利用微地震监测成果判断砂砾岩油藏压裂裂缝井间连通性——以准噶尔盆地玛湖油田为例

刘卫东 刘腾蛟 纪拥军 张立峰* 储仿东 张 拢

(①中国石油新疆油田公司开发公司，新疆克拉玛依 834000； ②东方地球物理公司新兴物探开发处,河北涿州 072751)

0 引言

随着油气勘探技术的不断突破，针对准噶尔盆地玛湖油田低孔、低渗砂砾岩储层 ，创新采用“大井丛、多层系、小井距、长井段、交错式、密切割、拉链式、工厂化”等一系列技术，使储量动用率大幅提升，采收率显著提高[1]。目前砂砾岩储层已逐步成为中国石油勘探的重点目标之一。但砂砾岩油藏具有岩石结构复杂、渗透性低、非均质性强、连通性复杂等特点[2-4]，开发难度仍然很大。若井网不合理、开发井距偏大，难以对井间储层进行有效体积改造，剩余储量可能永远无法开采[5]； 若开发井距偏小，压裂干扰风险加大，压力干扰也将加剧，严重影响开发效益[6]。评价压裂裂缝井间连通性，可为优化井间距及压裂规模提供重要依据，因此准确判断压裂裂缝井间连通性对开发低孔、低渗砂砾岩油藏具有重要意义。

目前，测定井间连通性的方法有干扰试井、电缆测井、产能评价、现代油藏地球化学和示踪剂等方法。邱子瑶等[7]在相邻生产井下入高精度存储式压力计，通过测量井底连续流压变化判断各井之间的连通性。郭淑军等[8]通过对比脉冲中子衰减谱(PND)测井与常规测井的解释结果，研究储层压裂前、后的连通性变化。吕明胜等[9]使用动态生产资料，利用Orkiszewski方法计算井底流压，最终得到油井产能系数分析井间连通性。尹伟等[10]利用气相色谱指纹技术研究沈家铺油田枣Ⅴ油组各断块间及断块内流体连通性。周丽梅等[11]通过示踪剂曲线特征分析油藏井间连通方式，从峰型、主峰高宽比、主峰拟面积和注水推进速度等四个方面评价曲线特征与连通方式之间的关系。本文以准噶尔盆地玛湖油田玛131示范区示踪剂检测结果为判断依据，分析微地震事件属性特征，提出一种利用微地震监测成果定量判断砂砾岩油藏压裂裂缝井间连通性的新方法。

1 判断方法

1.1 微地震事件反演定位

微地震事件反演定位是微地震监测的核心，为了在微地震监测过程中快速、准确地定位各事件点位置，人们提出了多种微地震事件反演定位方法。按照微地震事件反演定位过程中构造目标函数所用的走时信息或波形信息，将微地震事件反演定位分为基于走时的射线追踪定位方法和基于波形偏移的定位方法，它们均有各自的优势与不足。前者主要根据纵、横波在地层中传播的空间—时间关系，将微地震信号从破裂位置到检波器的理论走时与实际观测走时之差作为目标函数，进而求解微地震事件点位置，但纵、横波初至拾取精度与速度模型的误差对定位影响较大。近几年中国学者提出利用常规有源地震资料偏移定位无源微地震事件的新方法，不需要拾取初至，以微地震信号的波形信息为基础，借鉴了常规地震偏移处理中的地震波场延拓与成像思路。该类方法计算量较大，而且对速度模型精度要求较高[12-15]。

综上所述，微地震事件反演定位精度与微地震信号初至拾取精度、速度模型精度以及定位算法稳定性密切相关，在数据处理过程的任何一个环节都可能导致定位精度下降，且实际定位误差往往是多种误差的矢量和。现阶段由离散的微地震事件点刻画的裂缝形态仅代表压裂裂缝网络的包络范围，很难精细刻画缝网包络中人工裂缝的真实形态，因此仅靠离散的微地震事件点分布位置信息无法准确判断裂缝井间连通性。

1.2 天然裂缝识别

全球地震活动遵从如下关系[16]

lgQM=a-bM

(1)

式中：M为震级；QM为震级大于M的微地震事件数；a和b均为常数。Sil等[17]发现b值随空间的变化反映地层各向异性，b值随时间的变化反映不同岩石破裂机制； Maxwell[18]通过分析天然地震和微地震实例，认为压裂诱发的微地震事件的b值约为2，沟通天然裂缝产生的微地震事件的b值约为1，b值可辅助判断水力压裂是否沟通天然裂缝或断层。同时由于天然裂缝和水力压裂诱发岩石破裂的震源机制不同，沟通天然裂缝后微地震事件表现为事件能量较强、在同一位置重复、密集出现的特征[19]。

