微地震事件解释实例

赵超峰 张 伟 田建涛 徐海峰 王海波

(东方地球物理公司辽河物探处,辽宁盘锦 124010)

1 引言

目前非常规油气开发主要采用体积压裂的方式改造储层形成压裂缝网，以提高储层的连通性，增大泄油面积，提高单井产量，微地震监测技术是评价压裂效果的最有效手段之一[1]。

水力压裂时，大量高黏度、高压流体被注入储层，使储层孔隙流体压力迅速提高，引起应力场发生变化，导致岩石破裂，并发出微弱的地震波。通过处理地面或井中的检波器接收到的地震信号，确定破裂(即微地震事件)发生的位置和时间等信息，可实时指导现场压裂作业和压裂后效果评价[2-9]。郑爱萍等[10]利用微地震监测识别重复压裂中的裂缝转向。容娇君等[11]利用微地震监测分析储层改造后产水的原因，认识了断层重新激活后的微地震事件特征。微地震监测被广泛应用于油气开发领域，已逐步成为非常规油气开发的关键技术。

基于微地震事件的分布，利用微地震监测可实时指导现场压裂作业和压裂后效果评价[12，13]。微地震事件是储层对水力压裂的响应，其分布特征与压裂工艺、储层性质、区域构造应力等密切相关[14]。因此，微地震事件解释须结合地质、油藏、工程等信息才能全面、准确地理解水力压裂裂缝延伸过程，提高压裂改造效果评价的可靠性及对储层和压裂工艺的认识，以指导井位部署和压裂设计。

2 微地震事件分布特征解释方法

2.1 微地震事件分布特征解释理论基础

水力压裂裂缝的走向和分布形态受天然裂隙、断层、储层性质、区域构造应力等因素影响。对均匀储层，压裂所产生的人工裂缝应该沿着最大水平主应力方向朝井轨迹两翼延伸、扩展，然而储层性质的非均匀性，特别是天然裂隙和断层的存在，易造成微地震事件分布的非对称性。天然裂隙和断层是控制水力压裂裂缝几何结构的重要因素，当水力压裂裂缝与天然裂隙沟通时，高施工压力将激活天然裂隙，发生剪切破裂，导致微地震事件发生，并且水力压裂裂缝易于沿着已有裂缝方向延伸，而断层活化可能导致微地震活动率增大、大震级事件增多，并影响微地震活动位置[15]。b值估计来源于经典地震学，地震系列的事件发生频率和它们的震级遵循一个幂律关系，古登堡和里克特提出全球地震活动遵从[16]

lgNM=a-bM

(1)

式中：NM表示震级不小于M的地震或者事件累计数目；a和b均为常数，其中b为该式所代表直线的斜率，一般反映一个地区承受平均应力和接近强度极限的程度，如断层活化、水力压裂诱发的微地震事件的b值分别约为1、2。

赵争光等[17]发现，与水平井轨迹平行的小断层或裂隙将阻止水力压裂裂缝沿与井轨迹垂直的方向延伸，起到压裂屏障的作用。储层岩石脆性[18]是指岩石受力破碎时表现出的一种性质，杨氏模量、泊松比是表征岩石脆性的主要岩石力学参数。通常泊松比越低，杨氏模量越高，岩石脆性越大。岩石脆性越大，压裂过程中越易产生网状缝，微地震事件在岩石表现为脆性的地方数量较多[19]。砂岩较泥岩更具脆性，泥岩可压性差，往往成为压裂隔挡层，造成微地震事件纵向尖灭现象。区域构造应力也是影响压裂的重要因素，通常最大水平主应力和最小水平主应力的差越小，越易于形成网状缝，微地震事件的生长方向也会随着区域应力场而变化，形成次生方向。

