水平井壓裂微地震監測成果的不對稱性分析

董文波，桂志先，王亞楠，張和排，靳鵬飛

(1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北武漢 430100；2.長江大學地球物理與石油資源學院，湖北武漢 430100；3.中國石油遼河油田公司勘探開發研究院，遼寧盤錦 124010；4.東方地球物理公司研究院地質研究中心，河北涿州 072750；5.東方地球物理公司裝備服務處，河北涿州 072750；6.東方地球物理公司新興物探開發處，河北涿州 072751)

0 引言

微地震監測技術是水平井壓裂效果評價的重要手段，對于低滲油氣藏、非常規油氣的精細開發具有重要的實際意義[1-5]。而微地震監測實踐顯示，在很多水平井壓裂微地震監測成果中存在不對稱性，即微地震事件在水平井的水平段兩側或上下分布不均勻，或者僅在單一方向分布微地震事件[6-8]。導致這種不對稱性的因素復雜多樣[9-12]，而且對于客觀評價水平井壓裂效果具有重要意義[13-15]。前人針對水平井壓裂微地震監測成果不對稱性的研究較少，且主要集中在工程方面和天然裂縫方面[16-19]。龔才喜等[20]根據室內實驗研究發現，天然裂縫對人工裂縫具有誘導作用。壓裂過程中，隨著壓裂液的延伸，天然裂縫寬度增加，相互連通，導流能力增強，壓裂裂縫發育在天然裂縫集中區，導致不對稱的微地震事件分布；趙超峰等[18]認為在微地震監測過程中，監測井與壓裂井距離過大會導致部分壓裂井段的微地震信號無法被接收，造成遠離監測井區域微地震事件過少，從而形成微地震事件的不對稱分布。

綜上所述，目前對于微地震監測成果不對稱性的分析多基于室內實驗或者個例分析，缺少系統性研究。為此，本文在前人研究的基礎上，采用地質—工程一體化的研究思路，綜合分析了遼河油田“十三·五”以來54口微地震監測井的地質研究成果、壓裂施工成果以及微地震監測成果，系統總結了水平井壓裂微地震監測成果不對稱性的成因機制，對于客觀評價壓裂效果，指導后期開發部署、壓裂設計具有重要的實際意義。

1 不對稱性分析方法

水平井壓裂微地震監測實踐表明，導致微地震監測成果呈不對稱分布的原因主要包括工程因素、地質因素、完鉆井分布等三個方面，其中地質因素主要指儲層特征，包括天然裂縫、斷層發育情況、巖性變化、地應力特征等，所以分析微地震事件分布不對稱的成因，需要從微地震監測技術、基礎地質特征以及壓裂施工等多角度進行綜合分析。主要涉及微地震監測技術、裂縫預測技術、儲層預測技術等。

微地震監測技術是通過觀測、分析水力壓裂過程中產生的微地震事件來監測、評價壓裂效果的地球物理技術，其基礎是地震學，核心是根據檢波器接收到的地震信號計算震源位置、發生時間以及震源強度等核心參數，并且根據微地震事件空間分布定量地計算壓裂裂縫的長、寬、高以及儲層改造體積，對壓裂效果進行評價[21-25]。關鍵步驟如下：①根據研究需要及客觀條件制定微地震采集方案；②對采集數據進行處理解釋，具體包括檢波器定向、初至拾取、建立速度模型等，確定微地震事件發生的位置、時間及能量；③根據微地震事件空間分布，確定壓裂裂縫的幾何參數，具體包括壓裂裂縫的長、寬、高以及儲層改造體積[2-4]。

本文所涉及的裂縫預測技術主要包括相干體技術和螞蟻體技術，其中相干體技術是基于傳統的能量歸一化互相關原理，計算多道地震數據間的相似程度，根據相干性的高低顯示數據的連續或中斷，進而對由于斷層、巖性引起的不連續性進行表征[24]。裂縫集中發育區內部相干性較差，與不發育裂縫的區域存在規律性的相干性差異，所以可以應用該技術對裂縫集中發育區進行識別。螞蟻體技術是基于螞蟻算法實現對三維地震數據中斷裂、裂縫自動解釋。首先根據斷裂、裂縫的地震響應特征設定大量電子螞蟻，并讓電子螞蟻在地震數據中沿著可能的裂縫、斷層追蹤和識別，并作出標記，最終形成一個只顯示斷層、裂縫的全新的數據體，據此可以實現對裂縫的識別[25]。

