賈自力, 石彬, 劉芳娜*, 張軍科, 周紅燕, 付晨陽
(1.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院, 西安 710075;2.陜西省特低滲透油氣田勘探與開發(fā)工程技術(shù)研究中心, 西安 710075)
水平井+分段體積壓裂技術(shù)作為非常規(guī)油氣藏開發(fā)的主要技術(shù)手段已在油氣生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用,微地震監(jiān)測技術(shù)是水力壓裂過程中壓裂縫評價的一種有效手段,尤其是井中監(jiān)測技術(shù)能夠三維描述人工裂縫的形態(tài),定量表征壓裂裂縫的方位、縫高、縫長、縫寬,為水平井的井網(wǎng)參數(shù)設(shè)計和壓裂參數(shù)的優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支撐,該技術(shù)迅速在特低滲透油藏、致密油藏、頁巖氣等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3],極大促進(jìn)了非常規(guī)油氣藏的有效開發(fā)。任龍等[4]利用微地震監(jiān)測結(jié)果,對水平井分段多簇壓裂不同布縫方式進(jìn)行了優(yōu)化研究,優(yōu)選了布縫方式;李忠興等[5]利用微地震監(jiān)測結(jié)果對超低滲致密砂巖油藏水平井井網(wǎng)優(yōu)化研究,提出了水平井井網(wǎng)設(shè)計參數(shù)。但是他們沒有考慮微地震監(jiān)測結(jié)果與壓裂有效裂縫的差別,而是直接等同視之。牛小兵等[6]利用實際取心井資料研究成果,證實體積壓裂改造區(qū)宏觀裂縫網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展范圍有限,實際壓裂縫長不到微地震解釋的一半,認(rèn)為致密油藏體積壓裂效果還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間,該研究僅從縫長方面質(zhì)疑了微地震解釋結(jié)果,沒有分析縫長解釋結(jié)果偏大的原因,也沒有提出具體改進(jìn)措施。
微地震監(jiān)測結(jié)果與壓裂有效裂縫有無差別?產(chǎn)生差別的原因是什么?微地震監(jiān)測結(jié)果偏大對油田開發(fā)有何影響?如何改進(jìn)水平井井網(wǎng)設(shè)計參數(shù),提高產(chǎn)量動用程度?筆者發(fā)現(xiàn)大量微地震壓裂裂縫量化解釋結(jié)果與礦場壓裂施工曲線特征、壓裂施工井口返液情況、重復(fù)壓裂效果、水平井注采反應(yīng)特征等結(jié)果不符的情況,縫高、縫長、縫寬等參數(shù)解釋結(jié)果有偏大的傾向,用這樣的量化的解釋結(jié)果去指導(dǎo)水平井分段壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計,會導(dǎo)致油氣儲量動用不充分,降低了開發(fā)效果。因此,現(xiàn)通過特低滲透油藏和致密油藏壓裂的實例來討論微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,提出水平井井網(wǎng)和分段壓裂參數(shù)改進(jìn)的方向,并通過礦場實踐驗證優(yōu)化方向的正確性。
微地震壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)是在低滲透油氣藏壓裂改造領(lǐng)域中的一項重要監(jiān)測技術(shù)。該項技術(shù)是在鄰井中設(shè)置檢波器來監(jiān)測相對應(yīng)的壓裂井在壓裂過程中誘發(fā)的微地震波信號[7],通過記錄波振幅、時間等信息,利用相關(guān)模型和軟件解釋微地震信號,得到壓裂裂縫的各項參數(shù),來描述壓裂過程中裂縫生長的幾何形狀和空間展布[8-9],如裂縫的方位、長度、寬度及高度等。
微地震監(jiān)測方法與電位法、傾斜儀法、試井分析法等方法相比解釋成果豐富,技術(shù)精度高,實時性強(qiáng)可以有效地指導(dǎo)水平井井網(wǎng)參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化。
微地震監(jiān)測可以對裂縫縫長、縫寬等參數(shù)進(jìn)行定量表征,對水平井開發(fā)井網(wǎng)參數(shù)的設(shè)計優(yōu)化給出實際指導(dǎo)作用。水平井井網(wǎng)可分為準(zhǔn)自然能量開發(fā)井網(wǎng)和注水開發(fā)井網(wǎng)[10]。
1.2.1 對準(zhǔn)自然能量開發(fā)井網(wǎng)參數(shù)指導(dǎo)作用
準(zhǔn)自然能量開發(fā)參數(shù)主要包括水平井井距和壓裂縫段間距。合理井距為略大于兩個水平井壓裂縫半長之和,合理段間距為略大于相鄰兩段壓裂縫帶寬半長之和,即水平井兩段壓裂監(jiān)測信號既不重疊也不留空隙。如鄂爾多斯盆地志丹油區(qū)當(dāng)前壓裂技術(shù)水平情況下,根據(jù)微地震監(jiān)測結(jié)果,壓裂半縫長為150 m左右,壓裂半縫寬為30~50 m,該油區(qū)合理井距確定為300 m,合理段間距為60~100 m[圖1(a)]。

