基于井中微地震監(jiān)測(cè)方法的壓裂效果評(píng)價(jià)
——以延安探區(qū)YP5-1井為例

李穎濤，楊國(guó)旗，馮 洋，李富豪，韓 偉，楊強(qiáng)強(qiáng)，劉 嬋，鄭 艷，文 明，劉 磊，魏 強(qiáng)

(陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)油氣勘探公司采氣一廠，陜西 延安716005)

0 引言

近年來(lái)出現(xiàn)了多種評(píng)價(jià)頁(yè)巖致密氣藏儲(chǔ)層改造的新技術(shù)，其中微地震裂縫監(jiān)測(cè)是儲(chǔ)層改造評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好的一項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)鄰井井下檢波器實(shí)時(shí)接收壓裂過(guò)程中巖石破裂釋放的地震波，精確反演定位微地震事件,篩選有效事件描述壓裂過(guò)程中人工裂縫擴(kuò)展的長(zhǎng)度、寬度、高度以及方位角等參數(shù),現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)時(shí)的裂縫數(shù)據(jù)采取優(yōu)化壓裂施工參數(shù)、合理部署井網(wǎng)等油氣田開(kāi)發(fā)措施提高油氣田整體采收率[1-5]。作為實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層改造效果重要方法之一,微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用到非常規(guī)油氣藏儲(chǔ)層改造中[6-8]。巫芙蓉[9]等通過(guò)微地震監(jiān)測(cè)壓裂施工過(guò)程中人工裂縫擴(kuò)展情況,及時(shí)合理調(diào)整壓裂施工參數(shù),從而提升儲(chǔ)層整體改造效果；陳新安[10]通過(guò)微地震監(jiān)測(cè)技術(shù),深入研究條帶曲率裂縫發(fā)育區(qū)頁(yè)巖氣井壓裂過(guò)程中人工裂縫擴(kuò)展規(guī)律,進(jìn)而提高該區(qū)域頁(yè)巖儲(chǔ)層改造效率；畢曼等[11]根據(jù)常規(guī)壓裂與混合壓裂的微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果,評(píng)價(jià)了2種技術(shù)的適用性,為后期儲(chǔ)層改造方法的選擇提供指導(dǎo)；趙超峰等[12]與趙爭(zhēng)光等[13-14]深入研究三維地震資料與微地震監(jiān)測(cè)成果的相關(guān)性，分析微地震事件的分布規(guī)律，總結(jié)壓裂裂縫擴(kuò)展的影響因素。

陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)油氣勘探公司在鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南區(qū)塊進(jìn)行多年頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)，針對(duì)頁(yè)巖氣水平井壓裂過(guò)程中無(wú)法定量描述人工裂縫擴(kuò)展形態(tài)，無(wú)法研究壓裂裂縫擴(kuò)展影響因素，進(jìn)而無(wú)法探索人工裂縫擴(kuò)展規(guī)律等，通過(guò)壓裂儲(chǔ)層巖石破裂釋放能量來(lái)反演定位微地震事件，根據(jù)有效事件定量描述人工裂縫空間展布和儲(chǔ)層改造體積[15-17]，基于儲(chǔ)層物性、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)以及三維地震數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)壓裂施工參數(shù)，研究影響人工裂縫擴(kuò)展的主要因素，探索壓裂過(guò)程中裂縫擴(kuò)展規(guī)律，更好的提高儲(chǔ)層改造效果。

該研究在壓裂施工過(guò)程中，高壓泵入儲(chǔ)層大量高黏度流體，儲(chǔ)層孔隙壓力迅速升高，儲(chǔ)層巖石受高孔隙壓力發(fā)生切破裂和張性破裂釋放地震波，鄰井井中的檢波器實(shí)時(shí)接收地震波，準(zhǔn)確反演定位微地震事件，剔除與壓裂增產(chǎn)無(wú)關(guān)事件，利用有效微地震事件確定壓裂裂縫的縫型、形態(tài)、方位以及體積等參數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)壓裂改造效果。

1 地震監(jiān)測(cè)概況

YP5-1井頁(yè)巖氣水平井位于延安氣田寶塔區(qū)塊，儲(chǔ)層厚度為15.93～19.09 m，巖性主要是泥頁(yè)巖和泥質(zhì)砂巖，屬于典型的非常規(guī)氣藏。根據(jù)巖心測(cè)試結(jié)果，儲(chǔ)層孔隙度為2.62%～2.88%，滲透率為1.4～2.5 mD，屬于低孔低滲性氣藏。

YP5-1井運(yùn)用超臨界CO2前置增能水平井體積壓裂工藝技術(shù),采用滑溜水、線性膠一體化壓裂液體系,高返排,低傷害；為滿足地層閉合壓力需求,針對(duì)不同壓裂層段,選用20～40目、40～70目和70～100目陶粒作為支撐劑。該井水平段長(zhǎng)度為1 023.67 m,完鉆井深為3 628.67 m,目標(biāo)層位鉆遇率86.5%,共壓裂13個(gè)壓裂段,施工排量為12～14 m3/min,加砂總量為649.5 m3,壓裂液總量為12 995 m3。現(xiàn)場(chǎng)選取鄰井Y150井作為監(jiān)測(cè)井,對(duì)YP5-1井進(jìn)行微地震裂縫監(jiān)測(cè),評(píng)價(jià)其壓裂改造效果。圖1所示為YP5-1井和Y150井相對(duì)位置圖，在Y150井中放置12級(jí)Maxiwave三分量檢波器進(jìn)行接收，檢波器級(jí)間距定為20 m，放置位置為2 110～2 330 m，檢波器和YP5-1井射孔點(diǎn)位置的距離為220～1 350 m。

