頁巖油水平井體積壓裂及微地震監測技術實踐

劉 博，徐 剛，紀擁軍，魏路路，梁雪莉，何金玉

（1.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司新興物探開發處，河北涿州 072751；2.中國石油新疆油田分公司，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

目前，非常規油氣儲層多采用體積壓裂進行儲層改造［1-5］，增大泄油半徑，實現增儲上產。為了解決人工裂縫網絡成像問題［6-7］，須要通過微地震監測技術對儲層改造效果進行評估，微地震井中監測技術具有精度高和實時性強的特點，在各大油氣田得到了普遍認可和應用。徐剛等［8］提出低滲透儲層中的油氣都須要通過大型壓裂才能夠實現經濟開采，微地震壓裂監測技術是壓裂效果評價的重要手段之一，微地震井中監測技術能夠對破裂實時定位，提供較準確的人工裂縫網絡幾何參數，為壓裂技術方案提供實時指導，為油田開發井網部署提供有效數據；劉博等［9］介紹了非常規油氣層壓裂微地震監測技術的作用，并對比了井中監測和地面監測各自的技術優勢和適用條件，以及在段間距和井間距調整方面的實際作用；容嬌君等［10］通過典型的微地震監測實例分析儲層改造的裂縫網絡特征，并結合測井和三維地震資料分析了斷層對微地震事件屬性特征的影響；張云銀等［11］應用微地震監測數據評估儲層改造體積，通過典型實例證明了微地震監測技術實際效果；Maxwell 等［12］提出了斷層活動對微地震監測的影響；趙爭光等［13］、Cipolla 等［14］和林鶴等［15］利用三維地震數據和微地震數據研究了天然裂縫對儲層改造的影響，并取得了較好的應用效果。

準噶爾盆地東部吉木薩爾區塊頁巖油層富集區頁巖油藏的特征為源儲一體，不發育邊底水，目的層的上“甜點”儲層以砂屑云巖、巖屑長石粉細砂巖和云屑砂巖為主［16］。針對水平井體積壓裂和平臺式壓裂特點，傳統的壓裂思路逐漸轉變，為使油井產量最大化，以達到增產增效的目的，從單一裂縫向網絡裂縫體積改造轉變，充分利用水平井復合壓裂技術，多采用多段分簇的方式進行儲層壓裂改造。首先通過對目的儲層參數進行分析，在綜合考慮儲層物性、應力場特征的基礎上，將水平段劃分為多層段、多簇分別進行措施改造，從而獲得整個水平段的有效改造；分段多簇的劃分原則是選擇在高電阻、低密度、低泊松比、低應力的位置［17］，將儲層物性較好、完井參數理想的層段作為優選層段，實現多段多簇壓裂改造使水平井筒與地層的接觸面積最大化，以增加裂縫復雜程度和泄油面積，實現產能最大化［18-19］。

根據微地震監測實時性強和定位精度高的特點，對準噶爾盆地東部頁巖油平臺井拉鏈式壓裂改造進行實時監測，結合微地震數據和壓裂施工數據等信息評估頁巖油儲層改造效果，實時調整段間距，識別套變的風險并進行預警，以期為頁巖油田開發提供技術支撐。

1 頁巖油藏地質特征與改造難點

目前國內外沒有統一的頁巖油定義，管保山等［20］在2019 年調研了大量文獻的基礎上明確了廣義和狹義頁巖油的含義，廣義頁巖油泛指蘊藏在具有低孔隙度和滲透率的致密含油層中的石油資源，包括頁巖、砂巖和碳酸鹽巖等，其開發須要使用水力壓裂和水平井等技術；狹義的頁巖油定義中用油藏類型區分致密油，其中頁巖油是指來自泥頁巖層系中的石油資源。

準噶爾盆地東部頁巖油目的層的地層厚度大、分布廣，表現為源—儲一體、近源成藏。根據油氣顯示情況，其儲層劃分為上、下等2 個“甜點”，整體上，儲層物性極差，具有極低滲透性。目的層上“甜點體”主要為（濱）淺湖灘壩微相沉積，巖性主要為灰色砂屑白云巖、泥質粉砂巖、云屑砂巖夾灰色泥巖、白云質泥巖，分布穩定。儲層孔隙發育程度差，孔隙類型以粒內溶孔、剩余粒間孔為主，其次為溶孔、粒模孔、晶間孔及微裂縫。儲層平均孔隙度為10.5%，平均滲透率為0.258 mD；覆壓情況下，平均孔隙度為9.4%、平均滲透率為0.063 7 mD，目的層溫度為82.73 ℃，壓力系數為1.31，沒有自然產能，常規儲層改造技術無法獲得工業油流，所以，采用非常規的儲層體積壓裂工藝對儲層進行改造，增大滲流通道，改善開發條件。

