趙玉武，曲瑛新，2，熊文平

(1.大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江大慶 163853;2.浙江大學(xué)理學(xué)院地球科學(xué)系，杭州 310027)

1 前言

隨著對低滲透油田的開發(fā)和注水的深入，人們發(fā)現(xiàn)裂縫的作用越來越重要。裂縫不僅決定了注水效果，而且控制了層系劃分和井網(wǎng)部署，直接決定著油田開發(fā)的好壞，因此，低滲透油田裂縫的研究日益受到人們的高度重視。文章以大慶西部外圍低滲透油田為例，對微地震監(jiān)測技術(shù)在低滲透裂縫性油田的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過對裂縫成像和驅(qū)動(dòng)前緣波及狀況進(jìn)行科學(xué)的分析，優(yōu)化和調(diào)整注水方案，進(jìn)一步提高油田整體開發(fā)效果。

2 大慶外圍低滲透油田裂縫研究狀況

大慶外圍油田由于儲層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，滲透率低，裂縫分布和走向顯著影響油水分布，以及地下液體流動(dòng)趨勢，因此，裂縫研究水平有著舉足輕重的作用。以往常見的裂縫研究方法主要有巖心觀察法、古構(gòu)造發(fā)育史分析法以及動(dòng)態(tài)分析法。

2.1 巖心觀察法

來自鉆井的巖心是了解地下裂縫性質(zhì)、形態(tài)、參數(shù)的重要窗口。從巖心觀察方法研究結(jié)果來看，大慶外圍低滲透油田存在不同程度的發(fā)育裂縫[1]。其中，新站油田裂縫發(fā)育頻率0.323條/m，尤其突出(見表1)。

2.2 古構(gòu)造發(fā)育史分析法

儲層構(gòu)造發(fā)育演變過程與裂縫發(fā)育有著密切的關(guān)系，通過研究儲層構(gòu)造發(fā)育演變歷史，可以分析地下應(yīng)力場的變化過程，初步了解裂縫發(fā)育程度及裂縫方位等。

從古構(gòu)造演化和裂縫發(fā)育的關(guān)系來看，新站油田是近SN向左行扭動(dòng)應(yīng)力場背景下形成的多斷塊鼻狀構(gòu)造系統(tǒng)。應(yīng)力大小和方向變化劇烈，多期斷裂活動(dòng)使裂縫系統(tǒng)長期存在并繼承到現(xiàn)在，新生斷裂—裂縫系統(tǒng)疊加到上一期的斷裂—裂縫系統(tǒng)之上，由于地下巖體的非均質(zhì)性及局部應(yīng)力場的影響造成裂縫發(fā)育程度差異大、裂縫在平面上分布復(fù)雜(見圖1)。

表1 大慶外圍低滲透油田巖心構(gòu)造裂縫發(fā)育頻率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of rock core construction developed fracture for DaQing Peripheral low permeability oilfields

圖1 新站油田應(yīng)力分解與構(gòu)造模式發(fā)育圖Fig.1 Stress decomposition and structural pattern development map ofXinzhan oil field

斷裂系統(tǒng)控制下的裂縫，其性質(zhì)是張性構(gòu)造裂縫或扭張性構(gòu)造裂縫。由于橫擋斷層發(fā)育，油田裂縫更為復(fù)雜。

敖南油田古構(gòu)造發(fā)育史研究結(jié)果表明(見表2)，在姚二、三段沉積前，總體上呈南高北低的單斜形態(tài)，地形比較平緩;嫩四段和四方臺子沉積前，南部的構(gòu)造繼承性向中部發(fā)展，中部的沉降中心發(fā)生西移，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為劇烈，易產(chǎn)生儲層裂縫。通過儲層裂縫地震預(yù)測表明，西部斜坡帶和東部隆起帶形成兩個(gè)應(yīng)力集中區(qū)，西部斜坡帶的茂733區(qū)塊應(yīng)變相對較大。為了研究儲層裂縫和地應(yīng)力狀況，進(jìn)行了增強(qiáng)型微電阻掃描成像測井和X－MAC測井，結(jié)果顯示，儲層發(fā)育高角度垂直裂縫，主體天然裂縫走向多為近東西向。

