油氣井壓裂微地震裂縫監測技術研究與應用

溫慶志，劉 華，李海鵬，劉欣佳，段曉飛

(中國石油大學，山東 青島 266580)

油氣井壓裂微地震裂縫監測技術研究與應用

溫慶志，劉 華，李海鵬，劉欣佳，段曉飛*

(中國石油大學，山東 青島 266580)

地震波速是微地震監測中的最重要參數，但目前微地震監測研究大部分只考慮單一地層，忽略了多地層中不同地震波傳播速度存在的差異，造成監測結果不夠準確。為此，根據微地震波在不同巖性地層中傳播速度不同這一特點，結合數學分析方法，建立了微地震波在多地層中傳播的震源定位數學模型，并編制了軟件，能夠精確地監測壓裂過程中裂縫的空間展布。對不同類型壓裂井(深井、水平井多段壓裂等)進行微地震監測，多巖性地層中裂縫形態解釋結果與壓裂設計結果一致性達到84%，證明了該模型的可靠性，為現場的壓裂設計和施工措施的改進提供了參考依據。

微地震監測;多巖性地層;地震波速;裂縫形態;壓裂

0 引言

微地震裂縫監測技術是近年迅速發展起來的新技術，與常規監測技術相比能夠更有效、更可靠地監測壓裂地震波信號［1-5］。目前國內微地震研究大多視地層為均一地層，聲波在地層中傳播的速度為一固定值，未考慮多巖性地層對地震波速的影響［6-8］，造成微地震監測數據不準確。在實際地層中，從地面到產層包括了多個地層，聲波在不同地層中傳播的速度不相等，因此，在實際的計算中過于簡化模型會引起較大的誤差。為此，建立了多地層震源定位模型，提高震源定位的精確度，為油氣井現場壓裂提供一定的參考依據。

1 數學模型

1.1 多地層震源定位數學模型

微地震聲波在多地層中傳播示意圖見圖1，圖中S為微地震震源，A、B、C、D為地面監測站。

假設將地層劃分為n個巖性地層，第i個地層厚度占整個地層厚度的比例系數為λi，對應的地層中聲波傳播速度為Vi;監測站為m個;微地震震源為L個，其中第j個震源的坐標為(xj，yj，zj)利用縱波時差定位方法確定微地震震源數學模型。

圖1 微地震聲波在多地層中傳播示意圖

變換方程組為:

式中:λi為第i個地層厚度占整個地層厚度的比例;T1～Tm為各分站的P波到時，s;T0代表發震時刻;(X1，Y1，0)，(X2，Y2，0)，…，(Xm，Ym，0)為各分站坐標;Vi為第i個地層中地層波速度，m/s;V為綜合波速，m/s。

1.2 裂縫高度

對定位計算得到多地層中震源在深度方向的值進行分析計算，得到一個合理縫高解釋。假設裂縫高度為一定值且單翼裂縫為矩形。

縫中間位置深度:

縫高:

式中:H為用微地震監測得到的裂縫高度，m;z＇為縫中間位置深度，m;z(i)為震源定位計算得到的震源深度，m。

1.3 裂縫方位

通過微地震震源定位得到一系列震源的三維坐標。將三維坐標投影在二維平面上，通過計算篩選去除偏離的震源(有可能為噪音干擾而產生)，對剩余的震源在二維坐標系內進行曲線擬合，對擬合結果進行分析即可得到裂縫方位。

二維震源S1(x1，y1)，S2(x2，y2)，…SL(xL，yL)，裂縫從井筒開始延伸，因此，裂縫延伸方程滿足y= kx的形式，該方程組記為Ak=B。

運用最小二乘法解得:

裂縫方位角為:

式中:AT為矩陣A的轉置;θ為方位角，(°)。

1.4 裂縫長度

裂縫的有效縫長是指壓裂施工結束后，閉合在支撐劑上的裂縫的長度。計算縫長的最大可能值，然后乘以經驗系數，得到估算的裂縫有效縫長。根據裂縫延伸方向擬合曲線方程y=kx，計算最遠端的微震信號在擬合曲線上的投影點P(xp，yp)，計算井中心點到該投影點的距離。

式中:rmax為動態縫長，m;r為有效縫長，m;μ為經驗系數，取值0～1。

2 模型求解

將模型轉化為矩陣，利用矩陣分析理論求解，得到第j個震源坐標為，并得到P波到時為，將作為聲波時差進行第1次迭代，得到震源坐標值為，設置迭代條件(2次計算得到的深度坐標差在1 m之內):

3 現場應用

3.1 深井裂縫監測實例

某油田X監測井油藏深度為3 500～3 554 m，對該井進行壓裂設計，為得到壓裂裂縫形態，在施工過程中進行微地震地面監測，將井口定為原點，設置6個監測站。

根據巖石鑄體薄片分析，儲層巖性以細粒巖屑長石砂巖為主，部分含碳酸鹽巖、泥質，中間夾雜有砂質泥巖。在確定波速后，根據測井資料將地層分為3層，即地表的軟地層、砂質泥巖層和砂巖地層。利用軟件得到解釋結果(圖2、3，表1)。