2.2 微地震事件解释思路

水力压裂产生的微地震事件分布形式千变万化，本文首先描述微地震事件的纵向、平面分布特征，包括微地震事件分布的长、宽、高及对称性、复杂度等，然后将微地震事件与储层性质、区域构造应力、压裂工艺等相结合，综合查明水力压裂微地震事件的产生原因，了解水力压裂裂缝延伸过程，总结微地震事件分布规律。微地震事件的解释流程为(图1)： ①从三维地震数据体中提取表征储层天然裂隙和断层发育情况的相干体、曲率、蚂蚁体等属性[20-22]，分析天然裂隙和断层对微地震事件平面分布特征的影响，认识压裂裂缝的平面展布特征； ②利用压裂区域地震剖面、解释层位以及压裂井和监测井的岩性分层、岩性特征分析微地震事件纵向尖灭现象，分析裂缝纵向高度控制，识别压裂屏障； ③利用震级、b值等微地震属性和区域构造应力场辅助解释微地震事件分布特征； ④结合微地震事件描述的裂缝长、宽、高、储层改造体积等分布特征综合评价压裂效果，并跟踪压裂后油井生产曲线验证压裂改造效果。

图1 微地震事件解释流程图

3 应用实例

3.1 实例1

压裂井QH1井位于辽河探区Q1块。沙海组分为上、下两段，下段进一步划分为Ⅰ和Ⅱ两个油组，Ⅰ油组底部发育一套全区稳定分布的煤层，厚度为3～12m。QH1井目的层为沙海组下段Ⅰ油组，储层岩性包括泥质白云岩、含方沸石泥质白云岩、含泥方沸石质白云岩。研究表明，储层具有类似致密油藏的特点。薄片与扫描电镜资料表明，储层孔喉配位数低，主要分布范围为0.1～0.7，平均为0.4，连通性差，孔隙结构表现为特细喉—微细喉特征。岩心分析资料统计结果显示：孔隙度为10%～21.5%，平均为14.8%；渗透率主要分布在50mD以下，平均为7.4mD，整体属于低孔、特低渗储层。

本次压裂采用连续油管分段压裂工艺，压裂井段为1717～2415m，共分20段。选取QH2井和QH3井作为监测井进行双井监测，检波器接收阵列分别为9级和10级，检波器级间距均为10m，压裂段射孔位置距两井检波器阵列中心均小于300m。

由QH1井微地震事件分布俯视图(图2)可知，第1～8段(图2黑色椭圆)微地震事件总体呈对称分布，A区域(第9段位置)事件点偏少，B区域事件点向监测井靠近，C区域没有事件点，D区域(第10段)事件点沿井轨迹垂直方向分布。 以下分别解释

图2 QH1井微地震事件分布俯视图

微地震事件的平面、纵向分布特征。

(1)A区域由于压裂现场桥塞坐封失败，故放弃第9段压裂，造成A区域事件空白。

(2)低应力区易于水力压裂裂缝生长。由QH1井第14段和第15段监测成果(图3)可知，第14段、第15段事件点先沿井轨迹垂直方向生长，当生长至一定距离后，生长方向发生改变，向监测井 QH2靠近，第11～第13段也存在此现象。因此，B区域可能存在断层或断裂，导致事件点向监测井靠近。将QH1井微地震事件和相干体切片联合显示发现(图4)，B区域天然裂隙不发育，因此事件点向监测井靠近现象不是水力压裂裂缝沟通天然裂缝或断层造成的。根据地下应力场分析可知，监测井 QH2在投产前的储层压裂改造和油气排采造成地层能量消耗，形成局部低应力带，水力压裂裂缝沿阻力最小的路径生长，使水力压裂裂缝优先发育并进入局部低应力带，造成压裂裂缝向邻近监测井生长，形成微地震事件逐渐向监测井靠近现象，而距监测井较远的第10段未受监测井影响，人工裂缝一直沿井轨迹垂直方向延伸。

(3)地层变形阻断水力压裂裂缝延伸。在QH1井微地震事件和相干体切片叠合图(图4)中蓝色箭头指示与井轨迹近乎平行的灰黑色条带状展布区域可能存在天然裂隙带或断层，对微地震事件形成阻挡，在1660、1670m深度的相干体切片(图5)上都存在此现象。由微地震事件和三维地震剖面叠合图(图6)可见，在相干体切片表现为异常的位置，在地震剖面上存在相变(图6的椭圆位置)。由于该地区正断层发育，逆断层不发育，因此微地震事件的阻拦现象不是由逆断层造成的。由于Ⅰ油组底部发育一套厚为3～12m的煤层，煤层塑性大、硬度小，易发生塑性变形，地层变形、弯曲使地层曲率发生变化，在地震剖面上表现为相变，在相干体切片上表现为相干性变差，并在煤层上方形成局部高应力区，造成水力压裂裂缝无法压穿，从而形成阻挡。

