基于微地震監測下優化壓裂工藝技術研究

易招波

（中國石化江漢油田分公司石油工程技術研究院，湖北武漢 430000）

1 微地震重構算法介紹

頁巖壓后縫網的準確描述是頁巖返排率計算和分析的基礎，由于實際工況中井下測量信息的缺乏，往往很難獲取真實的裂縫發育情況，利用儲層壓裂過程中的微地震數據，通過建立相應的重構算法，結合室內壓裂實驗縫網溝通規律，最后構建三維離散裂縫網絡（DFN）地質模型[1-3]，重構算法流程（見圖1）。

水力壓裂過程中注入壓力通過井筒對地層進行作用時，儲層產生的微觀損傷逐漸聚集和延伸形成宏觀裂紋，當裂紋處的應力集中到一定程度時，儲層會產生儲層突發式地斷裂行為，并以彈性波的形式釋放能量，該部分彈性波被檢波器記錄并用于微地震事件的解釋。由于儲層改造后產生的水力裂縫參數無法通過直接的測量手段進行測量，實際工程中利用微地震事件所占的空間體積來間接估算儲層改造的SRV。

圖1 重構算法流程圖

2 壓裂工程參數與微地震響應規律分析

地質環境是決定水力壓裂改造成功的先天條件，其屬性特征較難改變，通過優化工程施工參數來提升既定儲層條件下的縫網改造效果是挖掘頁巖生產潛力的關鍵。通過研究不同施工參數條件下的微地震監測響應特征，可以進一步優化施工規模、施工排量、裂縫間距等工程參數，為實現相似頁巖氣井預期改造效果提供指導。

2.1 不同加砂量下微地震監測響應特征

支撐劑在水力壓裂中最主要的作用是在水力壓裂裂縫形成后支撐、充填壓裂裂縫，形成地下流體的高導流通道，對于一些儲層，無法形成足夠的導流能力可能意味著產能快速遞減。此外，支撐劑還具有以下兩個主要作用：（1）在加砂過程中通過支撐劑粒徑、用量及砂比的變化達到增加縫內凈壓力，從而實現壓開新縫或者縫內轉向的目的；（2）小粒徑支撐劑如70/140 目，可以在施工早期起到打磨近井筒從而降低近井彎曲摩阻，以及充填微裂縫系統降低壓裂液濾失的作用[4]。

雖然壓裂過程中支撐劑的選擇和用量對增加裂縫復雜性可起到一定的積極作用，但支撐劑最主要的作用依然是對已形成的壓裂裂縫進行充填，支撐劑用量的增加并無法增加改造體積。微地震統計結果亦證明了這點，以典型井焦頁44-1HF 井、焦頁44-2HF 井及焦頁7HF 井為例，單段加砂量與微地震監測響應的關系（見圖2），加砂量與波及體積之間相關性并不明顯。

圖2 焦頁44-2HF 井單段加砂量與波及體積關系圖

2.2 不同壓裂液量下微地震監測響應特征

頁巖水力壓裂的過程是在地面采用高壓大排量的泵車，利用液體傳壓的原理，將壓裂液注入儲層，使得裂縫起裂并向前延伸、擴展，從而在井底附近地層內形成具有一定幾何尺寸和高導流能力的填砂裂縫。在壓裂施工過程中，通過壓裂液的黏度和施工排量的組合變化進一步誘發凈壓力的變化，可增加裂縫的復雜性和改造體積[5]。

與常規低滲透儲層不同，頁巖的脆性特征決定了其在壓裂泵注過程中，甚至停泵后，都會在壓裂液液壓傳遞作用下發生破裂，頁巖氣井的縫網形成過程往往在整個施工周期都會發生。但是施工后期改造規模達到一定程度時，壓裂液會達到一種泵注和濾失的平衡狀態，此時繼續注入壓裂液會對裂縫體系的改造影響甚微，可以據此獲得施工液量的最優臨界值。

圖3 焦頁7HF 井部分井段壓裂液用量與裂縫發育變化圖

微地震監測結果顯示壓裂液量對SRV 具有顯著影響，通過不同壓裂液量注入階段對應的微地震監測結果可直觀觀測裂縫發育情況。以典型平臺焦頁37 平臺、焦頁44 平臺及焦頁7HF 井為例，單段入井液量分別為400 m3、800 m3、1 200 m3、1 600 m3時，整段裂縫發育情況（見圖3）。

對各壓裂段累計壓裂液量與其對應的SRV 進行分析，以典型井焦頁44-1HF 井、焦頁37-3HF 井及焦頁7HF 井為例，部分微地震監測井各段微地震事件數隨入井液用量變化曲線（見圖4）。各井不同壓裂段隨著注入液量的增加，SRV 也隨之增大。確定1 200 m3～1 600 m3入井液量作為目前焦石壩區塊單段壓裂用液量的臨界點，此時縫網輪廓基本形成，超過此臨界值繼續注液，則SRV 增加不明顯。

