趙超峰 張 偉 田建濤 徐海峰 王海波

(東方地球物理公司遼河物探處,遼寧盤錦 124010)

1 引言

目前非常規(guī)油氣開發(fā)主要采用體積壓裂的方式改造儲層形成壓裂縫網(wǎng)，以提高儲層的連通性，增大泄油面積，提高單井產(chǎn)量，微地震監(jiān)測技術(shù)是評價(jià)壓裂效果的最有效手段之一[1]。

水力壓裂時(shí)，大量高黏度、高壓流體被注入儲層，使儲層孔隙流體壓力迅速提高，引起應(yīng)力場發(fā)生變化，導(dǎo)致巖石破裂，并發(fā)出微弱的地震波。通過處理地面或井中的檢波器接收到的地震信號，確定破裂(即微地震事件)發(fā)生的位置和時(shí)間等信息，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂作業(yè)和壓裂后效果評價(jià)[2-9]。鄭愛萍等[10]利用微地震監(jiān)測識別重復(fù)壓裂中的裂縫轉(zhuǎn)向。容嬌君等[11]利用微地震監(jiān)測分析儲層改造后產(chǎn)水的原因，認(rèn)識了斷層重新激活后的微地震事件特征。微地震監(jiān)測被廣泛應(yīng)用于油氣開發(fā)領(lǐng)域，已逐步成為非常規(guī)油氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

基于微地震事件的分布，利用微地震監(jiān)測可實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場壓裂作業(yè)和壓裂后效果評價(jià)[12，13]。微地震事件是儲層對水力壓裂的響應(yīng)，其分布特征與壓裂工藝、儲層性質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力等密切相關(guān)[14]。因此，微地震事件解釋須結(jié)合地質(zhì)、油藏、工程等信息才能全面、準(zhǔn)確地理解水力壓裂裂縫延伸過程，提高壓裂改造效果評價(jià)的可靠性及對儲層和壓裂工藝的認(rèn)識，以指導(dǎo)井位部署和壓裂設(shè)計(jì)。

2 微地震事件分布特征解釋方法

2.1 微地震事件分布特征解釋理論基礎(chǔ)

水力壓裂裂縫的走向和分布形態(tài)受天然裂隙、斷層、儲層性質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力等因素影響。對均勻儲層，壓裂所產(chǎn)生的人工裂縫應(yīng)該沿著最大水平主應(yīng)力方向朝井軌跡兩翼延伸、擴(kuò)展，然而儲層性質(zhì)的非均勻性，特別是天然裂隙和斷層的存在，易造成微地震事件分布的非對稱性。天然裂隙和斷層是控制水力壓裂裂縫幾何結(jié)構(gòu)的重要因素，當(dāng)水力壓裂裂縫與天然裂隙溝通時(shí)，高施工壓力將激活天然裂隙，發(fā)生剪切破裂，導(dǎo)致微地震事件發(fā)生，并且水力壓裂裂縫易于沿著已有裂縫方向延伸，而斷層活化可能導(dǎo)致微地震活動率增大、大震級事件增多，并影響微地震活動位置[15]。b值估計(jì)來源于經(jīng)典地震學(xué)，地震系列的事件發(fā)生頻率和它們的震級遵循一個(gè)冪律關(guān)系，古登堡和里克特提出全球地震活動遵從[16]

lgNM=a-bM

(1)

式中：NM表示震級不小于M的地震或者事件累計(jì)數(shù)目；a和b均為常數(shù)，其中b為該式所代表直線的斜率，一般反映一個(gè)地區(qū)承受平均應(yīng)力和接近強(qiáng)度極限的程度，如斷層活化、水力壓裂誘發(fā)的微地震事件的b值分別約為1、2。

趙爭光等[17]發(fā)現(xiàn)，與水平井軌跡平行的小斷層或裂隙將阻止水力壓裂裂縫沿與井軌跡垂直的方向延伸，起到壓裂屏障的作用。儲層巖石脆性[18]是指巖石受力破碎時(shí)表現(xiàn)出的一種性質(zhì)，楊氏模量、泊松比是表征巖石脆性的主要巖石力學(xué)參數(shù)。通常泊松比越低，楊氏模量越高，巖石脆性越大。巖石脆性越大，壓裂過程中越易產(chǎn)生網(wǎng)狀縫，微地震事件在巖石表現(xiàn)為脆性的地方數(shù)量較多[19]。砂巖較泥巖更具脆性，泥巖可壓性差，往往成為壓裂隔擋層，造成微地震事件縱向尖滅現(xiàn)象。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力也是影響壓裂的重要因素，通常最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的差越小，越易于形成網(wǎng)狀縫，微地震事件的生長方向也會隨著區(qū)域應(yīng)力場而變化，形成次生方向。

