微地震監測技術在暫堵壓裂工藝中的應用

劉建升，楊永剛，張紅崗，李曉明，南茜，海金龍

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川　750006）

微地震監測技術在暫堵壓裂工藝中的應用

劉建升，楊永剛，張紅崗，李曉明，南茜，海金龍

（中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川750006）

暫堵壓裂工藝在三疊系油藏的推廣試驗已取得實際成效，但各實施區塊尚未針對性開展井下裂縫監測以明確壓裂裂縫是否轉向，導致該工藝的實施缺乏一定的技術支持和依據。對此，2015年在具有代表性的D1油藏實施井中微地震裂縫監測5口，筆者通過對測試資料的分析，詳細描述了壓裂過程中裂縫產狀、形態、走向等裂縫參數，明確了通過暫堵壓裂工藝能夠實現裂縫轉向、開啟地層微裂縫，驗證了通過控制堵劑投加時機來優化主向縫延伸規模的設想，最后對升壓幅度、泵注程序等工藝參數針對性的提出了優化方向。該研究成果使暫堵壓裂工藝在三疊系油藏的設計思路得到實踐證實，對同類油藏暫堵壓裂設計及現場實施具有較好的指導意義。

暫堵壓裂；微地震監測；工藝參數；裂縫形態

隨著D1油藏進入中高含水開發階段，老井采出程度加大，常規壓裂后含水率上升幅度較大。據室內研究實驗及理論計算表明，暫堵轉向壓裂能夠在壓裂過程中實現裂縫轉向［1-3］，動用側向剩余油。因此，以“堵老縫、造新縫”為改造思路的暫堵轉向壓裂得到推廣應用，2014-2015年在D1油藏共實施暫堵轉向重復壓裂46井次，有效率93.4％，平均單井日增油1.59 t，措施后含水率由47.6％下降到39.7％，與同區域常規壓裂相比，控水增油效果明顯。但是，在該區域油藏尚未開展過微地震監測、井下壓力測試等相關技術，對于施工過程中人工裂縫是否發生轉向、開啟新縫，在采油三廠各區塊尚未得到實踐驗證，導致地面升壓幅度、堵劑投加時機等工藝參數的確定缺乏技術支持。

1　暫堵壓裂原理

國內外研究表明，隨著油藏注水開發時間的延長，油井附近的應力場會發生變化，導致最大、最小主應力方向發生偏轉，這為重復壓裂過程中裂縫發生轉向提供了可能性。

圖1　暫堵壓裂開啟天然微裂縫示意圖

圖2　暫堵轉向壓裂原理示意圖

暫堵壓裂通過在壓裂過程中實時加入暫堵劑，在舊縫張開后，暫堵劑與支撐劑混合后進入原有裂縫，依據橋堵原理，混合物會在高滲透帶聚集并產生濾餅橋堵，阻礙和限制裂縫的繼續延伸和發展，使后續壓裂液不能進入裂縫和高滲透帶，導致井底壓力升高，當裂縫內凈壓力達到微裂縫開啟壓力或新縫破裂壓力時，微裂縫或新縫就會開啟［4-6］，隨后續攜砂液的繼續加入，微裂縫或新縫會延伸和擴展成為新的支裂縫（見圖1、圖2）。

2　工藝設計思路

針對不同井網井型、不同生產動態、不同治理類型的油井，目前D1油藏暫堵壓裂工藝設計思路主要有以下三種：（1）針對位于裂縫主向、壓裂后極易造成含水升高的井，設計為兩級暫堵，一級縫口暫堵在泵注程序的30％轉向；二級縫內暫堵在泵注程序的60％。（2）針對側向中高含水井，不宜過早轉向，設計為一級縫內暫堵，泵注程序的50％轉向。（3）針對低產低效井，根據低產原因設計兩套改造思路：①地層堵塞造成的低產，設計一級縫內暫堵、加砂中后期實施轉向（泵注程序的50％～70％），以保證在主裂縫延伸的同時擴大側翼支縫的開啟；②對于物性差的長期低產低效井，采用多級暫堵，建立有效壓裂控制條帶，增加裂縫帶寬，充分增大儲層泄油面積。

3　微地震監測技術

3.1技術原理

井中微地震方法在臨井中對應位置下入檢波器，地面布設監測儀器，以監測壓裂井在壓裂過程中誘發的微地震波，通過對微震數據的處理和解釋，描述壓裂過程中裂縫生長的幾何形態和空間展布，以及水力裂縫帶中流體通道的圖像和水力裂縫隨時間發育過程的圖像（見圖3）。該技術的主要優勢是井下采集信噪比高，可信度高。

