利用微地震監測成果判斷砂礫巖油藏壓裂裂縫井間連通性
——以準噶爾盆地瑪湖油田為例

劉衛東 劉騰蛟 紀擁軍 張立峰* 儲仿東 張 攏

(①中國石油新疆油田公司開發公司，新疆克拉瑪依 834000； ②東方地球物理公司新興物探開發處,河北涿州 072751)

0 引言

隨著油氣勘探技術的不斷突破，針對準噶爾盆地瑪湖油田低孔、低滲砂礫巖儲層 ，創新采用“大井叢、多層系、小井距、長井段、交錯式、密切割、拉鏈式、工廠化”等一系列技術，使儲量動用率大幅提升，采收率顯著提高[1]。目前砂礫巖儲層已逐步成為中國石油勘探的重點目標之一。但砂礫巖油藏具有巖石結構復雜、滲透性低、非均質性強、連通性復雜等特點[2-4]，開發難度仍然很大。若井網不合理、開發井距偏大，難以對井間儲層進行有效體積改造，剩余儲量可能永遠無法開采[5]； 若開發井距偏小，壓裂干擾風險加大，壓力干擾也將加劇，嚴重影響開發效益[6]。評價壓裂裂縫井間連通性，可為優化井間距及壓裂規模提供重要依據，因此準確判斷壓裂裂縫井間連通性對開發低孔、低滲砂礫巖油藏具有重要意義。

目前，測定井間連通性的方法有干擾試井、電纜測井、產能評價、現代油藏地球化學和示蹤劑等方法。邱子瑤等[7]在相鄰生產井下入高精度存儲式壓力計，通過測量井底連續流壓變化判斷各井之間的連通性。郭淑軍等[8]通過對比脈沖中子衰減譜(PND)測井與常規測井的解釋結果，研究儲層壓裂前、后的連通性變化。呂明勝等[9]使用動態生產資料，利用Orkiszewski方法計算井底流壓，最終得到油井產能系數分析井間連通性。尹偉等[10]利用氣相色譜指紋技術研究沈家鋪油田棗Ⅴ油組各斷塊間及斷塊內流體連通性。周麗梅等[11]通過示蹤劑曲線特征分析油藏井間連通方式，從峰型、主峰高寬比、主峰擬面積和注水推進速度等四個方面評價曲線特征與連通方式之間的關系。本文以準噶爾盆地瑪湖油田瑪131示范區示蹤劑檢測結果為判斷依據，分析微地震事件屬性特征，提出一種利用微地震監測成果定量判斷砂礫巖油藏壓裂裂縫井間連通性的新方法。

1 判斷方法

1.1 微地震事件反演定位

微地震事件反演定位是微地震監測的核心，為了在微地震監測過程中快速、準確地定位各事件點位置，人們提出了多種微地震事件反演定位方法。按照微地震事件反演定位過程中構造目標函數所用的走時信息或波形信息，將微地震事件反演定位分為基于走時的射線追蹤定位方法和基于波形偏移的定位方法，它們均有各自的優勢與不足。前者主要根據縱、橫波在地層中傳播的空間—時間關系，將微地震信號從破裂位置到檢波器的理論走時與實際觀測走時之差作為目標函數，進而求解微地震事件點位置，但縱、橫波初至拾取精度與速度模型的誤差對定位影響較大。近幾年中國學者提出利用常規有源地震資料偏移定位無源微地震事件的新方法，不需要拾取初至，以微地震信號的波形信息為基礎，借鑒了常規地震偏移處理中的地震波場延拓與成像思路。該類方法計算量較大，而且對速度模型精度要求較高[12-15]。

綜上所述，微地震事件反演定位精度與微地震信號初至拾取精度、速度模型精度以及定位算法穩定性密切相關，在數據處理過程的任何一個環節都可能導致定位精度下降，且實際定位誤差往往是多種誤差的矢量和。現階段由離散的微地震事件點刻畫的裂縫形態僅代表壓裂裂縫網絡的包絡范圍，很難精細刻畫縫網包絡中人工裂縫的真實形態，因此僅靠離散的微地震事件點分布位置信息無法準確判斷裂縫井間連通性。