图1为玛湖1示范区砂砾岩储层微地震监测成果。由图可见，红色阴影区域内微地震事件能量明显较强，且各种颜色的微地震事件重复、密集出现，微地震事件的能量和时空分布特征指示压裂裂缝沟通天然裂缝。

分别拟合红色阴影区内(图2)、外(图3)微地震事件的M与lgQM的关系，得到b值。可见红色阴影区内的b值接近1，符合压裂沟通天然裂缝的特征(图2)。

红色阴影区内微地震事件能量较大，且重复、密集出现(b值接近1)，表现为沟通天然裂缝的特征。微地震事件沟通天然裂缝后，沿裂缝带扩展较远，与检波器(黑色标记)在中间水平井水平段的2个位置监测周围7口水平井的压裂情况，各段压裂微地震事件用不同颜色表示，微地震事件点直径大小代表岩石破碎能量邻井沟通交叉，不利于总结正常人工缝网扩展规律。因此在分析井间连通性前，首先要去除受天然裂缝影响的压裂段。

图1 玛湖1示范区砂砾岩储层微地震监测成果

图2 红色阴影区内微地震事件的M与lgQM的关系(b=1.061)

1.3 人工裂缝扩展过程分析

在未受天然裂缝影响的情况下，人工裂缝扩展范围主要受施工规模影响，施工规模越大裂缝延伸越远，与邻井连通的可能性越大。因此要分析不同液量阶段微地震事件分布特征。

图3 红色阴影区外微地震事件的M与lgQM 的关系(b=1.770)

图4为玛湖凹陷砂砾岩储层不受天然裂缝影响的人工缝网正常扩展的微地震事件形态分布图。由图可见，M1248井第4段前期微地震事件在井轨迹附近扩展，150m3液量时M1248井第4段东南方向事件点与M1249井第9段事件点交叉，400m3液量时M1248井第4段东侧事件点开始向M1249井第7段裂缝延伸，全部压裂液共755m3添加完成后，M1248井第4段东侧事件点与M1249井事件点交叉，即随着液量增加微地震事件逐步向外延伸。

图4 玛湖凹陷砂砾岩储层不受天然裂缝影响的人工缝网正常扩展的微地震事件形态分布图红色点为M1248井第4段不同液量(50、100、150、200、400、755 m3)阶段微地震事件分布，绿色点为邻井M1249井第7段的全部微地震事件分布

目前利用微地震监测结果构建水力裂缝网络的常用方法是根据微地震事件的时间顺序和空间分布，仿照设定的几何连接准则连接各事件点，从而形成水力裂缝网络。Hugot等[20]提出最短路径连接准则，其优点是可描述复杂的裂缝网络，而且在一定程度上符合裂缝扩展的物理原理，但实验室尺度的水力压裂试验表明，水力裂缝并不总是沿着最短路径与先存裂缝(弱面、节理等)连通。赵争光等[21]根据微震事件的时空分布和震源机制信息确定连接准则，生成离散裂缝网络解释水力裂缝。不同的连接准则可生成不同的裂缝网络形态，而且生成的裂缝展布是否遵循相关理论尚未有定论，利用微地震结果构建裂缝网络仍是需要继续研究的课题，因此现阶段利用微地震成果很难精细刻画缝网包络中人工裂缝的真实形态。同时受速度模型、初至拾取、偏振分析等因素影响，微地震事件定位结果存在一定误差，仅靠两段相邻的微地震事件的“交叉”并不能判断两段真实的人工裂缝的连通性。

1.4 微地震判断方法

本文以示踪剂检测结果作为判断井间人工改造裂缝连通性依据，总结未受天然裂缝影响情况下微地震事件点与邻井事件点最小距离规律，提出一种新的利用微地震监测结果评价砂砾岩油藏压裂裂缝井间连通性的方法。

设M1248井第4段有N1个射孔点(图5绿色正方形)，各射孔点坐标为Ai=(xAi，yAi，zAi)，射孔点的中心点坐标为A=(xA，yA，zA)，即

(2)

M1249井第7段有N2个射孔点(图5中黄色正方形)，各射孔点坐标为Bj=(xBj，yBj，zBj)，各簇射孔点的中心点坐标为B=(xB，yB，zB)，即

(3)

(4)

D=(xD,yD,zD)=2(2A-B)-B

(5)

一般情况下微地震事件由射孔点位置向左、向右两侧扩展距离在l以内，点D位于点A左侧3l处，即可保证全部微地震事件位于点D一侧。点C到点D的距离为

(6)

微地震事件点Ei=(xi,yi,zi)到点D的距离为

(7)

Ei到点C的相对距离为

Xtoc=Li-L

(8)

某段事件点Ei到相邻段Ne个事件点集Ej=(xj,yj,zj)的距离集G为

G={d(i,j)|d(i,j)=

1≤j≤Ne，j∈Z}

(9)