圖1 水平井開發(fā)井網(wǎng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal well pattern
1.2.2 對注水開發(fā)井網(wǎng)參數(shù)指導(dǎo)作用
注水開發(fā)井網(wǎng)參數(shù)主要包括注采井距、排距、壓裂縫段間距和紡錘形縫長。注水開發(fā)井網(wǎng)合理的井排距需滿足4個方面要求[11-13]:①克服啟動壓力,建立有效注水驅(qū)替系統(tǒng);②避免裂縫水淹;③經(jīng)濟(jì)效益開發(fā);④建立井間縫網(wǎng)系統(tǒng),提高儲量動用。例如,吳起油田根據(jù)室內(nèi)巖心水驅(qū)油實驗結(jié)果和經(jīng)濟(jì)效益評價方法得出了極限井距為500~600 m,極限排距為200 m,這個井排距基本滿足了①~③。為了滿足條件④,還要考慮人工裂縫長和帶寬,合理井距為略大于兩個水平井壓裂縫半長之和,本地區(qū)合理井距為500~600 m;在井距和壓裂縫半長確定的情況下,為了避免過早水淹,合理排距還要考慮裂縫帶寬,水力噴砂壓裂人工裂縫半帶寬為25 m左右,則水力噴砂壓裂合理排距為120~140 m,混合水體積壓裂人工裂縫半帶寬為45 m左右,則水力噴砂壓裂合理排距是140~160 m。段間距的確定與準(zhǔn)自然能量開發(fā)井網(wǎng)一樣。紡錘形縫長的確定原則是離注水井排近的位置縫長短,離注水井排遠(yuǎn)的位置縫長長[圖1(b)和圖1(c)]。一般通過監(jiān)測縫長數(shù)據(jù)和壓裂施工參數(shù)建立的正相關(guān)關(guān)系,并根據(jù)油藏設(shè)計要求來優(yōu)化壓裂參數(shù)設(shè)計。
近年來,大量礦場施工結(jié)果及相關(guān)研究表明,通過井下微地震監(jiān)測解釋出的壓裂改造規(guī)模過于樂觀,與礦場壓裂施工結(jié)果相比,存在縫高、縫寬、縫長等參數(shù)偏大的問題。下面將分別以水平縫和高角度縫油藏進(jìn)行壓裂參數(shù)對比分析,從而論證微地震監(jiān)測結(jié)果與壓裂施工結(jié)果的差異。
2.1.1 水平縫成因及特征
水力壓裂裂縫總是沿著垂直于最小主地應(yīng)力的方向形成和發(fā)展,當(dāng)最小主地應(yīng)力為垂直方向,壓裂時井壁上存在的水平地應(yīng)力最大,若超過井壁巖石抗張強(qiáng)度,巖石將在水平方向上產(chǎn)生脆性破裂,即產(chǎn)生水平縫,水平縫呈板狀[14-15]。
2.1.2 水平井壓裂裂縫縫高分析
七里村油田位于鄂爾多斯盆地東部,主力油藏延長組長62油層組為水下三角洲內(nèi)、外前緣沉積,平均孔隙度8%,平均滲透率0.5×10-3μm2,為典型的特低孔、特低滲油藏。