2.2 微地震事件解釋思路

水力壓裂產(chǎn)生的微地震事件分布形式千變?nèi)f化，本文首先描述微地震事件的縱向、平面分布特征，包括微地震事件分布的長、寬、高及對稱性、復(fù)雜度等，然后將微地震事件與儲層性質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、壓裂工藝等相結(jié)合，綜合查明水力壓裂微地震事件的產(chǎn)生原因，了解水力壓裂裂縫延伸過程，總結(jié)微地震事件分布規(guī)律。微地震事件的解釋流程為(圖1)： ①從三維地震數(shù)據(jù)體中提取表征儲層天然裂隙和斷層發(fā)育情況的相干體、曲率、螞蟻體等屬性[20-22]，分析天然裂隙和斷層對微地震事件平面分布特征的影響，認(rèn)識壓裂裂縫的平面展布特征； ②利用壓裂區(qū)域地震剖面、解釋層位以及壓裂井和監(jiān)測井的巖性分層、巖性特征分析微地震事件縱向尖滅現(xiàn)象，分析裂縫縱向高度控制，識別壓裂屏障； ③利用震級、b值等微地震屬性和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場輔助解釋微地震事件分布特征； ④結(jié)合微地震事件描述的裂縫長、寬、高、儲層改造體積等分布特征綜合評價(jià)壓裂效果，并跟蹤壓裂后油井生產(chǎn)曲線驗(yàn)證壓裂改造效果。

圖1 微地震事件解釋流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 實(shí)例1

壓裂井QH1井位于遼河探區(qū)Q1塊。沙海組分為上、下兩段，下段進(jìn)一步劃分為Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)油組，Ⅰ油組底部發(fā)育一套全區(qū)穩(wěn)定分布的煤層，厚度為3～12m。QH1井目的層為沙海組下段Ⅰ油組，儲層巖性包括泥質(zhì)白云巖、含方沸石泥質(zhì)白云巖、含泥方沸石質(zhì)白云巖。研究表明，儲層具有類似致密油藏的特點(diǎn)。薄片與掃描電鏡資料表明，儲層孔喉配位數(shù)低，主要分布范圍為0.1～0.7，平均為0.4，連通性差，孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為特細(xì)喉—微細(xì)喉特征。巖心分析資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：孔隙度為10%～21.5%，平均為14.8%；滲透率主要分布在50mD以下，平均為7.4mD，整體屬于低孔、特低滲儲層。

本次壓裂采用連續(xù)油管分段壓裂工藝，壓裂井段為1717～2415m，共分20段。選取QH2井和QH3井作為監(jiān)測井進(jìn)行雙井監(jiān)測，檢波器接收陣列分別為9級和10級，檢波器級間距均為10m，壓裂段射孔位置距兩井檢波器陣列中心均小于300m。

由QH1井微地震事件分布俯視圖(圖2)可知，第1～8段(圖2黑色橢圓)微地震事件總體呈對稱分布，A區(qū)域(第9段位置)事件點(diǎn)偏少，B區(qū)域事件點(diǎn)向監(jiān)測井靠近，C區(qū)域沒有事件點(diǎn)，D區(qū)域(第10段)事件點(diǎn)沿井軌跡垂直方向分布。 以下分別解釋