圖1 Y150井與YP5-1井相對(duì)位置圖Fig.1 Relative position of well Y150 and well YP5-1

2 微地震解釋與壓裂效果評(píng)價(jià)

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

延安氣田寶塔區(qū)塊YP5-1井共實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)13個(gè)井段，有效微地震事件總計(jì)2 081個(gè)，定位誤差為0.2～10.5 m，震級(jí)為-3.65～-2.50，微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。第1～第3段因設(shè)備原因，測(cè)得的微地震事件較少，僅反映部分裂縫形態(tài)(如圖2a中紫色橢圓所示)，文中不做詳細(xì)分析；第4～第6段微地震事件正常，沿射孔簇向井眼軌跡兩側(cè)對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展，與主裂縫方向保持一致(如圖2a中藍(lán)色橢圓所示)；第7～第9段開(kāi)始出現(xiàn)部分離散型微地震事件，在遠(yuǎn)離該壓裂段的井軌跡西側(cè)集中出現(xiàn)，但主體微地震事件仍保持向井眼軌跡兩側(cè)擴(kuò)展(如圖2a中紅色橢圓所示)；第10～第13段同樣出現(xiàn)裂縫在西翼擴(kuò)展比較多，東翼裂縫擴(kuò)展較少的現(xiàn)象(如圖2a中黑色橢圓所示)。分析其產(chǎn)生原因，由于西翼為地層微裂縫發(fā)育區(qū)域，屬于應(yīng)力異常區(qū)域，壓裂過(guò)程中高壓液體壓入地層，高壓傳遞到應(yīng)力異常區(qū)域，造成該區(qū)應(yīng)力失衡，巖石破碎釋放能量，造成西翼微地震事件多于東部。

圖2 微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 Microseismic monitoring results

通過(guò)反演定位有效微地震事件空間分布，計(jì)算出單層壓裂裂縫空間形態(tài)參數(shù)以及方位(見(jiàn)表1)。平均裂縫網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)為380.8 m，寬為102.3 m，高為69.3 m，從第7段開(kāi)始受西翼地層微裂縫發(fā)育影響，西翼裂縫擴(kuò)展范圍大于東翼，出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展現(xiàn)象；根據(jù)各壓裂裂縫走勢(shì)可知，壓裂層段主裂縫發(fā)育方向基本一致，為北偏東50°～81°。

表1 各段人工裂縫網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Table 1 Parameters of artificial fracture network in each section

2.2 壓裂效果評(píng)價(jià)

2.2.1 壓裂縫長(zhǎng)不對(duì)稱(chēng)性分析

YP5-1井前7段壓裂段裂縫東西兩翼擴(kuò)展相對(duì)比較對(duì)稱(chēng)；第7段裂縫先在本壓裂段擴(kuò)展,壓裂后期裂縫溝通異常區(qū),出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)發(fā)育；第8～第13段裂縫從一開(kāi)始就出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)發(fā)育,大量微地震事件向井筒西翼擴(kuò)展,東翼裂縫發(fā)育受限制,異常微地震事件縱橫波時(shí)差明顯比正常壓裂段位置信號(hào)小(如圖3和圖4所示)，后6段壓裂段信號(hào)呈現(xiàn)同樣特征；說(shuō)明西翼地層有較多微裂縫發(fā)育，當(dāng)高壓流體進(jìn)入該區(qū)域，更傾向于進(jìn)入微裂縫發(fā)育區(qū)域，巖石更易發(fā)生破裂，能量以波的形式傳播而被鄰井檢波器所接收，導(dǎo)致異常區(qū)域的縱橫波時(shí)差較小，微地震事件數(shù)量比較多，如圖5所示。

圖3 正?？v橫波時(shí)差曲線圖(時(shí)差明顯較大)Fig.3 Normal P-wave TDOA curve(The time difference is obviously large)

圖4 異常位置縱橫波時(shí)差曲線圖(時(shí)差明顯較小)Fig.4 P-wave TDOA curve at abnormal position(The time difference is obviously small)

圖5 第7～第9段監(jiān)測(cè)結(jié)果平面圖Fig.5 Plane graphics of monitoring results of section 7～section 9 fracturing section