由于研究區頁巖油儲層獨特的地質特性，體積壓裂面臨較大挑戰，主要表現為：

（1）目的層儲層碎屑成分較為復雜。填隙物含量較高，主要為膠結物和雜基，成分以白云石、斜長石、方解石等為主（表1），碎屑顆粒磨圓度主要為次棱角狀，分選較差，以顆粒支撐為主，接觸方式主要為線—點狀接觸、點—線狀接觸，膠結類型以壓嵌式—孔隙式為主，壓嵌式次之；壓裂時應注意排量的變化和加入支撐劑的時間。

表1 準噶爾盆地東部某頁巖油藏儲層的礦物含量Table 1 Mineral content of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

（2）儲層巖石中泥質含量高，含有綠泥石、綠/蒙混層，酸敏反應易產生沉淀。部分泥質類巖石、凝灰物質含量高的巖石具一定的水敏性，局部沉火山塵凝灰巖中具蒙脫石含量較高；注入壓裂液后應注意裂縫尖端效應和采取防膨措施。

（3）該頁巖油藏為未飽和油藏，根據測井數據解釋的巖石力學參數如表2 所列，受應力敏感影響波動大，脆性指數變化大，須提高施工排量，并大液量注入壓裂液，以補充地層能量，提升長期穩產能力。

表2 準噶爾盆地東部某頁巖油藏巖石力學參數Table 2 Rock mechanical parameters of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

綜上所述，儲層改造的難點主要為儲層互層多，膠結物和雜基填隙物含量較高，巖性的遮擋能力較強，人工裂縫網絡橫向上不容易連通。

針對體積壓裂面臨的問題，以充分進行儲層改造為前提，以最大限度的降低儲層改造成本，提高效益為目標，儲層改造方案主要遵循如下原則：

（1）采用低濃度胍膠減少殘渣傷害和多粒徑組合支撐劑充填裂縫。

（2）采用滑溜水攜砂增加裂縫復雜程度，減少胍膠殘渣傷害。

（3）采用小段間距、多簇射孔高密度人工裂縫密集切割儲層，大砂量、大液量充分改造儲層，用大排量提高改造體積，確保多簇裂縫均能開啟。

2 頁巖油藏水平井體積壓裂技術

針對準噶爾盆地東部頁巖油藏地質特征和改造難點，研究區內4 口水平井采用電纜泵送橋塞和射孔聯作方式，通過套管內下速鉆橋塞實現對水平段的分段封隔，橋塞分段后電纜射孔實現井筒與地層的連通，提高儲層動用程度。

2.1 高密度密集切割體積壓裂充分改造儲層

射孔簇選擇以地質“甜點”為前提，優選段內固井質量好的井段，橋塞坐封位置及簇的位置要根據套管節箍數據避開節箍位置，段內盡量選擇巖性及力學性質相近的井段，易于多條裂縫同時開啟，保證簇間均勻進液、均衡改造，盡量選擇裂縫發育點進行分簇射孔，并將裂縫發育井段放在一段；采取前期裂縫監測顯示改造區域裂縫形態以條帶狀展布，裂縫帶寬波及帶寬覆蓋整個壓裂井段，表現出體積動用的特征，提高水平段的動用程度；即使“甜點”區在固井質量差的井段，也要避開，防止壓竄造成不必要的浪費，因為采用大排量施工，能夠滿足多簇多裂縫充分開啟，所以，該“甜點”在相鄰井段的裂縫網絡裂縫帶寬會波及到該井段，同樣達到了動用儲量的目的。

2.2 大排量施工滿足多簇、多縫充分開啟

現有井下微地震監測資料顯示微地震事件主要集中在井筒周圍，段內多簇啟裂的可能性較大；并且單段壓裂的裂縫帶寬波及到相鄰井段，實現了改造層段疊加、增加了裂縫相互干擾程度，達到了大排量開啟多縫、增加裂縫復雜程度、充分改造頁巖油儲層的目的。