圖2 QH1井微地震事件分布俯視圖

微地震事件的平面、縱向分布特征。

(1)A區(qū)域由于壓裂現(xiàn)場橋塞坐封失敗，故放棄第9段壓裂，造成A區(qū)域事件空白。

(2)低應(yīng)力區(qū)易于水力壓裂裂縫生長。由QH1井第14段和第15段監(jiān)測成果(圖3)可知，第14段、第15段事件點(diǎn)先沿井軌跡垂直方向生長，當(dāng)生長至一定距離后，生長方向發(fā)生改變，向監(jiān)測井 QH2靠近，第11～第13段也存在此現(xiàn)象。因此，B區(qū)域可能存在斷層或斷裂，導(dǎo)致事件點(diǎn)向監(jiān)測井靠近。將QH1井微地震事件和相干體切片聯(lián)合顯示發(fā)現(xiàn)(圖4)，B區(qū)域天然裂隙不發(fā)育，因此事件點(diǎn)向監(jiān)測井靠近現(xiàn)象不是水力壓裂裂縫溝通天然裂縫或斷層造成的。根據(jù)地下應(yīng)力場分析可知，監(jiān)測井 QH2在投產(chǎn)前的儲層壓裂改造和油氣排采造成地層能量消耗，形成局部低應(yīng)力帶，水力壓裂裂縫沿阻力最小的路徑生長，使水力壓裂裂縫優(yōu)先發(fā)育并進(jìn)入局部低應(yīng)力帶，造成壓裂裂縫向鄰近監(jiān)測井生長，形成微地震事件逐漸向監(jiān)測井靠近現(xiàn)象，而距監(jiān)測井較遠(yuǎn)的第10段未受監(jiān)測井影響，人工裂縫一直沿井軌跡垂直方向延伸。

(3)地層變形阻斷水力壓裂裂縫延伸。在QH1井微地震事件和相干體切片疊合圖(圖4)中藍(lán)色箭頭指示與井軌跡近乎平行的灰黑色條帶狀展布區(qū)域可能存在天然裂隙帶或斷層，對微地震事件形成阻擋，在1660、1670m深度的相干體切片(圖5)上都存在此現(xiàn)象。由微地震事件和三維地震剖面疊合圖(圖6)可見，在相干體切片表現(xiàn)為異常的位置，在地震剖面上存在相變(圖6的橢圓位置)。由于該地區(qū)正斷層發(fā)育，逆斷層不發(fā)育，因此微地震事件的阻攔現(xiàn)象不是由逆斷層造成的。由于Ⅰ油組底部發(fā)育一套厚為3～12m的煤層，煤層塑性大、硬度小，易發(fā)生塑性變形，地層變形、彎曲使地層曲率發(fā)生變化，在地震剖面上表現(xiàn)為相變，在相干體切片上表現(xiàn)為相干性變差，并在煤層上方形成局部高應(yīng)力區(qū)，造成水力壓裂裂縫無法壓穿，從而形成阻擋。

圖3 QH1井第14段(左)和第15段(右)監(jiān)測成果

圖4 QH1井微地震事件和相干體切片疊合圖

圖5 QH1井微地震事件和不同深度的相干體切片疊合圖

(4)煤層成為穩(wěn)定的隔擋層。將地震解釋的煤層層位加載到三維地震數(shù)據(jù)體中，綜合分析壓裂縫高。微地震事件點(diǎn)均分布在煤層之上，壓裂沒有穿透下伏煤層，該煤層是區(qū)域分布穩(wěn)定的隔擋層；上覆粉砂質(zhì)泥巖明顯對縫高具控制作用，壓裂縫高基本保持在70～115m，均在有利目的層之內(nèi)(圖7)。

綜上所述，QH1井儲層改造效果不理想，后期該井的產(chǎn)量沒有達(dá)到預(yù)期，表明利用三維地震數(shù)據(jù)綜合評價(jià)壓裂改造效果的可靠性，建議在C區(qū)域開展重復(fù)定向壓裂。

3.2 實(shí)例2

壓裂井QH4井位于遼河探區(qū)Q1塊，主要目的層為沙海組下段Ⅱ油組。Ⅱ油組屬低—中孔、低滲常規(guī)稀油儲層，孔隙度為7.6%～17.4%，平均為11.1%，滲透率為0.1～180mD，平均為11.5mD；儲層孔喉配位數(shù)低，主要分布范圍為0.1～0.7，平均為0.4，連通性差，Ⅱ油組孔隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為特細(xì)喉—細(xì)喉特征。儲層脆性指數(shù)為61.7%～89.5%，平均為72.8%，預(yù)計(jì)最大與最小水平主應(yīng)力差為5MPa，具備形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)條件。