1.2 天然裂縫識別

全球地震活動遵從如下關系[16]

lgQM=a-bM

(1)

式中：M為震級；QM為震級大于M的微地震事件數；a和b均為常數。Sil等[17]發現b值隨空間的變化反映地層各向異性，b值隨時間的變化反映不同巖石破裂機制； Maxwell[18]通過分析天然地震和微地震實例，認為壓裂誘發的微地震事件的b值約為2，溝通天然裂縫產生的微地震事件的b值約為1，b值可輔助判斷水力壓裂是否溝通天然裂縫或斷層。同時由于天然裂縫和水力壓裂誘發巖石破裂的震源機制不同，溝通天然裂縫后微地震事件表現為事件能量較強、在同一位置重復、密集出現的特征[19]。

圖1為瑪湖1示范區砂礫巖儲層微地震監測成果。由圖可見，紅色陰影區域內微地震事件能量明顯較強，且各種顏色的微地震事件重復、密集出現，微地震事件的能量和時空分布特征指示壓裂裂縫溝通天然裂縫。

分別擬合紅色陰影區內(圖2)、外(圖3)微地震事件的M與lgQM的關系，得到b值。可見紅色陰影區內的b值接近1，符合壓裂溝通天然裂縫的特征(圖2)。

紅色陰影區內微地震事件能量較大，且重復、密集出現(b值接近1)，表現為溝通天然裂縫的特征。微地震事件溝通天然裂縫后，沿裂縫帶擴展較遠，與檢波器(黑色標記)在中間水平井水平段的2個位置監測周圍7口水平井的壓裂情況，各段壓裂微地震事件用不同顏色表示，微地震事件點直徑大小代表巖石破碎能量鄰井溝通交叉，不利于總結正常人工縫網擴展規律。因此在分析井間連通性前，首先要去除受天然裂縫影響的壓裂段。

圖1 瑪湖1示范區砂礫巖儲層微地震監測成果

圖2 紅色陰影區內微地震事件的M與lgQM的關系(b=1.061)

1.3 人工裂縫擴展過程分析

在未受天然裂縫影響的情況下，人工裂縫擴展范圍主要受施工規模影響，施工規模越大裂縫延伸越遠，與鄰井連通的可能性越大。因此要分析不同液量階段微地震事件分布特征。

圖3 紅色陰影區外微地震事件的M與lgQM 的關系(b=1.770)

圖4為瑪湖凹陷砂礫巖儲層不受天然裂縫影響的人工縫網正常擴展的微地震事件形態分布圖。由圖可見，M1248井第4段前期微地震事件在井軌跡附近擴展，150m3液量時M1248井第4段東南方向事件點與M1249井第9段事件點交叉，400m3液量時M1248井第4段東側事件點開始向M1249井第7段裂縫延伸，全部壓裂液共755m3添加完成后，M1248井第4段東側事件點與M1249井事件點交叉，即隨著液量增加微地震事件逐步向外延伸。

圖4 瑪湖凹陷砂礫巖儲層不受天然裂縫影響的人工縫網正常擴展的微地震事件形態分布圖紅色點為M1248井第4段不同液量(50、100、150、200、400、755 m3)階段微地震事件分布，綠色點為鄰井M1249井第7段的全部微地震事件分布

