油气井压裂微地震裂缝监测技术研究与应用

2015-02-17温庆志李海鹏刘欣佳段晓飞

特种油气藏 2015年5期

关键词：监测技术岩性震源

温庆志，刘华，李海鹏，刘欣佳，段晓飞

(中国石油大学，山东青岛 266580)

油气井压裂微地震裂缝监测技术研究与应用

温庆志，刘华，李海鹏，刘欣佳，段晓飞*

(中国石油大学，山东青岛 266580)

地震波速是微地震监测中的最重要参数，但目前微地震监测研究大部分只考虑单一地层，忽略了多地层中不同地震波传播速度存在的差异，造成监测结果不够准确。为此，根据微地震波在不同岩性地层中传播速度不同这一特点，结合数学分析方法，建立了微地震波在多地层中传播的震源定位数学模型，并编制了软件，能够精确地监测压裂过程中裂缝的空间展布。对不同类型压裂井(深井、水平井多段压裂等)进行微地震监测，多岩性地层中裂缝形态解释结果与压裂设计结果一致性达到84%，证明了该模型的可靠性，为现场的压裂设计和施工措施的改进提供了参考依据。

微地震监测;多岩性地层;地震波速;裂缝形态;压裂

0 引言

微地震裂缝监测技术是近年迅速发展起来的新技术，与常规监测技术相比能够更有效、更可靠地监测压裂地震波信号［1-5］。目前国内微地震研究大多视地层为均一地层，声波在地层中传播的速度为一固定值，未考虑多岩性地层对地震波速的影响［6-8］，造成微地震监测数据不准确。在实际地层中，从地面到产层包括了多个地层，声波在不同地层中传播的速度不相等，因此，在实际的计算中过于简化模型会引起较大的误差。为此，建立了多地层震源定位模型，提高震源定位的精确度，为油气井现场压裂提供一定的参考依据。

1 数学模型

1.1 多地层震源定位数学模型

微地震声波在多地层中传播示意图见图1，图中S为微地震震源，A、B、C、D为地面监测站。

假设将地层划分为n个岩性地层，第i个地层厚度占整个地层厚度的比例系数为λi，对应的地层中声波传播速度为Vi;监测站为m个;微地震震源为L个，其中第j个震源的坐标为(xj，yj，zj)利用纵波时差定位方法确定微地震震源数学模型。

图1 微地震声波在多地层中传播示意图

变换方程组为:

式中:λi为第i个地层厚度占整个地层厚度的比例;T1～Tm为各分站的P波到时，s;T0代表发震时刻;(X1，Y1，0)，(X2，Y2，0)，…，(Xm，Ym，0)为各分站坐标;Vi为第i个地层中地层波速度，m/s;V为综合波速，m/s。

1.2 裂缝高度

对定位计算得到多地层中震源在深度方向的值进行分析计算，得到一个合理缝高解释。假设裂缝高度为一定值且单翼裂缝为矩形。

缝中间位置深度:

缝高:

式中:H为用微地震监测得到的裂缝高度，m;z＇为缝中间位置深度，m;z(i)为震源定位计算得到的震源深度，m。

1.3 裂缝方位

通过微地震震源定位得到一系列震源的三维坐标。将三维坐标投影在二维平面上，通过计算筛选去除偏离的震源(有可能为噪音干扰而产生)，对剩余的震源在二维坐标系内进行曲线拟合，对拟合结果进行分析即可得到裂缝方位。

二维震源S1(x1，y1)，S2(x2，y2)，…SL(xL，yL)，裂缝从井筒开始延伸，因此，裂缝延伸方程满足y= kx的形式，该方程组记为Ak=B。

运用最小二乘法解得:

裂缝方位角为:

式中:AT为矩阵A的转置;θ为方位角，(°)。

1.4 裂缝长度

裂缝的有效缝长是指压裂施工结束后，闭合在支撑剂上的裂缝的长度。计算缝长的最大可能值，然后乘以经验系数，得到估算的裂缝有效缝长。根据裂缝延伸方向拟合曲线方程y=kx，计算最远端的微震信号在拟合曲线上的投影点P(xp，yp)，计算井中心点到该投影点的距离。

式中:rmax为动态缝长，m;r为有效缝长，m;μ为经验系数，取值0～1。

2 模型求解

将模型转化为矩阵，利用矩阵分析理论求解，得到第j个震源坐标为，并得到P波到时为，将作为声波时差进行第1次迭代，得到震源坐标值为，设置迭代条件(2次计算得到的深度坐标差在1 m之内):

3 现场应用

3.1 深井裂缝监测实例

某油田X监测井油藏深度为3 500～3 554 m，对该井进行压裂设计，为得到压裂裂缝形态，在施工过程中进行微地震地面监测，将井口定为原点，设置6个监测站。

根据岩石铸体薄片分析，储层岩性以细粒岩屑长石砂岩为主，部分含碳酸盐岩、泥质，中间夹杂有砂质泥岩。在确定波速后，根据测井资料将地层分为3层，即地表的软地层、砂质泥岩层和砂岩地层。利用软件得到解释结果(图2、3，表1)。

图2 深井微震解释结果二维图

图3 深井三维裂缝拟合曲面

表1 微地震解释结果与设计结果对比

由图2可知，井筒两侧压裂裂缝未在一条直线上，存在一定偏差，但偏差不大，整体裂缝呈北偏西70°。由图3可知，三维地震图中，裂缝形态在地层深度方向由蓝色至红色区域中变化，显示形成的裂缝纵向上主要在3 510～3 550 m。红色区域显示裂缝扩展至地层深度为3 510～3 520 m处，相对蓝色区域，该位置裂缝扩展较高，说明在同一地层中地应力也不尽相同，裂缝扩展较高的地区地应力偏小，更容易被压裂，但总体上形成的裂缝形态主要在蓝色区域变化，形成的裂缝形态相对比较平缓。

由表1可知，解释裂缝高度与设计符合程度达到83.3%，裂缝半长符合程度为90.0%和97.7%，与压裂设计符合程度非常高。

3.2 水平井分段压裂监测实例

某水平井Z井油藏深度为2 920～2 960 m。储层岩性为长石粗粉砂岩。该井压裂设计分为4段，与井筒垂直相交，设计裂缝半长为220 m，缝高为40 m。施工同时进行微地震监测，对微地震结果进行解释，得到如下解释结果(图4、5，表2)。

图4 水平井分段压裂微地震监测解释结果二维图

图5 水平井多段压裂微地震解释三维裂缝拟合曲面

表2 水平井分段压裂微地震监测解释结果

由图4可知，二维地震监测解释图中显示压裂形成的4条裂缝与水平井井筒都成一定角度，为北偏东22.30～26.29°，实际监测结果与压裂设计垂直井筒存在一定偏差，但偏差不大。由图5可知，三维地震监测解释4条裂缝主要在蓝色至黄色区域变化，说明4条裂缝深度在2 920～2 960 m，并且从4条裂缝深度颜色变化上观察得到，压裂形成的4条裂缝一致性比较好，缝高方向变化不大，说明该地区地应力比较均一。

由表2可知，对水平井分段压裂进行解释，缝长符合程度为90.7%～94.8%，缝高符合程度为86.6%～96.6%，缝长和缝高的符合程度最好;方位角与设计结果最大相差29.00°。该模型对水平井裂缝解释结果较好。