水力压裂井中监测方法受监测条件限制和成本控制, 往往采取单井监测, 而水平井的水平段长达上千米, 因而某些压裂段超出监测范围而无法监测, 而且被监测到的压裂段有时会出现靠近监测井一侧微地震事件大量分布, 而远离监测井一侧事件偏少或无事件, 形成不对称压裂裂缝现象。研究分析井中监测到的不对称压裂裂缝形成原因, 真实再现储层压裂裂缝形态, 对指导现场压裂施工调整和后期压裂效果综合评价、井位部署、井网优化至关重要。

震级-距离交会图^[1]能确定监测的极限距离, 无法识别超出极限距离的小震级事件, 也不能确定未压开储层的原因。微地震事件的空间分布与储层密切相关^[2-4], 储层天然裂隙或断层、应力状态、岩石力学性质、岩性、沉积作用、压裂工艺均会影响压裂裂缝的扩展^[5-10], 形成特有的微地震事件分布特征。赵超峰等^[11]将微地震和三维地震数据结合, 发现地层变形形成的高应力区对压裂裂缝形成阻挡, 造成微地震事件的不对称分布, 李大军等^[12]研究发现天然裂隙的存在易于使微地震事件沿裂隙方向呈线性分布, 赵争光等^[13]研究发现水力压裂裂缝更倾向在砂岩中延伸, 砂、泥岩的分界面成为微地震事件的延伸终点, 杨瑞召等^[14]介绍了与区域主应力方向正交或大角度斜交的闭合断层形成压裂屏障而阻断压裂缝延伸的实例。

本文利用能表征储层特征的三维地震数据做中间桥梁, 解释微地震事件的分布特征, 首先介绍微地震属性、三维地震属性理论基础, 以及二者的相关性; 然后提出综合微地震属性、研究区地质认识、三维地震数据的井中监测不对称压裂裂缝解释方法和技术流程, 研究储层对微地震事件空间分布影响, 分析不对称压裂裂缝的形成原因; 最后给出了辽河探区的两个监测实例。

微地震属性包括微地震的发生时间、空间位置、震级、b值、震源机制等^[15-17], 对压裂裂缝解释至关重要。微地震事件是储层对水力压裂的响应, 因此, 微地震属性与储层、压裂工艺密切相关。

对均匀储层, 最小主应力方向最易破裂, 水力压裂裂缝应沿最小主应力正交方向对称扩展, 然而储层的横向非均质性, 特别是断层和天然裂隙的存在, 可造成水力压裂裂缝的不对称性。侯冰等^[18]通过压裂模拟实验展示了压裂裂缝沟通天然裂缝后转向形成的复杂缝网。储层最大、最小水平主应力差越小, 压裂越易产生网状缝, 微地震事件分布越发散, 而应力差越大, 压裂裂缝越易呈线状扩展, 微地震事件表现为集中分布。岩石力学性质对压裂裂缝起裂和延伸起重要作用, 岩石脆性指数^[19]越高, 岩石起裂压力越小, 越利于压裂产生, 裂缝宽度增加, 可形成复杂缝网, 压裂效果较好, 微地震事件数量增多, 而岩石脆性指数越小, 压裂裂缝形态越单一, 裂缝宽度小, 微地震事件数量偏少, 不利于压裂, 且脆性指数高的岩石比脆性指数低的岩石裂缝扩展速度快^[20-21]。对砂泥岩储层, 泥岩比砂岩脆性低, 不易压裂, 往往成为压裂隔挡层。沉积作用使储层岩性、孔隙结构、物性、脆性等存在差异, 影响压裂裂缝扩展。李红梅等^[22]研究发现, 砾岩扇体扇中比扇根分选性好、泥质含量低、物性好、脆性大, 对应的微地震事件数量多且分布密集, 破裂规模大。

震级是表征地震强弱的量度, 震级越小, 破裂尺度越小, 破裂能量越弱^[23]。震级属性可帮助区分压裂裂缝和断层活化, 断层活化诱发的微地震震级大, 并伴有小震级发生, 整体震级差异较大^[24]。震级属性可识别监测距离造成的监测偏差, 震级-距离交会图能定量确定监测的极限距离, 超出极限监测范围发生的事件将无法检测, 如果微地震事件分布边缘既有大震级事件又有小震级事件, 说明破裂事件在检波器的有效监测范围内, 可从储层方面分析微地震事件不对称分布原因, 如果微地震事件分布边缘仅存在大震级事件, 说明能量弱的小震级事件经长距离传播、衰减, 被噪声湮灭而无法被识别。

