致密气层的砂体展布规模对压裂工艺设计和井网部署起着重要作用。目前主要通过沉积相研究进行砂体展布描述，但受不同时期资料限制，沉积相研究成果存在许多矛盾^[1]。勘探开发初期井距较大，因此所勾画出的砂体宽度不准确^[2]。在鄂尔多斯盆地东部某气田，应用沉积相研究的砂体展布成果，部署了3口水平井，砂体钻遇率均在20%以下，且部分直井压裂时加砂困难，直接影响该气田下一步开发；由于对砂体展布规模的认识不准确，导致探井压裂6口井中有4口井发生砂堵，缺少针对性的降低砂堵风险的方法。四维影像监测可以获取裂缝动态延伸的过程^[3]和破裂机制^[4]，在压裂井裂缝监测中得到广泛应用；同时由于四维影像监测施工便利、观测充分，其已成为研究的热点^[5]。目前在应用四维影像裂缝监测成果方面，公开的文献主要集中在对裂缝参数的识别及压裂效果的评价^[5-9]，很少进行砂体展布规模的认识和评价研究。由于砂岩脆性指数比泥岩大，因此压裂裂缝在泥岩中扩展困难，裂缝主要限制在砂岩区延伸^[10]，砂岩脆性越强，监测到的地震事件就越多^[11]，因此地震事件主要集中在砂岩区域。本文通过对压裂过程中砂岩和泥岩的破裂机理研究和破裂过程分析，对四维影像监测的不同时刻破裂能量进行过滤，分析压裂裂缝破裂和延伸过程，判断砂体规模，直接指导砂体展布认识，取得了较好的效果，提高了砂体认识的准确性，能够预测砂堵风险。

研究区位于鄂尔多斯盆地东部伊陕斜坡东段、晋西挠褶带西缘（图 1），发育致密砂岩气，储层平均孔隙度为7.72%，平均渗透率为1.7mD。研究区自下而上整体发育一套由海相—海陆过渡相—陆相沉积体系^[12]，主要层位石盒子组为陆相沉积体系，曲流河沉积体系发育程度较高^[13]，储层主要由陆源碎屑岩组成，碎屑成分主要为石英、长石和岩屑^[14-15]；岩性以长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩、岩屑砂岩为主，含少量砂砾岩、岩屑石英砂岩、泥质粉砂岩、含砂质泥岩。结合钻遇情况和野外露头观测资料，研究区石盒子组单砂体宽度为50~100m。

图 1

图 1 研究区位置图 Fig. 1 Location of the study area

四维影像裂缝监测技术是近年来发展起来的新技术，主要用于裂缝参数的获取及裂缝扩展、压裂效果的评价等。该技术主要采用基于光束叠加的被动地震发射层析成像技术（PSET），并采用无源地震的微地震三分量检波器采集数据, 进行纵波和横波的振幅属性分析, 采用相关体数据计算处理方法, 得出压裂期间不同时刻地层岩石破裂和高压流体活动释放的能量分布情况^{[4-5, 16]}。压裂时压裂液以高于破裂压力注入地层中，岩石产生剪切和弹性破裂，在裂缝周围应力比较薄弱的地方会产生微地震事件^[17]。通过三分量检波器可以监测出破裂过程中产生的横波和纵波，得出其不同时刻的破裂位置，对各个时刻破裂能量进行叠加，就能获取整个压裂过程中的破裂情况^[17]。

储层破裂过程及延伸机理研究认为，储层岩性对压裂裂缝延伸具有主要控制作用，由于砂岩脆性较强，泥岩脆性较弱，因此压裂的裂缝被限制在砂岩区域内^[10]。即每次监测到的破裂均发生在砂岩内，同时石英含量越高，岩石脆性越强，地震事件越多^[11]。因此可以根据压裂过程中监测到的不同时刻破裂能量分布，识别出不同时刻的压裂裂缝形态及破裂过程，进而间接获取压裂井周围的砂体展布规模，辅助沉积相研究。

四维影像裂缝监测过程中，在某一时刻通过射线追踪监测区域内某一个点的振动方位和振幅，并叠加所有采集站点的信号，经过归一化后得出空间中该点的破裂能量S^{[9, 11]}。由于向量叠加后监测到的有效信号被加强，环境噪声相对减弱，因此可以准确得出监测区内每个点在不同时刻的破裂能量S。

