劉洪壯，劉之的，梁文杰，溫 柔，李 棟，張程晨

1. 西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065；2. 中石油集團(tuán)測(cè)井有限公司生產(chǎn)測(cè)井中心；陜西西安710065

0 引 言

鄂爾多斯盆地是中國(guó)重要的產(chǎn)油區(qū)之一，其中姬塬油田、靖安油田、紅河油田、環(huán)江油田等均是10億噸級(jí)大油田，2019年又發(fā)現(xiàn)了同級(jí)別的慶城大油田，對(duì)于中國(guó)石油可持續(xù)發(fā)展、略具有重要意義。鄂爾多斯盆地油氣資源比較豐富，但儲(chǔ)集空間細(xì)小、儲(chǔ)層物性差，具有非常大的開(kāi)采潛力的同時(shí)也具有較高的開(kāi)發(fā)難度。通過(guò)壓裂技術(shù)改善致密儲(chǔ)層滲透率和泄流面積，有效擴(kuò)大油氣資源滲流通道，并利用微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為了油氣資源開(kāi)發(fā)研究重點(diǎn)。

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為地球物理技術(shù)的一門分支，能夠觀測(cè)、分析生產(chǎn)活動(dòng)中微小震動(dòng)，并反映出真實(shí)的地下?tīng)顟B(tài)[1-2]。從布設(shè)方式上主要分為地面監(jiān)測(cè)和井中監(jiān)測(cè)。地面監(jiān)測(cè)受地表因素干擾大，布設(shè)檢波器較多，數(shù)據(jù)龐大，實(shí)時(shí)處理較為困難，主要研究微地震裂縫走向，相較于項(xiàng)目生產(chǎn)監(jiān)測(cè)成本較高。井中微地震監(jiān)測(cè)具有信噪比高、定位精度高、定位結(jié)果受速度橫向變化影響較小、實(shí)時(shí)處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是目前已知最及時(shí)、最精確、信息最豐富、應(yīng)用最廣泛的微地震監(jiān)測(cè)手段。不僅可以實(shí)時(shí)觀測(cè)壓裂產(chǎn)生的微裂縫發(fā)育形態(tài)，還可以利用這些信息及時(shí)優(yōu)化后續(xù)井組壓裂施工設(shè)計(jì)、優(yōu)化井網(wǎng)和油田開(kāi)發(fā)措施等[3-5]。

1 方法原理

微地震井中監(jiān)測(cè)技術(shù)以聲發(fā)射學(xué)和地震學(xué)為基礎(chǔ)，主要應(yīng)用于油氣田注水開(kāi)發(fā)[6]。當(dāng)相對(duì)脆弱的地層被水力壓開(kāi)時(shí)，裂縫沿著脆弱地層呈樹(shù)枝狀發(fā)散，產(chǎn)生張裂和錯(cuò)動(dòng)，這些張裂和錯(cuò)動(dòng)又會(huì)以彈性波的形式向外輻射能量（它包括壓縮波和剪切波），并被檢波器接收[7-10]。通過(guò)數(shù)學(xué)處理手段，描述地層破裂時(shí)產(chǎn)生的能量分布，尋找地層破裂位置和裂縫的方位、幾何形態(tài)、連通性及裂縫發(fā)育過(guò)程中的詳細(xì)信息。

由于巖層中P波速度傳播較快，且微地震井中監(jiān)測(cè)受不同巖層折射影響較小，多用P波時(shí)差法定位震源位置[11]。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有i個(gè)檢波器時(shí)，發(fā)震位置和檢波器之間的距離可表示為n=1，2，3，…，i。

當(dāng)一次地震事件被檢波器所接收時(shí)，發(fā)震位置(,,)xyz與第n個(gè)檢波器位置

理論上只需四個(gè)檢波器即可求解出發(fā)震位置（x，y，z）和發(fā)震時(shí)間t利用射孔資料，在已知射孔位置和射孔時(shí)間（x0，y0，z0，t0）的前提下，即可建立速度模型：

2 井中微地震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

壓裂井F1和F2位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡莊288區(qū)塊（圖1），屬于低滲透巖性油藏，主力層位長(zhǎng)6，油層儲(chǔ)量較為可觀，裂縫相對(duì)發(fā)育，孔隙度約在9.2%~10.4%。開(kāi)發(fā)前期，采用注水開(kāi)發(fā)的方式取得了良好的效果，隨著油井的不斷開(kāi)發(fā)，產(chǎn)油量明顯下降，為提高單井產(chǎn)油量，對(duì)該井組實(shí)施水平井多段壓裂措施，同時(shí)利用井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)壓裂過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫大小及方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)壓裂效果做出評(píng)價(jià)。通過(guò)在相鄰的M井中下放高精度檢波器，對(duì)F1井和F2井進(jìn)行井中微地震監(jiān)測(cè)。

圖1 壓裂井F1（a）和F2（b）和監(jiān)測(cè)井的相對(duì)位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of relative positions of fractured wells F1 （a） and F2 （b） and monitoring wells