圖2 七平1井分段射孔壓裂地層模型圖Fig.2 Formation model diagram of staged perforation and fracturing in well Qiping 1

表1 七平1井分段壓裂微地震監(jiān)測成果表

圖3 七平1井組砂層與隔夾層連通剖面圖Fig.3 Connection profile between sand layer and interlayer of well cluster in well group of Qiping 1

圖4 七平1井第1~6段壓裂施工綜合曲線圖Fig.4 Comprehensive curve of fracturing construction of section 1~6 of well Qiping 1
2.2.1 致密油水平井分段壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果
水磨溝油田位于鄂爾多斯盆地南部,磨平3井是該油田的一口水平井,生產(chǎn)層位是延長組長82,孔隙度10.1%,滲透率0.32×10-3μm2,屬于水下分流河道相沉積致密油藏。水平段長度950 m,分14段壓裂,其中第4-14段進(jìn)行了井下微地震裂縫監(jiān)測,井下監(jiān)測井為蘆96-叢2井(圖5),監(jiān)測結(jié)果顯示(表2),裂縫長度為368~583 m,寬度124~172 m,高度61~108 m。
2.2.2 注水生產(chǎn)動態(tài)分析縫長
磨平3對應(yīng)3口注水井,其中蘆19-叢2井也是本次微地震的監(jiān)測井,距離磨平3井400 m,從監(jiān)測成果圖上可以看出,注水井蘆19-叢2井距離裂縫監(jiān)測信號區(qū)域不到100 m(圖5),但該注水井于2015年9月開始注水,累計注水0.82×104m3,磨平3井于2014年10月投產(chǎn),初期日產(chǎn)液14.8 m3,日產(chǎn)油8.4 t/d,含水32%,截至目前累產(chǎn)油1.75×104t,目前日產(chǎn)液13.3 m3,日產(chǎn)油7.7 t/d,含水30%,6年以來,生產(chǎn)比較穩(wěn)定,見到了注水效果,但沒有見水的跡象,因此可以判斷注水井距離磨平3井人工裂縫不會很近,這與微地震監(jiān)測結(jié)果(表2)相差較大,即監(jiān)測壓裂縫長結(jié)果偏大。
2.2.3 壓裂施工法分析縫高


表2 磨平3井分段壓裂微地震監(jiān)測成果表

圖6 磨平3井區(qū)砂層與隔層常規(guī)井連井剖面圖Fig.6 Profile of sand layer and interlayer conventional well connection in well block Moping 3

