微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在非常規(guī)油氣藏壓裂效果綜合評(píng)估中的應(yīng)用

李紅梅

（中國(guó)石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營(yíng)257022）

·油氣鉆采工程·

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在非常規(guī)油氣藏壓裂效果綜合評(píng)估中的應(yīng)用

李紅梅

（中國(guó)石化勝利油田分公司物探研究院，山東東營(yíng)257022）

隨著非常規(guī)油氣藏的規(guī)模開發(fā)，微地震監(jiān)測(cè)作為該類型油氣藏水力壓裂體積改造設(shè)計(jì)、實(shí)施及評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)得到了迅速發(fā)展。東營(yíng)凹陷鹽227井區(qū)作為低孔特低滲透油藏，在進(jìn)行整體壓裂開發(fā)的過程中對(duì)微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集與處理。通過微地震事件點(diǎn)俯視投影、沿井軌跡側(cè)視投影、壓裂改造體積及壓裂波及前緣面積計(jì)算等方法，分析了人工裂縫帶的長(zhǎng)度、寬度、高度和方位等空間發(fā)育特征及其影響范圍，綜合利用鉆錄井、測(cè)井和三維地震等資料，分析了研究區(qū)天然裂縫分布特征、各壓裂段巖性組合或沉積相帶特征及其對(duì)人工裂縫空間分布的影響，綜合評(píng)估了鹽227井區(qū)非常規(guī)油氣藏壓裂改造效果，明確了砂礫巖扇體中扇中可壓性好于扇根；相對(duì)厚層的含礫砂巖比厚度較薄、泥巖夾層多的含礫砂巖的壓裂效果更好。

微地震監(jiān)測(cè) 水力壓裂 非常規(guī)油氣藏 儲(chǔ)層改造 人工裂縫

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過觀測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)過程中所發(fā)生的微地震事件，來(lái)分析其影響的地球物理技術(shù)［1-2］。與常規(guī)地震勘探不同，微地震監(jiān)測(cè)的震源位置是未知的，其基礎(chǔ)是聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)［3-6］。該技術(shù)最早于20世紀(jì)40年代被提出［7］，1976年美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室確立了水力壓裂誘發(fā)微地震的井下觀測(cè)方法，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)可行性得到了廣泛的認(rèn)可［8］，應(yīng)用領(lǐng)域主要包括巖體施工［8-10］、地?zé)衢_發(fā)、水力壓裂［11-19］、油氣開采［20-36］等方面。近年來(lái)隨著頁(yè)巖油氣、致密油氣等非常規(guī)油氣資源的規(guī)模開發(fā)，微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為水力壓裂體積改造設(shè)計(jì)、實(shí)施及評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)，得到了迅速發(fā)展。微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅可以在壓裂過程中監(jiān)測(cè)人工裂縫的產(chǎn)生，還可通過壓裂后獲得的數(shù)據(jù)開展綜合分析，評(píng)估壓裂作業(yè)效果，為進(jìn)一步的井位部署、井網(wǎng)調(diào)整等提供依據(jù)。

鹽227井區(qū)位于東營(yíng)凹陷北部陡坡帶東段鹽18古沖溝的西側(cè)翼，沙四段為近岸水下扇沉積，地層呈楔形分布，由北向南依次為扇根、扇中和扇緣，垂向上多期疊置，巖性以礫巖、含礫砂巖和砂巖為主，為低孔特低滲透砂礫巖體油藏，常規(guī)單井壓裂效果較差。分析認(rèn)為只有以“井工廠”模式實(shí)行整體壓裂開發(fā)，才能實(shí)現(xiàn)效益開發(fā)。鹽227井區(qū)為了形成橫切縫并實(shí)現(xiàn)人工裂縫網(wǎng)絡(luò)控制程度最大化，進(jìn)行了整體開發(fā)方案部署，平面上近南北向呈輻射狀鉆探水平井，沿北西向進(jìn)行拉鏈?zhǔn)椒侄螇毫?，水平井軌跡平面投影間的井距為220～430m，在垂向上分為3層開發(fā)，單層厚度70～80m，并將各層水平井軌跡在平面上的投影錯(cuò)開、實(shí)現(xiàn)改造體積交錯(cuò)，最終完鉆水平井9口。筆者在研究區(qū)微地震數(shù)據(jù)采集處理的基礎(chǔ)上，通過將監(jiān)測(cè)到的微地震事件點(diǎn)數(shù)據(jù)與鉆錄井、測(cè)井、三維地震及壓裂施工過程參數(shù)曲線等資料相結(jié)合進(jìn)行綜合分析，對(duì)儲(chǔ)層壓裂改造效果進(jìn)行了綜合評(píng)估，以期對(duì)下一步壓裂施工及油氣開發(fā)提供優(yōu)化方案。