2.3 滑溜水+胍膠逆混合壓裂工藝實現高效造縫攜砂

前置液階段使用胍膠啟裂主縫，配合滑溜水段塞處理，建立足夠的縫寬，降低施工壓力，提升施工排量，加砂階段采用滑溜水攜砂，使整體施工情況平穩，施工排量基本達到13～14 m3/min，平均砂比達到16.3%，滿足了造縫、攜砂的需要。

2.4 多種粒徑支撐劑有效充填微細裂縫及主體人工裂縫

隨著對頁巖油儲層人工裂縫拓展規律的深入研究，天然裂縫及層間縫、分支縫等次級裂縫對產能貢獻的重要性被逐步認識，采用多粒徑組合的方式實現微細裂縫獲得支撐。綜合考慮成本及效果，滑溜水段塞階段采用109～212 μm 的石英砂、212～308 μm 的石英砂，主體加砂采用270～550 μm 的石英砂，使天然裂縫及人工裂縫均可以得到有效支撐；優化單段3 簇的加砂規模為27 m3/簇、30 m3/簇、50 m3/簇，單段砂量為107 m3。

3 壓裂微地震井中監測

微地震井中監測技術是近幾年發展起來的多學科交叉融合的技術，它具有較強的優越性，技術已經成熟，尤其是在儲層改造人工裂縫診斷方面取得了較大的進步。與其他監測方法相比，它具有可獲得的監測信息多、精度高、實時性強的特點，性價比總體優于其他方法，并在國內各大油氣田得到了廣泛應用（表3）。為了使微地震監測技術更好地服務于油氣田開發，通過此次實時監測頁巖油水平井平臺式拉鏈壓裂效果，對人工裂縫網絡屬性進行實時描述，對壓裂施工過程中遇到的問題進行指導分析，比如：砂量和液量的調整、段間距和簇間距優化調整、破裂壓力和施工過程中的壓力分析等，進一步優化調整整體壓裂方案，所以，在頁巖油水平井體積壓裂和平臺式拉鏈壓裂過程中開展微地震監測技術研究具有時效性的意義。

表3 壓裂監測的不同方法及能力對比Table 3 Comparison of different methods and capacities of fracturing monitoring

3.1 技術方法和作用

在壓裂施工時，在壓裂井相鄰的監測井中，下放耐高溫和高壓的高靈敏度三分量檢波器，采集巖石破裂時產生的微地震信號，通過現場處理求解微地震事件的空間位置，微地震井中監測的最大優點是噪音的干擾相對于地面監測要小，檢波器下放到監測井中可以清晰識別P 波和S 波的初至，信噪比較高［21-23］，實現對儲層改造效果進行評價，同時實時指導儲層改造方案的調整與優化［24-27］；當記錄到高信噪比的縱橫波微地震信號時，并且在縱橫波速度已知的情況下，采用縱橫波時差法對微地震信號進行定位［28］；微地震井中監測技術在頁巖油儲層改造中可以實時監測儲層改造的過程，對因壓裂產生的裂縫進行精細刻畫，反演縫網的長寬高和裂縫方位，并評估儲層改造體積，識別壓裂時斷層和天然裂縫的開啟，并對儲層改造方案進行優化調整，優化井軌跡布設，結合監測成果和壓裂施工參數，為該區塊下一步頁巖油水平井縫間距和井間距的合理設計提供參考信息，促進整體提升頁巖油儲層改造的效果。

3.2 微地震監測采集處理解釋

頁巖油儲層改造根據微地震事件的求解結果評估壓裂對儲層的改造效果，其采集處理解釋流程是：①微地震監測數據采集之前首先要對監測范圍進行論證，通過了解區域地質情況，從儲層物性、壓裂規模、監測井檢波器與壓裂段的距離、地面及地層噪聲、衰減Q 因子、檢波器的靈敏度來綜合論證，最終根據監測距離和震級的關系確定探測范圍，建立模型并正演，論證監測的可行性，從而來論證及確定井中監測的采集觀測系統；②實施大規模儲層體積壓裂改造時，在鄰井井中布設井下儀器，實時記錄壓裂所產生的微地震信號，通過射孔信息對三分量檢波器的方向進行校正，依據試壓裂產生的高能量信號，通過濾波處理精確拾取P 波和S 波初至，通過信號分析及偏振分析來分離微地震信號，利用P 波的極化信息和P 波、S 波的時差聯合確定微地震事件的空間位置；③利用專門的處理和解釋軟件，通過信號分析及偏振分析來分離微地震信號，定位微地震發生的空間位置，分析震源機制和震級規模，反演求解壓裂裂縫及縫網的產生發展過程及特征，計算壓裂改造體積（SRV），監測及評估壓裂改造效果及壓裂的有效性，并結合其他信息和成果，對其后的儲層壓裂改造方案和相關參數的確定提供參考依據（圖1）。有效微地震事件的自動識別本質上是對微地震信號到達特征的識別，微地震事件的識別是實時數據處理的基礎，識別的準確性對后續的微地震事件定位等處理工作有很大影響，通過“拉鏈式”壓裂單井和單段的縫網規模調整下一口井和下一段的儲層改造方案，按照上述步驟循環往復，指導和評估頁巖油水平井體積壓裂改造和效果。