圖7 磨平3井分段壓裂施工曲線Fig.7 Staged fracturing operation curve of well Moping 3
2.3 長慶油田取芯結(jié)果與微地震監(jiān)測縫長結(jié)果對比分析
根據(jù)牛小兵等[6]的研究,長慶油田為了研究鄂爾多斯盆地真實地層中大規(guī)模體積壓裂的壓裂縫范圍究竟有多大問題,在不同類型的體積壓裂井旁邊部署了取芯井,并對體積壓裂井開展了井下微地震裂縫監(jiān)測來獲取相關(guān)研究資料。一是在陜北地區(qū)的A83試驗區(qū)部署了水平井AJ井,獲取直井A24體積壓裂后的儲層巖心。二是在隴東地區(qū)的X233試驗區(qū)部署了YJ井(直井),獲取水平井體積壓裂后的儲層巖心。典型采油直井A24井微地震監(jiān)測結(jié)果顯示壓裂縫是帶狀展布,縫長310 m、縫寬81 m、縫高42 m;但距A24井80 m的水平井AJ井在裂縫目的層長72取芯85 m,未見人工壓裂裂縫。典型水平井YP3、YP4相鄰,方向平行,井距300 m,分段壓裂微地震監(jiān)測結(jié)果顯示壓裂體積(半縫長×縫寬×縫高)分別為143 m×48 m×163 m和162 m×34 m×159 m,壓裂后在兩口水平井中間150 m處的直井YJ圍繞目的層長72取芯,從長8段頂部到長6底部連續(xù)取芯141.95 m,也未見明顯的人工壓裂裂縫,只是通過CT掃描見到微米級的微裂縫。因此從不同類型的體積壓裂井的微地震監(jiān)測結(jié)果和取芯結(jié)果對比來看,微地震裂縫量化縫長解釋結(jié)果明顯偏于樂觀。
大慶油田龍西油區(qū)扶余油層組為致密油儲層,孔隙度12%,滲透率0.5×10-3μm2,水平井投產(chǎn)后產(chǎn)量下降較快,為此開展了重復(fù)壓裂工作,主要采用補(bǔ)壓新縫分段壓裂,重復(fù)壓裂后產(chǎn)油為壓前的5.1倍,取得了較好效果。如葡34-平6井,原段間距為100 m,補(bǔ)壓新縫16條,段間距縮減到37.5 m,重復(fù)壓裂前日產(chǎn)液3.8 t,日產(chǎn)油1.87 t,重復(fù)壓裂后日產(chǎn)油10.18 t,是重復(fù)壓裂前的5.4倍,生產(chǎn)443 d,累計增油2 580 t。試驗34口井,重復(fù)壓裂后日產(chǎn)油達(dá)到初次壓裂的71.4%,有效地恢復(fù)了致密油水平井的產(chǎn)能。這說原來設(shè)計壓裂段間距100 m偏大。葡34-平6井重復(fù)壓裂前后均開展了微地震裂縫監(jiān)測(圖8),綠色為第一次壓裂,紅色為第二次壓裂,紅色綠色信號重復(fù)較多,重復(fù)壓裂的增產(chǎn)效果也說明微地震裂縫監(jiān)測結(jié)果縫寬偏大。

