四維影像裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)在致密氣砂體展布研究中的應(yīng)用

劉子雄 陳 玲

（ 中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院 ）

0 引言

致密氣層的砂體展布規(guī)模對(duì)壓裂工藝設(shè)計(jì)和井網(wǎng)部署起著重要作用。目前主要通過沉積相研究進(jìn)行砂體展布描述，但受不同時(shí)期資料限制，沉積相研究成果存在許多矛盾[1]?？碧介_發(fā)初期井距較大，因此所勾畫出的砂體寬度不準(zhǔn)確[2]。在鄂爾多斯盆地東部某氣田，應(yīng)用沉積相研究的砂體展布成果，部署了3 口水平井，砂體鉆遇率均在20%以下，且部分直井壓裂時(shí)加砂困難，直接影響該氣田下一步開發(fā)；由于對(duì)砂體展布規(guī)模的認(rèn)識(shí)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致探井壓裂6 口井中有4 口井發(fā)生砂堵，缺少針對(duì)性的降低砂堵風(fēng)險(xiǎn)的方法。四維影像監(jiān)測(cè)可以獲取裂縫動(dòng)態(tài)延伸的過程[3]和破裂機(jī)制[4]，在壓裂井裂縫監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用；同時(shí)由于四維影像監(jiān)測(cè)施工便利、觀測(cè)充分，其已成為研究的熱點(diǎn)[5]。目前在應(yīng)用四維影像裂縫監(jiān)測(cè)成果方面，公開的文獻(xiàn)主要集中在對(duì)裂縫參數(shù)的識(shí)別及壓裂效果的評(píng)價(jià)[5-9]，很少進(jìn)行砂體展布規(guī)模的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)研究。由于砂巖脆性指數(shù)比泥巖大，因此壓裂裂縫在泥巖中擴(kuò)展困難，裂縫主要限制在砂巖區(qū)延伸[10]，砂巖脆性越強(qiáng)，監(jiān)測(cè)到的地震事件就越多[11]，因此地震事件主要集中在砂巖區(qū)域。本文通過對(duì)壓裂過程中砂巖和泥巖的破裂機(jī)理研究和破裂過程分析，對(duì)四維影像監(jiān)測(cè)的不同時(shí)刻破裂能量進(jìn)行過濾，分析壓裂裂縫破裂和延伸過程，判斷砂體規(guī)模，直接指導(dǎo)砂體展布認(rèn)識(shí)，取得了較好的效果，提高了砂體認(rèn)識(shí)的準(zhǔn)確性，能夠預(yù)測(cè)砂堵風(fēng)險(xiǎn)。

1 儲(chǔ)層地質(zhì)特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部伊陜斜坡東段、晉西撓褶帶西緣（圖1），發(fā)育致密砂巖氣，儲(chǔ)層平均孔隙度為7.72%，平均滲透率為1.7mD。研究區(qū)自下而上整體發(fā)育一套由海相—海陸過渡相—陸相沉積體系[12]，主要層位石盒子組為陸相沉積體系，曲流河沉積體系發(fā)育程度較高[13]，儲(chǔ)層主要由陸源碎屑巖組成，碎屑成分主要為石英、長(zhǎng)石和巖屑[14-15]；巖性以長(zhǎng)石巖屑砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖、巖屑砂巖為主，含少量砂礫巖、巖屑石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含砂質(zhì)泥巖。結(jié)合鉆遇情況和野外露頭觀測(cè)資料，研究區(qū)石盒子組單砂體寬度為50～100m。

2 四維影像裂縫監(jiān)測(cè)原理

四維影像裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，主要用于裂縫參數(shù)的獲取及裂縫擴(kuò)展、壓裂效果的評(píng)價(jià)等。該技術(shù)主要采用基于光束疊加的被動(dòng)地震發(fā)射層析成像技術(shù)（PSET），并采用無(wú)源地震的微地震三分量檢波器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行縱波和橫波的振幅屬性分析，采用相關(guān)體數(shù)據(jù)計(jì)算處理方法，得出壓裂期間不同時(shí)刻地層巖石破裂和高壓流體活動(dòng)釋放的能量分布情況[4-5，16]。壓裂時(shí)壓裂液以高于破裂壓力注入地層中，巖石產(chǎn)生剪切和彈性破裂，在裂縫周圍應(yīng)力比較薄弱的地方會(huì)產(chǎn)生微地震事件[17]。通過三分量檢波器可以監(jiān)測(cè)出破裂過程中產(chǎn)生的橫波和縱波，得出其不同時(shí)刻的破裂位置，對(duì)各個(gè)時(shí)刻破裂能量進(jìn)行疊加，就能獲取整個(gè)壓裂過程中的破裂情況[17]。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