圖1 微地震監測數據采集處理解釋流程Fig.1 Flow of microseismic monitoring data acquisition，processing and interpretation

4 現場應用情況及效果

準噶爾盆地東部吉木薩爾頁巖油藏的A 井和B井在同一個平臺，C 井和D 井在同一個平臺，4 口井的水平段長度均為1 500 m 左右，方位角均為253°，4 口井的水平段井軌跡近似平行，壓裂工藝采用電纜泵送橋塞和射孔聯作方式，通過套管內下速鉆橋塞實現對水平段的分段封隔，橋塞分段后電纜射孔實現井筒與地層的連通。4 口水平井采用“拉鏈式”壓裂方式，A 井和B 井拉鏈，C 井和D 井拉鏈，A井，B 井，C 井和D 井分別分33 段、33 段、32 段和34 段進行壓裂改造，檢波器與壓裂段位置的監測距離為278～1 210 m（圖2），4 口井的總液量分別為42 349.1 m3，42 253.8 m3，38 707 m3和37 809.5 m3，總砂量分別為2 686.17 m3，2 706.64 m3，2 443.91 m3和2 413.92 m3，最大施工排量分別為14.44 m3/min，14.28 m3/min，13.9 m3/min和13.91 m3/min，監測定位有效事件的數量分別為1 582個，3 998 個，9 375 個和7 350 個，4 口井共監測定位22 305 個事件，效果較好（圖3）。

圖2 壓裂井和監測井監測距離示意圖（不同顏色代表不同的壓裂位置，/m）Fig.2 Diagram of monitoring distances for fractured and monitoring wells

圖3 準噶爾盆地東部某頁巖油藏微地震事件俯視圖Fig.3 Top view of microseismic events of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

4.1 現場實時調整壓裂方案

在4 口井壓裂施工過程中，A 井設計33 段壓裂，第32，33 段，由于鄰井壓力過高，放棄壓裂。共監測31 段；B 井設計33 段壓裂，其中第24 段由于下橋塞遇阻，放棄壓裂，共監測32 段；C 井共壓裂32 段，全部進行了有效監測；D 井設計壓裂34 段，其中第12，24，26，27，30 段由于射孔槍遇阻，放棄壓裂，共監測29 段。實時調整方案是根據微地震監測壓裂改造過程中出現的問題，現場有針對性地實時調整設計方案，例如：①在B 井的第21 段、A井的第22 段和第23 段壓裂施工過程中微地震事件重復出現同一區域且震級較大（圖4），微地震事件實時顯示已經溝通了天然裂縫帶，導致B 井第25段套管損壞，第24 段射孔槍無法下入設計深度，放棄24 段壓裂施工；②D 井的第9 段事件分布在第9段射孔點兩側，但第10 段和第11 段壓裂時微地震事件均出現在第12 段射孔位置附近兩側，且井筒附近有大震級事件發生，推測該位置存在天然裂縫或小斷層帶，導致第12 段套變，致使射孔槍遇阻，無法下放到第12 段進行射孔作業，最終放棄第12段壓裂施工（圖5）。

4.2 優化井網布設

在4 口井的壓裂過程中，由于巖石破裂的影響，4 口井的井旁局部應力場發生變化，存在應力干擾的作用，A 井、B 井、C 井和D 井的裂縫網絡有明顯相互波及和擴展的趨勢，從微地震空間展布圖中看出，各井之間裂縫均有溝通，裂縫網絡有交叉重疊現象，依據裂縫網絡長度數據分析：相鄰井之間存在裂縫網絡重疊現象（圖6），所以，在后續布井時，可以參考該4 口井的裂縫網絡走向和裂縫規模，在目前井間距的基礎上增大150 m，合理的井間距為400 m 左右，根據監測成果顯示目前井軌跡走向比較合理。