儲層預測技術主要以約束稀疏脈沖反演為主，由于水平井體積壓裂適用于低滲儲層或非常規油氣的開發，而此類油藏多具有儲層厚度大、平面分布廣泛且連續的特點，對儲層預測技術要求較低，所以多采用約束稀疏脈沖反演技術。該技術是基于稀疏脈沖反褶積的遞推反演方法，針對地震記錄的欠定問題，假設地震記錄是由一系列疊加于高斯背景上的強反射系數組成的，在此條件下以不同的方法估算地下強反射系數和地震子波，并直接根據褶積公式將地震記錄通過遞推計算轉換為反演剖面。該技術比較完整地保留了地震反射的基本特征，不存在多解性，在儲層分布相對穩定的條件下，可以更客觀地反映儲層的空間展布[22]。

2 工程因素導致的微地震監測成果不對稱

在對水平井壓裂進行微地震監測時，由于微地震監測施工而導致的監測成果不對稱稱之為工程因素，需要明確的是，該因素并非由于施工失誤而造成，而是由于客觀監測條件較差導致，主要原因是監測井與水平井的壓裂井段距離過大。確定工程因素導致的微地震監測成果不對稱，對于客觀評價壓裂效果具有重要的實際意義。

W77-H1井位于遼河坳陷中央凸起南部傾沒帶，緊鄰清水洼陷，目的層為沙河街組三段，儲層為扇三角洲前緣水下分流河道砂巖、砂礫巖，儲層平均脆性指數為85.5%，隔夾層零散分布且厚度小于3 m，儲層滲透率小于1 mD。W77-H1井水平段長520 m，采用速鉆橋塞方式分9段壓裂。周邊僅1口完鉆井W77井，所以只能選取該井作為監測井，檢波器沉放深度為2540～2630 m，共10級，W77-H1井水平段與檢波器距離為300～735 m。

圖1為W77-H1井微地震監測成果俯視圖。圖2為W77-H1井微地震事件密度體俯視圖，代表微地震事件的空間分布密度。由圖1、圖2可見，微地震事件在W77-H1井水平段南北兩側分布具有較強的不對稱性，微地震事件集中分布于水平段南側，北部較少，而且縫長與南部相比大幅減小。地質研究成果顯示該井水平段位于優質儲層中部，且不存在巖性變化，天然裂縫及斷層不發育，說明該井微地震監測成果的不對稱性并非由于地質因素引起。通過對微地震事件分布規律與監測井檢波器之間的距離進行統計發現，由于W77-H1井距W77井較遠，僅靠近監測井的前5段壓裂接收到了信號，距離大于550 m的后4段沒有微地震信號，而且前5段的微地震事件分布也存在明顯的趨于監測井的趨勢，隨著與監測井距離的增加，微地震事件數量減少，充分證明了該井微地震事件的不對稱性是由于監測井與壓裂井距離過大，微地震事件能量經過長距離傳播衰減，低于背景噪聲或與背景噪聲相當而被淹沒所導致。

圖1 W77-H1井微地震事件俯視圖

圖2 W77-H1井微地震事件密度體俯視圖

3 地質因素導致的微地震監測成果不對稱

3.1 天然裂縫引起的微地震監測成果不對稱

當水平井位于裂縫集中發育區內部或者裂縫集中發育區與水平井之間的距離小于壓裂縫長時，壓裂裂縫的發育不再完全受地應力的約束，而是沿著裂縫或微斷裂集中發育，從而導致代表壓裂裂縫分布的微地震事件在水平井兩側呈現明顯的不對稱性。