儲(chǔ)層破裂過程及延伸機(jī)理研究認(rèn)為，儲(chǔ)層巖性對(duì)壓裂裂縫延伸具有主要控制作用，由于砂巖脆性較強(qiáng)，泥巖脆性較弱，因此壓裂的裂縫被限制在砂巖區(qū)域內(nèi)[10]。即每次監(jiān)測(cè)到的破裂均發(fā)生在砂巖內(nèi)，同時(shí)石英含量越高，巖石脆性越強(qiáng)，地震事件越多[11]。因此可以根據(jù)壓裂過程中監(jiān)測(cè)到的不同時(shí)刻破裂能量分布，識(shí)別出不同時(shí)刻的壓裂裂縫形態(tài)及破裂過程，進(jìn)而間接獲取壓裂井周圍的砂體展布規(guī)模，輔助沉積相研究。

四維影像裂縫監(jiān)測(cè)過程中，在某一時(shí)刻通過射線追蹤監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)某一個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)方位和振幅，并疊加所有采集站點(diǎn)的信號(hào)，經(jīng)過歸一化后得出空間中該點(diǎn)的破裂能量S[9，11]。由于向量疊加后監(jiān)測(cè)到的有效信號(hào)被加強(qiáng)，環(huán)境噪聲相對(duì)減弱，因此可以準(zhǔn)確得出監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)每個(gè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的破裂能量S。

通過對(duì)不同時(shí)刻的破裂能量S 切片，并過濾掉井筒以外的破裂能量，可以準(zhǔn)確識(shí)別壓裂裂縫的延伸過程（圖2）。如A208 井壓裂初期，裂縫在長(zhǎng)度方向上已經(jīng)形成了一定的規(guī)模；但在壓裂過程中隨著壓裂液的注入，新增了兩組平行的壓裂裂縫，裂縫長(zhǎng)度與初期基本一致。表明受該井點(diǎn)南北方向砂體規(guī)模的影響，裂縫在長(zhǎng)度方向上延伸困難。四維影像裂縫監(jiān)測(cè)過程中，在井筒處出現(xiàn)多次較高的破裂能量，表明此時(shí)裂縫長(zhǎng)度延伸困難，直到出現(xiàn)了新的破裂位置，破裂能量才降低，同時(shí)在壓裂施工壓力曲線上也表現(xiàn)出產(chǎn)生新破裂的特征。對(duì)不同時(shí)刻四維影像裂縫監(jiān)測(cè)的破裂能量疊加后，可以看出裂縫形態(tài)為多條平行方向破裂。綜合判斷A208 井南北方向砂體寬度為210m。

圖2 A208 井監(jiān)測(cè)的不同時(shí)刻裂縫形態(tài)圖Fig.2 Fracture shapes monitored in Well A208 at different moments

3 砂體展布研究

在進(jìn)行砂體展布研究時(shí)，首先應(yīng)用地震剖面確定石盒子組頂面和底面，然后在層系內(nèi)部依據(jù)不同級(jí)次旋回特征對(duì)石盒子組進(jìn)行不同巖性段和小層的劃分，最后在小層內(nèi)部依據(jù)砂體的規(guī)模、發(fā)育部位等進(jìn)行單砂體的劃分與對(duì)比，研究井間砂體連通性，建立石盒子組的高分辨率層序地層格架模型[18-19]。根據(jù)巖心相、單井相、連井相、地球物理響應(yīng)特征并結(jié)合野外露頭、現(xiàn)代沉積及沉積模式，對(duì)研究區(qū)的平面沉積微相進(jìn)行劃分[20]。研究區(qū)石盒子組主要發(fā)育河流相沉積體系，砂體整體呈條帶狀分布[19]，剖面上砂體透鏡體形態(tài)十分明顯。目前主要通過三維地震屬性進(jìn)行砂體展布的預(yù)測(cè)，但精度不高，而壓裂施工時(shí)的裂縫監(jiān)測(cè)能在一定范圍內(nèi)精確地反映出砂體邊界及形態(tài)。

