壓裂改造裂縫網絡構建技術及其應用

楊小慧,林正良,丁 圣,楊心超,余 波

(中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院,江蘇南京211103)

我國非常規油氣資源十分豐富,其成藏機理、賦存狀態、分布規律及勘探開發技術需求等與常規油氣資源存在一定的差異性[1-2]。這些低滲透儲層中的油氣幾乎都需要通過壓裂才能夠實現經濟開采。作為非常規油氣資源,特別是頁巖氣開發的重要技術手段之一,近年來水力壓裂微地震監測技術得到廣泛關注和迅速發展。微地震處理技術以提供發震時間和震源的空間位置為目的,主要有基于走時的定位反演方法和基于成像的定位算法兩大類[3]。由于微地震定位結果反映的是地下巖石破裂和裂縫活動,與是否形成連通的有效裂縫沒有必然聯系,因此需要對微地震事件所反映的裂縫特征進行解釋。

傳統的微地震解釋技術停留在“事件點”上,主要通過微地震事件定位結果俯視和側視圖,籠統估算裂縫幾何參數(長、寬、高、主方位)[4]及事件點的包絡體積(SRV)[5],且主要依據微地震事件波及體積評價壓裂改造效果。國內外學者指出,波及體積遠大于實際油氣產能估算的有效改造體積,前者不僅包含了不連通體積,還包含了裂縫閉合體積(未被支撐劑有效支撐)。MCKENNA[6]統計了Evie和Muskwa工區的資料,發現被支撐體積僅占波及體積的15%～20%。如何建立微地震波及體積和有效壓裂體積之間的關系成為微地震解釋的研究重點。基于壓裂裂縫網絡進行壓裂效果評價與從縫網的復雜度和連通性方面解釋體積壓裂,逐漸得到重視。

在裂縫網絡構建方法研究初期,需要觀察微地震點分布的宏觀趨勢,人工劃定主裂縫的粗略位置,再使用線性擬合確定其最終位置。該方法構建的裂縫網絡受研究者主觀影響較大,如:選擇不同的主裂縫條數、位置,擬合得出的縫網完全不同,且效率低[7]。近年來逐漸發展起來的震源機制反演技術是了解裂縫形態及裂縫生長過程的重要手段,同時也是進行壓裂定量解釋不可或缺的一項技術。其中反演方法包括基于P波初動的反演方法和矩張量反演,反演解為微地震事件的矩震級和震源機制,進一步得出斷層模型的3個參數(方位角、滑動角和傾角)[8-11]。EISNER等[12]利用震源機制反演獲得的裂縫方位及破裂面面積等信息建立離散裂縫網絡,避免了傳統裂縫網絡構建的主觀性。但是,該方法受資料信噪比的影響較大,對資料預處理提出了更高的要求,且計算量大,實現成本高。MAYERHOFER[13]根據Barnett頁巖氣井微地震監測結果,發現壓裂縫網呈現為主裂縫與多級次生裂縫形成的裂縫網絡系統。BEUGELSDIJK等[14]也通過室內實驗證實了復雜裂縫網的存在。實驗結果表明,使用低粘度壓裂液時,裂縫延伸方向上沒有主裂縫存在,壓裂裂縫沿天然裂縫起裂延伸;而采用高粘度壓裂液時明顯存在主裂縫,且水力壓裂裂縫幾乎不與天然裂縫發生作用。同時,壓裂裂縫主要成樹形從起裂點向外擴展。HUGOT等[15]提出了多種簡單的裂縫網絡構建準則,并在此基礎上實現了SRV計算。

本文基于HUGOT等[15]提出的裂縫網絡構建準則,結合實際生產應用,提出了改進方法。通過時距交會分析進行無效壓裂事件識別,在此基礎上再進行裂縫網絡構建,提高了裂縫網絡的合理性;同時,基于微地震事件的時空特征表征裂縫發育過程。利用改進的方法,對某水平井壓裂的微地震地面監測結果進行裂縫網絡構建,結合預測的儲層特征和生產測試結果的對比分析證明了這種裂縫網絡構建的合理性。