1　微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)采集方式不同可以將微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)分為井中觀測(cè)和地面觀測(cè)2類［34-35］。其中，井中觀測(cè)雖然具有噪音低、精度較高的優(yōu)點(diǎn)，但是存在監(jiān)測(cè)檢波器費(fèi)用高、施工過程長(zhǎng)、成本高且需要關(guān)井進(jìn)而影響其他井正常生產(chǎn)的不足，因此應(yīng)用相對(duì)較少。而地面觀測(cè)有臺(tái)站式、陣列式等多種方式，相對(duì)于臺(tái)站式觀測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)道數(shù)少、波場(chǎng)特征難以識(shí)別以及事件定位精度低的缺陷，陣列式觀測(cè)系統(tǒng)在噪音去除、事件定位高等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

鹽227井區(qū)水力壓裂過程中使用了千道檢波器陣列式地面觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)施監(jiān)測(cè)，共布置南北向7個(gè)排列，東西向3個(gè)排列，使用檢波器876個(gè)，最大排列長(zhǎng)度為1 650m，采集得到了射孔和壓裂過程中的微地震事件信號(hào)。從采集到的數(shù)據(jù)來(lái)看，其射孔信號(hào)波場(chǎng)能量較強(qiáng)，直達(dá)波同相軸連續(xù)性較好，易于追蹤；微地震事件信號(hào)波場(chǎng)能量較強(qiáng)，與射孔波場(chǎng)具有較好的相似性，易于識(shí)別。在資料處理過程中，建立了預(yù)處理、靜校正、去噪、事件識(shí)別、速度模型建立和震源定位的處理流程，采用了兩步法靜校正技術(shù)，借助常規(guī)三維地震和微地震強(qiáng)有效事件，校正微地震數(shù)據(jù)的時(shí)距關(guān)系；利用雙因素工頻干擾自動(dòng)識(shí)別、獨(dú)立分量分離去噪等技術(shù)，消除地面存在工業(yè)干擾和隨機(jī)噪音；使用了長(zhǎng)短時(shí)窗法和數(shù)字化判識(shí)法，實(shí)現(xiàn)在低信噪比情況下對(duì)微地震事件的識(shí)別；通過自主開發(fā)的粒子群模型優(yōu)化技術(shù)，求取了研究區(qū)精確的速度模型。并在上述工作的基礎(chǔ)上，利用能量掃描法、全波形能量疊加裂縫成像等方法，對(duì)有效事件信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行了準(zhǔn)確定位。最終獲得了鹽227-3HF井第2—12壓裂段和鹽227-8HF井第1—3以及第5—12壓裂段的微地震事件的空間位置數(shù)據(jù)。

2　壓裂效果綜合評(píng)估

利用微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過微地震事件點(diǎn)俯視投影、沿井軌跡側(cè)視投影、壓裂改造體積（SRV）及壓裂波及前緣面積（SRF）計(jì)算等方法，分析人工裂縫空間發(fā)育特征及其影響范圍，同時(shí)可結(jié)合鉆錄井、測(cè)井、三維地震以及壓裂施工過程參數(shù)曲線等資料，綜合評(píng)估非常規(guī)油氣藏壓裂改造效果。

2.1微地震事件點(diǎn)俯視投影

微地震事件點(diǎn)俯視投影即從俯視角度將事件點(diǎn)以Z點(diǎn)坐標(biāo)為原點(diǎn)，投影在xy平面上來(lái)分析事件點(diǎn)分布特征。在俯視投影圖上，微地震事件點(diǎn)延伸方向即是人工裂縫帶延伸方位，其延伸方向上的長(zhǎng)度定義為人工裂縫帶長(zhǎng)度，相垂直的另一方向?yàn)榱芽p帶寬度。通過統(tǒng)計(jì)事件點(diǎn)俯視投影分布的延伸方位、長(zhǎng)度、和寬度等裂縫屬性，可以確定人工裂縫分布是否符合壓裂設(shè)計(jì)。

從鹽227-3HF井各壓裂段的微地震數(shù)據(jù)點(diǎn)整理后所做的各壓裂段的俯視投影（圖1）可以看出，人工裂縫方向主要發(fā)育北西向和北東向2組，北西向裂縫方位為23o～45o，北東向裂縫方位為18o～45o，而且11段數(shù)據(jù)中有7段數(shù)據(jù)發(fā)育北西向裂縫，符合壓裂設(shè)計(jì)。同時(shí)，對(duì)各壓裂段監(jiān)測(cè)到事件點(diǎn)個(gè)數(shù)、人工裂縫分布的長(zhǎng)度和方位統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）顯示，各壓裂段監(jiān)測(cè)人工半縫長(zhǎng)均接近或超過設(shè)計(jì)值，達(dá)到了儲(chǔ)層改造目的，對(duì)其中超過設(shè)計(jì)值較多的第2，第5—6和第10壓裂段分析可知，其多與人工裂縫方向和天然裂縫方向一致有關(guān)。從各壓裂段統(tǒng)計(jì)的事件點(diǎn)個(gè)數(shù)可以看出，第2—8段監(jiān)測(cè)到事件點(diǎn)較多，分布密集，人工裂縫破裂規(guī)模較大，第9—12段監(jiān)測(cè)到事件點(diǎn)相對(duì)較少，人工裂縫破裂規(guī)模相對(duì)較小。