表2 敖南油田X－MAC測井結(jié)果表Table 2 Measurement result ofX-MAC for Aonan Oilfield

2.3 動(dòng)態(tài)分析法

新站油田注水開發(fā)后，表現(xiàn)出油井裂縫性見水井多，見水方向復(fù)雜，且見水后含水上升快，產(chǎn)量遞減快的特征。其中，大401區(qū)塊146口油井中已有56口井裂縫性見水，平均見水時(shí)間28個(gè)月，從見水到水淹最快的僅17 d。油井見水方向以東西和南北向?yàn)橹?，分別占38%和40%，東北和西北方向分別占14%和8%。注水開發(fā)2年后，含水上升率為2.90%，自然遞減率為35.3%，儲層裂縫的存在嚴(yán)重影響了區(qū)塊整體開發(fā)效果。

敖南油田注水開發(fā)后，從動(dòng)態(tài)上也表現(xiàn)出儲層裂縫發(fā)育的特征。注水開發(fā)2年后，共有裂縫性見水井33口，最早投注15 d即水淹，表現(xiàn)出見水早、見水后含水上升快的裂縫性見水特征。見水方向較為明顯，主要以東西向?yàn)橹?。共有東西向見水井30口，占90.9%。受儲層裂縫影響，層間、平面矛盾突出，油田含水上升速度快，注水開發(fā)一年，綜合含水上升至16.0%。

通過以上研究方法，對油田裂縫有一定的認(rèn)識，但由于受取心密度的限制，對油田裂縫分布規(guī)律的認(rèn)識極為有限，不能從根本上解決裂縫對油田開發(fā)造成的不利影響。微地震監(jiān)測方法是近年來國內(nèi)外廣泛使用的方法，該方法具有及時(shí)、直觀，并且理論基礎(chǔ)嚴(yán)謹(jǐn)，現(xiàn)場操作簡單的優(yōu)勢。

2.4 波速場分析方法

根據(jù)波速場分布與地下滲流場分布的關(guān)系，在一個(gè)較小的區(qū)域里，波速主要受傳輸介質(zhì)的圍壓和傳輸介質(zhì)本身的影響。從水井到油井地層壓力是逐漸下降的，而圍壓越高，波速越高，故從水井向外波速是逐漸減小的，因此由波速場分布可以描述滲流場的分布[2]。

3 無源微地震監(jiān)測技術(shù)在大慶外圍低滲透油田的應(yīng)用

上述方法僅在一些特殊的場合應(yīng)用，常用的油田裂縫研究方法是無源微地震監(jiān)測技術(shù)。

為緩解由于儲層裂縫發(fā)育導(dǎo)致層間、平面矛盾，經(jīng)常使用無源微地震監(jiān)測技術(shù)，搞清油田裂縫分布規(guī)律，合理利用裂縫，改善油田開發(fā)效果。

3.1 無源微地震監(jiān)測裂縫的基本原理

不用人工激發(fā)，直接監(jiān)測地下固有地震的監(jiān)測方法稱為無緣地震監(jiān)測，由于大地震較少，以監(jiān)測微地震為主。油藏自身的一些活動(dòng)可以產(chǎn)生微地震，如孔隙和裂隙內(nèi)流體的流動(dòng)、注水過程中由壓力誘發(fā)的砂巖裂隙張開等，均可產(chǎn)生微地震。無源地震監(jiān)測技術(shù)以注水井注水過程中引起的激蕩震動(dòng)為震源，通過確定震源的位置并顯示出位置圖，可以描述地下滲流場狀況及裂縫發(fā)育狀況，從而指導(dǎo)油田開發(fā)[3]。

根據(jù)摩爾－庫倫準(zhǔn)則，孔隙壓裂升高，必會產(chǎn)生微地震，記錄這些微地震，并進(jìn)行震源定位就可以描述地下滲流場。實(shí)際監(jiān)測采用六分站，臺站布置示意圖如圖2所示?！?”為監(jiān)測臺站位置。