壓裂井S268-H311位于遼河坳陷大民屯凹陷平安堡—安福屯構造帶，目的層為沙河街組四段，儲層為扇三角洲水下分流河道的含礫細砂巖；監測井S268-34-20與壓裂井水平段的距離為264～342 m，檢波器沉放深度為3100～3200 m。為了分析壓裂裂縫發育特征與天然裂縫的關系，將可以反映地層連續性的相干體切片與代表壓裂裂縫發育的微地震事件進行疊合分析(圖3)。由圖3可以看出，壓裂裂縫在水平井兩側分布不均勻、不對稱，而且規律性較差。結合相干體切片分析發現，壓裂裂縫與天然裂縫集中發育區的分布具有較高的一致性，吻合率為94.8%，壓裂裂縫主要集中在天然裂縫或小斷層發育區。這是由于裂縫、小斷層的滲透率遠高于儲層的滲透率，甚至閉合裂縫的滲透率都是儲層滲透率的數倍乃至數十倍[20]。在壓裂過程中，壓裂裂縫遇到天然裂縫時，高壓壓裂液會使閉合裂縫重新開啟，而且隨著壓裂液的不斷注入，裂縫寬度不斷增加，導流能力顯著增強，壓裂裂縫會在天然裂縫的導流作用下轉向，繼而沿著天然裂縫延伸，從而導致微地震事件在水平井兩側不對稱分布。

圖3 S268-H311井微地震事件與3240 ms相干體切片疊合

3.2 斷層引起的微地震監測成果不對稱

當斷層與水平井的距離小于壓裂縫長時，斷層對水平井壓裂裂縫的發育具有誘導和屏蔽的作用。即當斷層發育時，壓裂過程中的高壓會在一定程度上引起斷層的活化，壓裂液溝通斷層后沿著斷面向前延伸，導致壓裂裂縫主要集中在斷面上，而且難以越過斷層到達另一側，形成遠離水平井的微地震事件集中發育區。

J2-H205井位于遼河油田外圍開魯盆地交2區塊，目的層為白堊系九佛堂組上段，儲層以凝灰質砂巖為主。該井分13段壓裂，其中1～7段用J58-48井作為監測井，檢波器沉放深度為1340～1420 m，共9級，級間距為10 m，監測距離為334～543 m。圖4為第5段微地震監測結果俯視圖，圖5為第5段微地震監測結果側視圖，圖6為過J2-H205井水平段與微地震事件集中發育區的地震剖面。由圖4可以看出，該段壓裂出現明顯的異常，代表壓裂裂縫分布的微地震事件在井周圍不發育，而是呈條帶狀集中發育在J2-H205井東側約40 m處，而且具有明顯的規律性。由圖5可以看出微地震事件在縱向上呈面狀分布，高約為160 m，寬約為220 m，靠近射孔位置微地震事件密度最大，隨著遠離射孔位置，微地震事件發生頻率逐漸減小。結合圖6分析發現，J2-H205井第5段的所有微地震事件均沿著斷面分布，這是由于斷層距水平井的水平段過近，在壓裂過程中，壓裂裂縫溝通斷層，高壓壓裂液使斷層及周圍的伴生裂縫活化，而且隨著壓裂液的不斷注入，斷面活化范圍不斷增加，導流能力逐漸增強，壓裂液在斷面的導流作用下，沿著斷面延伸，從而使該段壓裂無法有效改造儲層，而且壓裂裂縫也無法越過斷面到達另一側，形成了遠離水平井的特殊不對稱分布。

圖4 J2-H205井第5段微地震監測成果俯視圖

圖5 J2-H205井第5段微地震監測成果側視圖

圖6 過J2-H205井地震剖面(位置見圖4)

3.3 巖性變化引起的微地震監測成果不對稱

水平井壓裂微地震監測實踐表明，巖性變化可以導致水平井壓裂微地震監測成果的不對稱性。巖性變化主要包括縱向和橫向變化兩種情況?？v向巖性變化即發育隔夾層，而橫向巖性變化則是由儲層變為非儲層或者由優質儲層變為差儲層。兩種情況可以分別導致微地震監測成果在縱向和橫向上的不對稱。

3.3.1 隔夾層發育導致的微地震監測縱向不對稱

水平井壓裂的微地震監測實例表明，當厚儲層內部發育隔夾層時，水平井壓裂裂縫會受到較大影響，此時壓裂裂縫無法穿過隔夾層而對隔夾層以外的儲層進行改造，從而形成微地震監測結果在縱向上不對稱。