圖8 葡34-平6井重復(fù)壓裂微地震監(jiān)測成果俯視圖Fig.8 Top view of fracturing micro seismic monitoring results of well Pu 34-Ping 6
根據(jù)前文的對比分析可以看出:①水平縫油藏壓裂相鄰第二段時井口不返液,水平縫和高角度縫油藏壓裂施工曲線未出現(xiàn)與突破泥質(zhì)隔夾層相匹配的破裂壓力,這些事實都說明壓裂過程中產(chǎn)生的有效縫高都沒有突破目的層相鄰的隔夾層,縫高不會超過目的層的砂層厚度,更不可能達(dá)到微地震監(jiān)測的縫高數(shù)值;②位于有效微地震事件信號區(qū)的注水井注水幾年后,對應(yīng)的水平井生產(chǎn)穩(wěn)定,沒有水淹;位于有效微地震事件信號區(qū)的巖心肉眼觀察不到人工壓裂裂縫,這些事實都說明壓裂過程中產(chǎn)生的有效縫長都達(dá)不到微地震監(jiān)測的縫長數(shù)值;③水平井老井在已壓裂段之間補(bǔ)層壓裂新縫,壓裂不僅成功施工,而且重復(fù)壓裂后日產(chǎn)油達(dá)到初次壓裂產(chǎn)能的71.4%,說明初次壓裂過程中產(chǎn)生的有效縫寬達(dá)不到微地震監(jiān)測的縫寬數(shù)值。
綜上所述,一些微地震信號響應(yīng)點實際并沒有產(chǎn)生有效裂縫,只是檢測器接收到了微地震聲波信號,或者說檢測器接收到了壓裂施工產(chǎn)生地震波或能量傳遞。就像地震時,遠(yuǎn)離震源幾百公里的樓房產(chǎn)生晃動,但地震產(chǎn)生的裂縫并沒有延伸到樓房底部一樣。因此,微地震監(jiān)測解釋的縫高、縫長、縫寬等參數(shù)數(shù)值均偏大。
井中微地震的監(jiān)測資料處理流程主要分為3個部分:監(jiān)測資料的預(yù)處理、微地震有效事件的識別和震源的最終定位。由于復(fù)雜噪聲環(huán)境會影響有效信號的識別,故要對壓裂產(chǎn)生的較大能量的微地震信號進(jìn)行一系列的濾波處理[16],復(fù)雜噪聲環(huán)境主要包括隨機(jī)噪聲、強(qiáng)能量低頻背景噪聲、強(qiáng)能量擾動信號、井筒波和導(dǎo)波等,在濾波后就能夠很精確地拾取到記錄中的P波S波;然后進(jìn)行微地震有效事件的拾取,中外學(xué)者們主要采用基于長短時窗能量比(LTA/STA)的方法來進(jìn)行自動拾取[5],因為該方法能大大提高拾取效率。這種自動拾取識別微地震有效事件的方法和壓裂產(chǎn)生的有效裂縫有什么內(nèi)在聯(lián)系?這種方法的準(zhǔn)確性是否得到實物驗證?或者說有什么相關(guān)的模擬地層壓裂的室內(nèi)巖心實驗可以驗證微地震的監(jiān)測結(jié)果?目前還有沒見到相關(guān)的研究成果。因此,識別微地震有效事件的方法還需進(jìn)一步研究改進(jìn)。
雖然分析認(rèn)為微地震解釋結(jié)果偏大,也對識別微地震有效事件的方法提出了質(zhì)疑,但不能否定微地震壓裂裂縫監(jiān)測這項技術(shù),更不能否定它對水平井井網(wǎng)和分段壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的指導(dǎo)作用,而是在此基礎(chǔ)上,一方面對該技術(shù)進(jìn)一步研究改進(jìn),提高其解釋的準(zhǔn)確性,另一方面針對裂縫參數(shù)解釋結(jié)果偏大的事實可以進(jìn)一步對水平井井網(wǎng)和分段壓裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,從而達(dá)到提高儲量壓裂動用程度和單井產(chǎn)量的目的。
鑒于微地震監(jiān)測裂縫尺度明顯偏大,為了充分建立井間縫網(wǎng)系統(tǒng),提高油藏儲量動用程度,水平井井網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化的主要方向為:①縮小水平井井距;②縮小注采井距;③縮小壓裂段間距、簇間距;④細(xì)分層壓裂,立體分層排布水平井來解決縫高監(jiān)測偏大的不足。另外,水平井老井針對原設(shè)計壓裂段間距偏大的現(xiàn)狀可以大批量開展補(bǔ)新段的重復(fù)壓裂工作,從而提高老井產(chǎn)量和水平井壽命。
4.2.1 井網(wǎng)加密縮小井距
七里村油田8323井區(qū)2019年以前采用直井長方形井網(wǎng)(150 m×85 m)衰竭式開采,根據(jù)3.1.2節(jié)中分析監(jiān)測縫高偏大,實際壓裂縫高不到監(jiān)測縫高的1/10,結(jié)合原來壓裂參數(shù)對裂縫尺寸重新計算,原壓裂半長約為40 m,半縫寬約為16 m,因此井網(wǎng)控制區(qū)約為53%的儲量未得到動用。為此,設(shè)計了2種水平井布井方式在直井之間加密(圖9),達(dá)到動用井間剩余油的目的。按照方式1、方式2分別設(shè)計了8323平1、8323平2兩口水平井。水平井投產(chǎn)層位與周圍直井層位相同,采用衰竭式開發(fā),產(chǎn)出水為地層水。壓裂過程中沒有出現(xiàn)壓竄井的現(xiàn)象,這說明對原來直井壓裂縫尺寸的分析和計算是合理的。
從兩口水平井投產(chǎn)2年來的生產(chǎn)狀況(表3)可以發(fā)現(xiàn),平均單井累計產(chǎn)油達(dá)到474.7 t,目前平均單井日產(chǎn)油為3.82 t,是周圍直井產(chǎn)量的6.3倍,這說明微地震監(jiān)測縫長偏大,通過加密井網(wǎng)縮小井距動用剩余油是一個提高油藏采出程度的有效方法。