通过对不同时刻的破裂能量S切片，并过滤掉井筒以外的破裂能量，可以准确识别压裂裂缝的延伸过程（图 2）。如A208井压裂初期，裂缝在长度方向上已经形成了一定的规模；但在压裂过程中随着压裂液的注入，新增了两组平行的压裂裂缝，裂缝长度与初期基本一致。表明受该井点南北方向砂体规模的影响，裂缝在长度方向上延伸困难。四维影像裂缝监测过程中，在井筒处出现多次较高的破裂能量，表明此时裂缝长度延伸困难，直到出现了新的破裂位置，破裂能量才降低，同时在压裂施工压力曲线上也表现出产生新破裂的特征。对不同时刻四维影像裂缝监测的破裂能量叠加后，可以看出裂缝形态为多条平行方向破裂。综合判断A208井南北方向砂体宽度为210m。

图 2

图 2 A208井监测的不同时刻裂缝形态图 Fig. 2 Fracture shapes monitored in Well A208 at different moments

在进行砂体展布研究时，首先应用地震剖面确定石盒子组顶面和底面，然后在层系内部依据不同级次旋回特征对石盒子组进行不同岩性段和小层的划分，最后在小层内部依据砂体的规模、发育部位等进行单砂体的划分与对比，研究井间砂体连通性，建立石盒子组的高分辨率层序地层格架模型^[18-19]。根据岩心相、单井相、连井相、地球物理响应特征并结合野外露头、现代沉积及沉积模式，对研究区的平面沉积微相进行划分^[20]。研究区石盒子组主要发育河流相沉积体系，砂体整体呈条带状分布^[19]，剖面上砂体透镜体形态十分明显。目前主要通过三维地震属性进行砂体展布的预测，但精度不高，而压裂施工时的裂缝监测能在一定范围内精确地反映出砂体边界及形态。

不同形态的砂体在压裂时裂缝延伸表现出与形态对应的特征：在砂体边部时，裂缝仅仅沿一个方向破裂；在砂体中部时，裂缝会在砂体两边扩展，根据两端裂缝的长度，可以判断井在砂体中的位置；当砂体规模偏小时，首先会形成一条长度较小的裂缝，后期会产生多条平行方向上的裂缝，或者形成分支缝，或者砂堵。因此根据监测的裂缝形态及破裂过程，可以判断出砂体的大概规模和形态，辅助地质上的砂体认识，修正单井控制范围内的沉积相认识；结合压裂过程中不同时刻的裂缝延伸方向和过井的破裂能量大小，可以确定砂体的展布方向和规模。

本文以研究区A101井盒8段为例，说明四维影像裂缝监测技术辅助砂体展布规模研究的方法。A101井盒8段在压裂初期裂缝沿着水平主应力方向扩展，且主要的破裂位置位于井点的西北方向（西北方向裂缝长度为90m，东南方向裂缝长度为30m），表明砂体主要位于井点的西北方向（图 3）。压裂进行半小时以后破裂能量增强，表明裂缝延伸受阻^{[3, 21]}，此时地面施工压力也有微弱的增加，裂缝破裂方向变为东北方向，且后期主要的破裂集中在东北方向，该方向的裂缝长度为240m。综合分析认为A101井盒8段砂体的长度方向为东北方向，西北方向的宽度仅为120m左右（图 4），与野外露头观测的河道宽度相似。

图 3

图 3 A101井监测的不同时刻裂缝形态图 Fig. 3 Fracture shapes monitored in Well A101 at different moments

图 4

图 4 A101井盒8段砂体展布图 Fig. 4 Sandstone distribution in He 8 Member in Well A101

对研究区30余层的压裂施工曲线及压后裂缝形态资料进行分析，认为砂体展布在很大程度上影响压裂裂缝的高度及长度。由此可初步推断，裂缝形态与储层砂体展布及所处沉积环境相关，裂缝更易在砂体范围较大的相带（心滩、河道中部等）进行长度与高度的扩展。结合对多组裂缝监测数据的认识，在压裂作业井控制范围内精细刻画出多套小层的砂体展布形态、规模及大小，直观地从砂体形态上识别边滩，远沙坝等，确认出河道走向、弯曲度及废弃河道砂体。再结合单井垂向上的岩性组合、沉积层序、岩心沉积构造、各小层河道在不同时期的连续性及侧移等特征和物源方向，最终确定河道的走向及分布。

