油氣井壓裂微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

溫慶志，劉 華，李海鵬，劉欣佳，段曉飛

(中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580)

油氣井壓裂微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

溫慶志，劉 華，李海鵬，劉欣佳，段曉飛*

(中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580)

地震波速是微地震監(jiān)測(cè)中的最重要參數(shù)，但目前微地震監(jiān)測(cè)研究大部分只考慮單一地層，忽略了多地層中不同地震波傳播速度存在的差異，造成監(jiān)測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為此，根據(jù)微地震波在不同巖性地層中傳播速度不同這一特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)學(xué)分析方法，建立了微地震波在多地層中傳播的震源定位數(shù)學(xué)模型，并編制了軟件，能夠精確地監(jiān)測(cè)壓裂過程中裂縫的空間展布。對(duì)不同類型壓裂井(深井、水平井多段壓裂等)進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)，多巖性地層中裂縫形態(tài)解釋結(jié)果與壓裂設(shè)計(jì)結(jié)果一致性達(dá)到84%，證明了該模型的可靠性，為現(xiàn)場(chǎng)的壓裂設(shè)計(jì)和施工措施的改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

微地震監(jiān)測(cè);多巖性地層;地震波速;裂縫形態(tài);壓裂

0 引言

微地震裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)是近年迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，與常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比能夠更有效、更可靠地監(jiān)測(cè)壓裂地震波信號(hào)［1-5］。目前國(guó)內(nèi)微地震研究大多視地層為均一地層，聲波在地層中傳播的速度為一固定值，未考慮多巖性地層對(duì)地震波速的影響［6-8］，造成微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。在實(shí)際地層中，從地面到產(chǎn)層包括了多個(gè)地層，聲波在不同地層中傳播的速度不相等，因此，在實(shí)際的計(jì)算中過于簡(jiǎn)化模型會(huì)引起較大的誤差。為此，建立了多地層震源定位模型，提高震源定位的精確度，為油氣井現(xiàn)場(chǎng)壓裂提供一定的參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 多地層震源定位數(shù)學(xué)模型

微地震聲波在多地層中傳播示意圖見圖1，圖中S為微地震震源，A、B、C、D為地面監(jiān)測(cè)站。

假設(shè)將地層劃分為n個(gè)巖性地層，第i個(gè)地層厚度占整個(gè)地層厚度的比例系數(shù)為λi，對(duì)應(yīng)的地層中聲波傳播速度為Vi;監(jiān)測(cè)站為m個(gè);微地震震源為L(zhǎng)個(gè)，其中第j個(gè)震源的坐標(biāo)為(xj，yj，zj)利用縱波時(shí)差定位方法確定微地震震源數(shù)學(xué)模型。

圖1 微地震聲波在多地層中傳播示意圖

變換方程組為:

式中:λi為第i個(gè)地層厚度占整個(gè)地層厚度的比例;T1～Tm為各分站的P波到時(shí)，s;T0代表發(fā)震時(shí)刻;(X1，Y1，0)，(X2，Y2，0)，…，(Xm，Ym，0)為各分站坐標(biāo);Vi為第i個(gè)地層中地層波速度，m/s;V為綜合波速，m/s。

1.2 裂縫高度

對(duì)定位計(jì)算得到多地層中震源在深度方向的值進(jìn)行分析計(jì)算，得到一個(gè)合理縫高解釋。假設(shè)裂縫高度為一定值且單翼裂縫為矩形。

縫中間位置深度:

縫高:

式中:H為用微地震監(jiān)測(cè)得到的裂縫高度，m;z＇為縫中間位置深度，m;z(i)為震源定位計(jì)算得到的震源深度，m。

1.3 裂縫方位

通過微地震震源定位得到一系列震源的三維坐標(biāo)。將三維坐標(biāo)投影在二維平面上，通過計(jì)算篩選去除偏離的震源(有可能為噪音干擾而產(chǎn)生)，對(duì)剩余的震源在二維坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行曲線擬合，對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行分析即可得到裂縫方位。

二維震源S1(x1，y1)，S2(x2，y2)，…SL(xL，yL)，裂縫從井筒開始延伸，因此，裂縫延伸方程滿足y= kx的形式，該方程組記為Ak=B。

運(yùn)用最小二乘法解得:

裂縫方位角為:

式中:AT為矩陣A的轉(zhuǎn)置;θ為方位角，(°)。

1.4 裂縫長(zhǎng)度

裂縫的有效縫長(zhǎng)是指壓裂施工結(jié)束后，閉合在支撐劑上的裂縫的長(zhǎng)度。計(jì)算縫長(zhǎng)的最大可能值，然后乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，得到估算的裂縫有效縫長(zhǎng)。根據(jù)裂縫延伸方向擬合曲線方程y=kx，計(jì)算最遠(yuǎn)端的微震信號(hào)在擬合曲線上的投影點(diǎn)P(xp，yp)，計(jì)算井中心點(diǎn)到該投影點(diǎn)的距離。

式中:rmax為動(dòng)態(tài)縫長(zhǎng)，m;r為有效縫長(zhǎng)，m;μ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值0～1。

2 模型求解

將模型轉(zhuǎn)化為矩陣，利用矩陣分析理論求解，得到第j個(gè)震源坐標(biāo)為，并得到P波到時(shí)為，將作為聲波時(shí)差進(jìn)行第1次迭代，得到震源坐標(biāo)值為，設(shè)置迭代條件(2次計(jì)算得到的深度坐標(biāo)差在1 m之內(nèi)):