圖3　微地震監測原理示意圖

施工接收設備采用推靠方式，可以避免管波干擾，有效的接收到聲發生事件傳來的地震波信號，井中微地震信號采集儀器使用10級三分量檢波器，每級之間用軟連接方式進行串聯，級間距為10.0 m，檢波器串由可撈式橋塞位置處開始向上布設，接收段深度與壓裂目的層相匹配。

3.2監測井概況

本次測試選取D1油藏中部區域五口代表性油井，地應力狀況、井組生產時間、對應注水井情況等基本一致，設計不同工藝參數及措施類型，通過檢測轉向縫的產狀及出現的時間，驗證暫堵轉向的實施思路，進一步指導單井工藝設計（見表1）。

3.3解釋成果

A4、A5井投加堵劑一段時間（約4 min）后，在主裂縫側向地震點明顯增多，并沿一定方向集中聚集，認為壓裂裂縫出現轉向，且轉向縫走向與初次壓裂裂縫成一定角度夾角。兩口井轉向縫均有不同程度延伸，平均縫長91 m，投加堵劑后地面升壓幅均大于4.8 MPa（見圖4）。

A3井為多級暫堵壓裂井，在投加堵劑3 min后，主裂縫側向地震點明顯增多，但整體寬度受限，且地震點不具有方向性。認為該井未出現明顯轉向縫，但多次投加堵劑后，裂縫寬帶增加，有微裂縫開啟的特征（見圖5）。

圖4　A4井微地震監測結果XOY平面圖（裂縫轉向）

圖5　A3井微地震監測結果平面圖（微裂縫開啟）

A1、A2井為常規暫堵壓裂井，投加堵劑后，整個施工過程中井既未監測到轉向縫，也無微裂縫開啟特征，且升壓幅度較低（見表2）。

表1　D1油藏5口微地震監測井基本信息及監測設計表

表2　D1油藏5口井微地震監測結果匯總表

3.4工藝參數認識

3.4.1升壓幅度根據Nolte和Smith研究成果，裂縫凈壓力滿足公式（1）所代表條件時，微裂縫才會開啟，結合巖石力學測試結果，利用式（1）計算得到油藏微裂縫開啟最小壓力為1.9 MPa。

式中：Pnet-水力壓裂裂縫凈壓力；σh1-儲層最大水平主應力；σh2-儲層最小水平主應力；υ-巖石泊松比。

從5口井壓裂施工曲線及微地震解釋成果來看，投加堵劑后，地面壓力升高幅度大于4.8 MPa時，對應微裂縫開啟、轉向縫產生，高于理論公式計算結果。因此，升壓幅度越大，壓裂裂縫越容易發生轉向，這與該油藏現場實施效果相吻合。結合礦場統計經驗，建議D1油藏地面升壓幅度需大于4.0 MPa（見圖6，圖7）。3.4.2轉向時機對比分析A4、A5兩口井主向縫縫長及微裂縫或轉向縫出現的時機，可以看到，在排量、入地液量以及儲層物性基本相同的情況下，堵劑投加越早，主向縫縫長越短、轉向縫出現越早。因此，對于高含水、高采出程度的主應力方向的油井，提前加入堵劑促使裂縫轉向、控制主向裂縫規模的工藝思路同樣得到了驗證。

3.5裂縫形態認識

對比分析A4、A5兩口裂縫轉向井，轉向縫均出現在炮眼附近，且并不是沿初次裂縫對稱分布，轉向縫走向與初次壓裂裂縫成一定角度（60°左右），隨著轉向縫的延伸，夾角逐漸變小但轉向縫并未回到初次壓裂裂縫方位。同時，可以發現，在轉向縫出現區域檢測到地震點較少，可能是由于進入微裂縫、轉向縫的壓裂液較少，破裂點響應較少。在壓裂施工結束后，此類裂縫會因缺少支撐劑極易發生閉合，導致裂縫導流能力下降（見表3）。

因此，建議投加暫堵劑后泵注小粒徑支撐劑，增加進入轉向縫幾率，同時在安全可控的前提下，提高升壓幅度，擴大轉向縫縫長、縫寬。

圖6　A2井壓裂施工曲線圖

圖7　D1油藏暫堵壓裂升壓幅度與日增油關系散點圖

表3　主裂縫與轉向縫、微裂縫出現微地震事件對比表

4　應用實例

A5井位于D1油藏中部，處于井網主向井，自2014 年4月起，日產液由2.40 m3下降到1.61 m3，含水率由5.3％上升到26.9％上升到55.9％，液量2.17 m3，認為該井地層裂縫閉合導致滲流能力下降，含水率上升；按照主向堵塞井治理思路，設計二級暫堵轉向，兩次投加堵劑，充分動用側向剩余油的思路，同時避免主向縫過度延伸導致措施后含水率上升。

