基于微地震監測的新民油田水力壓裂縫網形態對比分析

田 佳 張 勇 胡佳男

(1. 西安石油大學 地球科學與工程學院/陜西省油氣成藏地質學重點實驗室， 西安 710065；2. 吉林油田公司英臺采油廠， 吉林 松原 138000；3. 吉林油田公司扶余采油廠， 吉林 松原 138000)

0 前 言

松遼盆地屬于東部陸相含油氣盆地，油氣資源類型多、分布廣、儲量豐富、產能較高。經過長期的勘探與開發，其厚層三角洲支河道砂體富集的含油氣層系逐漸被摸清，目前有待進一步挖掘致密層系的開發潛力[1]。新民油田位于松遼盆地南部扶新隆起帶北部斜坡帶，以低孔 — 低滲型儲層為主，儲層物性較差，非均質性嚴重，需要采取水力壓裂等增產措施以獲取商業油氣流[2]。

近年來，微地震監測技術被廣泛應用于致密油氣藏的水力壓裂監測、礦山巖爆監測、二氧化碳地質封存監測及常規油氣田的注采誘發地震監測[3-5]。尤其是在致密油氣藏開發中，微地震水力壓裂監測是唯一能夠對壓裂縫幾何產狀實現成像的遠場技術[6-7]。目前，可以采用地面或井下實時監測的微地震數據與背景噪聲壓制、有效事件自動拾取、震源定位與震源機制反演等數據處理技術，估算水力壓裂縫的幾何產狀、幾何規模、增產體積、地應力變化和網格連通性等參數，并據此確定壓裂井的最優射孔區間，調整壓裂施工方案[8-9]。

本次研究優選了新民油田3口新鉆井，針對扶余油層進行水力壓裂，采用井下微地震監測壓裂過程中壓裂縫的幾何產狀，擬明確目標區域的最大水平主應力方位，分析壓裂施工參數對裂縫擴展的影響因素，以加深對裂縫擴展規律和裂縫延伸形態的認識。

1 研究區概況

研究區塊位于新民油田東壘南部，為由南東向北西傾沒的單斜構造。區塊內斷層發育較好，砂體以粉砂巖為主，平均鉆遇砂巖厚度約38.0 m，有效厚度約4.4 m。區塊內開發的目的層主要為扶余油層，其儲層平均滲透率為1.5×10-3μm2，物性較差。平面上油層連續性較差，但主力油層分布相對穩定。

優選研究區內3口新鉆井(民X-1井、民X-2井和民X-3井)進行水力壓裂作業，每口井設置2個壓裂層，其壓裂層均屬于扶楊層系扶余泉四段油層。在鄰井民M井布置了10級井下三分量檢波器，用于逐次監測各井水力壓裂過程中所產生的微地震信號。圖1所示為這3口井的平面井位分布與井下微地震觀測系統設置。觀測系統中以監測井的井口坐標為坐標原點，檢波器陣列中點與民X-1井、民X-2井和民X-3井最遠射孔位置之間的距離均小于300 m，以滿足井下微地震監測條件。

圖1 研究區3口井的平面井位分布與井下微地震觀測系統設置

2 微地震數據處理與解釋

針對每個單井，采用圖2所示流程進行井下微地震數據處理。根據震源定位結果，分析各壓裂層段壓裂縫的長、寬、高和方位等幾何特征與裂縫規模，定量評價壓裂效果[10-11]。

圖2 井下微地震監測數據處理流程

2.1 頻譜分析與噪聲壓制

運用常規的微地震頻譜分析法，即通過傅里葉變換將時域原始信號轉換到頻域，再根據頻域響應特征選取有效信號的頻帶。該方法忽略了微地震瞬態信號在時域的分布特征，且易受到單頻噪聲的干擾，無法準確獲取有效信號的頻帶。為解決這一問題，在此通過S變換得到原始微地震信號的時頻譜，然后根據時頻譜中高能量區域的分布特征來確定有效信號的頻帶范圍[12]。據圖3所示地震原始信號及其對應的時頻譜，確定了本次微地震有效信號的頻帶范圍為50～250 Hz，因此，可采用此頻帶范圍的帶通濾波對原始波形記錄進行噪聲壓制。

2.2 微地震有效事件自動拾取

目前，常采用長短時窗能量比法(STA/LTA)或者自回歸 Akaike 信息準則(AIC)法，基于信號與噪聲在時域分布或統計特性的差異進行自動拾取[13]。這類方法僅利用了信號在時域分布的特征，而忽略了其在頻域分布的特性，不利于對弱事件的拾取[14]。因此，采用基于疊加S變換的時頻譜拾取法實現對有效事件的自動識別與拾取[15]。首先，對原始微地震記錄進行S變換，得到時頻譜；其次，將時頻譜在有效信號頻帶范圍內按照每個頻率成分進行疊加，將其疊加譜作為特征函數，以此構造長短時窗，從而實現對有效事件的自動拾取。若拾取到有效事件，則采用AIC算法進一步精細提取縱波和橫波初至。