图3 QH1井第14段(左)和第15段(右)监测成果

图4 QH1井微地震事件和相干体切片叠合图

图5 QH1井微地震事件和不同深度的相干体切片叠合图

(4)煤层成为稳定的隔挡层。将地震解释的煤层层位加载到三维地震数据体中，综合分析压裂缝高。微地震事件点均分布在煤层之上，压裂没有穿透下伏煤层，该煤层是区域分布稳定的隔挡层；上覆粉砂质泥岩明显对缝高具控制作用，压裂缝高基本保持在70～115m，均在有利目的层之内(图7)。

综上所述，QH1井储层改造效果不理想，后期该井的产量没有达到预期，表明利用三维地震数据综合评价压裂改造效果的可靠性，建议在C区域开展重复定向压裂。

3.2 实例2

压裂井QH4井位于辽河探区Q1块，主要目的层为沙海组下段Ⅱ油组。Ⅱ油组属低—中孔、低渗常规稀油储层，孔隙度为7.6%～17.4%，平均为11.1%，渗透率为0.1～180mD，平均为11.5mD；储层孔喉配位数低，主要分布范围为0.1～0.7，平均为0.4，连通性差，Ⅱ油组孔隙结构表现为特细喉—细喉特征。储层脆性指数为61.7%～89.5%，平均为72.8%，预计最大与最小水平主应力差为5MPa，具备形成复杂裂缝网络条件。

QH4井改造井段为1632～2374m，采用速钻桥塞分段压裂方式，分9段压裂。为保证所有压裂段取得较好的监测效果，选取QH5井和QH6井作为监测井进行双井监测，监测井均采用10级三分量检波器接收，检波器级间距为10m，第5段监测距离最长，其射孔位置距最近的检波器阵列中心达500m。

由QH4井微地震事件分布俯视图与侧视图(图8)可见，所有破裂均发生在井轨迹周围，微地震事件呈对称分布，第1～8段的微地震事件发生重叠现象，形成的缝网规模相对较大，第9段的微地震事件点集中，缝网规模相对较小，第5段的微地震事件点偏少(图8a红色椭圆)，压裂缝高受隔层控制明显，均在有利目的层内(图8b)。以下分别解释微地震事件的平面、纵向分布特征。

图8 QH4井微地震事件分布俯视图(a)与侧视图(b)

(1)在现有条件下的有效监测距离为500m。第5段受监测距离限制，只监测到19个事件点，造成QH4井微地震事件分布俯视图(图8a的红色椭圆处)的微地震事件偏少。解释微地震事件要考虑监测距离的影响，受监测井限制，不能确保所有压裂段都能监测或只能监测到压裂段近端裂缝展布，且远端裂缝无法成像，形成裂缝非对称生长假象，影响全面描述缝网形态和压裂评价。

(2)Q1块区域煤层成为稳定隔挡层。沙海组下段分为Ⅰ和Ⅱ两个油组。根据测井资料得到Ⅱ油组顶、底位置(图8b)，其中Ⅱ油组顶部发育一套厚为3～12m、区域稳定分布的煤层。由微地震事件和煤层解释层位叠合图(图9)可知，微地震事件均分布在煤层下面，压裂没有穿透上覆煤层。由微地震事件分布和Ⅱ油组顶部、底部位置关系(图8b)也能判断压裂缝高均在Ⅱ油组有利目的层内，压裂能量得到有效利用。

(3)天然裂缝影响了水力压裂裂缝的延伸和扩展。第1～8段微地震事件发生重叠现象，因为Ⅱ油组首次压裂，脆性指数高，存在一定量的天然裂缝。在压裂过程中，水力压裂裂缝沟通细小天然裂缝，造成微地震事件重叠现象，第9段没有与前段重叠，说明第9段所处位置的储层天然裂缝不发育。将微地震事件和相干体切片叠合显示进行验证，由1430m相干体切片(图10a)可见，微地震事件点分布的相干区域呈白色，表现为强相干性，表明波形连续性好，储层天然裂隙不发育，水力压裂裂缝沿最大水平主应力方向生长，第9段裂缝走向为80°，该地区主应力方向为85°，两者基本一致。由1520m相干体切片(图10b) 可见：天然裂隙表现为明显的灰黑—黑色枝状展布，天然裂隙属于力学性质薄弱区域，水