微地震事件的发生频率和震级同天然地震一样遵循幂律关系。古登堡和里克特提出全球地震活动遵从如下关系^[25-26]:

式中:M表示震级; N_M表示震级不小于M的地震或者事件累计数目; a和b均为常数。b值可辅助判断水力压裂是否受天然裂缝或断层影响, 一般断层活化、水力压裂诱发的微地震事件b值分别在1和2左右, 若b值偏小, 表明大震级事件增多, 压裂裂缝受天然裂缝或断层影响较大。

三维地震属性是通过对地震数据体进行数学变换而导出的有关地震波的几何形态、运动学特征、动力学特征的特殊测量值, 能表征地下岩性、物性和含油气性^[27]。相干体属性属于三维地震属性的一种, 主要利用相邻地震道的波形相似性原理, 求同存异, 突出不相关的异常现象, 来描述地层的横向不均匀性^[28-29]。断层、天然裂隙处地震波会发生变化, 形成相干异常区域, 因此, 可通过相干体水平切片上的异常区域识别断层或天然裂缝的平面分布。

根据上述理论基础, 井中微地震监测方法监测到的不对称压裂裂缝可能由监测偏差或储层特征造成, 一方面, 能量弱、频率高的微地震信号在地层传播的过程中, 发生球面扩散、高频吸收衰减等, 传播到检波器时, 被噪声湮灭而无法识别, 以及微地震能量辐射具有方向性^[30], 单井监测仅接收单个方向的辐射能量, 造成某些方向信号检测不到, 形成不对称压裂裂缝假象; 另一方面, 储层横向非均质性可造成压裂裂缝的不对称生长。因此本文提出综合微地震属性、三维地震数据、区域地质资料、监测距离的微地震解释方法, 通过多资料分析, 多角度验证, 分析不对称压裂裂缝形成的原因。

解释流程:①分析微地震监测描述的压裂裂缝分布特征, 包括缝长、缝网波及宽度、走向、对称性等, 寻找微地震事件异常分布现象; ②综合三维地震数据和区域地质认识研究储层特征, 分析储层横向变化, 包括天然裂隙或断层发育情况、岩性变化等; ③将微地震事件和三维地震数据叠合显示, 研究储层和微地震事件空间分布的相关性, 重点分析短缝一侧是否存在压裂阻挡、长缝一侧是否存在压裂诱导, 综合分析压裂裂缝不对称原因, 总结微地震事件分布规律, 真实评价压裂改造效果; ④从微地震震级、b值、压裂施工曲线、监测距离等角度验证不对称压裂裂缝解释的准确性, 提高解释的可信度。

W-H1水平井位于辽河探区W区块, 目的层为沙三段, 该井目的层成藏条件优越, 位于构造高部位, 砂体较发育且分布较稳定, 压裂增产潜力较大。储层孔隙度平均为18.0%, 渗透率平均为4.9×10^-3μm², 属于中孔、低-特低渗储层; 储层段厚度58m, 岩性为粉砂岩、细砂岩互层, 有效厚度在细砂岩段集中发育, 整体砂体呈块状, 隔夹层薄且分散; 储层脆性指数较高, 平均为85.5%, 且最大和最小水平主应力差小, 具备形成复杂裂缝条件。

W-H1井分9段28簇压裂。选取W井作为监测井, 监测井和压裂井相对位置关系见图 1, 监测井放置9级级间距为10m的三分量检波器, 检波器串中心距第1段射孔位置302m, 距第5段射孔位置505m。

图 1(Fig. 1)

图 1 压裂井和监测井相对位置的俯视图(a)与侧视图(b)(实例一)

本次监测受监测距离限制, 只监测了前5段, 共监测到93个微地震事件, 监测结果见图 2(球的颜色表示压裂段, 球的大小表示震级), 各段事件相对较发散, 波及宽度大; 压裂裂缝优势走向为北偏东27°~32°, 变化不大; 压裂裂缝在压裂井两翼呈不对称分布, 靠近监测井一侧(南侧)半缝长大于远离监测井一侧(北侧)半缝长; 缝高均在压裂目的层内。

图 2(Fig. 2)

图 2 W-H1井监测结果的俯视图(a)与侧视图(b)