施工參數如下：暫堵劑用量150 kg+150 kg，40/ 70目石英砂15.0 m3，20/40目石英砂25.0 m3，排量3.0 m3/min～6.0 m3/min，砂比23.9％，前置液45.0 m3，攜砂液156 m3，入地總液量441.0 m3，利用三維壓裂軟件FPT模擬結果為：裂縫半長228.3 m，縫高19.4 m，壓裂過程中微地震監測結果及壓裂施工曲線（見圖8）。

圖8　A5井微地震監測結果三維立體圖（左），A5井微地震監測結果剖面圖（右）

圖9　

表4　A5井暫堵壓裂措施效果表

根據壓裂施工曲線可以看出，在加砂3 m3后，單獨投加暫堵劑，同時由于排量提升，地面壓力大幅上升（由17 MPa上升到30 MPa）；砂比為20％時，二次投加堵劑150 kg，1.4 min后，堵劑達到射孔段，地面壓力先小幅下降，后成臺階式上升，由23 MPa上升到31.8 MPa，后出現二次破壓，破裂壓力約為31.8 MPa。同步對比微地震監測結果，一次暫堵后，主向縫延伸受到抑制，裂縫寬帶不斷增加；二次暫堵后，轉向縫地震點開始出現，并持續增多，說明轉向縫開始延伸擴張，走向為與初次裂縫成51°夾角，縫長約為104 m，但并未出現與初次壓裂裂縫平行的趨勢，說明該區域兩向地應力差相對較小（見圖9）。

該井措施后單井日增油1.70 t，含水率由72.0％下降到54.1％，有效天數228 d，累增油達405.19 t，控水增油效果良好（見表4）。

5　結論

（1）通過微地震裂縫監測證明，在一定升壓幅度下，通過暫堵壓裂實現裂縫轉向、動用側向剩余油的思路是可行的，開辟了D1油藏中高含水開發階段油井控水增油的新途徑。

（2）裂縫監測對比結果顯示，通過控制堵劑投加時機可以控制主向縫及轉向縫規模。對于高含水、高采出程度的主應力方向的油井，提前加入堵劑促使裂縫轉向、控制主向裂縫規模的工藝思路同樣得到了驗證。

（3）轉向縫、微裂縫會因缺少支撐劑而過早閉合，建議在保證施工安全的前提下，提高升壓幅度，擴大轉向縫的縫長、縫寬。同時投加暫堵劑后泵注小粒徑支撐劑，增加進入轉向縫幾率。

（4）對于地面升壓幅度的準確界定，還需結合井下壓力計監測技術獲取井底壓力、溫度資料，通過分析井底與地面曲線變化特征，進一步計算不同砂濃度下的合理升壓幅度。

［1］談士海.低滲透砂巖油藏暫堵重復壓裂技術研究［J］.石油實驗地質，2006，28（3）：307-310.

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［3］景文杰，姚曉翔，劉向偉，等.裂縫監測技術在吳420油藏的應用［J］.石油化工應用，2014，33（6）：59-62.

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［5］李建召，楊兆中，李玉濤，等.暫堵轉向壓裂裂縫擴展軌跡研究［J］.石油化工應用，2015，34（8）：26-31.

［6］白延鋒，王美強，劉春杰，等.轉向壓裂技術在老油田后期開發中的研究與應用［J］.石油化工應用，2011，30（11）：4-6.

Application of micro-seismic fracturing monitoring technology in temporary plugging and reoriented fracturing

LIU Jiansheng，YANG Yonggang，ZHANG Honggang，LI Xiaoming，NAN Qian，HAI Jinlong
（Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750006，China）

Temporary plugging and fracturing technology has achieved practical results in the Triassic reservoirs，but has not yet targeted implementation underground fracture monitoring to verify fracture shift，resulting in the lack of technical support and basis for the implementation of the process.In this regard，micro-seismic fracture monitoring was carried out 5 well-times in D1 reservoir in 2015.Through the analysis of testing data，the author describes the fracture parameters detailedly，such as occurrence，shape，direction and etc，which cleared temporary plugging fracturing can realize the fracture orientation and open the formation micro cracks.Finally，the author put forward optimization direction of the pressor amplitude and pumping program.The results of this research make the design of temporary plugging fracturing technology have been proved by practice in the Triassic reservoirs，which has good directive significance to the field implementation of similar reservoirs.

temporary plugging fracturing；micro-seismic fracturing monitoring technology；technological parameter；fracture parameters

TE357.13

A

1673-5285（2016）08-0068-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.016

2016-07-31

劉建升，男（1986-），工程師，主要從事油水井增產增注技術研究工作，郵箱：ljs62_cq@petrochina.com.cn。