圖2 監(jiān)測臺站布置示意圖Fig.2 The layout diagram of monitoring station

摩爾－庫倫準(zhǔn)則:

式中， 是作用在裂縫面上的剪切應(yīng)力;0是巖石固有的無法向應(yīng)力抗剪斷強(qiáng)度;s1和s2分別是最大、最小主應(yīng)力;p0是地層壓力;φ是最大主應(yīng)力與裂縫面法向的夾角，公式表示若左側(cè)不小于右側(cè)則發(fā)生地震。

斷力學(xué)理論認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于斷裂韌性時(shí)，裂縫發(fā)生擴(kuò)張，即:

式中，左側(cè)是應(yīng)力強(qiáng)度因子;右側(cè)是斷裂韌性;p0是井底注水壓力;Sn是裂縫面上的法向應(yīng)力;Y是裂縫形狀因子;l是裂縫長度;x是自裂縫端點(diǎn)沿裂縫面走向的坐標(biāo)。上式成立時(shí)，裂縫發(fā)生張性擴(kuò)展。

3.2 應(yīng)用無源微地震監(jiān)測裂縫分布規(guī)律

通過無源微地震監(jiān)測，可以較為直觀地得出油田裂縫發(fā)育方位的分布狀況，同時(shí)，根據(jù)不同監(jiān)測壓力下水驅(qū)前緣變化規(guī)律，可以將儲層裂縫類型分為三類:第一類是顯裂縫，即水驅(qū)前緣推進(jìn)具有明顯方向性，說明顯裂縫較為發(fā)育，在較低監(jiān)測壓力下裂縫開啟，使水驅(qū)方向朝裂縫發(fā)育方向推進(jìn)(見圖3)。第二類是隱裂縫，隨著監(jiān)測壓力的升高，無方向水驅(qū)前緣呈現(xiàn)出明顯的方向性，說明近井發(fā)育隱裂縫，隨著監(jiān)測壓力的上升，裂縫開啟，使無方向水驅(qū)前緣具有方向性(見圖4);第三類是裂縫不發(fā)育，即隨著監(jiān)測壓力的升高水驅(qū)前緣仍無明顯方向性(見圖5)。

圖3 顯裂縫發(fā)育井注水前緣監(jiān)測結(jié)果擬合圖Fig.3 Microseismic monitoring result of water-flooding for well-developed fracture well

圖4 隱裂縫發(fā)育井注水前緣監(jiān)測結(jié)果擬合圖Fig.4 Microseismic monitoring result of water-flooding for general-developed fracture well

圖5 裂縫不發(fā)育井注水前緣監(jiān)測結(jié)果擬合圖Fig.5 Microseismic monitoring result of water-flooding for poor-developed fracture well

從新站和敖南油田裂縫監(jiān)測結(jié)果來看，新站油田裂縫沒有明顯的主方向，而敖南油田裂縫方向性較為明顯，以近似東西向?yàn)橹?見圖6)。新站油田無源微地震法測試66口井，共測出230條裂縫，其中東北向83條，占總數(shù)的36.09%，東西向42條，占總數(shù)的 18.26%，南北向 32條，占總數(shù)的13.91%，西北向73條，占總數(shù)的31.74%。敖南油田監(jiān)測69口井，共測出278條裂縫，其中東北向39條，占總數(shù)的14.03%，東西向194條，占總數(shù)的69.78%，南北向1條，占總數(shù)的0.36%，西北向44條，占總數(shù)的15.83%。

圖6 新站和敖南油田無源地震裂縫方位玫瑰花圖Fig.6 Direction rosemap of microseismic monitoring for Xinzhan and Aonan Oilfield

從裂縫發(fā)育類型來看，新站和敖南油田隱裂縫均較為發(fā)育，在注水開發(fā)過程中顯裂縫主要以治理為主，而隱裂縫則可以通過合理注水參數(shù)預(yù)防裂縫開啟，因此有必要確定隱裂縫開啟時(shí)的注水參數(shù)，以指導(dǎo)油田合理注水(見表3)。