该区地质认识较清楚, 图 3显示了沙三段Ⅱ砂岩组顶界, 虚线为预测的砂体展布范围, W-H1井北侧砂体边界与水平井距离最远达500m, 砂体展布范围不存在岩性阻挡。图 4为相干体切片和微地震事件的叠合显示, 白色区域相干性强, 天然裂隙或断层不发育; 灰黑色条带状位置相干性差(黄色箭头位置), 表示天然裂隙或断层。由图 4可知, 工区受断裂控制, 压裂井北侧相干性较强, 储层较为均匀, 不存在断层阻挡。各段压裂裂缝优势走向为北偏东27°~32°, 判断该区最大水平主应力方向为北北东向, 压裂裂缝走向与图 4右侧黄色箭头位置处落实的断层走向一致, 图 4红色圆圈位置是第3段监测到的3个孤立事件, 应是第3段压裂压力转移、传导, 在断层附近产生的“干事件”。由储层特征分析可知, W-H1井北侧不存在压裂阻挡, 微地震监测反映的不对称裂缝可能因压裂井北侧距检波器远, 未监测到事件而形成的一种假象。下面利用微地震震级属性进行验证。

图 3(Fig. 3)

图 3 W区块沙三段Ⅱ砂岩组顶界

图 4(Fig. 4)

图 4 微地震事件和相干体切片叠合显示(实例一) a 2 640m相干体切片; b 2 650m相干体切片

图 5为震级-距离交会分析结果(不同颜色表示不同压裂段事件), 可以看出, 本次最大监测距离为530m, 且随监测距离增大, 相应小震级事件将无法监测。图 6显示了微地震事件震级, 颜色由蓝色到红色, 表示震级由小到大, 压裂井北侧事件(图 6红色椭圆处)震级相对较大, 震级越大, 在一定程度上反映破裂尺度较大, 能量较强。在压裂井北侧均匀储层, 只能监测到大震级事件, 说明伴随发生的小震级事件因距检波器远, 经过长距离传播衰减, 到达检波器时, 能量级别低于背景噪声, 被噪声湮灭而无法被识别。如果压裂井北侧既有大震级事件又有小震级事件, 说明微地震事件还在检波器的有效监测范围内, 会监测到相伴随发生的小震级事件。

图 5(Fig. 5)

图 5 震级-距离交会分析结果

图 6(Fig. 6)

图 6 微地震事件震级显示

为研究微地震事件的统计效应, 对监测到的所有微地震事件进行震级统计, 震级变化范围为[-2.44, -1.75], 变化范围较小, 主要集中在中间范围; 对所有微地震事件进行b值拟合(图 7), b值为2.4, 偏大, 说明相对小的震级事件占总事件比例较大, 总体破裂尺度小, 压裂未受断层或天然裂隙影响, 可验证储层天然裂隙或断层不发育。

图 7(Fig. 7)

图 7 b值计算(实例一)

综合分析认为, 压裂井北侧储层均匀, 不存在岩性或断层阻挡, 微地震监测反映的不对称压裂裂缝是因监测距离远未监测到微地震事件而形成的假象, 压裂井两翼的压裂裂缝规模应该相当; 对均匀储层压裂, 各段压裂裂缝走向变化小, 与最大水平主应力方向近于平行的断层的走向一致; 最大和最小水平应力差小且天然裂隙或断层不发育的储层, 微地震事件分布较发散, 震级变化范围小, b值偏大, 破裂尺度较为均匀且偏小。

S-H1水平井位于辽河探区S区块, 压裂目的层为沙四段, 该层段属于低孔、特低渗高凝油储层, 孔隙以中孔为主, 喉道以片状、弯片状为主。水平段油气钻遇率达98%, 参考相邻井脆性指数为50%~70%, 最大、最小水平主应力差为3~6MPa。

S-H1井压裂井段为3446.0~3882.2m, 分6段18簇进行储层改造。选取S井作为监测井, 压裂井和监测井位置关系见图 8, 监测井放置11级级间距为10m的三分量检波器, 检波器串中心距最远射孔位置336m。

图 8(Fig. 8)

图 8 压裂井和监测井相对位置的俯视图(a)与侧视图(b)(实例二)

本次6段压裂均监测到微地震事件, 共135个, 监测结果见图 9(球的颜色表示压裂段, 球的大小表示震级), 第1段微地震事件数量较多且集中分布, 压裂裂缝在压裂井两翼对称分布; 第2段至第4段靠近监测井一侧微地震事件数量多, 远离监测井一侧数量偏少, 压裂裂缝在压裂井两翼不对称分布; 第5段、第6段在压裂井西侧半缝长略大于东侧半缝长; 压裂裂缝整体走向为北偏东46°~87°, 各段压裂裂缝走向变化较大; 缝高均在压裂目的层内。