1 方法原理

1.1 無效事件識別技術

開展裂縫網絡構建工作之前,對監測的微地震事件基于一定原則進行優選,勢必能夠提高所構裂縫網絡的合理性。傳統方法主要基于微地震事件的空間分布和信噪比進行數據分析,將與微地震事件云分布相獨立的事件以及低信噪比事件進行剔除[16]。基于空間分布進行事件剔除缺乏充分的理論依據;基于信噪比的方法默認高信噪比事件是可靠的,但是并非所有信噪比高的事件都是我們想要的人工壓裂事件,比如干事件。這類事件是由于壓裂造成局部地層應力狀態發生改變而引發,其發生位置并未有壓裂液到達,因此,它們往往出現在破裂前緣外側,與人工裂縫相互獨立,形成的是不連通縫,并不能達到提高采收率的目的,且會引起SRV計算量過大的問題。

SHAPIRO等[17]提出了壓裂裂縫延伸速度的概念。壓裂初期,裂縫長度L(即破裂前緣到壓裂點的距離)與壓裂時間t近似滿足如下線性關系:

(1)

式中:QI為平均壓裂排量;hf為平均裂縫高度;w為平均裂縫寬度。根據微地震定位結果,基于時距交會,通過線性擬合確定微地震事件分布邊界,該邊界即為破裂前緣。由于干事件往往出現在破裂前緣外側,因此,將出現在破裂前緣外側的事件定義為無效壓裂事件,并將其剔除,以提高壓裂解釋所用資料的可靠性。

定義井筒右翼的事件到起裂點的距離為正,左翼事件到起裂點的距離為負,根據實測的某壓裂段微地震事件繪制的時距交會圖如圖1所示。圖中黑色折線為破裂前緣。橫軸代表微地震事件的發震時間,縱軸代表微地震事件距離起裂點的距離,圖中每個點的半徑代表微地震事件的能量,色標代表事件發生的先后順序。

圖1 某壓裂段微地震事件的發生時間與其到起裂點的距離交會分析結果

從圖1時距交會分析結果可以看出,此壓裂段大部分事件都位于破裂前緣內側。與左翼相比,右翼有較多的無效事件,基于破裂前緣可以容易地識別無效事件。壓裂初期破裂前緣距離起裂點越來越遠,分別在壓裂40min及60min后,右翼和左翼破裂前緣位置保持穩定,表明這段時間內破裂前緣在不斷往前延伸,推斷該時期壓裂以主縫延伸為主。其后破裂前緣保持不變,表明后期產生的裂縫多在破裂區范圍內,推斷該時期壓裂主要以裂縫復雜化為主。

1.2 裂縫網絡構建技術

微地震事件在三維空間表現為一系列離散的點,各事件點包含微地震事件的時間、空間位置、能量等信息,但其不能直觀體現壓裂形成的縫網形態。壓裂裂縫網絡構建的目的是基于上述離散的微地震事件點,還原地層壓裂裂縫形態。

本文采用“點縫”連接準則[15]模擬裂縫的生長情況。該準則假設裂縫隨著壓裂液從起裂點向外擴散,且壓裂液在地層中流通遵循“最短路徑”。壓裂首先產生主縫,主縫側向形成次生縫,次生縫上繼續分枝形成二級次生縫,以此類推。基于該假設,形成“點縫”連接準則的裂縫路徑計算方法,認為每條裂縫路徑滿足事件點到裂縫網絡距離最短。

本文在裂縫網絡構建過程中,首先基于前文介紹的無效事件識別技術對監測結果進行分析,選擇有效微地震事件進行后續的裂縫網絡構建。其次,裂縫網絡結構是一個靜態結果,展示壓裂裂縫的最終狀態。裂縫發育過程也是評價壓裂效果的一個重要因素。

為了表征裂縫的生長發育過程,通過裂縫線段的顏色屬性表征裂縫發育先后關系。裂縫網絡構建具體實現過程如下:

1) 利用時距交會分析識別無效事件;

2) 將有效微地震事件按照發生的時間先后順序進行排序;

3) 定義裂縫網絡的起裂點為射孔點,定義裂縫路徑的計算原則為當前事件與已形成的裂縫網絡之間滿足距離最短;