表3 新站和敖南油田裂縫發(fā)育分類情況表Table 3 Statistics of developed fracture forXinzhan and Aonan Oilfield

3.3 應(yīng)用微地震監(jiān)測結(jié)果實(shí)施定壓注水

油田實(shí)際生產(chǎn)過程中，合理的注水參數(shù)應(yīng)保證儲層裂縫不開啟的條件下，油井最短時(shí)間受效，同時(shí)盡可能延長油井的低含水采油期。通過油田不同時(shí)段無源微地震監(jiān)測結(jié)果，應(yīng)用擬泊松比法確定注水井注水壓力上限。

擬泊松比法油層破裂壓力計(jì)算公式[4]:

式(1)中，Pf為油層破裂壓力，MPa;Ps為上覆巖石壓力(Ps=0.023H射孔頂界深度)，MPa;Pt為水井井底附近油層壓力，MPa;γ為泊松比。

首先利用微地震測試裂縫開啟時(shí)注水井的井口壓力計(jì)算出測試時(shí)的油層泊松比，再根據(jù)重復(fù)地應(yīng)力測試井計(jì)算出敖南油田泊松比變化率與注水井井底附近油層壓力變化率的關(guān)系為

式(2)中，Pt和Pt0分別為對應(yīng)時(shí)間的注水井井底附近油層壓力，MPa;γ和γ0分別為對應(yīng)時(shí)間的泊松比。

計(jì)算出目前的泊松比后，根據(jù)式(1)即可得出目前注水井井口壓力上限。

根據(jù)上述方法，計(jì)算敖南油田允許注入壓力上限為 19.6 MPa，新站油田注入壓力上限為17.5 MPa(見表4)。

根據(jù)上述泊松比法確定單井注水壓力上限后，結(jié)合注水井指示曲線，可以得出上限注水壓力所對應(yīng)的注水量。應(yīng)用同位素資料確定注水井吸水層位及吸水砂巖厚度即可確定該井最大允許注水強(qiáng)度。

表4 敖南油田泊松比法計(jì)算注水壓力上限數(shù)據(jù)表Table 4 Low limit of water-flooding pressure by Poisson’s ratio method in Aonan Oilfield

3.4 應(yīng)用效果

通過以上方法對油田實(shí)施定壓注水，新站油田裂縫見水井由2002年的25口控制到2009年的1口，近兩年未新增裂縫性見水井，含水上升率由5.2%控制到目前的4.6%，老井自然遞減由25.31%控制到15.05%;敖南油田裂縫見水井由2007年的16口控制到2009年的6口，近兩年未新增裂縫性見水井，含水上升率由5.3%控制到目前的1.5%，老井自然遞減由16.58%控制到14.93%。裂縫性見水井逐漸減少，裂縫性見水矛盾得到緩解，油田含水上升速度得到有效控制，取得較好的開發(fā)效果。

4 結(jié)語

1)無源微地震監(jiān)測技術(shù)可以直觀地提供注水井的優(yōu)勢注水方向、水驅(qū)前緣結(jié)果，對低滲透裂縫性油田裂縫分布規(guī)律的研究有一定的借鑒作用。

2)通過無源微地震監(jiān)測技術(shù)，在搞清儲層裂縫分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合動(dòng)靜態(tài)資料確定合理的注水參數(shù)，可以有效控制儲層裂縫的不利影響，提高油田開發(fā)效果。

[1]李道品.低滲透油田高效開發(fā)決策論[M].北京:石油工業(yè)出版社，2003.

[2]李雪莉，黃炳光，王怒濤.無源微地震監(jiān)測水驅(qū)前緣技術(shù)在塔中4油田的應(yīng)用效果評價(jià)[J].特種油氣藏，2008，15(2):73－75.

[3]胥中義，徐大書，羅建強(qiáng)，等.用水驅(qū)前緣監(jiān)測技術(shù)評價(jià)特低滲透油藏注水開發(fā)動(dòng)態(tài)特征[J].石油與天然氣學(xué)報(bào)，2006，28(6):153－155.

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