图 9(Fig. 9)

图 9 S-H1井监测结果的俯视图(a)与侧视图(b)

本次6个压裂段距检波器较近, 根据该区块以往监测经验, 各段均在有效监测范围内, 基本可排除监测距离原因造成微地震事件的不对称分布现象, 因此, 重点研究储层对压裂的影响。图 10为S区块沙四段Ⅲ砂岩组开发井位部署图, 红色箭头为该区主应力方向, S-H1井位于大断裂附近, 因此, S-H1井储层可能发育天然裂隙或微断层。图 11为相干体切片和微地震事件叠合显示图, 白色区域相干性强, 天然裂隙或断层不发育; 灰黑色条带状位置相干性差, 揭示了天然裂隙或断层平面发育特征。由图 11可知, 微地震事件平面分布与相干体切片具有很强的相关性, 第1段在压裂井两翼均发育天然裂缝或断层, 根据摩尔-库伦准则, 微地震事件易于沿已有裂隙面发生^[31], 水力压裂裂缝沟通天然裂隙或断层, 天然裂缝或断层在高压液体作用下由闭合状态发生膨胀, 导致剪切破裂, 产生微地震, 压裂裂缝沿天然裂缝或断层向压裂井两翼延伸, 形成对称裂缝, 另外, 压裂的缝长不大, 可验证压裂液在天然裂缝或断层存在漏失现象; 天然裂隙或断层属于阻力小的路径, 水力压裂裂缝易于沿阻力最小的方向生长, 第2段至第4段井轨迹东侧比西侧天然裂缝或断层发育, 因此, 东侧比西侧阻力小, 诱导压裂裂缝优先沿井轨迹东侧天然裂缝或微断层延伸, 形成东侧缝长, 西侧缝短的不对称压裂裂缝; 第5段、第6段在井轨迹西侧比东侧天然裂缝或断层略微发育, 而压裂形成的西侧半缝长略大于东侧半缝长。

图 10(Fig. 10)

图 10 S块沙四段Ⅲ砂岩组开发井位部署

图 11(Fig. 11)

图 11 微地震事件和相干体切片叠合显示(实例二) a 3 240m相干体切片; b 3 250m相干体切片

本井压裂过程中, 施工压力出现下降趋势, 说明地层易于开启, 可验证储层天然裂缝或断层较为发育。为研究微地震事件的统计效应, 对监测到的所有微地震事件进行震级统计, 震级变化范围为[-2.3, -0.6], 震级变化范围大, 且大震级事件数量增多; 对所有微地震事件进行b值拟合(图 12), b值约为1.3, b值偏小可验证本次压裂受天然裂隙或断层影响较大。

图 12(Fig. 12)

图 12 b值计算(实例二)

综合分析认为, 与最大水平主应力平行或近于平行的天然裂缝或断层起到压裂诱导作用, 导致压裂裂缝优先沿天然裂隙或断层方向延伸, 形成不对称压裂裂缝, 同时造成各段裂缝走向差异大; 受天然裂隙或断层影响, 微地震事件分布比较集中, 震级变化范围较大, b值偏小。

本文针对辽河探区两个水力压裂井中监测形成不对称压裂裂缝实例, 综合地质研究成果、地震数据、微地震属性, 研究储层对压裂的影响, 分析查明了监测距离、天然裂缝或断层导致微地震事件不对称分布的原因, 真实可靠地评价了压裂效果, 证明了本文提出的水力压裂井中监测不对称压裂裂缝分析方法的实用性。为提高监测效果, 应选择监测距离合适的监测井, 或采用多井监测, 避免因监测条件造成不对称压裂裂缝假象; 如果监测距离在有效范围内, 及时从储层角度分析不对称压裂裂缝形成原因, 以指导压裂施工。本文研究得到以下认识:

1) 综合利用微地震震级属性和储层特征, 可识别由于监测距离远无法监测到微震事件而形成不对称压裂裂缝假象, 真实评价压裂改造效果;

2) 对最大、最小水平主应力差小的均匀储层, 各段水力压裂裂缝走向大体一致, 微地震事件发散, 压裂波及宽度大, 微地震事件震级变化范围小;

3) 与主应力方向平行或近于平行的天然裂隙或断层可起到压裂诱导作用, 诱使压裂裂缝优先沿天然裂缝或断层发育, 微地震事件表现为集中分布, 震级变化范围大。