团队。

中石化方面,中国石化物探高新手艺研发中间也冲破微地动速率建模和静校订、去噪、弱旌旗灯号提取、微地动事务疾速拾取、震源定位手艺、疾速震源成像等关头手艺,开辟了Frac Listener的微地动软件,在建页1井、河页1井和新场32井停止了胜利操纵,有用圈定了新场32井等探井公开3100米压裂段的岩石分裂地位和范围。

上述国际微地动监测手艺的成长过程标明,国际公司首要走“与本国公司手艺协作为辅、自立研发为主”的手艺成长战备。但是,笔者在持久的微地动监测钻研及名目理论中发明,国际巨型油服公司倒是以并购可以或许或许供给水力压裂微地动监测办事的小型地球物理公司来补上这一手艺短板。哈里伯顿于2008年收买供给井下监测办事的Pinnacle Technologies公司;贝克休斯一方面同CGGVeritas合伙建立Magnitude和VS Fusion公司供给浅井、井下和空中监测办事。这类并购及建立合伙公司,使哈里伯顿和贝克休斯在极短的时候内把握了属于勘察地动范畴的地球物理手艺,助力其非惯例油气储层压裂减产等煤油工程办事,产生了庞大的经济效益。而国际局部油公司部属分公司及钻研院今朝在主动引进InSite/Transform/SMT/Coviz等微地动数据处置、诠释软件和美国OYO Geospace公司GEORES、法国Sercel公司Geowaves等硬件系统,意在引进手艺的同时消化手艺,最初自立研发。笔者倡议上述公司在自立研发的同时,并购成熟的手艺办事公司或与其建立合伙公司亦是一种挑选,有益于敏捷填补手艺上的缺少,完美自立研发的手艺系统,敏捷构成出产力,为非惯例油气勘察开辟作出应有的且实时的进献。

别的,国际油公司及旗下油服公司或钻研院也应当重视市场化运作来将本身的手艺推行至团体公司所属油田以外的市场及外洋市场。美国MicroSeismic公司的开创人Peter M. Duncan不只是产业界的精英人物,亦是学术达人。Duncan 曾是2003/04年度美国勘察地球物理学家协会(Society of Exploration Geophysicsists, SEG)主席,同时亦是SEG 精采讲师(Distinguished Lecturer)。他在研发空中微地动监测手艺及推行空中监测手艺至油气行业的进献卓越,是空中微地动监测手艺成长史上的首要人物。正如前文提到的2004年,MicroSeismic公司在Barnett页岩气井减产革新储层时初次用地表检波器摆列发射层析成像手艺监测程度井水力压裂并取得庞大胜利(Lakings, 2006),这是水力压裂空中微地动监测手艺成长汗青上的里程碑事务。MicroSeismic公司及空中监测手艺(FracStar专利手艺)的胜利,与Duncan自己的贸易化运作慎密相干。在人们对井下监测坚信不疑却对空中监测遍布持思疑立场的2000年摆布,Duncan借助其前SEG主席的身份,遍布策动在业内的人脉,在国际学术集会及SEG/AAPG等协会举行的钻研会颁发报告,压服油公司接管空中监测体例;另外一方面,他主动睁开空中监测测验考试,在不时完美手艺系统及靠得住程度的同时,也博得了大批的监测条约。MicroSeismic公司已实行了多达20000个压裂段的监测,装配了50个永远监测装配,监测营业遍布环球包罗美国在内的19个国度。固然今朝空中监测体例不时立异,如Spectraseis公司的稀少台网观察体例和NanoSeis公司的Acquisition Patch观察体例,MicroSeismic一直走在空中监测办事公司的最前沿,并于2014年推出EventPick井下监测办事及在2015年推出AlertArray危险预警监测办事。是以,国际微地动监测办事公司应当重视公司的贸易化运作,主动开辟国际市场和国际市场,乘页岩气反动的春风,不时强大本身气力和范围。

最初,笔者但愿国际微地动监测范畴泛博科研职员、油气田压裂现场施工职员和微地动监测办事公司可以或许或许鉴戒北美页岩气压裂微地动监测手艺胜利研发并遍布操纵的履历,使作为促进页岩气反动的两大手艺即程度井和水力压裂的配套手艺的微地动监测手艺助力我国方兴日盛的页岩气开辟高潮,如斯,属于中国的页岩气反动必将在不远的未来产生。(本文转载自:http://www.fracchina.com/tech/590)

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