4) 根據裂縫路徑計算準則,確定裂縫的連接點,連接事件及連接點生成裂縫;

5) 循環步驟4),逐一計算排序后的有效事件的裂縫連接點,形成最終的裂縫網絡。

對圖1中壓裂段所監測的微地震事件進行裂縫網絡構建,結果如圖2所示。圖2a是基于HUGOT準則構建的裂縫網絡,圖2b是本文方法構建的裂縫網絡。圖2a中,井筒右翼有一條長約500m的大裂縫,根據本文表征裂縫發育過程的思想,該條大裂縫顏色為藍色,代表壓裂初期即產生大裂縫。結合實際生產經驗,壓裂初期產生如此大裂縫的可能性比較小。根據時距交會分析結果,將破裂前緣外側的事件進行刪除,重新構建的裂縫網絡均在井筒附近,如圖2b 所示,更為合理。圖2壓裂曲線表明,該段壓裂施工分3個階段。施工前30min內采用添加前置液、滑溜液壓裂工藝,主要目的是進行人工造縫。40min到60min為加粉砂階段,對前期造的裂縫進行打磨溝通使得裂縫進一步延伸。壓裂60min后,加粗砂階段,主要目的是支撐前期的壓裂裂縫,并形成微小的裂縫。在此,為了便于比較,繪制了壓裂初期(添加前置液和加粉砂階段)的裂縫網絡,如圖2c所示。由圖2可以看出,壓裂初期裂縫網絡主要在井筒附近,且裂縫支縫發育并不充分。結合圖1中左翼破裂前緣在約壓裂60min后保持不變的特征,表明粉砂工藝對左翼裂縫起到了明顯的裂縫延伸作用。圖2b與前期裂縫網絡(圖2c)相比,支縫(黃色和紅色縫)發育,縫網復雜度明顯提高,表明加粗砂工藝起到了很好的裂縫復雜化作用。

圖2 某壓裂段的裂縫網絡結構俯視圖及其壓裂曲線a 無效壓裂事件識別前; b 無效壓裂事件識別后; c 壓裂初期的裂縫網絡結構俯視圖(圖中:X表示東西(EW)方向距離;Y表示北南(NS)方向距離;紅色粗線代表壓裂井軌跡;藍色裂縫為壓裂初期形成的裂縫;紅色裂縫為壓裂后期形成的裂縫)

2 實際資料應用

選取四川盆地某壓裂平臺的地面微地震監測資料進行裂縫網絡構建,并結合地層屬性特征分析裂縫網絡在壓裂效果評價中的作用。該平臺水平壓裂井微地震定位結果如圖3a所示。圖3b為基于該定位結果采用人工手段繪制的裂縫網絡。

利用本文方法,首先根據微地震定位結果進行無效事件識別。該平臺第3,5,6壓裂段時距交會分析結果如圖4a、圖4b和圖4c所示,在部分壓裂段監測到無效壓裂事件,將圖中黑色橢圓框內微地震事件剔除再進行后續的裂縫網絡構建,結果見圖4d、圖4e、圖4f。裂縫網絡結果表明,該平臺的裂縫網絡具有明顯的先主縫延伸后裂縫復雜化的發育特征。

圖3 某工區水平井各壓裂段定位結果俯視圖(a)及人工繪制的裂縫網絡俯視圖(b)(縱向紅色實線為壓裂井軌跡,微地震事件點和裂縫網絡的顏色代表不同的壓裂段)

圖4 部分壓裂段時距交會圖及其對應的裂縫網絡俯視圖a,b,c 分別為第3,5,6壓裂段時距交會圖; d,e,f 分別為第3,5,6壓裂段裂縫網絡俯視圖及其壓裂曲線(a,b和c圖中天藍色折線為第3,5,6壓裂段的破裂前緣;a中黑色橢圓內事件為無效事件;d,e和f中紅色粗線代表壓裂井軌跡;微地震事件點和裂縫網絡的顏色代表事件形成的先后關系;藍色為壓裂初期形成的事件或裂縫;紅色為壓裂后期形成的事件或裂縫)