監(jiān)測(cè)井M采用JDB-30多級(jí)三分量檢波器接收系統(tǒng)，井下儀器級(jí)數(shù)8級(jí)，檢波器級(jí)間距10 m。為更好計(jì)算速度模型，檢波器布設(shè)深度與聲源彈位置大致相同（表1），F(xiàn)1和F2井設(shè)計(jì)聲源彈位置分別在1 447 m和1 405 m，M檢波器串在1 628.00~1 698.00 m布設(shè)。

表1 檢波器深度Table 1 detector depth

3 應(yīng)用分析

3.1 監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法

微地震監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法主要是在監(jiān)測(cè)井放置三分量檢波器，根據(jù)聲源彈的信號(hào)對(duì)檢波器的定向并建立速度模型，利用射孔數(shù)據(jù)對(duì)速度模型進(jìn)行校正，記錄微地震事件。為更好地識(shí)別微地震事件，需要用帶通濾波進(jìn)行降噪處理，使有效波S、P波更加清晰，初至?xí)r間更加明顯，有利于初至拾取。采用縱橫波時(shí)差法對(duì)微震事件進(jìn)行定位，利用校正后的速度模型和縱橫波時(shí)差可以確定微震事件到檢波器之間的距離，結(jié)合對(duì)P波的偏振分析確定微震事件的方位，從而準(zhǔn)確定位微震事件的空間位置[12-16]。

井中微地震監(jiān)測(cè)的思想主要是利用臨井中的檢波器監(jiān)測(cè)壓裂段在施工過(guò)程中誘發(fā)的微地震波來(lái)描述壓裂過(guò)程中裂縫生長(zhǎng)的幾何形態(tài)和空間展布[17-19]，它可以監(jiān)測(cè)壓裂施工過(guò)程中產(chǎn)生裂縫的高度、長(zhǎng)度和方位角，繼而優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、優(yōu)化井網(wǎng)或其他油田開(kāi)發(fā)措施，從而提高油田采收率[20-22]。

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

水平井F1設(shè)計(jì)壓裂五段，從F1井微地震事件分布俯視圖與側(cè)視圖（圖2）可知，第二、三壓裂段裂縫延伸長(zhǎng)度相對(duì)較短，第一至第三壓裂段在井軌跡靠東一側(cè)較為發(fā)育，第四、第五壓裂段裂縫在井軌跡兩側(cè)均勻發(fā)育?？傮w上五段壓裂均形成網(wǎng)狀縫，裂縫整體展布方位為NE68°~70°，裂縫長(zhǎng)度范圍184~309 m，寬度為73~88 m，高度為61~74 m。

圖2 F1井與F2井微地震事件分布圖（a-俯視圖，b-側(cè)視圖）Fig.2 Distribution of microseismic events in wells F1 and F2 （a top view, b side view）

水平井F2設(shè)計(jì)壓裂三段，從F2井微地震事件分布俯視圖和側(cè)視圖（圖2）可以知，F(xiàn)2井壓裂裂縫延伸方向與F1井整體一致，F(xiàn)2井壓裂裂縫長(zhǎng)度略長(zhǎng)于F1井；第一、二段裂縫延伸井距離壓裂井較遠(yuǎn)，第三段靠近F1井一側(cè)延伸較長(zhǎng)，但位于F1井第三、四壓裂段縫網(wǎng)中間，裂縫重合區(qū)域較少，壓串可能性較低?？傮w上第一二段壓裂形成網(wǎng)狀縫，第三段壓裂裂縫呈條帶狀分布，形成長(zhǎng)縫網(wǎng)。裂縫整體展布方位為NE68°~71°，裂縫長(zhǎng)度范圍203~368 m，寬度為85~87 m，高度為65~75 m。具體裂縫參數(shù)見(jiàn)表2。對(duì)微地震事件的空間分布特征分析如下：

（1）儲(chǔ)層天然裂縫若是不發(fā)育，壓裂裂縫會(huì)沿著裂縫最大主應(yīng)力方向延伸，根據(jù)射孔資料可知（表2），壓裂段附近主應(yīng)力方向約為NE71°，從壓裂井微地震事件分布圖中可以看出裂縫延伸方向?yàn)镹E68°~71°，兩者相差不大，由此可以看出微地震事件主要受區(qū)域應(yīng)力的影響，儲(chǔ)層天然裂縫不發(fā)育。

表2 壓裂裂縫參數(shù)Table 2 fracturing fracture parameters

（2）F1井第一段至第四段和F2井第二段事件個(gè)數(shù)較多、信噪比較好，裂縫規(guī)模較大，形成了復(fù)雜的裂縫網(wǎng)絡(luò)。但F1井第二三段和F2井第一段延伸較短，分析認(rèn)為受造縫不充分和儲(chǔ)層非均質(zhì)共同影響。