圖4 準噶爾盆地東部某頁巖油藏A 井和B 井異常事件Fig.4 Schematic diagram of abnormal events in wells A and B of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

圖5 準噶爾盆地東部某頁巖油藏C 井和D 井異常事件Fig.5 Schematic diagram of abnormal events in wells C and D of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

4.3 儲層改造效果

A井儲層改造體積為4 097.0萬m3，B 井儲層改造體積為4 522.9 萬m3，C 井儲層改造體積為5 366.7萬m3，D 井儲層改造體積為5 911.9萬m3。4 口井的設計液量和砂量與實際施工液量和砂量如表4 所列，4 口井液量的施工符合率為98.68%～103.24%，砂量的施工符合率為97.37%～100.25%，其中，A 井有2 段、B 井有1 段、D 井有5 段分別出現套變和砂堵現象，導致射孔槍遇阻，放棄施工，在施工過程中，根據微地震結果實時優化調整了部分井段的液量與砂量，對比設計與實際液量和砂量，設計液量和砂量較為合理可行，儲層改造效果較好，但相鄰段之間微地震事件存在重疊現象，所以，射孔位置可以進一步優化。

圖6 準噶爾盆地東部某頁巖油藏微地震事件俯視圖Fig.6 Top view of microseismic events of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

研究區最大水平主應力方向為北西—南東向，方位角約為158°，微地震成果顯示4 口井各段人工裂縫網絡最大水平主應力方位與區域地應力方向基本一致（圖7），部分壓裂段受天然裂縫和斷層影響，主應力方向方向與區域應力相比有微小變化。4 口井微地震事件的震級為-4.00～-0.38，主要集中在-3.67～-2.90（圖8）；總液量為161 119.4 m3，總砂量為10 250.6 m3，共監測定位21 857 個事件，基本上達到了壓裂預期目的，通過微地震監測成果顯示，水平井壓裂裂縫間距可以進一步調整優化。

表4 準噶爾盆地東部某頁巖油藏設計與實際施工符合率對比|Table 4 Comparison of compliance rate between design and actual construction of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

圖7 準噶爾盆地東部某頁巖油藏人工裂縫網絡的主應力方向Fig.7 Principal stress direction of artificial fracture network of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

圖8 準噶爾盆地東部某頁巖油藏微地震事件震級與微地震事件到檢波器距離交會圖Fig.8 Crossplot of magnitude vs distance between microseismic events and geophones of a shale reservoir in eastern Junggar Basin

5 結論

（1）在準噶爾盆地東部吉木薩爾區塊對4 口頁巖油水平井壓裂的微地震監測表明，這種高密度密集切割、大排量、逆混合、多粒徑、大規模體積壓裂對頁巖油儲層改造充分，有效促進了油田增產增效；采用平臺式拉鏈壓裂施工方法，可以充分利用井間應力干擾促成大范圍裂縫帶的形成和溝通，形成更大的裂縫體積和滲流通道，對產能的改善作用更加明顯，同時可以縮短施工周期，提高開發效率。

（2）在壓裂施工中產生的微地震事件的震級集中在-3.6～-2.9。受監測距離的影響，每口井后5段的微地震事件數量較少，建議采用多井監測方式對長水平段水平井進行壓裂監測；B 井的第21 段、A 的井第22 段、第23 段的微地震事件重復出現在同一區域且震級較大，溝通了裂縫帶，導致B 井的第25 段套管受損變形，第24 段射孔槍無法下入設計深度進行射孔，所以，放棄了第24 段壓裂施工；各段微地震事件方位顯示最大水平主應力方位與區域地應力基本一致，各段間有微弱變化；裂縫網絡的長度、寬度、高度與單段液量呈現一定的正相關性，裂縫網絡長度顯示4 口井之間的人工裂縫帶已經連通，裂縫網絡寬度顯示各段之間有重復改造現象，增大了裂縫復雜程度；在目前施工規模下，在該區塊后續井網布設時調整井間距為400 m，可達到同樣的效果；在后續充分利用微地震監測的實時性，實時調整段間距和射孔點，避免壓竄和砂堵。

（3）微地震監測取得了較好的效果。利用微地震監測技術可以對頁巖油水平井儲層改造進行實時監測，其成果顯示該區頁巖油儲層改造很充分，并存在套變。建議在大規模儲層改造前，預測可能存在的套變井段，與微地震監測技術充分結合，壓裂效果會更好。