图6为微地震事件判断裂缝连通性分析图。由图可见：M1248井第4段事件点与M1249井第7段事件点横坐标是否交叉，代表两段裂缝包络是否交叉； 纵坐标dmin代表真实裂缝与相邻裂缝的连通程度，其值越小，相邻两段微地震事件越接近，则两段裂缝连通的可能性越大。

图5 相邻两段微地震事件平面分布图

以示踪剂检测结果作为裂缝是否连通的判断依据，分析各压裂段裂缝连通性与dmin统计规律，总结定量判断两段裂缝连通的dmin门槛值，即可形成评价砂砾岩油藏压裂裂缝井间连通性的方法。

图6 微地震事件判断裂缝连通性分析

纵坐标为本段事件点Ei到相邻段Ne个事件点集Ej的距离集G中的最小值dmin

1.5 示踪剂判断方法

选定压裂平台内一口井注入化学示踪剂，该井在分段压裂时，将特定化学示踪剂按设计用量随本段压裂液一起注入地层，各段注入的示踪剂不同。该井邻井压裂返排时，在邻井井口采集返排液样品，检测返排液样品中所注各种化学示踪剂的浓度。示踪剂产出曲线包括见剂速度、峰值个数、峰值高度、波峰宽度、示踪剂回采率等要素。见剂速度反映井间连通裂缝的渗透率，其值越大，井间连通裂缝的渗透率越高； 波峰个数对应高渗通道的数量，通常几个波峰对应几个通道； 峰值高度对应高渗通道的厚度，峰值越高，高渗通道越厚[22]。

以大裂缝为主的缝网系统在压后开井反排过程中，由于裂缝主要为一条或数条大裂缝，裂缝导流能力高。大裂缝中示踪剂产出较快，示踪剂浓度迅速升高； 在短时间内，裂缝内示踪剂全部产出，产出液中示踪剂的浓度再迅速下降[23]。故在以大裂缝为主的缝网体系中，示踪剂产出的曲线形态为单峰形(图7)。以微裂缝为主的缝网系统在压后反排时，由于裂缝导流能力有限，示踪剂浓度逐渐上升。随着持续反排，微裂缝内压裂液与示踪剂逐渐减少，示踪剂浓度在升高到一定值后又逐渐降低。在微裂缝为主的缝网体系中，示踪剂产出曲线特征为先缓慢上升， 后又缓慢下降(图8)。

本文不分析井间裂缝连通形式，只判断相邻两段人工改造缝网的连通性，因此仅需统计检测到的示踪剂型号，确定这些示踪剂注入注剂井的压裂段，从而确定压裂裂缝连通段的位置，即可确定注剂井中与邻井裂缝连通的压裂段[24]。

图7 示踪剂反排曲线示意图(大裂缝)

图8 示踪剂反排曲线示意图(微裂缝)

2 数据分析

为了进一步提高准噶尔盆地玛湖油田砂砾岩油藏单井产量、储量动用率和采收率，提升钻/完井工程效率，有效降低投资和成本，在致密砾岩“绕砾成缝”和“井间主动干扰”理论认识的基础上，结合大量数值模拟，创新性地设计了以“大井丛、多层系、小井距、长井段、交错式、密切割、拉链式、工厂化”系列技术为核心的玛131井高效、立体开发试验示范区，在一个大平台上纵向针对 T1b2储层(5口)、T1b3储层(7口)两套层系共部署12口水平井，采用工厂化平台作业，实施拉链式大规模压裂[1]。

图9 T1b2 储层5口水平井位置关系与M1242、M1243井微地震监测成果

每口井的微地震事件点用同一颜色表示，微地震事件显示相邻井大部分层段的微地震事件交叉，但不代表真实人工裂缝连通在平台井大规模拉链式压裂的同时，在水平井M1244水平段放置微地震监测设备，对各压裂段开展实时微地震监测。在此以示踪剂检测结果为判断依据，总结定量判断两段裂缝连通的dmin门槛值。图9、图10分别为T1b2储层、T1b3储层水平井位置关系与微地震监测成果图。由图可见：M1243井共压裂29段(图9)，M1248井共压裂26段(图10)，每段压裂时注入不同编号的示踪剂； 2019-08-30—2020-08-29采集返排液油水样，总体监测时间长达12个月。图11为M1243井、M1248井示踪剂串至邻井检查结果。由图可见： M1243井第2、10、13、14、19、25段压裂裂缝与M1242井裂缝连通(图11a)； M1248井第1、2、3、4、8、11、14、15、17、23段压裂裂缝与M1247井裂缝连通(图11b)； M1248井第1、2、3、4、8、11、14、15、17、18、23段压裂裂缝与M1249井裂缝连通(图11c)。