J2-H1井位于遼河油田外圍開魯盆地交力格洼陷南部的交南斷鼻上，目的層為白堊系下統九佛堂組上段Ⅱ油組、Ⅲ油組，儲層主要為近岸水下扇的細砂巖。J2-H1井水平段部署于Ⅱ、Ⅲ油組中間部位，原始方案設計擬采用體積壓裂的方式同時溝通Ⅱ、Ⅲ油組，以提高開發效率，實現效益開發。圖7為J2-H1井微地震監測成果及J70-46井目的層巖性剖面，可以看出，J2-H1井在大斜度段壓裂效果較好，同時有效改造了Ⅱ、Ⅲ油組，平均縫高約為90 m；但水平段的微地震監測成果顯示，本次壓裂僅改造了Ⅲ油組，平均縫高約為80 m，Ⅱ油組并未有效改造。結合J2-H1井鄰井J70-46井縱向巖性分布特征分析發現，J2-H1井水平段Ⅱ、Ⅲ油組之間發育一套平均厚度約5 m的煤層，由于煤層的脆性指數較低且具有一定分布規模，所以壓裂裂縫無法穿過煤層對Ⅱ油組進行改造，從而導致了代表壓裂裂縫發育的微地震事件主要集中在J2-H1井水平段下部地層中，形成了縱向的不對稱。

圖7 J2-H1井微地震監測成果側視圖及J70-46井巖性剖面

3.3.2 巖性平面變化導致的微地震監測成果橫向不對稱

在水平井壓裂過程中，當側向儲層巖性發生變化時，壓裂裂縫僅在儲層內部延伸，無法延伸或者穿過側方非儲層，從而形成微地震監測結果的橫向不對稱性。

壓裂井S358-H205井位于遼河坳陷大民屯凹陷，目的層為沙河街組四段，儲層為扇三角洲水下分流河道的含礫細砂巖，儲層平均孔隙度為10%，平均滲透率為1.4 mD。依托水平井體積壓裂技術，為整體動用該塊儲量，規模部署水平井22口，S358-H205井位于工區西南側，根據前期儲層預測結果，該井距離儲層邊界約為150 m。圖8為S358-H205井微地震監測成果俯視圖，可以看出，該井的微地震監測成果是不對稱的，代表壓裂裂縫發育的所有微地震事件均發育在該井水平段北側，縫長約為190～230 m，南側幾乎沒有微地震事件分布。結合S28-22井分析發現，S28-22井目的層為非儲層，原儲層預測結果存在一定偏差，而S358-H205井的水平段位于儲層邊界處，所以導致了該井北部儲層發育的區域微地震事件較多，即壓裂裂縫發育程度較高，而南部為脆性指數較低的非儲層，壓裂裂縫發育程度較低甚至不發育，從而導致該井微地震監測成果出現了明顯的不對稱。

圖8 S358-H205井微地震監測成果俯視圖

3.4 最大主應力方向與水平井夾角引起的微地震監測成果不對稱

水平井壓裂微地震監測實踐表明，當最大主應力為水平應力，且水平井的水平段垂直于最大主應力方向時，壓裂裂縫分布垂直于水平段并在水平段兩側對稱發育。而當最大主應力方向與水平井存在夾角時，會使水平井壓裂微地震監測成果存在角度不對稱。

圖9為遼河油田鄂爾多斯礦區N175-H1井第1段壓裂微地震監測成果。該井位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡，水平段長1110.42 m，油氣層鉆遇率為100%，分15段壓裂。目的層為延長組，儲層為低孔、超低滲細砂巖，分布穩定，斷層、天然裂縫不發育。監測井為N175井，檢波器沉放深度為1700～1790 m，共10級，N175-H1井第1段與檢波器距離約336 m。由圖9可見，N175-H1井第1段壓裂微地震監測共計定位144個微地震事件，東西兩側壓裂裂縫半縫長分別為156、142 m，裂縫網格寬47 m，裂縫走向為北偏東52°，微地震事件在水平井兩側呈現良好的對稱性，為標準的當水平井水平段垂直于最大主應力方向時的微地震監測成果。

圖9 N175-H1井微地震監測成果俯視圖

圖10為遼河坳陷西部凹陷雷家地區L88-H1井第2段體積壓裂微地震監測成果，該井水平段長700 m，油氣層鉆遇率100%，分9級28簇分段壓裂。目的層為沙河街組四段，儲層為湖相泥質白云巖，分布穩定，研究區斷層、天然裂縫不發育。監測井為L88井，檢波器沉放深度為2440～2550 m，共12級，L88-H1井第2壓裂段距檢波器513 m。