2.2.2 壓裂裂縫復(fù)雜程度分析

裂縫復(fù)雜指數(shù)(FCL)用于定量描述壓裂裂縫的復(fù)雜程度，能夠直觀評(píng)價(jià)儲(chǔ)層改造效果，其數(shù)值為壓裂裂縫的寬度與長(zhǎng)度之比。FCL越大代表壓裂的人工裂縫復(fù)雜程度越高，其儲(chǔ)層壓裂改造效果就越好[18-19]。根據(jù)單層壓裂裂縫幾何形態(tài)參數(shù)計(jì)算出第4～第13段壓裂裂縫FCL(見(jiàn)表2)。監(jiān)測(cè)的10段人工裂縫的FCL為0.32～0.71，充分表明壓裂形成的人工裂縫復(fù)雜程度比較高，裂縫寬度拓展性較好，整體儲(chǔ)層改造效果比較好。

表2 人工裂縫復(fù)雜指數(shù)表Table 2 Fracture complexity index of micro-fracture

2.2.3 儲(chǔ)層改造體積分析

儲(chǔ)層改造體積(SRV)是先將非隨機(jī)性微地震事件空間分布范圍進(jìn)行網(wǎng)格化，再根據(jù)微地震事件密度分布計(jì)算裂縫網(wǎng)格化的體積，進(jìn)而得到單層壓裂段人工裂縫體積(見(jiàn)表3)，該數(shù)值能直觀反映出儲(chǔ)層改造體積及效果。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，單層壓裂段體積相加之和為4 841×104m3，整體10段壓裂的儲(chǔ)層改造體積為4 587×104m3，SRV重合比為5.54%，表示單層壓裂裂縫重復(fù)交叉較少，儲(chǔ)層改造效果比較理想，如圖6所示。

表3 單層壓裂裂縫儲(chǔ)層改造體積Table 3 SRV of fractures by single-stage fracturing

圖6 計(jì)算儲(chǔ)層改造體積Fig.6 Calculation of SRV

2.2.4 測(cè)井解釋成果與微地震監(jiān)測(cè)成果聯(lián)合解釋

根據(jù)YP5-1井裂縫監(jiān)測(cè)俯視圖，定性分析各壓裂段裂縫復(fù)雜程度，第7～第13段裂縫改造效果比較好；將微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果與壓裂施工參數(shù)及地層測(cè)井解釋曲線進(jìn)行對(duì)比分析，研究三者之間的相關(guān)性。從圖7a可以看出，第11～第13段GR相對(duì)較低，脆性指數(shù)比較大，儲(chǔ)層脆性比較強(qiáng)，全烴含量比較高，含氣量相對(duì)較大，儲(chǔ)層物性條件比較好，微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示其微地震事件數(shù)量比較多，壓裂裂縫復(fù)雜程度更高，儲(chǔ)層改造體積相對(duì)比較大，說(shuō)明微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果和測(cè)井解釋成果具有相關(guān)性，即測(cè)井解釋顯示好的壓裂段對(duì)應(yīng)的微地震事件數(shù)量比較多，儲(chǔ)層壓裂改造效果比較好。第4～第10壓裂段儲(chǔ)層性質(zhì)相當(dāng)，第7、第8和第9壓裂段比第4、第5、第6及第10壓裂段施工液量大，產(chǎn)生的微地震事件相對(duì)較多，對(duì)應(yīng)的壓裂改造體積比較大，改造效果與儲(chǔ)層物性好的第11、第12壓裂段改造效果相當(dāng)；另外，第13壓裂段不僅儲(chǔ)層性質(zhì)好，其壓裂施工液量和加砂量比較大，故改造效果非常好，單層改造體積達(dá)到784×104m3。對(duì)比分析結(jié)果表明：針對(duì)研究區(qū)域，對(duì)于物性條件比較差的儲(chǔ)層，增加施工液量，有效增加人工裂縫的復(fù)雜程度，可提高壓裂儲(chǔ)層改造效果。

圖7 YP5-1井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果、壓裂施工參數(shù)及測(cè)井解釋成果對(duì)比圖Fig.7 Comparison of microseismic monitoring results, fracturing construction parameters and logging interpretation results in well YP5-1

3 結(jié)論

1)綜合延安氣田探區(qū)測(cè)井解釋成果以及井中微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以精確反演定位有效微地震事件，定量分析壓裂裂縫擴(kuò)展參數(shù)，能夠客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)儲(chǔ)層改造效果，為微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)非常規(guī)油氣藏改造效果提供借鑒與指導(dǎo)。

2)YP5-1水平井體積壓裂微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果表明13段壓裂段主裂縫方向?yàn)楸逼珫|50°～81°，從第 7 壓裂段開(kāi)始受到西翼地層微裂縫發(fā)育影響，出現(xiàn)應(yīng)力異常區(qū)域，有明顯向西翼單向發(fā)育趨勢(shì)，儲(chǔ)層改造體積為4 587×104m3，單層壓裂重復(fù)交叉較少，裂縫復(fù)雜程度高，地層改造效果比較理想。

3)通過(guò)分析微地震監(jiān)測(cè)與儲(chǔ)層物性和壓裂施工參數(shù)的相關(guān)性可知，對(duì)于物性條件較差的儲(chǔ)層，可通過(guò)合理調(diào)整壓裂液量等施工參數(shù)，來(lái)提高儲(chǔ)層的改造效率，增加裂縫復(fù)雜程度，進(jìn)而提高整體儲(chǔ)層改造效果。