趙新紅，車(chē) 航，羅 炯

(華北油田公司井筒設(shè)計(jì)中心，河北任丘 062552)

1 前言

2012年2月14日，在華北油田對(duì)京253井的水力壓裂過(guò)程進(jìn)行了微地震裂縫監(jiān)測(cè)。京253井位于華北油田京11斷塊上。如圖1所示，壓裂井段南鄰一個(gè)北東東走向的傾滑斷層，監(jiān)測(cè)井附近等高線急劇變化。壓裂一層，監(jiān)測(cè)層位于沙河街組沙四段，井段1 278.0～1 299.8 m，垂深1 288.9 m。京253井位置、環(huán)境特殊，鄰近斷層，位于斷層上盤(pán);等高線兩側(cè)應(yīng)該是不同時(shí)代的地層，是介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)連續(xù)變化的位置，這影響了人工裂縫方位、形態(tài)。壓裂前所進(jìn)行的噴砂射孔，也會(huì)影響人工裂縫方位、形態(tài)。

圖1 京253井所處的構(gòu)造位置Fig.1 Geological structure map of Well J-253

2 人工裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

京253井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果俯視圖如圖2所示，近井裂縫北北東走向，遠(yuǎn)井出現(xiàn)右旋。井口附近存在北西向、北東向、北北東向裂縫。圖2向上是正北方向，向右是正東方向，格值100 m，實(shí)心圓點(diǎn)為監(jiān)測(cè)到的微地震，用微地震排列、分布表示人工裂縫方位、長(zhǎng)度、形態(tài)。

圖2 京253井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果俯視圖Fig.2 Plan view of microseismic monitoringresult for Well J-253

圖3是京253井監(jiān)測(cè)結(jié)果側(cè)視圖，橫軸沿人工裂縫的優(yōu)勢(shì)方向，縱軸是深度，單位是m。自監(jiān)測(cè)井向北東方向:人工裂縫上緣水平，下緣向東升起，整體近于水平延伸;人工裂縫近井厚，前緣薄，呈楔形。自監(jiān)測(cè)井向西南方向:人工裂縫略向上翹起，前緣微地震分布離散，裂縫不發(fā)育。圖3中，實(shí)心圓點(diǎn)為監(jiān)測(cè)到的微地震，用微地震排列、分布表示人工裂縫高度、形態(tài)。

3 南側(cè)斷層的影響

京253井位于華北油田京11斷塊上，南鄰一個(gè)北東東走向的傾滑斷層。比較斷層兩側(cè)的等高線，可以看出，Es4頂面斷距高差20 m。由于其法向大體平行于區(qū)域最小水平主應(yīng)力方向，現(xiàn)今也存在上盤(pán)向下的滑動(dòng)趨勢(shì)，其橫截面示意圖如圖4所示，滑動(dòng)面與豎直方向的夾角約30°。由于下滑趨勢(shì)，存在一個(gè)傾滑膨脹效應(yīng)，在斷層上盤(pán)鄰近斷層位置附加了一個(gè)垂直斷層走向的壓應(yīng)力。京253井鄰近斷層(見(jiàn)圖1)，且處于斷層上盤(pán)，人工裂縫方向受到傾滑膨脹效應(yīng)的影響，人工裂縫偏離區(qū)域最大水平主應(yīng)力方向左旋，轉(zhuǎn)向趨于垂直斷層走向方向[1](見(jiàn)圖2)。在監(jiān)測(cè)井南側(cè)，受到斷層帶影響，微地震分布不連續(xù)，沿?cái)鄬訋ё呦虼嬖陔x散的微地震分布。

由圖4可以看到，由于上盤(pán)下滑，L2長(zhǎng)于L1，地層出現(xiàn)沿?cái)鄬臃ㄏ蚍较虻脑鲩L(zhǎng)，出現(xiàn)膨脹;鄰近斷層的位置出現(xiàn)附加應(yīng)力，致使局部最大水平主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，增長(zhǎng)的尺度可以表示為

式中，D是沿垂直方向的斷距，如前所述，為20 m;增長(zhǎng)的尺度約17.3 m。鄰近斷層，附加的壓應(yīng)力足以改變?nèi)斯ち芽p方向。因壓應(yīng)力增加改變裂縫方向不利于油井產(chǎn)能增加。

圖3 京253井監(jiān)測(cè)結(jié)果側(cè)視圖Fig.3 Side view of microseismic monitoring result for Well J-253

圖4 傾滑斷層橫截面示意圖Fig.4 Cross section viewof the dip fault

4 介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)連續(xù)變化的影響

京253井含油層位是一個(gè)向北東方向傾覆的斜坡，坡度較大，水平距離50 m，深度下降10 m。東北翼人工裂縫長(zhǎng)度129.1 m，大體沿等深線梯度方向，前緣位置地層深度下降26 m。由表1可以看出，大體水平延伸的人工裂縫連續(xù)的從底部地層進(jìn)入上覆地層，前緣進(jìn)入下第三系的泥巖層，鄰近上第三系水層。這使該井產(chǎn)能低，含水偏高。

表1 地層深度、性質(zhì)對(duì)照表Table 1 Contrast between depth and properties

底部地層是下第三系沙河街組四段的含油砂巖，上覆地層是下第三系沙河街組三段的差油層，上面的大段泥巖，以及上第三系水層、老地層的介質(zhì)模量大于新地層的介質(zhì)模量，這會(huì)影響人工裂縫方向(見(jiàn)圖5)。