目前利用微地震監測結果構建水力裂縫網絡的常用方法是根據微地震事件的時間順序和空間分布，仿照設定的幾何連接準則連接各事件點，從而形成水力裂縫網絡。Hugot等[20]提出最短路徑連接準則，其優點是可描述復雜的裂縫網絡，而且在一定程度上符合裂縫擴展的物理原理，但實驗室尺度的水力壓裂試驗表明，水力裂縫并不總是沿著最短路徑與先存裂縫(弱面、節理等)連通。趙爭光等[21]根據微震事件的時空分布和震源機制信息確定連接準則，生成離散裂縫網絡解釋水力裂縫。不同的連接準則可生成不同的裂縫網絡形態，而且生成的裂縫展布是否遵循相關理論尚未有定論，利用微地震結果構建裂縫網絡仍是需要繼續研究的課題，因此現階段利用微地震成果很難精細刻畫縫網包絡中人工裂縫的真實形態。同時受速度模型、初至拾取、偏振分析等因素影響，微地震事件定位結果存在一定誤差，僅靠兩段相鄰的微地震事件的“交叉”并不能判斷兩段真實的人工裂縫的連通性。

1.4 微地震判斷方法

本文以示蹤劑檢測結果作為判斷井間人工改造裂縫連通性依據，總結未受天然裂縫影響情況下微地震事件點與鄰井事件點最小距離規律，提出一種新的利用微地震監測結果評價砂礫巖油藏壓裂裂縫井間連通性的方法。

設M1248井第4段有N1個射孔點(圖5綠色正方形)，各射孔點坐標為Ai=(xAi，yAi，zAi)，射孔點的中心點坐標為A=(xA，yA，zA)，即

(2)

M1249井第7段有N2個射孔點(圖5中黃色正方形)，各射孔點坐標為Bj=(xBj，yBj，zBj)，各簇射孔點的中心點坐標為B=(xB，yB，zB)，即

(3)

(4)

D=(xD,yD,zD)=2(2A-B)-B

(5)

一般情況下微地震事件由射孔點位置向左、向右兩側擴展距離在l以內，點D位于點A左側3l處，即可保證全部微地震事件位于點D一側。點C到點D的距離為

(6)

微地震事件點Ei=(xi,yi,zi)到點D的距離為

(7)

Ei到點C的相對距離為

Xtoc=Li-L

(8)

某段事件點Ei到相鄰段Ne個事件點集Ej=(xj,yj,zj)的距離集G為

G={d(i,j)|d(i,j)=

1≤j≤Ne，j∈Z}

(9)

圖6為微地震事件判斷裂縫連通性分析圖。由圖可見：M1248井第4段事件點與M1249井第7段事件點橫坐標是否交叉，代表兩段裂縫包絡是否交叉； 縱坐標dmin代表真實裂縫與相鄰裂縫的連通程度，其值越小，相鄰兩段微地震事件越接近，則兩段裂縫連通的可能性越大。

圖5 相鄰兩段微地震事件平面分布圖

以示蹤劑檢測結果作為裂縫是否連通的判斷依據，分析各壓裂段裂縫連通性與dmin統計規律，總結定量判斷兩段裂縫連通的dmin門檻值，即可形成評價砂礫巖油藏壓裂裂縫井間連通性的方法。

圖6 微地震事件判斷裂縫連通性分析

縱坐標為本段事件點Ei到相鄰段Ne個事件點集Ej的距離集G中的最小值dmin

1.5 示蹤劑判斷方法

選定壓裂平臺內一口井注入化學示蹤劑，該井在分段壓裂時，將特定化學示蹤劑按設計用量隨本段壓裂液一起注入地層，各段注入的示蹤劑不同。該井鄰井壓裂返排時，在鄰井井口采集返排液樣品，檢測返排液樣品中所注各種化學示蹤劑的濃度。示蹤劑產出曲線包括見劑速度、峰值個數、峰值高度、波峰寬度、示蹤劑回采率等要素。見劑速度反映井間連通裂縫的滲透率，其值越大，井間連通裂縫的滲透率越高； 波峰個數對應高滲通道的數量，通常幾個波峰對應幾個通道； 峰值高度對應高滲通道的厚度，峰值越高，高滲通道越厚[22]。