QH4井改造井段為1632～2374m，采用速鉆橋塞分段壓裂方式，分9段壓裂。為保證所有壓裂段取得較好的監(jiān)測效果，選取QH5井和QH6井作為監(jiān)測井進(jìn)行雙井監(jiān)測，監(jiān)測井均采用10級三分量檢波器接收，檢波器級間距為10m，第5段監(jiān)測距離最長，其射孔位置距最近的檢波器陣列中心達(dá)500m。

由QH4井微地震事件分布俯視圖與側(cè)視圖(圖8)可見，所有破裂均發(fā)生在井軌跡周圍，微地震事件呈對稱分布，第1～8段的微地震事件發(fā)生重疊現(xiàn)象，形成的縫網(wǎng)規(guī)模相對較大，第9段的微地震事件點(diǎn)集中，縫網(wǎng)規(guī)模相對較小，第5段的微地震事件點(diǎn)偏少(圖8a紅色橢圓)，壓裂縫高受隔層控制明顯，均在有利目的層內(nèi)(圖8b)。以下分別解釋微地震事件的平面、縱向分布特征。

圖8 QH4井微地震事件分布俯視圖(a)與側(cè)視圖(b)

(1)在現(xiàn)有條件下的有效監(jiān)測距離為500m。第5段受監(jiān)測距離限制，只監(jiān)測到19個(gè)事件點(diǎn)，造成QH4井微地震事件分布俯視圖(圖8a的紅色橢圓處)的微地震事件偏少。解釋微地震事件要考慮監(jiān)測距離的影響，受監(jiān)測井限制，不能確保所有壓裂段都能監(jiān)測或只能監(jiān)測到壓裂段近端裂縫展布，且遠(yuǎn)端裂縫無法成像，形成裂縫非對稱生長假象，影響全面描述縫網(wǎng)形態(tài)和壓裂評價(jià)。

(2)Q1塊區(qū)域煤層成為穩(wěn)定隔擋層。沙海組下段分為Ⅰ和Ⅱ兩個(gè)油組。根據(jù)測井資料得到Ⅱ油組頂、底位置(圖8b)，其中Ⅱ油組頂部發(fā)育一套厚為3～12m、區(qū)域穩(wěn)定分布的煤層。由微地震事件和煤層解釋層位疊合圖(圖9)可知，微地震事件均分布在煤層下面，壓裂沒有穿透上覆煤層。由微地震事件分布和Ⅱ油組頂部、底部位置關(guān)系(圖8b)也能判斷壓裂縫高均在Ⅱ油組有利目的層內(nèi)，壓裂能量得到有效利用。

(3)天然裂縫影響了水力壓裂裂縫的延伸和擴(kuò)展。第1～8段微地震事件發(fā)生重疊現(xiàn)象，因?yàn)棰蛴徒M首次壓裂，脆性指數(shù)高，存在一定量的天然裂縫。在壓裂過程中，水力壓裂裂縫溝通細(xì)小天然裂縫，造成微地震事件重疊現(xiàn)象，第9段沒有與前段重疊，說明第9段所處位置的儲層天然裂縫不發(fā)育。將微地震事件和相干體切片疊合顯示進(jìn)行驗(yàn)證，由1430m相干體切片(圖10a)可見，微地震事件點(diǎn)分布的相干區(qū)域呈白色，表現(xiàn)為強(qiáng)相干性，表明波形連續(xù)性好，儲層天然裂隙不發(fā)育，水力壓裂裂縫沿最大水平主應(yīng)力方向生長，第9段裂縫走向?yàn)?0°，該地區(qū)主應(yīng)力方向?yàn)?5°，兩者基本一致。由1520m相干體切片(圖10b) 可見：天然裂隙表現(xiàn)為明顯的灰黑—黑色枝狀展布，天然裂隙屬于力學(xué)性質(zhì)薄弱區(qū)域，水

圖9 微地震事件和煤層解釋層位疊合圖

力壓裂裂縫沿阻力最小的路徑生長，造成水力壓裂裂縫與天然裂隙溝通，使壓力升高，激活天然裂隙，發(fā)生剪切破裂，導(dǎo)致微地震事件發(fā)生；隨著裂縫的擴(kuò)展，造成微地震事件的重合現(xiàn)象，形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。另外，計(jì)算微地震事件的b值為1.2，較正常水力壓裂的b值偏小，也可以驗(yàn)證天然裂隙發(fā)育。