不同形態(tài)的砂體在壓裂時(shí)裂縫延伸表現(xiàn)出與形態(tài)對(duì)應(yīng)的特征：在砂體邊部時(shí)，裂縫僅僅沿一個(gè)方向破裂；在砂體中部時(shí)，裂縫會(huì)在砂體兩邊擴(kuò)展，根據(jù)兩端裂縫的長(zhǎng)度，可以判斷井在砂體中的位置；當(dāng)砂體規(guī)模偏小時(shí)，首先會(huì)形成一條長(zhǎng)度較小的裂縫，后期會(huì)產(chǎn)生多條平行方向上的裂縫，或者形成分支縫，或者砂堵。因此根據(jù)監(jiān)測(cè)的裂縫形態(tài)及破裂過程，可以判斷出砂體的大概規(guī)模和形態(tài)，輔助地質(zhì)上的砂體認(rèn)識(shí)，修正單井控制范圍內(nèi)的沉積相認(rèn)識(shí)；結(jié)合壓裂過程中不同時(shí)刻的裂縫延伸方向和過井的破裂能量大小，可以確定砂體的展布方向和規(guī)模。

本文以研究區(qū)A101 井盒8 段為例，說明四維影像裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)輔助砂體展布規(guī)模研究的方法。A101 井盒8 段在壓裂初期裂縫沿著水平主應(yīng)力方向擴(kuò)展，且主要的破裂位置位于井點(diǎn)的西北方向（西北方向裂縫長(zhǎng)度為90m，東南方向裂縫長(zhǎng)度為30m），表明砂體主要位于井點(diǎn)的西北方向（圖3）。壓裂進(jìn)行半小時(shí)以后破裂能量增強(qiáng)，表明裂縫延伸受阻[3，21]，此時(shí)地面施工壓力也有微弱的增加，裂縫破裂方向變?yōu)闁|北方向，且后期主要的破裂集中在東北方向，該方向的裂縫長(zhǎng)度為240m。綜合分析認(rèn)為A101 井盒8段砂體的長(zhǎng)度方向?yàn)闁|北方向，西北方向的寬度僅為120m 左右（圖4），與野外露頭觀測(cè)的河道寬度相似。

對(duì)研究區(qū)30 余層的壓裂施工曲線及壓后裂縫形態(tài)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為砂體展布在很大程度上影響壓裂裂縫的高度及長(zhǎng)度。由此可初步推斷，裂縫形態(tài)與儲(chǔ)層砂體展布及所處沉積環(huán)境相關(guān)，裂縫更易在砂體范圍較大的相帶（心灘、河道中部等）進(jìn)行長(zhǎng)度與高度的擴(kuò)展。結(jié)合對(duì)多組裂縫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的認(rèn)識(shí)，在壓裂作業(yè)井控制范圍內(nèi)精細(xì)刻畫出多套小層的砂體展布形態(tài)、規(guī)模及大小，直觀地從砂體形態(tài)上識(shí)別邊灘，遠(yuǎn)沙壩等，確認(rèn)出河道走向、彎曲度及廢棄河道砂體。再結(jié)合單井垂向上的巖性組合、沉積層序、巖心沉積構(gòu)造、各小層河道在不同時(shí)期的連續(xù)性及側(cè)移等特征和物源方向，最終確定河道的走向及分布。

圖3 A101 井監(jiān)測(cè)的不同時(shí)刻裂縫形態(tài)圖Fig.3 Fracture shapes monitored in Well A101 at different moments

圖4 A101 井盒8 段砂體展布圖Fig.4 Sandstone distribution in He 8 Member in Well A101

首先根據(jù)地震屬性預(yù)測(cè)砂體的大致位置及形態(tài)（圖5），初步確定砂體展布規(guī)模；然后根據(jù)壓裂過程中四維影像裂縫監(jiān)測(cè)成果識(shí)別出的砂體展布規(guī)模修正沉積相平面圖。如A36 井四維影像裂縫監(jiān)測(cè)顯示破裂能量高，且壓裂施工過程中壓力較高，表明裂縫難以延伸，砂體規(guī)模較小，可根據(jù)監(jiān)測(cè)到的裂縫長(zhǎng)度約束砂體規(guī)模（圖6）。A19 井地震屬性預(yù)測(cè)為單一小規(guī)模砂體，但監(jiān)測(cè)顯示破裂能量低，裂縫延伸容易，且裂縫長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于周邊鄰井，推測(cè)該井位于河道上（圖6）。A301 井破裂能量波動(dòng)較大，初期破裂能量高，裂縫延伸困難，表現(xiàn)出砂堵的趨勢(shì)，表明砂體非均質(zhì)性強(qiáng)；后期破裂能量降低，裂縫延伸較快，表明溝通了有利砂體，將其由位于河道上改為河道外（圖6）。采用裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果修正后的砂體展布情況與鉆遇情況和實(shí)際壓裂施工的效果符合率得到顯著提高。

