基于微地震监测的新民油田水力压裂缝网形态对比分析

田 佳 张 勇 胡佳男

(1. 西安石油大学 地球科学与工程学院/陕西省油气成藏地质学重点实验室， 西安 710065；2. 吉林油田公司英台采油厂， 吉林 松原 138000；3. 吉林油田公司扶余采油厂， 吉林 松原 138000)

0 前 言

松辽盆地属于东部陆相含油气盆地，油气资源类型多、分布广、储量丰富、产能较高。经过长期的勘探与开发，其厚层三角洲支河道砂体富集的含油气层系逐渐被摸清，目前有待进一步挖掘致密层系的开发潜力[1]。新民油田位于松辽盆地南部扶新隆起带北部斜坡带，以低孔 — 低渗型储层为主，储层物性较差，非均质性严重，需要采取水力压裂等增产措施以获取商业油气流[2]。

近年来，微地震监测技术被广泛应用于致密油气藏的水力压裂监测、矿山岩爆监测、二氧化碳地质封存监测及常规油气田的注采诱发地震监测[3-5]。尤其是在致密油气藏开发中，微地震水力压裂监测是唯一能够对压裂缝几何产状实现成像的远场技术[6-7]。目前，可以采用地面或井下实时监测的微地震数据与背景噪声压制、有效事件自动拾取、震源定位与震源机制反演等数据处理技术，估算水力压裂缝的几何产状、几何规模、增产体积、地应力变化和网格连通性等参数，并据此确定压裂井的最优射孔区间，调整压裂施工方案[8-9]。

本次研究优选了新民油田3口新钻井，针对扶余油层进行水力压裂，采用井下微地震监测压裂过程中压裂缝的几何产状，拟明确目标区域的最大水平主应力方位，分析压裂施工参数对裂缝扩展的影响因素，以加深对裂缝扩展规律和裂缝延伸形态的认识。

1 研究区概况

研究区块位于新民油田东垒南部，为由南东向北西倾没的单斜构造。区块内断层发育较好，砂体以粉砂岩为主，平均钻遇砂岩厚度约38.0 m，有效厚度约4.4 m。区块内开发的目的层主要为扶余油层，其储层平均渗透率为1.5×10-3μm2，物性较差。平面上油层连续性较差，但主力油层分布相对稳定。

优选研究区内3口新钻井(民X-1井、民X-2井和民X-3井)进行水力压裂作业，每口井设置2个压裂层，其压裂层均属于扶杨层系扶余泉四段油层。在邻井民M井布置了10级井下三分量检波器，用于逐次监测各井水力压裂过程中所产生的微地震信号。图1所示为这3口井的平面井位分布与井下微地震观测系统设置。观测系统中以监测井的井口坐标为坐标原点，检波器阵列中点与民X-1井、民X-2井和民X-3井最远射孔位置之间的距离均小于300 m，以满足井下微地震监测条件。

图1 研究区3口井的平面井位分布与井下微地震观测系统设置

2 微地震数据处理与解释

针对每个单井，采用图2所示流程进行井下微地震数据处理。根据震源定位结果，分析各压裂层段压裂缝的长、宽、高和方位等几何特征与裂缝规模，定量评价压裂效果[10-11]。

图2 井下微地震监测数据处理流程

2.1 频谱分析与噪声压制

运用常规的微地震频谱分析法，即通过傅里叶变换将时域原始信号转换到频域，再根据频域响应特征选取有效信号的频带。该方法忽略了微地震瞬态信号在时域的分布特征，且易受到单频噪声的干扰，无法准确获取有效信号的频带。为解决这一问题，在此通过S变换得到原始微地震信号的时频谱，然后根据时频谱中高能量区域的分布特征来确定有效信号的频带范围[12]。据图3所示地震原始信号及其对应的时频谱，确定了本次微地震有效信号的频带范围为50～250 Hz，因此，可采用此频带范围的带通滤波对原始波形记录进行噪声压制。

2.2 微地震有效事件自动拾取

目前，常采用长短时窗能量比法(STA/LTA)或者自回归 Akaike 信息准则(AIC)法，基于信号与噪声在时域分布或统计特性的差异进行自动拾取[13]。这类方法仅利用了信号在时域分布的特征，而忽略了其在频域分布的特性，不利于对弱事件的拾取[14]。因此，采用基于叠加S变换的时频谱拾取法实现对有效事件的自动识别与拾取[15]。首先，对原始微地震记录进行S变换，得到时频谱；其次，将时频谱在有效信号频带范围内按照每个频率成分进行叠加，将其叠加谱作为特征函数，以此构造长短时窗，从而实现对有效事件的自动拾取。若拾取到有效事件，则采用AIC算法进一步精细提取纵波和横波初至。