圖9 直井行間加密水平井示意圖Fig.9 Schematic diagram of infill horizontal wells between vertical wells

表3 8323井區(qū)水平井生產(chǎn)狀況表
4.2.2 縮小段間距、簇間距
根據(jù)微地震的監(jiān)測結(jié)果,鄂爾多斯盆地南部南泥灣油田水平井裂縫尺寸為:縫長約320 m,縫寬98 m,縫高約31 m,總體上人工裂縫為垂直裂縫。根據(jù)3.2節(jié)分析,微地震監(jiān)測的縫長、縫寬結(jié)果偏大,因此將南泥灣水平井的段間距由60 m縮小至20 m,簇間距由原來的20 m縮小至15 m,優(yōu)化參數(shù)以及產(chǎn)量變化如表4所示。壓裂施工曲線表示沒有出現(xiàn)壓力急劇降低和套壓升高或井口返液的現(xiàn)象,說明沒有壓竄層。通過產(chǎn)量變化曲線(圖10)可以看出,優(yōu)化后的產(chǎn)液量達(dá)到原來的1.5倍左右,產(chǎn)油量是原來的2倍左右,這說明原來監(jiān)測解釋縫寬偏大,縮小段間距、簇間距可以有效提高儲量動用和單井產(chǎn)量。

表4 水平井優(yōu)化參數(shù)及產(chǎn)量變化表

圖10 水平井壓裂參數(shù)改進(jìn)前后日產(chǎn)量對比圖Fig.10 Comparison of daily production before and after improvement of fracturing parameters of horizontal wells
(1)微地震監(jiān)測技術(shù)是水力壓裂過程中壓裂縫評價的一種有效手段,與電位法、傾斜儀法、試井分析法等方法相比解釋成果豐富,技術(shù)精度高,實時性強(qiáng)。尤其是井中監(jiān)測技術(shù)能夠三維描述人工裂縫的形態(tài),定量表征壓裂裂縫的方位、縫高、縫長、縫寬,為水平井的井網(wǎng)參數(shù)設(shè)計和分壓裂參數(shù)的優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支撐。
(2)水平縫和高角度縫油藏壓裂施工曲線未出現(xiàn)與突破泥質(zhì)隔夾層相匹配的破裂壓力,這些事實都說明壓裂過程中產(chǎn)生的有效縫高沒有突破目的層相鄰的隔夾層,縫高不會超過目的層的砂層厚度,微地震監(jiān)測的縫高數(shù)值偏大。
(3)位于有效微地震事件信號區(qū)的注水井注水6年后,對應(yīng)的水平井沒有水淹;以及有效微地震事件信號區(qū)的巖心肉眼觀察不到人工壓裂裂縫,這些事實都說明壓裂過程中產(chǎn)生的有效縫長小于微地震監(jiān)測的縫長數(shù)值。
(4)水平井老井在已壓裂段之間補(bǔ)層壓裂新縫,可以有效恢復(fù)產(chǎn)能,說明初次壓裂過程中產(chǎn)生的有效縫寬達(dá)不到微地震監(jiān)測的縫寬數(shù)值。
(5)微地震壓裂裂縫量化監(jiān)測結(jié)果目前沒有得到有效事實的驗證,有效裂縫事件識別方法也存在質(zhì)疑,但不能否定該項技術(shù),更不能否定它對水平井井網(wǎng)和分段壓裂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的指導(dǎo)作用,相反地可以根據(jù)這些啟示進(jìn)一步縮小井距、段間距等參數(shù),提高儲量動用程度和單井產(chǎn)量。