圖1　鹽227-3HF井各壓裂段微地震事件點(diǎn)俯視投影Fig.1　Verticalview projectionsofmicro-seismic events points in individual fracturing section ofWellY 227-3HF

油氣藏中微斷層和天然裂縫的分布代表了天然應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，天然裂縫對(duì)人工裂縫發(fā)育具有明顯控制作用。為了分析研究區(qū)天然裂縫分布與人工裂縫之間的關(guān)系，將鹽227-3HF井微地震事件點(diǎn)俯視投影與利用曲率分析技術(shù)獲得的天然裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行疊合（圖2）可以看出，第2壓裂段天然裂縫較發(fā)育，且其方向與井軌跡近垂直，與人工裂縫方向近一致，從統(tǒng)計(jì)的人工裂縫長(zhǎng)度可知第2壓裂段裂縫長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)裂縫長(zhǎng)度，這應(yīng)與該壓裂段天然裂縫發(fā)育有關(guān)，表明與鉆井軌跡垂直或近垂直的天然裂縫在壓裂中相對(duì)較容易開啟，進(jìn)而在其影響下促進(jìn)人工裂縫帶的延伸。

表1　鹽227-3HF井微地震事件點(diǎn)裂縫空間分布特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table1　Parametric statisticsofspatialdistribution ofmicroseismic events pointsofWell Y227-3HF

圖2　鹽227-3HF井微地震事件點(diǎn)俯視投影與三維地震裂縫預(yù)測(cè)疊合分析Fig.2　Superimposition of the verticalview projection ofmicroseismic eventspointsofWell Y227-3HF onto3D seismic fracture prediction

2.2微地震事件點(diǎn)沿井軌跡側(cè)視投影

利用微地震事件點(diǎn)沿井軌跡側(cè)視投影可以計(jì)算人工裂縫帶高度，分析其是否最大程度覆蓋儲(chǔ)層或者已經(jīng)壓穿儲(chǔ)層。在鹽227-3HF井各壓裂段微地震事件點(diǎn)沿井軌跡側(cè)視投影基礎(chǔ)上，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了該井第2—12壓裂段的人工裂縫高度（表1），各壓裂段裂縫高度為15～40m，與3層水平井70～80m的地層單層厚度相比，人工裂縫高度相對(duì)較低，沒有最大程度覆蓋并壓穿儲(chǔ)層。

2.3壓裂波及前緣面積及壓裂改造體積計(jì)算

壓裂波及前緣面積和壓裂改造體積是衡量壓裂效果的2個(gè)重要參數(shù)。壓裂波及前緣面積是指在某一平面上人工裂縫影響到的范圍（事件點(diǎn)在某一平面的包絡(luò)面）。壓裂改造體積則是指監(jiān)測(cè)到的微地震事件點(diǎn)散布空間的體積。SRF和SRV值越大則表明產(chǎn)能區(qū)域越大，其對(duì)評(píng)估壓裂效果和計(jì)算產(chǎn)能有重要意義。

利用鹽227-3HF井和鹽227-8HF井壓裂過程中獲得的微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，基于Alpha-shape劃分方法分別計(jì)算了2口井平面的SRF和SRV值（表2）。由計(jì)算結(jié)果可知，鹽227-3HF井SRF和SRV值均明顯大于鹽227-8HF井，結(jié)合壓裂參數(shù)及微地震監(jiān)測(cè)事件點(diǎn)個(gè)數(shù)分析可知，鹽227-3HF井使用了更多的壓裂液、支撐劑并監(jiān)測(cè)到了更多的微地震事件點(diǎn)，顯示儲(chǔ)層壓裂改造規(guī)模更大。從2口井壓裂后產(chǎn)液量與產(chǎn)油量對(duì)比結(jié)果來(lái)看，鹽227-3HF井壓裂效果相對(duì)更好。

表2　鹽227-3HF井和鹽227-8HF井壓裂效果對(duì)比Table2　Comparison of fracturingeffectbetweenWell Y227-3HFandWell Y227-8HF