基于上述微地震原始信号和时频谱完成了有效事件自动拾取，结果如图4所示。其中图4a所示为图3中微地震原始信号的STA/LTA比值曲线及设定阈值，从中仅能分辨出S波初至；图4b所示为图3中时频谱的STA/LTA比值曲线及设定阈值，从中可以拾取到清楚的P波和S波初至；图4c所示为采用AIC算法进一步精细提取的P波和S波初至。可以看出，基于S变换叠加谱的自动拾取算法能够识别弱事件的起跳信息。

图3 某道微地震原始信号及其时频谱

图4 某道微地震有效事件自动拾取

2.3 速度模型建立及校正

基于民M井的声波测井曲线，实现对压裂目的层段的速度分层，并建立了一维P波层状速度模型(见图5a)。随着油田开采的持续，储层的压力和空隙内流体的性质会逐渐发生改变，使得基于声波测井信息建立的速度模型无法满足微地震震源定位对精度的需求。为此，采用Pei等人提出的速度模型优化算法[16]，基于射孔信号的P波初至建立了优化速度模型的目标函数，如式(1)所得:

(1)

式中：E(v) —— 目标函数；

v—— 一维层状速度向量；

Nr—— 接收器总数；

由于射孔位置已知，因此可调整各层速度以使目标函数值最小，此时的速度向量v为最优速度。图5b所示为基于射孔信号校正的速度模型。由于缺失横波测井信息，S波速度模型由校正后的P波速度模型与研究区域的纵横波比经验值估算而得。

图5 一维P波层状速度模型

2.4 偏振分析与震源定位

由于单井监测在水平面上缺乏对震源方位的约束，导致潜在震源最终分布在以检波器水平坐标为圆心、以有效事件纵横波初至差估算的震源距离为半径的圆弧上。在此，采用矢端曲线法将x分量与y分量波形分别投影到x-y平面，通过最佳线性拟合质点位移的方位来估算P波的偏振方向，从而确定微地震有效事件的震源传播方位。

获取纵横波初至与P波偏振方向后，采用概率密度坍塌网格搜索法进行震源定位[17]。将研究区域的速度模型离散化，通过拾取的P波、S波初至来构建反演震源位置的非线性目标函数：

(2)

式中：L(x) —— 非线性目标函数；

N—— 接收器数量；

σP、σS—— P波、S波拾取初至的标准偏差。

坍塌网格搜索的策略是：首先，搜索较大网格的目标函数最小值；然后，再将该网格不断二分，直到其满足算法终止标准；最后，通过搜索拾取初至与理论初至残差的全局最小值来确定震源位置。

对3口压裂井共6个压裂层段的原始微地震监测数据作了定位处理。以民X-1井第1压裂层段的处理结果为例，该压裂层段共拾取了56个有效事件，其震源定位如图6所示。首先，通过事件位置的空间分布，估算出压裂缝的缝长为159.02 m，缝高为36.98 m，缝宽为50.63 m，裂缝总体延伸方位为NE63.06°。同时，由此判断该区域的最大水平主应力方向为北东向，所形成的有效面积约8 045 m2。此外，观测到2组沿西北 — 东南方向延伸的分支裂缝形成的复杂共轭裂缝结构。

图6 民X-1井第1层水力压裂微地震震源定位

图7所示为民X-1井第1层压裂缝动态扩展过程，压裂前期事件点数较少，仅形成了一条主裂缝。裂缝整体沿北东向进行延伸，压裂过程中事件点数不断增多，裂缝规模不断扩大，并构成2条与主应力方向垂直的共轭裂缝。为了定量评价压裂缝网的复杂程度，基于震源在平面上的空间分布进行直线拟合，将拟合系数作为评价复杂程度的依据。拟合系数越大，表示缝网复杂指数越低，线性拟合关系如式(3)所示：

图7 民X-1井第1层压裂缝动态扩展过程

IFC=1-R2

(3)

