基于微地震監(jiān)測下優(yōu)化壓裂工藝技術(shù)研究

易招波

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術(shù)研究院，湖北武漢 430000）

1 微地震重構(gòu)算法介紹

頁巖壓后縫網(wǎng)的準(zhǔn)確描述是頁巖返排率計(jì)算和分析的基礎(chǔ)，由于實(shí)際工況中井下測量信息的缺乏，往往很難獲取真實(shí)的裂縫發(fā)育情況，利用儲層壓裂過程中的微地震數(shù)據(jù)，通過建立相應(yīng)的重構(gòu)算法，結(jié)合室內(nèi)壓裂實(shí)驗(yàn)縫網(wǎng)溝通規(guī)律，最后構(gòu)建三維離散裂縫網(wǎng)絡(luò)（DFN）地質(zhì)模型[1-3]，重構(gòu)算法流程（見圖1）。

水力壓裂過程中注入壓力通過井筒對地層進(jìn)行作用時(shí)，儲層產(chǎn)生的微觀損傷逐漸聚集和延伸形成宏觀裂紋，當(dāng)裂紋處的應(yīng)力集中到一定程度時(shí)，儲層會產(chǎn)生儲層突發(fā)式地?cái)嗔研袨?，并以彈性波的形式釋放能量，該部分彈性波被檢波器記錄并用于微地震事件的解釋。由于儲層改造后產(chǎn)生的水力裂縫參數(shù)無法通過直接的測量手段進(jìn)行測量，實(shí)際工程中利用微地震事件所占的空間體積來間接估算儲層改造的SRV。

圖1 重構(gòu)算法流程圖

2 壓裂工程參數(shù)與微地震響應(yīng)規(guī)律分析

地質(zhì)環(huán)境是決定水力壓裂改造成功的先天條件，其屬性特征較難改變，通過優(yōu)化工程施工參數(shù)來提升既定儲層條件下的縫網(wǎng)改造效果是挖掘頁巖生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵。通過研究不同施工參數(shù)條件下的微地震監(jiān)測響應(yīng)特征，可以進(jìn)一步優(yōu)化施工規(guī)模、施工排量、裂縫間距等工程參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)相似頁巖氣井預(yù)期改造效果提供指導(dǎo)。

2.1 不同加砂量下微地震監(jiān)測響應(yīng)特征

支撐劑在水力壓裂中最主要的作用是在水力壓裂裂縫形成后支撐、充填壓裂裂縫，形成地下流體的高導(dǎo)流通道，對于一些儲層，無法形成足夠的導(dǎo)流能力可能意味著產(chǎn)能快速遞減。此外，支撐劑還具有以下兩個(gè)主要作用：（1）在加砂過程中通過支撐劑粒徑、用量及砂比的變化達(dá)到增加縫內(nèi)凈壓力，從而實(shí)現(xiàn)壓開新縫或者縫內(nèi)轉(zhuǎn)向的目的；（2）小粒徑支撐劑如70/140 目，可以在施工早期起到打磨近井筒從而降低近井彎曲摩阻，以及充填微裂縫系統(tǒng)降低壓裂液濾失的作用[4]。

雖然壓裂過程中支撐劑的選擇和用量對增加裂縫復(fù)雜性可起到一定的積極作用，但支撐劑最主要的作用依然是對已形成的壓裂裂縫進(jìn)行充填，支撐劑用量的增加并無法增加改造體積。微地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果亦證明了這點(diǎn)，以典型井焦頁44-1HF 井、焦頁44-2HF 井及焦頁7HF 井為例，單段加砂量與微地震監(jiān)測響應(yīng)的關(guān)系（見圖2），加砂量與波及體積之間相關(guān)性并不明顯。

圖2 焦頁44-2HF 井單段加砂量與波及體積關(guān)系圖

2.2 不同壓裂液量下微地震監(jiān)測響應(yīng)特征

頁巖水力壓裂的過程是在地面采用高壓大排量的泵車，利用液體傳壓的原理，將壓裂液注入儲層，使得裂縫起裂并向前延伸、擴(kuò)展，從而在井底附近地層內(nèi)形成具有一定幾何尺寸和高導(dǎo)流能力的填砂裂縫。在壓裂施工過程中，通過壓裂液的黏度和施工排量的組合變化進(jìn)一步誘發(fā)凈壓力的變化，可增加裂縫的復(fù)雜性和改造體積[5]。