綜合鹽227-3HF井和鹽227-8HF井錄井資料的巖性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)2口井壓裂效果差異產(chǎn)生的原因進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，2口井的巖性組合特征明顯不同，鹽227-3HF井主要發(fā)育厚層含礫砂巖，而鹽227-8HF井砂巖厚度相對(duì)較薄，且泥巖隔層較多。由于厚層含礫砂巖具有一定分選性，泥質(zhì)含量低，物性好，脆性大，可壓性相對(duì)較好；而薄層含礫砂巖受上下泥巖層泥質(zhì)重結(jié)晶影響較大，灰質(zhì)膠結(jié)作用更強(qiáng)，可壓性相對(duì)較差。從鹽227-3HF井各段事件點(diǎn)個(gè)數(shù)可看出，第2—8壓裂段監(jiān)測(cè)到的事件點(diǎn)較多、分布密集、人工裂縫破裂規(guī)模較大，第9—12段監(jiān)測(cè)到事件點(diǎn)相對(duì)較少、人工裂縫破裂規(guī)模相對(duì)較小。分析認(rèn)為，第2—8壓裂段位于砂礫巖扇體前端為扇中或扇緣，而第9—12段在地震剖面上表現(xiàn)為空白反射為扇根。通過不同相帶沉積成巖特征可知，扇根分選差、雜基含量高，且經(jīng)歷了早期強(qiáng)壓實(shí)，后期泥質(zhì)雜基重結(jié)晶，非常致密，不易于壓裂；而第2—8段所分布的扇中和扇緣，粒度相對(duì)細(xì)且有一定分選性，成巖早期抗壓實(shí)作用強(qiáng)，后期經(jīng)多期溶蝕作用改造，可壓性相對(duì)更好。綜上所述，巖性或沉積相帶決定了地層的巖石結(jié)構(gòu)特征及其成巖演化特征，砂礫巖扇體扇中可壓性好于扇根，而厚層含礫砂巖可壓性好于泥質(zhì)夾層較多的薄層含礫砂巖。

3　結(jié)論

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以通過對(duì)非常規(guī)油氣藏壓裂改造施工過程中獲得的微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并開展綜合分析，評(píng)估壓裂效果。通過對(duì)東營(yíng)凹陷鹽227井區(qū)微地震監(jiān)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋，并與鉆錄井、測(cè)井和三維地震資料相結(jié)合，利用微地震事件點(diǎn)俯視投影技術(shù)分別計(jì)算各壓裂段人工裂縫帶長(zhǎng)度、寬度和方位等裂縫屬性，分析人工裂縫影響范圍以及微斷層和天然裂縫對(duì)人工裂縫發(fā)育的控制作用；通過側(cè)視投影技術(shù)獲取人工裂縫帶高度并計(jì)算壓裂改造體積和壓裂波及前緣面積，分析各壓裂段巖性組合或沉積相帶特征對(duì)人工裂縫空間分布的影響，綜合評(píng)價(jià)油氣藏壓裂改造效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)下一步壓裂施工及油氣開發(fā)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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編輯裴磊

App lication ofm icro-seism icmonitoring technology to unconventionalhydrocarbon reservoir fracturing evaluation

LiHongmei
（GeophysicalResearch Institute，ShengliOilfield Company，SINOPEC，Dongying City，Shandong Province，257022，China）

Micro-seismicmonitoring，as a technique for the design，implementation and evaluation of hydraulic fracturing volume reformation，hasbeen developing rapidlywith the large-scale developmentofunconventionalhydrocarbon reservoir. The sand-gravel reservoir in Yan227 wellblock of Dongying sag has low porosity and very low permeability.Based onmicro-seismicmonitoring data acquisition and processing ofWell Yan227-3HF and Well Yan227-8HF，the developmentof artificial fracture space，including its length，width，direction and height，and its effective rang were analyzed at first through themethods of vertical projection ofmicro-seismic event point，side projection，calculating of fracturing volume and fracturing frontal area，etc.And then data from drilling，logging，well logging，3D seismic and fracturing construction process parameter curvewere comprehensive utilized，thus the characteristics of natural fracture distribution，the lithology and sedimentary facies beltof each fracture section and their influence on spatial distribution ofartificial crackswere analyzed.Finally，the unconventional hydrocarbon reservoir fracturing effectwas evaluated comprehensively in Yan227 wellblock area.The results show that themiddle-fan section is easier to be fractured compared with the fan root；pebbly sandstonewith relatively thick layerhasbetter fracturing effect than the onewith thinner layerandmulti-interbeddedmudstone. Key words：micro-seismicmonitoring；hydraulic fracturing；unconventional hydrocarbon reservoir；reservoir reformation；artificial fracture

P631.443

A

1009-9603（2015）03-0129-06

2015-03-31。

李紅梅（1970—），云南江川人，女，高級(jí)工程師，博士，從事地震資料綜合研究工作。聯(lián)系電話：（0546）8789733，E-mail：lihongmei519.slyt@sinopec.com。

中國(guó)石化科技攻關(guān)項(xiàng)目“微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)及處理系統(tǒng)研發(fā)”（P13078）。