式中：IFC—— 裂缝复杂指数；

R2—— 拟合系数。

经拟合，该压裂层的裂缝复杂指数为0.63。

3 压裂缝几何形态对比

将研究区域3口压裂井产生的微地震震源位置在空间上进行叠放对比，对缝长、缝宽与缝高进行归一化(见图8)。经统计，可得研究区域内3口压裂井的裂缝形态特征：

图8 研究区3口压裂井微地震裂缝规模对比

(1) 缝长。民X-3井的压裂缝最短，民X-2井次之，民X-1井的压裂缝最长。

(2) 缝宽。民X-3井的压裂缝最宽，民X-2井次之，民X-1井的压裂缝最窄。

(3) 缝高。民X-3井和民X-2井高度相似，均小于民X-1井。

(4) 裂缝复杂指数。民X-3井裂缝复杂指数最高，民X-2井次之，民X-1井的裂缝复杂指数最低。

总体上，沿着西北 — 东南方向，3口井的压裂缝规模递增，裂缝复杂指数递减。其中，民X-3井的压裂缝规模较小，裂缝复杂指数较高，形成粗短的复杂缝网结构；民X-1井的压裂缝规模较大，裂缝复杂指数较低，形成细长的条带状缝网结构，沿着北 — 东方向不断延伸；民X-2井的压裂缝规模与裂缝复杂程度则处在民X-3井与民X-1井之间。

4 压裂缝几何形态影响因素分析

上述3口压裂井总计6个压裂层段均属于扶余油层的泉4段，岩性基本相同，主要由泥岩与粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩互层组成。为进一步探索影响压裂缝几何形态的因素，对这3口压裂井的水力压裂施工参数(加砂总量与累计液量)与裂缝形态特征作了定量对比分析，并总结压裂施工参数对压裂缝延伸形态的影响规律。

根据第1、2层水力压裂期间的加砂总量、累计液量、最大压力统计对比结果(见图9)，以及水力压裂期间的加砂总量、累计液量与裂缝规模、裂缝复杂指数的关系(见图10)，得到以下认识：

图9 研究区3口压裂井加砂总量、累计液量、最大压力统计对比

图10 研究区3口压裂井加砂总量、累计液量与裂缝规模、裂缝复杂指数的关系

(1) 压裂缝的规模与累计液量、加砂总量之间具有明显的正相关性。

(2) 随着累计液量、加砂总量的增加，压裂缝长度也明显增大，而压裂缝高度增幅不明显。这表明该区域的垂向应力大于水平应力，而水力压裂主要提供的是剪切方向上的应力，因此加大排量和加砂总量无法使裂缝高度明显增大。

(3) 压裂缝的规模与最大压力之间无明显的相关性，因为最大压力只起到破裂地层的作用，当地层破裂后支撑裂缝的开启主要是受排量和加砂总量的影响。

由于加砂总量、累计液量与缝长、缝高具有较明显的正相关性，因此可通过对压裂施工参数与压裂缝规模的最小二乘拟合推导出压裂缝长和缝高的预测公式：

(4)

式中：lf—— 预测的裂缝长度；

hf—— 预测的裂缝高度；

Vf—— 压裂期间的累计液量；

Vs—— 加砂总量。

由式(4)可知，裂缝长度、裂缝高度总体上与累计液量、加砂总量具有较强的线性正相关性。由于裂缝宽度、裂缝复杂指数与累计液量、加砂总量的相关性不显著，且研究区压裂数据规模有限，因此无法得到明确的拟合关系。

5 结 语

通过井下微地震监测，对松辽盆地新民油田南部的3口压裂井的裂缝几何形态特征作了定量对比，对压裂缝形态、复杂指数与压裂施工参数之间的关系作了定性分析，并推导出研究区内基于压裂施工参数的压裂缝长、缝高的预测关系式。经过分析，得到以下认识：

(1) 研究区内的水力压裂缝主体沿着NE66.3° — NE77°方向延伸，最大水平主应力方向为北东向。

(2) 研究区内的水力压裂缝基本沿最大主应力方向扩展，除沿最小主应力延伸的分支裂缝外，未见裂缝主体方位发生大的转变。这意味着在压裂地区，压裂缝受天然裂缝的影响较小。

(3) 压裂缝整体呈近东西向的条带状裂缝，但其内部分布着沿北西 — 南东方向延伸的分支裂缝和沿北东 — 南西方向延伸的分支裂缝，形成网状交叉裂缝。

(4) 民X-1井、民X-2的第1层压裂段微地震事件在深度上有重叠，存在重复压裂现象，为此需要进一步调整优化压裂施工参数。

(5) 研究区内加砂总量、累计液量的增加都可使裂缝的长度、高度增大，但是对于裂缝的宽度并无影响。