圖5 研究區(qū)石盒子組沉積微相概念模型Fig.5 Conceptual model of sedimentary microfacies of Shihezi Formation in the study area

4 應(yīng)用效果

對(duì)30 余口四維影像裂縫監(jiān)測(cè)井的壓裂裂縫延伸過程進(jìn)行分析，修正了20 多個(gè)沉積相砂體認(rèn)識(shí)，更加清晰地刻畫了河道及心灘的規(guī)模；據(jù)此優(yōu)化壓裂施工規(guī)模，在后期壓裂施工過程中，基本上未出現(xiàn)砂堵，提高了壓裂改造的效果。

在A26 井和A206 井壓裂設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)修正的砂體展布情況，及時(shí)調(diào)整加砂量，盡管在加砂過程中出現(xiàn)了施工壓力突然升高情況，但并未出現(xiàn)砂堵。

A26 井石盒子組在壓裂時(shí)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)砂堵，加砂量由初期設(shè)計(jì)的40m3降低到20m3。在四維影像裂縫監(jiān)測(cè)約束后的沉積相圖中（圖7），可以看出A26井位于河道邊部，壓裂施工時(shí)有砂堵的風(fēng)險(xiǎn)。通過裂縫監(jiān)測(cè)可以看出，裂縫的破裂位置主要集中在河道中，裂縫延伸方向與水平主應(yīng)力方向一致，主要集中在東南方向，表現(xiàn)出橫切河道，受到河道寬度的影響，在壓裂后期裂縫長(zhǎng)度并未增加（圖8），在東南方向的長(zhǎng)度為160m，與沉積相認(rèn)識(shí)相符。

圖6 研究區(qū)石盒子組修正前（左）、后（右）沉積相圖Fig.6 Sedimentary facies of Shihezi Formation in the study area before (left) and after (right) correction

圖7 A26 井（左）及A206 井（右）石盒子組沉積相圖Fig.7 Sedimentary facies of Shihezi Formation in Wells A26 (left) and A206 (right)

圖8 A26 井監(jiān)測(cè)的不同時(shí)刻裂縫形態(tài)Fig.8 Fracture shapes monitored in Well A26 at different moments

A206 井在四維影像裂縫監(jiān)測(cè)成果約束后的沉積相圖中砂體規(guī)模?。▓D7），壓裂時(shí)裂縫可能難以擴(kuò)展，在壓裂設(shè)計(jì)時(shí)建議降低壓裂規(guī)模，設(shè)計(jì)加砂量由45m3降為20m3。從裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果中可以看出裂縫的破裂主要集中在井周圍，未在長(zhǎng)度上延伸，形成的破裂范圍小，僅為80m（圖9）。在施工后期井底施工壓力快速增加，表明可能已經(jīng)出現(xiàn)砂堵，實(shí)際完成加砂量18m3。通過對(duì)砂體的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，降低了設(shè)計(jì)加砂量，減小了施工風(fēng)險(xiǎn)。該井在壓裂前射孔測(cè)試產(chǎn)氣2050m3/d，壓裂后產(chǎn)氣970m3/d，這主要是由于砂體規(guī)模太小，壓后裂縫長(zhǎng)度小，且對(duì)儲(chǔ)層存在一定的傷害，導(dǎo)致壓裂后難以達(dá)到理想產(chǎn)能。

圖9 A206 井監(jiān)測(cè)的不同時(shí)刻裂縫形態(tài)Fig.9 Fracture shapes monitored in Well A26 at different moments

5 結(jié)論

四維影像裂縫監(jiān)測(cè)的破裂能量能夠準(zhǔn)確反映不同時(shí)刻的裂縫擴(kuò)展情況，通過對(duì)比不同時(shí)刻的裂縫形態(tài)，可以判斷壓裂裂縫的破裂情況及砂體和巖性變化情況。壓裂裂縫的延伸受到砂體規(guī)模的影響較大，當(dāng)砂體規(guī)模偏小時(shí)，裂縫長(zhǎng)度難以擴(kuò)展，砂堵風(fēng)險(xiǎn)高，需要優(yōu)化加砂量。

采用四維影像裂縫監(jiān)測(cè)成果可以有效約束沉積相砂體展布認(rèn)識(shí)，提高砂體認(rèn)識(shí)的準(zhǔn)確率，對(duì)后續(xù)的壓裂施工和布井具有指導(dǎo)作用。