基于上述微地震原始信號和時頻譜完成了有效事件自動拾取，結果如圖4所示。其中圖4a所示為圖3中微地震原始信號的STA/LTA比值曲線及設定閾值，從中僅能分辨出S波初至；圖4b所示為圖3中時頻譜的STA/LTA比值曲線及設定閾值，從中可以拾取到清楚的P波和S波初至；圖4c所示為采用AIC算法進一步精細提取的P波和S波初至?？梢钥闯?，基于S變換疊加譜的自動拾取算法能夠識別弱事件的起跳信息。

圖3 某道微地震原始信號及其時頻譜

圖4 某道微地震有效事件自動拾取

2.3 速度模型建立及校正

基于民M井的聲波測井曲線，實現對壓裂目的層段的速度分層，并建立了一維P波層狀速度模型(見圖5a)。隨著油田開采的持續，儲層的壓力和空隙內流體的性質會逐漸發生改變，使得基于聲波測井信息建立的速度模型無法滿足微地震震源定位對精度的需求。為此，采用Pei等人提出的速度模型優化算法[16]，基于射孔信號的P波初至建立了優化速度模型的目標函數，如式(1)所得:

(1)

式中：E(v) —— 目標函數；

v—— 一維層狀速度向量；

Nr—— 接收器總數；

由于射孔位置已知，因此可調整各層速度以使目標函數值最小，此時的速度向量v為最優速度。圖5b所示為基于射孔信號校正的速度模型。由于缺失橫波測井信息，S波速度模型由校正后的P波速度模型與研究區域的縱橫波比經驗值估算而得。

圖5 一維P波層狀速度模型

2.4 偏振分析與震源定位

由于單井監測在水平面上缺乏對震源方位的約束，導致潛在震源最終分布在以檢波器水平坐標為圓心、以有效事件縱橫波初至差估算的震源距離為半徑的圓弧上。在此，采用矢端曲線法將x分量與y分量波形分別投影到x-y平面，通過最佳線性擬合質點位移的方位來估算P波的偏振方向，從而確定微地震有效事件的震源傳播方位。

獲取縱橫波初至與P波偏振方向后，采用概率密度坍塌網格搜索法進行震源定位[17]。將研究區域的速度模型離散化，通過拾取的P波、S波初至來構建反演震源位置的非線性目標函數：

(2)

式中：L(x) —— 非線性目標函數；

N—— 接收器數量；

σP、σS—— P波、S波拾取初至的標準偏差。

坍塌網格搜索的策略是：首先，搜索較大網格的目標函數最小值；然后，再將該網格不斷二分，直到其滿足算法終止標準；最后，通過搜索拾取初至與理論初至殘差的全局最小值來確定震源位置。

對3口壓裂井共6個壓裂層段的原始微地震監測數據作了定位處理。以民X-1井第1壓裂層段的處理結果為例，該壓裂層段共拾取了56個有效事件，其震源定位如圖6所示。首先，通過事件位置的空間分布，估算出壓裂縫的縫長為159.02 m，縫高為36.98 m，縫寬為50.63 m，裂縫總體延伸方位為NE63.06°。同時，由此判斷該區域的最大水平主應力方向為北東向，所形成的有效面積約8 045 m2。此外，觀測到2組沿西北 — 東南方向延伸的分支裂縫形成的復雜共軛裂縫結構。

圖6 民X-1井第1層水力壓裂微地震震源定位

圖7所示為民X-1井第1層壓裂縫動態擴展過程，壓裂前期事件點數較少，僅形成了一條主裂縫。裂縫整體沿北東向進行延伸，壓裂過程中事件點數不斷增多，裂縫規模不斷擴大，并構成2條與主應力方向垂直的共軛裂縫。為了定量評價壓裂縫網的復雜程度，基于震源在平面上的空間分布進行直線擬合，將擬合系數作為評價復雜程度的依據。擬合系數越大，表示縫網復雜指數越低，線性擬合關系如式(3)所示：

圖7 民X-1井第1層壓裂縫動態擴展過程

IFC=1-R2

(3)