與常規(guī)低滲透儲層不同，頁巖的脆性特征決定了其在壓裂泵注過程中，甚至停泵后，都會在壓裂液液壓傳遞作用下發(fā)生破裂，頁巖氣井的縫網(wǎng)形成過程往往在整個(gè)施工周期都會發(fā)生。但是施工后期改造規(guī)模達(dá)到一定程度時(shí)，壓裂液會達(dá)到一種泵注和濾失的平衡狀態(tài)，此時(shí)繼續(xù)注入壓裂液會對裂縫體系的改造影響甚微，可以據(jù)此獲得施工液量的最優(yōu)臨界值。

圖3 焦頁7HF 井部分井段壓裂液用量與裂縫發(fā)育變化圖

微地震監(jiān)測結(jié)果顯示壓裂液量對SRV 具有顯著影響，通過不同壓裂液量注入階段對應(yīng)的微地震監(jiān)測結(jié)果可直觀觀測裂縫發(fā)育情況。以典型平臺焦頁37 平臺、焦頁44 平臺及焦頁7HF 井為例，單段入井液量分別為400 m3、800 m3、1 200 m3、1 600 m3時(shí)，整段裂縫發(fā)育情況（見圖3）。

對各壓裂段累計(jì)壓裂液量與其對應(yīng)的SRV 進(jìn)行分析，以典型井焦頁44-1HF 井、焦頁37-3HF 井及焦頁7HF 井為例，部分微地震監(jiān)測井各段微地震事件數(shù)隨入井液用量變化曲線（見圖4）。各井不同壓裂段隨著注入液量的增加，SRV 也隨之增大。確定1 200 m3～1 600 m3入井液量作為目前焦石壩區(qū)塊單段壓裂用液量的臨界點(diǎn)，此時(shí)縫網(wǎng)輪廓基本形成，超過此臨界值繼續(xù)注液，則SRV 增加不明顯。

圖4 焦頁7HF 井微地震事件點(diǎn)隨液量的變化曲線

2.3 壓力與排量對微地震監(jiān)測響應(yīng)特征

施工壓力與微地震事件個(gè)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，高施工壓力微地震事件較多，表明凈壓力大幅提高，誘發(fā)剪切破裂事件。微地震事件顯示，平穩(wěn)施工壓力階段事件最多，與施工時(shí)長有關(guān)，穩(wěn)定高施工壓力階段事件其次，表明高施工壓力階段凈壓力較高，對于裂縫起裂和產(chǎn)生剪切破壞影響較大，施工排量與改造體積關(guān)系（見圖5）。

由圖5 可知，泵入總液量一定的條件下，施工排量越大，水力壓裂后形成的SRV 越大。這是由于排量越大，縫內(nèi)凈壓力越高，流體壓力擴(kuò)散效應(yīng)加劇導(dǎo)致地層壓力升高幅度和范圍擴(kuò)大，縫內(nèi)凈壓力高同時(shí)導(dǎo)致誘導(dǎo)應(yīng)力越大，壓力場和應(yīng)力場的增強(qiáng)效應(yīng)共同導(dǎo)致天然裂縫破壞區(qū)越大，為此，頁巖壓裂采用大排量進(jìn)行施工能形成更大的SRV。

圖5 施工排量與改造體積關(guān)系

3 壓裂設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

結(jié)合微地震監(jiān)測分析、壓裂工程和生產(chǎn)實(shí)際，對壓裂設(shè)計(jì)或施工參數(shù)進(jìn)行研究，本文主要研究了有效液量、砂量、加砂強(qiáng)度、排量、分簇射孔和段簇間距等參數(shù)優(yōu)化。

3.1 有效液量

根據(jù)不同液量規(guī)模下微地震事件包絡(luò)體的變化，研究壓裂有效液量，模擬結(jié)果（見圖6）。

圖6 焦頁2-5HF 井第17 段不同液量微地震事件包絡(luò)圖

隨著注入液量的增加，儲層改造體積（SRV）隨之增大，當(dāng)入井液量達(dá)到1 200 m3微地震事件數(shù)量增加較快。加密井焦頁2-5HF 井1 600 m3液時(shí)微地震事件包絡(luò)體基本形成，后期施工液量主要提高裂縫的復(fù)雜程度。