圖2 深井微震解釋結果二維圖

圖3 深井三維裂縫擬合曲面

表1 微地震解釋結果與設計結果對比

由圖2可知，井筒兩側壓裂裂縫未在一條直線上，存在一定偏差，但偏差不大，整體裂縫呈北偏西70°。由圖3可知，三維地震圖中，裂縫形態在地層深度方向由藍色至紅色區域中變化，顯示形成的裂縫縱向上主要在3 510～3 550 m。紅色區域顯示裂縫擴展至地層深度為3 510～3 520 m處，相對藍色區域，該位置裂縫擴展較高，說明在同一地層中地應力也不盡相同，裂縫擴展較高的地區地應力偏小，更容易被壓裂，但總體上形成的裂縫形態主要在藍色區域變化，形成的裂縫形態相對比較平緩。

由表1可知，解釋裂縫高度與設計符合程度達到83.3%，裂縫半長符合程度為90.0%和97.7%，與壓裂設計符合程度非常高。

3.2 水平井分段壓裂監測實例

某水平井Z井油藏深度為2 920～2 960 m。儲層巖性為長石粗粉砂巖。該井壓裂設計分為4段，與井筒垂直相交，設計裂縫半長為220 m，縫高為40 m。施工同時進行微地震監測，對微地震結果進行解釋，得到如下解釋結果(圖4、5，表2)。

圖4 水平井分段壓裂微地震監測解釋結果二維圖

圖5 水平井多段壓裂微地震解釋三維裂縫擬合曲面

表2 水平井分段壓裂微地震監測解釋結果

由圖4可知，二維地震監測解釋圖中顯示壓裂形成的4條裂縫與水平井井筒都成一定角度，為北偏東22.30～26.29°，實際監測結果與壓裂設計垂直井筒存在一定偏差，但偏差不大。由圖5可知，三維地震監測解釋4條裂縫主要在藍色至黃色區域變化，說明4條裂縫深度在2 920～2 960 m，并且從4條裂縫深度顏色變化上觀察得到，壓裂形成的4條裂縫一致性比較好，縫高方向變化不大，說明該地區地應力比較均一。

由表2可知，對水平井分段壓裂進行解釋，縫長符合程度為90.7%～94.8%，縫高符合程度為86.6%～96.6%，縫長和縫高的符合程度最好;方位角與設計結果最大相差29.00°。該模型對水平井裂縫解釋結果較好。

4 結論

(1)依據地震波在不同巖性地層中的傳播速度不同，建立了地震波在多地層中傳播的震源定位模型，并用迭代方法進行模型求解。同時，依據該模型對水力壓裂產生的裂縫形態參數進行求解，提出了裂縫三維形態解釋方法，能夠更精確地監測壓裂過程中裂縫的空間展布，為現場的壓裂設計和施工措施的改進提供了參考。

(2)對不同類型壓裂井(深井、水平井多段壓裂等)進行微地震監測實例表明，多巖性地層中裂縫形態解釋結果與壓裂設計結果一致性滿足要求，證明了模型的準確性。

［1］蒲靜，秦啟榮.油氣儲層裂縫預測方法綜述［J］.特種油氣藏，2008，15(3):9-13.

［2］唐湘蓉，李晶.構造應力場有限元數值模擬在裂縫預測中的應用［J］.特種油氣藏，2005，12(2):25-28.

［3］張大椿，等.井下微地震監測技術在公003-H16井水力壓裂中的應用［J］.鉆采工藝，2014，37(4):42-44.

［4］劉偉.微地震壓裂裂縫監測方法及應用［D］.成都:成都理工大學，2012.

［5］劉百紅，等.微地震監測技術及其在油田中的應用現狀［J］.勘探地球物理進展，2005，28(5):325-329.

［6］張山，劉清林，趙群，等.微地震監測技術在油田開發中的應用［J］.石油物探，2002，41(2):226-231.

［7］劉建中，王春耘，劉繼民，等.用微地震法監測油田生產動態［J］.石油勘探與開發，2004，31(2):71-73.

［8］王治中，等.井下微地震裂縫監測設計及壓裂效果評價［J］.大慶石油地質與開發2006，25(6):76-78.

編輯孟凡勤

TE357.1

A

1006-6535(2015)05-0141-04

20150607;改回日期:20150724

山東省自然科學基金“頁巖氣藏水平井滑溜水壓裂支撐劑輸送機理研究”(ZR2012EEM001)

溫慶志(1976-)，男，副教授，1998年畢業于江漢石油學院石油工程專業，2007年畢業于中國石油大學(北京)油氣田開發工程專業，獲博士學位，現從事低滲透油氣藏增產機理方面的教學和科研工作

* 參加此項研究的還有王淑婷、王峰。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.032