圖5展示了該井所有壓裂段的裂縫網絡。從俯視圖可以看出,裂縫網絡近似沿垂直井筒方向對稱發育,次縫發育,縫網復雜度高,如1～10段。僅在部分壓裂段裂縫網絡相對單一,比如11,18～22段。從側視圖上可以看出,該井的裂縫網絡均發育在井筒上方,且各段裂縫高度相當。相比圖3a 定位結果,裂縫網絡俯視圖和側視圖更能直觀展示壓裂縫網發育的空間形態。與圖3b相比,利用本文方法構建裂縫網絡避免了人工操作,效率高、精度高。此外,本文方法是在三維空間坐標系下構建裂縫網絡,除了提供裂縫網絡的平面分布情況外,還提供了裂縫高度的發育情況。

上述分析結果表明,裂縫網絡可以直觀展示壓裂縫網的空間形態及其復雜度。為進一步分析壓裂改造效果,在此利用裂縫網絡以及儲層的脆性、水平主應力差(DHSR)以及局部地應力方向等信息進行綜合分析,厘清壓裂主控因素,從而提高對儲層和壓裂改造的認識(圖6)。圖6a中紅色代表高脆性值,藍色代表低脆性值。在脆性指數較大的區域,微地震事件也較多;脆性指數較小的區域,微地震事件較少。結合裂縫網絡來看,儲層脆性好的地方,在水力壓裂過程中更容易形成網狀縫,如1～10段。圖6b中,微地震事件多集中在DHSR相對較小的區域,且該區域易形成網狀縫,對應較好壓裂效果,在水力壓裂過程中更易于形成體積壓裂。圖6c中,最大水平主應力與區域主應力一致性好的區域利于壓裂,易形成網狀縫,局部應力方向變化大的區域不利于壓裂,如15～22段縫網復雜度較低。該工區最大水平主應力方向呈近似水平方向(圖6d),結合裂縫網絡形態發現,該井壓裂裂縫發育方位與區域最大水平主應力方向接近,表明裂縫發育方位受區域主應力影響明顯。

圖5 水平壓裂井裂縫網絡俯視圖(a)及側視圖(b)(紅色粗線為壓裂井軌跡,裂縫網絡的顏色代表不同壓裂段)

圖6 微地震事件與地震屬性疊合顯示及區域最大水平主應力方向a 脆性指數E/λ; b DHSR預測結果; c 局部地應力方向與微地震事件疊合圖; d 區域最大水平主應力方向(a圖中黑色實線代表壓裂井軌跡,各壓裂段的圓半徑代表地層破裂壓力大小,背景紅色代表高脆性值,藍色代表低脆性值,紅色橢圓區域為高脆性區;b圖中黑色實線代表壓裂井軌跡,井軌跡各壓裂段的顏色代表破裂壓力,紅色為高破裂壓力區,藍色為低破裂壓力區,背景紅色代表低DHSR區,藍色代表高DHSR區;c圖中藍色實線代表井軌跡,背景顏色含義與b圖相同,每個小玫瑰圖代表局部地應力方向,藍色圓內局部地應力方向與區域最小水平主應力方向相差較大)

3 結束語

本文提出的裂縫網絡構建技術,在裂縫網絡構建前基于時距交會分析技術進行了無效壓裂事件識別,提高了裂縫網絡構建技術的合理性,在裂縫網絡構建時通過裂縫發育時空順序表征裂縫生長過程,并利用地層屬性特征結合裂縫網絡實現壓裂改造效果評價。四川盆地某水平井壓裂的地面微地震監測資料分析結果表明,時距交會分析可以有效識別無效壓裂事件,且交會圖可以有效分辨出主縫延伸階段和裂縫復雜化階段,為壓裂工程人員提供指導;裂縫網絡構建結果與地層屬性特征具有較好的相關性,裂縫發育方位受控于該區域最大水平主應力方向,高脆性、低DHSR、局部地應力與該區域最大水平主應力一致區域易形成復雜的網狀縫,壓裂改造效果好,驗證了本文方法的有效性和實用性。

本文初步解決了裂縫網絡的構建問題,但未對未支撐的閉合縫作出評價。對形成產能的有效壓裂體積的有效裂縫的解釋,還需要結合其他監測資料和氣藏動態模擬作出綜合評價。