圖10 QH4井微地震事件和不同深度的相干體切片疊合圖

儲層天然裂隙發(fā)育表現(xiàn)為微地震事件的重疊現(xiàn)象，易形成復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)。天然裂縫是油氣儲集和運(yùn)移的主要通道，對油氣藏產(chǎn)能建設(shè)具有重要作用。由于壓裂儲層天然裂隙發(fā)育，水力壓裂裂縫與天然裂隙溝通良好，壓裂縫網(wǎng)呈對稱生長，縫網(wǎng)規(guī)模相對較大，儲層改造體積為9.53×107m3，本次壓裂取得了較好的效果。該壓裂井投產(chǎn)一年后，日產(chǎn)油量仍然保持在20t以上，因此較好的儲層改造效果對提高油氣藏產(chǎn)能具有重要作用。

3.3 實(shí)例3

壓裂井SH1井位于遼河探區(qū)S268塊，主要目的層為沙四段，油層埋深為2600～3476m，儲層平均孔隙度為9.8%，平均滲透率為0.5mD，整體為低孔、特低滲儲層。SH1井改造井段為3455～3885m，采用速鉆橋塞分段壓裂方式分5段壓裂。本次監(jiān)測采用單井監(jiān)測，12級檢波器接收，檢波器間距為10m，射孔位置距檢波器陣列均在500m內(nèi)。在監(jiān)測過程中儀器發(fā)生故障，只監(jiān)測到前3段。

由SH1井微地震事件分布俯視圖與側(cè)視圖(圖11)可見，在井軌跡兩翼微地震事件基本呈對稱分布，在井軌跡上、下均有微地震事件分布，整體上事件點(diǎn)存在一定的空間連續(xù)性，同時(shí)重疊很少。因此，段間距、簇間距設(shè)計(jì)非常合理。

由微地震事件和不同深度相干體切片疊合圖(圖12)可知，儲層天然裂隙不發(fā)育，壓裂裂縫延伸未受天然裂隙影響。在第2段壓裂滑溜水階段微地震事件非常集中，造縫運(yùn)動較明顯，因此天然裂隙不發(fā)育(圖13)。

儲層天然裂隙不發(fā)育，微地震事件表現(xiàn)為不重疊且集中分布，也可實(shí)現(xiàn)造長裂縫的目的，形成對稱縫網(wǎng)，SH1井投產(chǎn)一年后產(chǎn)量仍然保持在20t以上，儲層改造效果較好。

圖11 SH1井微地震事件分布俯視圖(a)與側(cè)視圖(b)

圖12 SH1井微地震事件和不同深度的相干體切片疊合圖

圖13 第2段壓裂滑溜水階段微地震事件點(diǎn)分布俯視圖(a)與側(cè)視圖(b)

4 結(jié)束語

本文針對遼河探區(qū)Q1塊和S268塊三個(gè)微地震事件監(jiān)測實(shí)例，利用微地震聯(lián)合測井巖性分層、三維地震剖面以及三維地震數(shù)據(jù)相干體屬性，探討了影響微地震事件分布特征的因素，得到以下認(rèn)識： ①天然裂隙是影響微地震事件分布的重要地質(zhì)因素，儲層天然裂隙發(fā)育表現(xiàn)為微地震事件的重疊，易于形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)； 儲層天然裂隙不發(fā)育表現(xiàn)為微地震事件不重疊且集中分布，也可實(shí)現(xiàn)造長裂縫的目的，形成對稱縫網(wǎng)； ②對Q1塊致密砂巖儲層壓裂，在進(jìn)行水力壓裂時(shí)可將厚度為3～12m的煤層作為穩(wěn)定的隔擋層，控制縫高，提高改造效果； ③進(jìn)行井位部署時(shí)，要考慮鄰近井的影響，采用合理的井間距和壓裂工藝，最大限度地降低鄰近井對壓裂造成的影響，在靠近鄰近井的壓裂段壓裂時(shí)要結(jié)合微地震實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果，采取相應(yīng)措施，提高儲層改造效果； ④地層變形形成的局部高應(yīng)力區(qū)域可對水力壓裂裂縫形成阻擋，影響改造效果，結(jié)合地震資料綜合解釋有助于微地震監(jiān)測識別地層變形對壓裂的影響，提高對儲層的地質(zhì)認(rèn)識。