由圖10可見，L88-H1井第2段體積壓裂微地震監測共計定位190個微地震事件，東西兩側壓裂裂縫半縫長分別為87 m和152 m，裂縫網格寬度為112 m，裂縫走向為北偏東114°，L88-H1井水平段與壓裂裂縫走向夾角為38°，微地震事件在角度、長度方面均表現出較強的不對稱性。分析其原因是由于L88-H1井部署時，為了兼顧構造走向與最大主應力方向，其水平段與最大主應力方向存在夾角，而壓裂裂縫在相對均質儲層中沿著最大主應力方向延伸，從而導致了微地震事件分布方向與水平段存在夾角。

圖10 L88-H1井微地震監測成果俯視圖

4 完鉆井導致的微地震監測成果不對稱

當完鉆井與水平井的距離小于壓裂縫長時，完鉆井對水平井壓裂裂縫的發育具有一定影響，壓裂裂縫會集中發育在完鉆井井周區域，形成微地震監測成果的橫向不對稱性。Q1-H101井位于遼河油田外圍張強凹陷七家子洼陷東北部強1區塊，目的層為白堊系沙海組，儲層為粉砂巖；采用雙井監測，監測井分別為Q1-44-13井和Q1-48-15井，監測井距壓裂井水平段距離為165～293 m。圖11為Q1-H101井微地震事件與1700 ms相干體切片的疊合，可以看出，研究區Q1-H101井附近相干性較強，說明儲層內部天然裂縫和小斷層不發育，而代表壓裂裂縫分布的微地震事件呈團簇狀集中分布在完鉆井Q1-48-15井附近。圖12、圖13分別為Q1-H101井第14和第15段(圖11中星號所示)微地震事件分布，可以明顯看出，壓裂裂縫在延伸過程中向著Q1-48-15井發生了明顯的轉向。由于Q1-H101井在2017年1月完鉆，而監測井Q1-48-15井于2011年2月完鉆，而且進行了壓裂改造，形成了一定范圍的儲層改造區域。此外經過長達6年的油氣生產，地下儲層能量虧空，形成局部低壓帶。Q1-H101距離監測井最小距離僅165 m，而靠近監測井處的壓裂縫長為150～250 m。在壓裂過程中，壓裂裂縫向著壓力最低的方向延伸，優先進入局部低應力帶，進一步導致壓裂裂縫在監測井周圍生長，形成了壓裂裂縫呈團簇狀集中在完鉆井周圍的不對稱現象。

圖11 Q1-H101井微地震監測成果俯視圖與1700 ms相干體切片的疊合顯示

圖12 Q1-H101井第14段壓裂微地震監測成果俯視圖

圖13 Q1-H101井第15段壓裂微地震監測成果俯視圖

5 結束語

本文綜合應用水平井壓裂微地震監測數據、儲層預測、裂縫預測以及壓裂施工等研究成果，明確了導致水平井壓裂微地震監測成果具有不對稱性的主要因素包括工程因素、地質因素以及完鉆井分布等三個方面。其中工程因素主要由于監測井與壓裂井距離過大，遠處微地震信號無法被接收而導致；地質因素包括天然裂縫、斷層、巖性變化以及最大主應力方向與水平段的夾角等4個方面。天然裂縫、縫長距離內的完鉆井會誘導壓裂裂縫集中分布于裂縫集中發育區和完鉆井周圍，形成平面上的不對稱現象。水平井附近的斷層會導致壓裂裂縫沿著斷面延伸，形成微地震事件遠離水平井且在水平井單側分布的不對稱現象?？v向隔夾層、橫向的巖性變化會對壓裂裂縫的延伸起控制和封隔作用，在很大程度上抑制壓裂裂縫延伸甚至無法形成裂縫。隔夾層的發育會導致縱向不對稱性的發生；橫向的巖性變化會導致微地震事件的在平面上具有不對稱性。當水平井與最大主應力方向不垂直時，微地震事件分布方向與水平井存在夾角，形成角度不對稱。