式中：IFC—— 裂縫復雜指數；

R2—— 擬合系數。

經擬合，該壓裂層的裂縫復雜指數為0.63。

3 壓裂縫幾何形態對比

將研究區域3口壓裂井產生的微地震震源位置在空間上進行疊放對比，對縫長、縫寬與縫高進行歸一化(見圖8)。經統計，可得研究區域內3口壓裂井的裂縫形態特征：

圖8 研究區3口壓裂井微地震裂縫規模對比

(1) 縫長。民X-3井的壓裂縫最短，民X-2井次之，民X-1井的壓裂縫最長。

(2) 縫寬。民X-3井的壓裂縫最寬，民X-2井次之，民X-1井的壓裂縫最窄。

(3) 縫高。民X-3井和民X-2井高度相似，均小于民X-1井。

(4) 裂縫復雜指數。民X-3井裂縫復雜指數最高，民X-2井次之，民X-1井的裂縫復雜指數最低。

總體上，沿著西北 — 東南方向，3口井的壓裂縫規模遞增，裂縫復雜指數遞減。其中，民X-3井的壓裂縫規模較小，裂縫復雜指數較高，形成粗短的復雜縫網結構；民X-1井的壓裂縫規模較大，裂縫復雜指數較低，形成細長的條帶狀縫網結構，沿著北 — 東方向不斷延伸；民X-2井的壓裂縫規模與裂縫復雜程度則處在民X-3井與民X-1井之間。

4 壓裂縫幾何形態影響因素分析

上述3口壓裂井總計6個壓裂層段均屬于扶余油層的泉4段，巖性基本相同，主要由泥巖與粉砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖互層組成。為進一步探索影響壓裂縫幾何形態的因素，對這3口壓裂井的水力壓裂施工參數(加砂總量與累計液量)與裂縫形態特征作了定量對比分析，并總結壓裂施工參數對壓裂縫延伸形態的影響規律。

根據第1、2層水力壓裂期間的加砂總量、累計液量、最大壓力統計對比結果(見圖9)，以及水力壓裂期間的加砂總量、累計液量與裂縫規模、裂縫復雜指數的關系(見圖10)，得到以下認識：

圖9 研究區3口壓裂井加砂總量、累計液量、最大壓力統計對比

圖10 研究區3口壓裂井加砂總量、累計液量與裂縫規模、裂縫復雜指數的關系

(1) 壓裂縫的規模與累計液量、加砂總量之間具有明顯的正相關性。

(2) 隨著累計液量、加砂總量的增加，壓裂縫長度也明顯增大，而壓裂縫高度增幅不明顯。這表明該區域的垂向應力大于水平應力，而水力壓裂主要提供的是剪切方向上的應力，因此加大排量和加砂總量無法使裂縫高度明顯增大。

(3) 壓裂縫的規模與最大壓力之間無明顯的相關性，因為最大壓力只起到破裂地層的作用，當地層破裂后支撐裂縫的開啟主要是受排量和加砂總量的影響。

由于加砂總量、累計液量與縫長、縫高具有較明顯的正相關性，因此可通過對壓裂施工參數與壓裂縫規模的最小二乘擬合推導出壓裂縫長和縫高的預測公式：

(4)

式中：lf—— 預測的裂縫長度；

hf—— 預測的裂縫高度；

Vf—— 壓裂期間的累計液量；

Vs—— 加砂總量。

由式(4)可知，裂縫長度、裂縫高度總體上與累計液量、加砂總量具有較強的線性正相關性。由于裂縫寬度、裂縫復雜指數與累計液量、加砂總量的相關性不顯著，且研究區壓裂數據規模有限，因此無法得到明確的擬合關系。

5 結 語

通過井下微地震監測，對松遼盆地新民油田南部的3口壓裂井的裂縫幾何形態特征作了定量對比，對壓裂縫形態、復雜指數與壓裂施工參數之間的關系作了定性分析，并推導出研究區內基于壓裂施工參數的壓裂縫長、縫高的預測關系式。經過分析，得到以下認識：

(1) 研究區內的水力壓裂縫主體沿著NE66.3° — NE77°方向延伸，最大水平主應力方向為北東向。

(2) 研究區內的水力壓裂縫基本沿最大主應力方向擴展，除沿最小主應力延伸的分支裂縫外，未見裂縫主體方位發生大的轉變。這意味著在壓裂地區，壓裂縫受天然裂縫的影響較小。

(3) 壓裂縫整體呈近東西向的條帶狀裂縫，但其內部分布著沿北西 — 南東方向延伸的分支裂縫和沿北東 — 南西方向延伸的分支裂縫，形成網狀交叉裂縫。

(4) 民X-1井、民X-2的第1層壓裂段微地震事件在深度上有重疊，存在重復壓裂現象，為此需要進一步調整優化壓裂施工參數。

(5) 研究區內加砂總量、累計液量的增加都可使裂縫的長度、高度增大，但是對于裂縫的寬度并無影響。