以大裂縫為主的縫網系統在壓后開井反排過程中，由于裂縫主要為一條或數條大裂縫，裂縫導流能力高。大裂縫中示蹤劑產出較快，示蹤劑濃度迅速升高； 在短時間內，裂縫內示蹤劑全部產出，產出液中示蹤劑的濃度再迅速下降[23]。故在以大裂縫為主的縫網體系中，示蹤劑產出的曲線形態為單峰形(圖7)。以微裂縫為主的縫網系統在壓后反排時，由于裂縫導流能力有限，示蹤劑濃度逐漸上升。隨著持續反排，微裂縫內壓裂液與示蹤劑逐漸減少，示蹤劑濃度在升高到一定值后又逐漸降低。在微裂縫為主的縫網體系中，示蹤劑產出曲線特征為先緩慢上升， 后又緩慢下降(圖8)。

本文不分析井間裂縫連通形式，只判斷相鄰兩段人工改造縫網的連通性，因此僅需統計檢測到的示蹤劑型號，確定這些示蹤劑注入注劑井的壓裂段，從而確定壓裂裂縫連通段的位置，即可確定注劑井中與鄰井裂縫連通的壓裂段[24]。

圖7 示蹤劑反排曲線示意圖(大裂縫)

圖8 示蹤劑反排曲線示意圖(微裂縫)

2 數據分析

為了進一步提高準噶爾盆地瑪湖油田砂礫巖油藏單井產量、儲量動用率和采收率，提升鉆/完井工程效率，有效降低投資和成本，在致密礫巖“繞礫成縫”和“井間主動干擾”理論認識的基礎上，結合大量數值模擬，創新性地設計了以“大井叢、多層系、小井距、長井段、交錯式、密切割、拉鏈式、工廠化”系列技術為核心的瑪131井高效、立體開發試驗示范區，在一個大平臺上縱向針對 T1b2儲層(5口)、T1b3儲層(7口)兩套層系共部署12口水平井，采用工廠化平臺作業，實施拉鏈式大規模壓裂[1]。

圖9 T1b2 儲層5口水平井位置關系與M1242、M1243井微地震監測成果

每口井的微地震事件點用同一顏色表示，微地震事件顯示相鄰井大部分層段的微地震事件交叉，但不代表真實人工裂縫連通在平臺井大規模拉鏈式壓裂的同時，在水平井M1244水平段放置微地震監測設備，對各壓裂段開展實時微地震監測。在此以示蹤劑檢測結果為判斷依據，總結定量判斷兩段裂縫連通的dmin門檻值。圖9、圖10分別為T1b2儲層、T1b3儲層水平井位置關系與微地震監測成果圖。由圖可見：M1243井共壓裂29段(圖9)，M1248井共壓裂26段(圖10)，每段壓裂時注入不同編號的示蹤劑； 2019-08-30—2020-08-29采集返排液油水樣，總體監測時間長達12個月。圖11為M1243井、M1248井示蹤劑串至鄰井檢查結果。由圖可見： M1243井第2、10、13、14、19、25段壓裂裂縫與M1242井裂縫連通(圖11a)； M1248井第1、2、3、4、8、11、14、15、17、23段壓裂裂縫與M1247井裂縫連通(圖11b)； M1248井第1、2、3、4、8、11、14、15、17、18、23段壓裂裂縫與M1249井裂縫連通(圖11c)。

統計M1243井29段和M1248井26段與鄰井(M1242井和M1247、M1249井)的dmin及示蹤劑串至鄰井檢查結果(圖12)表明，連通鄰井的大部分壓裂段的dmin<10m，未連通鄰井的大部分壓裂段的dmin>10m，即dmin越小，人工裂縫與鄰井裂縫連通的可能性越大。因此，定量判斷人工裂縫與鄰井裂縫是否連通的dmin門檻值為10m，即：相鄰井微地震事件交叉，且dmin<10m，則兩井壓裂裂縫連通； 反之，即使相鄰井微地震事件交叉，但dmin>10m，則兩井壓裂裂縫未真正連通。