不同壓裂段隨著注入液量的增加，儲層改造體積（SRV）隨之增大，當(dāng)入井液量達(dá)到1 200 m3～1 600 m3時(shí)，上部氣層焦頁21 平臺壓裂井裂縫形態(tài)基本保持，繼續(xù)注液，裂縫擴(kuò)展不明顯，復(fù)雜度有所增加。

根據(jù)焦石壩主體區(qū)生產(chǎn)井統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，累計(jì)產(chǎn)量達(dá)到7 000×104m3時(shí)的生產(chǎn)能力來看，生產(chǎn)能力強(qiáng)的井平均單段液量均大于1 600 m3。單段液量過少，氣井生產(chǎn)強(qiáng)度一般較低。分析認(rèn)為：在焦石壩主體區(qū)單段液量大于1 600 m3，能形成基本的縫網(wǎng)輪廓，改造體積較大，生產(chǎn)效果相對較好。綜合微地震、壓裂和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析：主體區(qū)加密井有效液量大于1 600 m3；上部氣層井有效液量為1 200 m3～1 600 m3。

3.2 微地震事件隨液量增長規(guī)律

統(tǒng)計(jì)不同壓裂段微地震事件累計(jì)個(gè)數(shù)隨液量變化情況，研究微地震事件分布規(guī)律。在800 m3液量之前，焦頁21-S2HF 和焦頁21-S3HF 的微地震事件較多，曲線斜率相對較大。焦頁2-5HF 的微地震事件數(shù)量在1 000 m3液量之后增長速度較快，前期速度較慢，兩個(gè)平臺呈現(xiàn)截然不一的微地震事件分布規(guī)律。

可能原因：（1）上部氣層和下部氣層巖石力學(xué)環(huán)境的差異；（2）焦頁21-S2HF 和焦頁21-S3HF 主要穿行⑧號層，壓裂初期層理縫容易發(fā)生剪切事件；（3）焦頁2-5HF 井初期由于已壓裂鄰井的老裂縫誘導(dǎo)，剪切事件少，1 000 m3液后產(chǎn)生新裂縫，此時(shí)剪切事件相對增多。

3.3 砂量與排量

焦頁21-S3HF 總砂量、中粗砂合量與微地震事件個(gè)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而與粉陶用量無明顯相關(guān)性。微地震事件個(gè)數(shù)、縫長與加砂強(qiáng)度呈正相關(guān)，與縫高無明顯相關(guān)性。在設(shè)計(jì)施工時(shí)，可以加強(qiáng)中砂和粗砂使用量，提高總砂量，增大加砂強(qiáng)度。

大排量壓裂是頁巖氣取得體積改造成功的重要因素，通過研究排量與微地震事件關(guān)系，變排量對微地震事件發(fā)生有明顯影響，變排量設(shè)計(jì)施工利于頁巖壓裂。焦頁21-S3HF 施工排量與累計(jì)微地震事件數(shù)量分析得到，提排量階段，微地震事件加速出現(xiàn)。

提排量事件與裂縫破裂方式、層理縫發(fā)育情況、層位穿行情況有關(guān)，上部氣層井焦頁21-S3HF 和焦頁21-S2HF 采用變排量施工，利于微地震事件發(fā)生，利于壓裂裂縫體積化、復(fù)雜化。

4 結(jié)論

（1）利用儲層壓裂過程中的微地震數(shù)據(jù)，通過建立相應(yīng)的重構(gòu)算法，結(jié)合室內(nèi)壓裂實(shí)驗(yàn)縫網(wǎng)溝通規(guī)律，最后構(gòu)建三維離散裂縫網(wǎng)絡(luò)地質(zhì)模型。

（2）通過研究不同施工參數(shù)條件下的微地震監(jiān)測響應(yīng)特征，進(jìn)一步優(yōu)化施工規(guī)模、施工排量、裂縫間距等工程參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)相似頁巖氣井預(yù)期改造效果提供指導(dǎo)。

（3）結(jié)合微地震監(jiān)測分析、壓裂工程和生產(chǎn)實(shí)際，對壓裂設(shè)計(jì)或施工參數(shù)進(jìn)行研究，得出有效液量、砂量、排量等參數(shù)優(yōu)化建議。