圖4 焦頁7HF 井微地震事件點隨液量的變化曲線

2.3 壓力與排量對微地震監測響應特征

施工壓力與微地震事件個數呈正相關關系，高施工壓力微地震事件較多，表明凈壓力大幅提高，誘發剪切破裂事件。微地震事件顯示，平穩施工壓力階段事件最多，與施工時長有關，穩定高施工壓力階段事件其次，表明高施工壓力階段凈壓力較高，對于裂縫起裂和產生剪切破壞影響較大，施工排量與改造體積關系（見圖5）。

由圖5 可知，泵入總液量一定的條件下，施工排量越大，水力壓裂后形成的SRV 越大。這是由于排量越大，縫內凈壓力越高，流體壓力擴散效應加劇導致地層壓力升高幅度和范圍擴大，縫內凈壓力高同時導致誘導應力越大，壓力場和應力場的增強效應共同導致天然裂縫破壞區越大，為此，頁巖壓裂采用大排量進行施工能形成更大的SRV。

圖5 施工排量與改造體積關系

3 壓裂設計參數優化

結合微地震監測分析、壓裂工程和生產實際，對壓裂設計或施工參數進行研究，本文主要研究了有效液量、砂量、加砂強度、排量、分簇射孔和段簇間距等參數優化。

3.1 有效液量

根據不同液量規模下微地震事件包絡體的變化，研究壓裂有效液量，模擬結果（見圖6）。

圖6 焦頁2-5HF 井第17 段不同液量微地震事件包絡圖

隨著注入液量的增加，儲層改造體積（SRV）隨之增大，當入井液量達到1 200 m3微地震事件數量增加較快。加密井焦頁2-5HF 井1 600 m3液時微地震事件包絡體基本形成，后期施工液量主要提高裂縫的復雜程度。

不同壓裂段隨著注入液量的增加，儲層改造體積（SRV）隨之增大，當入井液量達到1 200 m3～1 600 m3時，上部氣層焦頁21 平臺壓裂井裂縫形態基本保持，繼續注液，裂縫擴展不明顯，復雜度有所增加。

根據焦石壩主體區生產井統計數據，累計產量達到7 000×104m3時的生產能力來看，生產能力強的井平均單段液量均大于1 600 m3。單段液量過少，氣井生產強度一般較低。分析認為：在焦石壩主體區單段液量大于1 600 m3，能形成基本的縫網輪廓，改造體積較大，生產效果相對較好。綜合微地震、壓裂和生產統計分析：主體區加密井有效液量大于1 600 m3；上部氣層井有效液量為1 200 m3～1 600 m3。

3.2 微地震事件隨液量增長規律

統計不同壓裂段微地震事件累計個數隨液量變化情況，研究微地震事件分布規律。在800 m3液量之前，焦頁21-S2HF 和焦頁21-S3HF 的微地震事件較多，曲線斜率相對較大。焦頁2-5HF 的微地震事件數量在1 000 m3液量之后增長速度較快，前期速度較慢，兩個平臺呈現截然不一的微地震事件分布規律。

可能原因：（1）上部氣層和下部氣層巖石力學環境的差異；（2）焦頁21-S2HF 和焦頁21-S3HF 主要穿行⑧號層，壓裂初期層理縫容易發生剪切事件；（3）焦頁2-5HF 井初期由于已壓裂鄰井的老裂縫誘導，剪切事件少，1 000 m3液后產生新裂縫，此時剪切事件相對增多。

3.3 砂量與排量

焦頁21-S3HF 總砂量、中粗砂合量與微地震事件個數呈正相關關系，而與粉陶用量無明顯相關性。微地震事件個數、縫長與加砂強度呈正相關，與縫高無明顯相關性。在設計施工時，可以加強中砂和粗砂使用量，提高總砂量，增大加砂強度。

大排量壓裂是頁巖氣取得體積改造成功的重要因素，通過研究排量與微地震事件關系，變排量對微地震事件發生有明顯影響，變排量設計施工利于頁巖壓裂。焦頁21-S3HF 施工排量與累計微地震事件數量分析得到，提排量階段，微地震事件加速出現。

提排量事件與裂縫破裂方式、層理縫發育情況、層位穿行情況有關，上部氣層井焦頁21-S3HF 和焦頁21-S2HF 采用變排量施工，利于微地震事件發生，利于壓裂裂縫體積化、復雜化。

4 結論

（1）利用儲層壓裂過程中的微地震數據，通過建立相應的重構算法，結合室內壓裂實驗縫網溝通規律，最后構建三維離散裂縫網絡地質模型。

（2）通過研究不同施工參數條件下的微地震監測響應特征，進一步優化施工規模、施工排量、裂縫間距等工程參數，為實現相似頁巖氣井預期改造效果提供指導。

（3）結合微地震監測分析、壓裂工程和生產實際，對壓裂設計或施工參數進行研究，得出有效液量、砂量、排量等參數優化建議。