復雜構造環境下京253井人工裂縫監測

趙新紅，車 航，羅 炯

(華北油田公司井筒設計中心，河北任丘 062552)

1 前言

2012年2月14日，在華北油田對京253井的水力壓裂過程進行了微地震裂縫監測。京253井位于華北油田京11斷塊上。如圖1所示，壓裂井段南鄰一個北東東走向的傾滑斷層，監測井附近等高線急劇變化。壓裂一層，監測層位于沙河街組沙四段，井段1 278.0～1 299.8 m，垂深1 288.9 m。京253井位置、環境特殊，鄰近斷層，位于斷層上盤;等高線兩側應該是不同時代的地層，是介質力學性質連續變化的位置，這影響了人工裂縫方位、形態。壓裂前所進行的噴砂射孔，也會影響人工裂縫方位、形態。

圖1 京253井所處的構造位置Fig.1 Geological structure map of Well J-253

2 人工裂縫監測結果

京253井微地震監測結果俯視圖如圖2所示，近井裂縫北北東走向，遠井出現右旋。井口附近存在北西向、北東向、北北東向裂縫。圖2向上是正北方向，向右是正東方向，格值100 m，實心圓點為監測到的微地震，用微地震排列、分布表示人工裂縫方位、長度、形態。

圖2 京253井微地震監測結果俯視圖Fig.2 Plan view of microseismic monitoringresult for Well J-253

圖3是京253井監測結果側視圖，橫軸沿人工裂縫的優勢方向，縱軸是深度，單位是m。自監測井向北東方向:人工裂縫上緣水平，下緣向東升起，整體近于水平延伸;人工裂縫近井厚，前緣薄，呈楔形。自監測井向西南方向:人工裂縫略向上翹起，前緣微地震分布離散，裂縫不發育。圖3中，實心圓點為監測到的微地震，用微地震排列、分布表示人工裂縫高度、形態。

3 南側斷層的影響

京253井位于華北油田京11斷塊上，南鄰一個北東東走向的傾滑斷層。比較斷層兩側的等高線，可以看出，Es4頂面斷距高差20 m。由于其法向大體平行于區域最小水平主應力方向，現今也存在上盤向下的滑動趨勢，其橫截面示意圖如圖4所示，滑動面與豎直方向的夾角約30°。由于下滑趨勢，存在一個傾滑膨脹效應，在斷層上盤鄰近斷層位置附加了一個垂直斷層走向的壓應力。京253井鄰近斷層(見圖1)，且處于斷層上盤，人工裂縫方向受到傾滑膨脹效應的影響，人工裂縫偏離區域最大水平主應力方向左旋，轉向趨于垂直斷層走向方向[1](見圖2)。在監測井南側，受到斷層帶影響，微地震分布不連續，沿斷層帶走向存在離散的微地震分布。

由圖4可以看到，由于上盤下滑，L2長于L1，地層出現沿斷層法向方向的增長，出現膨脹;鄰近斷層的位置出現附加應力，致使局部最大水平主應力方向偏轉。一般來說，增長的尺度可以表示為

式中，D是沿垂直方向的斷距，如前所述，為20 m;增長的尺度約17.3 m。鄰近斷層，附加的壓應力足以改變人工裂縫方向。因壓應力增加改變裂縫方向不利于油井產能增加。

圖3 京253井監測結果側視圖Fig.3 Side view of microseismic monitoring result for Well J-253

圖4 傾滑斷層橫截面示意圖Fig.4 Cross section viewof the dip fault

4 介質力學性質連續變化的影響

京253井含油層位是一個向北東方向傾覆的斜坡，坡度較大，水平距離50 m，深度下降10 m。東北翼人工裂縫長度129.1 m，大體沿等深線梯度方向，前緣位置地層深度下降26 m。由表1可以看出，大體水平延伸的人工裂縫連續的從底部地層進入上覆地層，前緣進入下第三系的泥巖層，鄰近上第三系水層。這使該井產能低，含水偏高。

表1 地層深度、性質對照表Table 1 Contrast between depth and properties

底部地層是下第三系沙河街組四段的含油砂巖，上覆地層是下第三系沙河街組三段的差油層，上面的大段泥巖，以及上第三系水層、老地層的介質模量大于新地層的介質模量，這會影響人工裂縫方向(見圖5)。