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 深井裂縫監(jiān)測(cè)實(shí)例

某油田X監(jiān)測(cè)井油藏深度為3 500～3 554 m，對(duì)該井進(jìn)行壓裂設(shè)計(jì)，為得到壓裂裂縫形態(tài)，在施工過程中進(jìn)行微地震地面監(jiān)測(cè)，將井口定為原點(diǎn)，設(shè)置6個(gè)監(jiān)測(cè)站。

根據(jù)巖石鑄體薄片分析，儲(chǔ)層巖性以細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，部分含碳酸鹽巖、泥質(zhì)，中間夾雜有砂質(zhì)泥巖。在確定波速后，根據(jù)測(cè)井資料將地層分為3層，即地表的軟地層、砂質(zhì)泥巖層和砂巖地層。利用軟件得到解釋結(jié)果(圖2、3，表1)。

圖2 深井微震解釋結(jié)果二維圖

圖3 深井三維裂縫擬合曲面

表1 微地震解釋結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

由圖2可知，井筒兩側(cè)壓裂裂縫未在一條直線上，存在一定偏差，但偏差不大，整體裂縫呈北偏西70°。由圖3可知，三維地震圖中，裂縫形態(tài)在地層深度方向由藍(lán)色至紅色區(qū)域中變化，顯示形成的裂縫縱向上主要在3 510～3 550 m。紅色區(qū)域顯示裂縫擴(kuò)展至地層深度為3 510～3 520 m處，相對(duì)藍(lán)色區(qū)域，該位置裂縫擴(kuò)展較高，說明在同一地層中地應(yīng)力也不盡相同，裂縫擴(kuò)展較高的地區(qū)地應(yīng)力偏小，更容易被壓裂，但總體上形成的裂縫形態(tài)主要在藍(lán)色區(qū)域變化，形成的裂縫形態(tài)相對(duì)比較平緩。

由表1可知，解釋裂縫高度與設(shè)計(jì)符合程度達(dá)到83.3%，裂縫半長(zhǎng)符合程度為90.0%和97.7%，與壓裂設(shè)計(jì)符合程度非常高。

3.2 水平井分段壓裂監(jiān)測(cè)實(shí)例

某水平井Z井油藏深度為2 920～2 960 m。儲(chǔ)層巖性為長(zhǎng)石粗粉砂巖。該井壓裂設(shè)計(jì)分為4段，與井筒垂直相交，設(shè)計(jì)裂縫半長(zhǎng)為220 m，縫高為40 m。施工同時(shí)進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)，對(duì)微地震結(jié)果進(jìn)行解釋，得到如下解釋結(jié)果(圖4、5，表2)。

圖4 水平井分段壓裂微地震監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果二維圖

圖5 水平井多段壓裂微地震解釋三維裂縫擬合曲面

表2 水平井分段壓裂微地震監(jiān)測(cè)解釋結(jié)果

由圖4可知，二維地震監(jiān)測(cè)解釋圖中顯示壓裂形成的4條裂縫與水平井井筒都成一定角度，為北偏東22.30～26.29°，實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與壓裂設(shè)計(jì)垂直井筒存在一定偏差，但偏差不大。由圖5可知，三維地震監(jiān)測(cè)解釋4條裂縫主要在藍(lán)色至黃色區(qū)域變化，說明4條裂縫深度在2 920～2 960 m，并且從4條裂縫深度顏色變化上觀察得到，壓裂形成的4條裂縫一致性比較好，縫高方向變化不大，說明該地區(qū)地應(yīng)力比較均一。

由表2可知，對(duì)水平井分段壓裂進(jìn)行解釋，縫長(zhǎng)符合程度為90.7%～94.8%，縫高符合程度為86.6%～96.6%，縫長(zhǎng)和縫高的符合程度最好;方位角與設(shè)計(jì)結(jié)果最大相差29.00°。該模型對(duì)水平井裂縫解釋結(jié)果較好。

4 結(jié)論

(1)依據(jù)地震波在不同巖性地層中的傳播速度不同，建立了地震波在多地層中傳播的震源定位模型，并用迭代方法進(jìn)行模型求解。同時(shí)，依據(jù)該模型對(duì)水力壓裂產(chǎn)生的裂縫形態(tài)參數(shù)進(jìn)行求解，提出了裂縫三維形態(tài)解釋方法，能夠更精確地監(jiān)測(cè)壓裂過程中裂縫的空間展布，為現(xiàn)場(chǎng)的壓裂設(shè)計(jì)和施工措施的改進(jìn)提供了參考。

(2)對(duì)不同類型壓裂井(深井、水平井多段壓裂等)進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)實(shí)例表明，多巖性地層中裂縫形態(tài)解釋結(jié)果與壓裂設(shè)計(jì)結(jié)果一致性滿足要求，證明了模型的準(zhǔn)確性。

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編輯孟凡勤

TE357.1

A

1006-6535(2015)05-0141-04

20150607;改回日期:20150724

山東省自然科學(xué)基金“頁巖氣藏水平井滑溜水壓裂支撐劑輸送機(jī)理研究”(ZR2012EEM001)

溫慶志(1976-)，男，副教授，1998年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油工程專業(yè)，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事低滲透油氣藏增產(chǎn)機(jī)理方面的教學(xué)和科研工作

* 參加此項(xiàng)研究的還有王淑婷、王峰。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.05.032