（3）可以看出F1井第五段和F2井第三段微震事件較少，分布相對(duì)集中，壓裂效果較好，分析認(rèn)為段間距較小，巖石受到的能量相對(duì)集中，壓裂液量較大，壓裂規(guī)模也隨之增大，但監(jiān)測(cè)結(jié)果受噪音影響較大，信噪比不高，因此監(jiān)測(cè)到的微震事件較少。

（4）裂縫重合區(qū)域較少，壓串可能性較低，空間連續(xù)性較好，整體上分析認(rèn)為壓裂設(shè)計(jì)段間距和簇間距較為合理。

圖3 F1井與F2井微地震事件三維展示圖Fig.3 Three dimensional display of microseismic events in wells F1 and F2

3.3 儲(chǔ)層改造體積計(jì)算

微地震SRV的計(jì)算是將微震事件的空間分布范圍網(wǎng)格化，然后計(jì)算網(wǎng)格化的體積，該方法依賴于微地震事件點(diǎn)密度，受單元網(wǎng)格大小影響較大[23]。一般計(jì)算出的SRV比實(shí)際大，也可能低估裂縫網(wǎng)絡(luò)的連通性。計(jì)算網(wǎng)格參數(shù)為平面網(wǎng)格單元為10×10 m（圖4），垂向單元為5 m。經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)1井壓裂儲(chǔ)層改造體積（SRV）為579萬(wàn)方，F(xiàn)2井壓裂儲(chǔ)層改造體積（SRV）為227萬(wàn)方，合計(jì)806萬(wàn)方。

圖4 儲(chǔ)層改造體積（a-F1井，b-F2井）Fig.4 Reservoir reconstruction volume （well a-F1, well b-F2）

3.4 綜合分析對(duì)比

（1）與壓裂施工曲線對(duì)應(yīng)性分析

微地震事件主要是由于地下巖層在水力作用下被撐開(kāi)，導(dǎo)致巖石破裂張開(kāi)或相對(duì)滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的微小震動(dòng)[8]。研究發(fā)現(xiàn)（圖5），當(dāng)排量增大，地層被壓裂液所填充，導(dǎo)致壓力逐漸升高，某一時(shí)刻當(dāng)?shù)貙颖粔洪_(kāi)產(chǎn)生新的裂縫或溝通天然裂縫時(shí)，壓力會(huì)顯著下降，這時(shí)微地震事件明顯增多；當(dāng)排量保持不變提高沙比，壓力曲線會(huì)緩慢上升，此時(shí)壓力雖然沒(méi)有驟降，但由于支撐劑填充到裂縫里，使得裂縫不斷延伸，也會(huì)出現(xiàn)微地震事件，總體來(lái)說(shuō)，微地震事件的發(fā)生伴隨著水力壓裂的全過(guò)程，以F1井第一段微地震事件分布與壓裂曲線對(duì)應(yīng)圖為例，可以看出微地震事件伴隨著整個(gè)壓裂施工過(guò)程，在壓力緩慢上升和壓力驟降的時(shí)刻，微地震事件最為集中，說(shuō)明微地震事件發(fā)生的時(shí)刻具有合理性。

圖5 微地震事件分布與壓裂曲線對(duì)應(yīng)圖 Fig.5 Corresponding diagram of microseismic event distribution and fracturing curve

（2）與生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線對(duì)應(yīng)性分析

生產(chǎn)動(dòng)態(tài)曲線是檢驗(yàn)壓裂效果最重要的依據(jù)。結(jié)合F1井近兩年生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料分析（圖6），壓裂改造初期產(chǎn)液量約57.25 m3/d，含水率約25.61 m3/d，之后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，直至穩(wěn)定。目前日產(chǎn)油26.35 t，含水率37.21%，累計(jì)增油4 136 t，較壓裂初期日增油下降15.12 t，后期保持在26 t左右，整體上F1井壓裂后日產(chǎn)油保持穩(wěn)定，下降速度較慢?？傮w評(píng)價(jià)本次壓裂取得了良好的效果。

圖6 水平井F1生產(chǎn)數(shù)據(jù)曲線圖Fig.6 Production data curve of horizontal well F1

4 結(jié)論

（1）井中微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠快速反演出人工裂縫出現(xiàn)的長(zhǎng)度、寬度、高度、延伸、方位等信息，結(jié)合壓裂施工曲線，可以清晰反映出裂縫開(kāi)啟與壓裂施工的時(shí)間關(guān)系，了解裂縫發(fā)育過(guò)程中的詳細(xì)信息，結(jié)合生產(chǎn)動(dòng)態(tài)資料，對(duì)比壓裂前后日產(chǎn)油變化趨勢(shì)，更加直觀的反映出壓裂效果，以便于合理調(diào)整后續(xù)開(kāi)發(fā)方案。

（2）通過(guò)對(duì)低滲透油藏水平井F1和F2的微地震監(jiān)測(cè)效果評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)壓裂縫長(zhǎng)度主要取決于壓裂液排量和地層非均質(zhì)性，壓裂液排量越大，壓裂體積越大，地層非均質(zhì)性越好，壓裂效果越好。