图9 微地震事件和煤层解释层位叠合图

力压裂裂缝沿阻力最小的路径生长，造成水力压裂裂缝与天然裂隙沟通，使压力升高，激活天然裂隙，发生剪切破裂，导致微地震事件发生；随着裂缝的扩展，造成微地震事件的重合现象，形成复杂裂缝网络。另外，计算微地震事件的b值为1.2，较正常水力压裂的b值偏小，也可以验证天然裂隙发育。

图10 QH4井微地震事件和不同深度的相干体切片叠合图

储层天然裂隙发育表现为微地震事件的重叠现象，易形成复杂裂缝网络。天然裂缝是油气储集和运移的主要通道，对油气藏产能建设具有重要作用。由于压裂储层天然裂隙发育，水力压裂裂缝与天然裂隙沟通良好，压裂缝网呈对称生长，缝网规模相对较大，储层改造体积为9.53×107m3，本次压裂取得了较好的效果。该压裂井投产一年后，日产油量仍然保持在20t以上，因此较好的储层改造效果对提高油气藏产能具有重要作用。

3.3 实例3

压裂井SH1井位于辽河探区S268块，主要目的层为沙四段，油层埋深为2600～3476m，储层平均孔隙度为9.8%，平均渗透率为0.5mD，整体为低孔、特低渗储层。SH1井改造井段为3455～3885m，采用速钻桥塞分段压裂方式分5段压裂。本次监测采用单井监测，12级检波器接收，检波器间距为10m，射孔位置距检波器阵列均在500m内。在监测过程中仪器发生故障，只监测到前3段。

由SH1井微地震事件分布俯视图与侧视图(图11)可见，在井轨迹两翼微地震事件基本呈对称分布，在井轨迹上、下均有微地震事件分布，整体上事件点存在一定的空间连续性，同时重叠很少。因此，段间距、簇间距设计非常合理。

由微地震事件和不同深度相干体切片叠合图(图12)可知，储层天然裂隙不发育，压裂裂缝延伸未受天然裂隙影响。在第2段压裂滑溜水阶段微地震事件非常集中，造缝运动较明显，因此天然裂隙不发育(图13)。

储层天然裂隙不发育，微地震事件表现为不重叠且集中分布，也可实现造长裂缝的目的，形成对称缝网，SH1井投产一年后产量仍然保持在20t以上，储层改造效果较好。

图11 SH1井微地震事件分布俯视图(a)与侧视图(b)

图12 SH1井微地震事件和不同深度的相干体切片叠合图

图13 第2段压裂滑溜水阶段微地震事件点分布俯视图(a)与侧视图(b)

4 结束语

本文针对辽河探区Q1块和S268块三个微地震事件监测实例，利用微地震联合测井岩性分层、三维地震剖面以及三维地震数据相干体属性，探讨了影响微地震事件分布特征的因素，得到以下认识： ①天然裂隙是影响微地震事件分布的重要地质因素，储层天然裂隙发育表现为微地震事件的重叠，易于形成复杂的裂缝网络； 储层天然裂隙不发育表现为微地震事件不重叠且集中分布，也可实现造长裂缝的目的，形成对称缝网； ②对Q1块致密砂岩储层压裂，在进行水力压裂时可将厚度为3～12m的煤层作为稳定的隔挡层，控制缝高，提高改造效果； ③进行井位部署时，要考虑邻近井的影响，采用合理的井间距和压裂工艺，最大限度地降低邻近井对压裂造成的影响，在靠近邻近井的压裂段压裂时要结合微地震实时监测结果，采取相应措施，提高储层改造效果； ④地层变形形成的局部高应力区域可对水力压裂裂缝形成阻挡，影响改造效果，结合地震资料综合解释有助于微地震监测识别地层变形对压裂的影响，提高对储层的地质认识。