首先根据地震属性预测砂体的大致位置及形态（图 5），初步确定砂体展布规模；然后根据压裂过程中四维影像裂缝监测成果识别出的砂体展布规模修正沉积相平面图。如A36井四维影像裂缝监测显示破裂能量高，且压裂施工过程中压力较高，表明裂缝难以延伸，砂体规模较小，可根据监测到的裂缝长度约束砂体规模（图 6）。A19井地震属性预测为单一小规模砂体，但监测显示破裂能量低，裂缝延伸容易，且裂缝长度远大于周边邻井，推测该井位于河道上（图 6）。A301井破裂能量波动较大，初期破裂能量高，裂缝延伸困难，表现出砂堵的趋势，表明砂体非均质性强；后期破裂能量降低，裂缝延伸较快，表明沟通了有利砂体，将其由位于河道上改为河道外（图 6）。采用裂缝监测结果修正后的砂体展布情况与钻遇情况和实际压裂施工的效果符合率得到显著提高。

图 5

图 5 研究区石盒子组沉积微相概念模型 Fig. 5 Conceptual model of sedimentary microfacies of Shihezi Formation in the study area

图 6

图 6 研究区石盒子组修正前（左）、后（右）沉积相图 Fig. 6 Sedimentary facies of Shihezi Formation in the study area before (left) and after (right) correction

对30余口四维影像裂缝监测井的压裂裂缝延伸过程进行分析，修正了20多个沉积相砂体认识，更加清晰地刻画了河道及心滩的规模；据此优化压裂施工规模，在后期压裂施工过程中，基本上未出现砂堵，提高了压裂改造的效果。

在A26井和A206井压裂设计时，根据修正的砂体展布情况，及时调整加砂量，尽管在加砂过程中出现了施工压力突然升高情况，但并未出现砂堵。

A26井石盒子组在压裂时预测可能出现砂堵，加砂量由初期设计的40m³降低到20m³。在四维影像裂缝监测约束后的沉积相图中（图 7），可以看出A26井位于河道边部，压裂施工时有砂堵的风险。通过裂缝监测可以看出，裂缝的破裂位置主要集中在河道中，裂缝延伸方向与水平主应力方向一致，主要集中在东南方向，表现出横切河道，受到河道宽度的影响，在压裂后期裂缝长度并未增加（图 8），在东南方向的长度为160m，与沉积相认识相符。

图 7

图 7 A26井（左）及A206井（右）石盒子组沉积相图 Fig. 7 Sedimentary facies of Shihezi Formation in Wells A26 (left) and A206 (right)

图 8

图 8 A26井监测的不同时刻裂缝形态 Fig. 8 Fracture shapes monitored in Well A26 at different moments

A206井在四维影像裂缝监测成果约束后的沉积相图中砂体规模小（图 7），压裂时裂缝可能难以扩展，在压裂设计时建议降低压裂规模，设计加砂量由45m³降为20m³。从裂缝监测结果中可以看出裂缝的破裂主要集中在井周围，未在长度上延伸，形成的破裂范围小，仅为80m（图 9）。在施工后期井底施工压力快速增加，表明可能已经出现砂堵，实际完成加砂量18m³。通过对砂体的准确认识，降低了设计加砂量，减小了施工风险。该井在压裂前射孔测试产气2050m³/d，压裂后产气970m³/d，这主要是由于砂体规模太小，压后裂缝长度小，且对储层存在一定的伤害，导致压裂后难以达到理想产能。

图 9

图 9 A206井监测的不同时刻裂缝形态 Fig. 9 Fracture shapes monitored in Well A26 at different moments

四维影像裂缝监测的破裂能量能够准确反映不同时刻的裂缝扩展情况，通过对比不同时刻的裂缝形态，可以判断压裂裂缝的破裂情况及砂体和岩性变化情况。压裂裂缝的延伸受到砂体规模的影响较大，当砂体规模偏小时，裂缝长度难以扩展，砂堵风险高，需要优化加砂量。

采用四维影像裂缝监测成果可以有效约束沉积相砂体展布认识，提高砂体认识的准确率，对后续的压裂施工和布井具有指导作用。