圖5中，左側是底部地層，模量偏大;右邊是上覆地層，模量偏小。在沉積承壓過程中，地層受到壓縮，模量偏大的地層壓縮變形小，模量偏小的地層壓縮變形大。假定兩者的連接面是焊接面，不發生相對滑動，我們把這樣的面稱為介質間斷面。間斷面沿面的變形應該比底部地層沒有受到上覆地層影響時大、間斷面尺度趨短，間斷面附近地層受到沿間斷面的壓縮。間斷面沿面的變形應該較上覆地層沒有受到底部地層影響時小、間斷面尺度趨長，間斷面附近地層受到沿間斷面的拉伸。人工裂縫從底部地層穿過間斷面進入上覆地層應該轉向平行間斷面法向方向，平面投影方向垂直于等高線走向，側面投影存在一個向上的仰角[2]。京253井東北側人工裂縫存在明顯的轉向，走向趨于與等高線走向垂直，其側視圖下緣翹起，上緣受到泥巖隔層限制水平延伸，使東北翼裂縫近井高度大，前緣高度小，側面表現為楔形，在離井70 m時出現尖滅，介質間斷面影響了裂縫方向。

圖5 介質間斷面示意圖Fig.5 Cross section view of the fault

5 噴砂射孔的影響

壓裂前，在開發段進行了噴砂射孔，射孔方位是北東9 °、18.8 °、50.8 °、318.6 °;射孔長度分別為40 m、30 m、40 m、60 m。由于射孔長度足夠大，影響了人工裂縫方位與形態，影響了壓裂效果[3]。圖6與圖2相比，北東318.6°、北東50.8°方向均有微地震點分布、存在裂縫延伸，這些微地震點分布、裂縫延伸與整體裂縫延伸趨勢不同，可能反映了噴砂射孔的影響。在北東9°、18.8°方向，近井也有明顯的微地震分布，分布尺度小于射孔長度，離井后轉向北東30°方向。判斷沿北東9°、18.8°方向的裂縫延伸同時受到射孔及局部應力場的影響。沿噴砂射孔出現微地震分布，與地下原有裂縫沒有直接聯系，通常不影響壓裂井產能。

圖6 水平噴砂射孔方位、尺度示意圖Fig.6 Schematic diagram of the direction and geometry size of perforation shot by hydraulic sand blasting

6 結語

京253井微地震監測準確的反映了多個影響因素的影響。近井人工裂縫方向北北東向，反映了鄰近傾滑斷層、噴砂射孔的作用與影響。

遠井:東北側人工裂縫方向右旋，反映了區域應力場、介質間斷面的影響;向北東方向傾覆的斜坡，使人工裂縫進入上覆差油層、泥巖層、鄰近水層，使該翼裂縫產能低，含水高;西南側人工裂縫間斷、離散，反映了斷層帶的影響;壓應力增加改變裂縫方向，同時會使產能下降。北西、北東向近井微地震分布反映了噴砂射孔的影響，這些影響改變了京253井的人工裂縫方向，減小了人工裂縫規模，不利于京253井的產能形成。

綜上所述，由監測結果反映出京253井壓裂效果應有偏差。實際上，京253井壓裂后沒有產能。由表2可以看出，2012年2月14日壓裂，壓后以產水為主，幾乎沒有產能。測試、分析結果與實際有很好的一致性。

表2 京253井壓裂效果Table 2 Hydraulic effectiveness of Well J-253

續表

依據上述分析、測試過程，人工裂縫方向可以受到多種因素影響:最大水平主應力方向是一個最普遍的控制因素;構造、介質間斷面均可以影響人工裂縫方向;水平側鉆孔也會影響裂縫方向、形態。依據壓裂井環境，可以預測壓裂裂縫方向，評估壓裂效果，以減小施工損失。在地質層面坡度較大的地區，人工裂縫可能穿過不同地質時代的地層，影響壓裂效果;應該考慮壓裂裂縫形態、方向，控制裂縫不進入不利地層，以保證壓裂效果。

[1]劉建中，張金珠，張 雪.油田應力測量[M].北京:地震出版社，1993.

[2]劉建中，張傳緒，趙艷波，等.水平井壓裂裂縫監測與分析[J].中國工程科學，2008，10(4):60 －64.

[3]劉繼民，劉建中，劉志鵬，等.用微地震法監測壓裂裂縫轉向過程[J].石油勘探與開發，2005(2):75－77.