圖10 T1b3 儲層7口水平井位置關系與M1247井、M1248井、M1249井微地震監測成果

利用微地震監測成果評價井間裂縫連通性的方法符合裂縫相互連通的定性認識，雖然無法精細刻畫真實裂縫形態，但dmin門檻值統計特征來源于砂礫巖儲層多段示蹤劑檢測結果與實際微地震監測結果。人工裂縫在同一地區、同一套儲層的擴展規律基本一致，因此結合微地震與示蹤劑判斷方法評價瑪湖凹陷砂礫巖油藏壓裂裂縫井間連通性具有一定的科學性。

圖11 M1243井、M1248井示蹤劑串至鄰井檢查結果(a)M1243井示蹤劑串至M1242井； (b)M1248井示蹤劑串至M1247井； (c)M1248井示蹤劑串至M1249井

圖12 M1243井29段和M1248井26段與鄰井的dmin(共81對數據)及示蹤劑串至鄰井檢查結果

3 成果應用

圖13為瑪湖1示范區MH22015、MH22016井全部微地震事件分布。由圖可知：井軌跡北側溝通兩條明顯的天然裂縫帶，裂縫延伸較遠與鄰井溝通，本文提出的井間連通性分析方法不能分析天然裂縫發育區域，僅能分析井軌跡南側正常擴展的壓裂段井間連通性； MH22015井與MH22016井相距200m，兩井之間未采集示蹤劑檢測、壓力監測等數據，在此依據本文提出的微地震評價方法分析井間壓裂裂縫連通性。圖14為去除天然裂縫的微地震事件分布，顯示兩井微地震事件交叉，但兩井的壓裂裂縫是否真正溝通，還需要進一步分析。

圖15為MH22015井第5段與MH22016井第4段裂縫連通性分析，顯示MH22015井第5段微地震事件與MH22016井第4段微地震事件的dmin<10m，代表兩段人工裂縫相互連通。

圖16為MH22015井第8段與MH22016井第7段裂縫連通性分析，顯示MH22015井第8段微地震事件與MH22016井第7段微地震事件的dmin>10m，代表兩段人工裂縫未真正連通。

對MH22015井1～10段與MH22016井1～10段進行井間裂縫連通性分析，分析結果顯示僅MH22015第5段與MH22016井第4段裂縫真正連通，其他壓裂段均未與鄰井真正連通，裂縫連通率為10%。因此井間距(200m)相對偏大，該區塊后續施工可以適當增加壓裂規模，提高造縫長度，或縮小井間距，提高儲層開發效果。

圖13 瑪湖1示范區MH22015(藍色點)、MH22016井(黃色點)全部微地震事件分布

圖14 瑪湖1示范區MH22015(藍色點)、MH22016井(黃色點)去除天然裂縫的微地震事件分布

圖15 MH22015井第5段(紫色點)與MH22016井第4段(紅色點)裂縫連通性分析

圖16 MH22015井第8段(綠色點)與MH22016井第7段(粉色點)裂縫連通性分析

4 結論

(1)現階段離散的微地震事件點刻畫的裂縫形態僅代表壓裂裂縫網絡的包絡范圍，很難精細刻畫縫網包絡中人工裂縫的真實形態，而且受速度模型、初至拾取、偏振分析等因素影響，微地震事件定位結果存在一定誤差。因此僅靠離散的微地震事件點分布位置信息無法準確判斷裂縫井間連通性。

(2)以示蹤劑檢測結果作為裂縫連通性的判斷依據，利用瑪湖凹陷砂礫巖油藏微地震事件距鄰井事件最小距離門檻值定量判斷兩井裂縫連通性，提出了利用微地震監測結果評價砂礫巖油藏壓裂裂縫井間連通性的準則：砂礫巖油藏未受天然裂縫影響區域的相鄰兩井微地震事件交叉，且微地震事件距鄰井事件最小距離小于10m，則兩井壓裂裂縫連通； 相鄰井微地震事件交叉，但微地震事件距鄰井事件最小距離大于10m，則兩井壓裂裂縫未真正連通。

(3)應用提出的微地震事件判斷瑪湖凹陷砂礫巖油藏井間裂縫連通性方法，可以評價瑪湖區塊井間距與施工規模的合理性，也可推廣到其他地區。