圖5中，左側(cè)是底部地層，模量偏大;右邊是上覆地層，模量偏小。在沉積承壓過(guò)程中，地層受到壓縮，模量偏大的地層壓縮變形小，模量偏小的地層壓縮變形大。假定兩者的連接面是焊接面，不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，我們把這樣的面稱(chēng)為介質(zhì)間斷面。間斷面沿面的變形應(yīng)該比底部地層沒(méi)有受到上覆地層影響時(shí)大、間斷面尺度趨短，間斷面附近地層受到沿間斷面的壓縮。間斷面沿面的變形應(yīng)該較上覆地層沒(méi)有受到底部地層影響時(shí)小、間斷面尺度趨長(zhǎng)，間斷面附近地層受到沿間斷面的拉伸。人工裂縫從底部地層穿過(guò)間斷面進(jìn)入上覆地層應(yīng)該轉(zhuǎn)向平行間斷面法向方向，平面投影方向垂直于等高線走向，側(cè)面投影存在一個(gè)向上的仰角[2]。京253井東北側(cè)人工裂縫存在明顯的轉(zhuǎn)向，走向趨于與等高線走向垂直，其側(cè)視圖下緣翹起，上緣受到泥巖隔層限制水平延伸，使東北翼裂縫近井高度大，前緣高度小，側(cè)面表現(xiàn)為楔形，在離井70 m時(shí)出現(xiàn)尖滅，介質(zhì)間斷面影響了裂縫方向。

圖5 介質(zhì)間斷面示意圖Fig.5 Cross section view of the fault

5 噴砂射孔的影響

壓裂前，在開(kāi)發(fā)段進(jìn)行了噴砂射孔，射孔方位是北東9 °、18.8 °、50.8 °、318.6 °;射孔長(zhǎng)度分別為40 m、30 m、40 m、60 m。由于射孔長(zhǎng)度足夠大，影響了人工裂縫方位與形態(tài)，影響了壓裂效果[3]。圖6與圖2相比，北東318.6°、北東50.8°方向均有微地震點(diǎn)分布、存在裂縫延伸，這些微地震點(diǎn)分布、裂縫延伸與整體裂縫延伸趨勢(shì)不同，可能反映了噴砂射孔的影響。在北東9°、18.8°方向，近井也有明顯的微地震分布，分布尺度小于射孔長(zhǎng)度，離井后轉(zhuǎn)向北東30°方向。判斷沿北東9°、18.8°方向的裂縫延伸同時(shí)受到射孔及局部應(yīng)力場(chǎng)的影響。沿噴砂射孔出現(xiàn)微地震分布，與地下原有裂縫沒(méi)有直接聯(lián)系，通常不影響壓裂井產(chǎn)能。

圖6 水平噴砂射孔方位、尺度示意圖Fig.6 Schematic diagram of the direction and geometry size of perforation shot by hydraulic sand blasting

6 結(jié)語(yǔ)

京253井微地震監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確的反映了多個(gè)影響因素的影響。近井人工裂縫方向北北東向，反映了鄰近傾滑斷層、噴砂射孔的作用與影響。

遠(yuǎn)井:東北側(cè)人工裂縫方向右旋，反映了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、介質(zhì)間斷面的影響;向北東方向傾覆的斜坡，使人工裂縫進(jìn)入上覆差油層、泥巖層、鄰近水層，使該翼裂縫產(chǎn)能低，含水高;西南側(cè)人工裂縫間斷、離散，反映了斷層帶的影響;壓應(yīng)力增加改變裂縫方向，同時(shí)會(huì)使產(chǎn)能下降。北西、北東向近井微地震分布反映了噴砂射孔的影響，這些影響改變了京253井的人工裂縫方向，減小了人工裂縫規(guī)模，不利于京253井的產(chǎn)能形成。

綜上所述，由監(jiān)測(cè)結(jié)果反映出京253井壓裂效果應(yīng)有偏差。實(shí)際上，京253井壓裂后沒(méi)有產(chǎn)能。由表2可以看出，2012年2月14日壓裂，壓后以產(chǎn)水為主，幾乎沒(méi)有產(chǎn)能。測(cè)試、分析結(jié)果與實(shí)際有很好的一致性。

表2 京253井壓裂效果Table 2 Hydraulic effectiveness of Well J-253

續(xù)表

依據(jù)上述分析、測(cè)試過(guò)程，人工裂縫方向可以受到多種因素影響:最大水平主應(yīng)力方向是一個(gè)最普遍的控制因素;構(gòu)造、介質(zhì)間斷面均可以影響人工裂縫方向;水平側(cè)鉆孔也會(huì)影響裂縫方向、形態(tài)。依據(jù)壓裂井環(huán)境，可以預(yù)測(cè)壓裂裂縫方向，評(píng)估壓裂效果，以減小施工損失。在地質(zhì)層面坡度較大的地區(qū)，人工裂縫可能穿過(guò)不同地質(zhì)時(shí)代的地層，影響壓裂效果;應(yīng)該考慮壓裂裂縫形態(tài)、方向，控制裂縫不進(jìn)入不利地層，以保證壓裂效果。

[1]劉建中，張金珠，張 雪.油田應(yīng)力測(cè)量[M].北京:地震出版社，1993.

[2]劉建中，張傳緒，趙艷波，等.水平井壓裂裂縫監(jiān)測(cè)與分析[J].中國(guó)工程科學(xué)，2008，10(4):60 －64.

[3]劉繼民，劉建中，劉志鵬，等.用微地震法監(jiān)測(cè)壓裂裂縫轉(zhuǎn)向過(guò)程[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)，2005(2):75－77.