统计M1243井29段和M1248井26段与邻井(M1242井和M1247、M1249井)的dmin及示踪剂串至邻井检查结果(图12)表明，连通邻井的大部分压裂段的dmin<10m，未连通邻井的大部分压裂段的dmin>10m，即dmin越小，人工裂缝与邻井裂缝连通的可能性越大。因此，定量判断人工裂缝与邻井裂缝是否连通的dmin门槛值为10m，即：相邻井微地震事件交叉，且dmin<10m，则两井压裂裂缝连通； 反之，即使相邻井微地震事件交叉，但dmin>10m，则两井压裂裂缝未真正连通。

图10 T1b3 储层7口水平井位置关系与M1247井、M1248井、M1249井微地震监测成果

利用微地震监测成果评价井间裂缝连通性的方法符合裂缝相互连通的定性认识，虽然无法精细刻画真实裂缝形态，但dmin门槛值统计特征来源于砂砾岩储层多段示踪剂检测结果与实际微地震监测结果。人工裂缝在同一地区、同一套储层的扩展规律基本一致，因此结合微地震与示踪剂判断方法评价玛湖凹陷砂砾岩油藏压裂裂缝井间连通性具有一定的科学性。

图11 M1243井、M1248井示踪剂串至邻井检查结果(a)M1243井示踪剂串至M1242井； (b)M1248井示踪剂串至M1247井； (c)M1248井示踪剂串至M1249井

图12 M1243井29段和M1248井26段与邻井的dmin(共81对数据)及示踪剂串至邻井检查结果

3 成果应用

图13为玛湖1示范区MH22015、MH22016井全部微地震事件分布。由图可知：井轨迹北侧沟通两条明显的天然裂缝带，裂缝延伸较远与邻井沟通，本文提出的井间连通性分析方法不能分析天然裂缝发育区域，仅能分析井轨迹南侧正常扩展的压裂段井间连通性； MH22015井与MH22016井相距200m，两井之间未采集示踪剂检测、压力监测等数据，在此依据本文提出的微地震评价方法分析井间压裂裂缝连通性。图14为去除天然裂缝的微地震事件分布，显示两井微地震事件交叉，但两井的压裂裂缝是否真正沟通，还需要进一步分析。

图15为MH22015井第5段与MH22016井第4段裂缝连通性分析，显示MH22015井第5段微地震事件与MH22016井第4段微地震事件的dmin<10m，代表两段人工裂缝相互连通。

图16为MH22015井第8段与MH22016井第7段裂缝连通性分析，显示MH22015井第8段微地震事件与MH22016井第7段微地震事件的dmin>10m，代表两段人工裂缝未真正连通。

对MH22015井1～10段与MH22016井1～10段进行井间裂缝连通性分析，分析结果显示仅MH22015第5段与MH22016井第4段裂缝真正连通，其他压裂段均未与邻井真正连通，裂缝连通率为10%。因此井间距(200m)相对偏大，该区块后续施工可以适当增加压裂规模，提高造缝长度，或缩小井间距，提高储层开发效果。

图13 玛湖1示范区MH22015(蓝色点)、MH22016井(黄色点)全部微地震事件分布

图14 玛湖1示范区MH22015(蓝色点)、MH22016井(黄色点)去除天然裂缝的微地震事件分布

图15 MH22015井第5段(紫色点)与MH22016井第4段(红色点)裂缝连通性分析

图16 MH22015井第8段(绿色点)与MH22016井第7段(粉色点)裂缝连通性分析

4 结论

(1)现阶段离散的微地震事件点刻画的裂缝形态仅代表压裂裂缝网络的包络范围，很难精细刻画缝网包络中人工裂缝的真实形态，而且受速度模型、初至拾取、偏振分析等因素影响，微地震事件定位结果存在一定误差。因此仅靠离散的微地震事件点分布位置信息无法准确判断裂缝井间连通性。

(2)以示踪剂检测结果作为裂缝连通性的判断依据，利用玛湖凹陷砂砾岩油藏微地震事件距邻井事件最小距离门槛值定量判断两井裂缝连通性，提出了利用微地震监测结果评价砂砾岩油藏压裂裂缝井间连通性的准则：砂砾岩油藏未受天然裂缝影响区域的相邻两井微地震事件交叉，且微地震事件距邻井事件最小距离小于10m，则两井压裂裂缝连通； 相邻井微地震事件交叉，但微地震事件距邻井事件最小距离大于10m，则两井压裂裂缝未真正连通。

(3)应用提出的微地震事件判断玛湖凹陷砂砾岩油藏井间裂缝连通性方法，可以评价玛湖区块井间距与施工规模的合理性，也可推广到其他地区。