劉子雄 陳 玲

（ 中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)研究院 ）

0 引言

致密氣層的砂體展布規(guī)模對壓裂工藝設(shè)計和井網(wǎng)部署起著重要作用。目前主要通過沉積相研究進行砂體展布描述，但受不同時期資料限制，沉積相研究成果存在許多矛盾[1]?？碧介_發(fā)初期井距較大，因此所勾畫出的砂體寬度不準(zhǔn)確[2]。在鄂爾多斯盆地東部某氣田，應(yīng)用沉積相研究的砂體展布成果，部署了3 口水平井，砂體鉆遇率均在20%以下，且部分直井壓裂時加砂困難，直接影響該氣田下一步開發(fā)；由于對砂體展布規(guī)模的認識不準(zhǔn)確，導(dǎo)致探井壓裂6 口井中有4 口井發(fā)生砂堵，缺少針對性的降低砂堵風(fēng)險的方法。四維影像監(jiān)測可以獲取裂縫動態(tài)延伸的過程[3]和破裂機制[4]，在壓裂井裂縫監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用；同時由于四維影像監(jiān)測施工便利、觀測充分，其已成為研究的熱點[5]。目前在應(yīng)用四維影像裂縫監(jiān)測成果方面，公開的文獻主要集中在對裂縫參數(shù)的識別及壓裂效果的評價[5-9]，很少進行砂體展布規(guī)模的認識和評價研究。由于砂巖脆性指數(shù)比泥巖大，因此壓裂裂縫在泥巖中擴展困難，裂縫主要限制在砂巖區(qū)延伸[10]，砂巖脆性越強，監(jiān)測到的地震事件就越多[11]，因此地震事件主要集中在砂巖區(qū)域。本文通過對壓裂過程中砂巖和泥巖的破裂機理研究和破裂過程分析，對四維影像監(jiān)測的不同時刻破裂能量進行過濾，分析壓裂裂縫破裂和延伸過程，判斷砂體規(guī)模，直接指導(dǎo)砂體展布認識，取得了較好的效果，提高了砂體認識的準(zhǔn)確性，能夠預(yù)測砂堵風(fēng)險。

1 儲層地質(zhì)特征

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部伊陜斜坡東段、晉西撓褶帶西緣（圖1），發(fā)育致密砂巖氣，儲層平均孔隙度為7.72%，平均滲透率為1.7mD。研究區(qū)自下而上整體發(fā)育一套由海相—海陸過渡相—陸相沉積體系[12]，主要層位石盒子組為陸相沉積體系，曲流河沉積體系發(fā)育程度較高[13]，儲層主要由陸源碎屑巖組成，碎屑成分主要為石英、長石和巖屑[14-15]；巖性以長石巖屑砂巖、巖屑長石砂巖、巖屑砂巖為主，含少量砂礫巖、巖屑石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含砂質(zhì)泥巖。結(jié)合鉆遇情況和野外露頭觀測資料，研究區(qū)石盒子組單砂體寬度為50～100m。

2 四維影像裂縫監(jiān)測原理

四維影像裂縫監(jiān)測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新技術(shù)，主要用于裂縫參數(shù)的獲取及裂縫擴展、壓裂效果的評價等。該技術(shù)主要采用基于光束疊加的被動地震發(fā)射層析成像技術(shù)（PSET），并采用無源地震的微地震三分量檢波器采集數(shù)據(jù)，進行縱波和橫波的振幅屬性分析，采用相關(guān)體數(shù)據(jù)計算處理方法，得出壓裂期間不同時刻地層巖石破裂和高壓流體活動釋放的能量分布情況[4-5，16]。壓裂時壓裂液以高于破裂壓力注入地層中，巖石產(chǎn)生剪切和彈性破裂，在裂縫周圍應(yīng)力比較薄弱的地方會產(chǎn)生微地震事件[17]。通過三分量檢波器可以監(jiān)測出破裂過程中產(chǎn)生的橫波和縱波，得出其不同時刻的破裂位置，對各個時刻破裂能量進行疊加，就能獲取整個壓裂過程中的破裂情況[17]。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

儲層破裂過程及延伸機理研究認為，儲層巖性對壓裂裂縫延伸具有主要控制作用，由于砂巖脆性較強，泥巖脆性較弱，因此壓裂的裂縫被限制在砂巖區(qū)域內(nèi)[10]。即每次監(jiān)測到的破裂均發(fā)生在砂巖內(nèi)，同時石英含量越高，巖石脆性越強，地震事件越多[11]。因此可以根據(jù)壓裂過程中監(jiān)測到的不同時刻破裂能量分布，識別出不同時刻的壓裂裂縫形態(tài)及破裂過程，進而間接獲取壓裂井周圍的砂體展布規(guī)模，輔助沉積相研究。

四維影像裂縫監(jiān)測過程中，在某一時刻通過射線追蹤監(jiān)測區(qū)域內(nèi)某一個點的振動方位和振幅，并疊加所有采集站點的信號，經(jīng)過歸一化后得出空間中該點的破裂能量S[9，11]。由于向量疊加后監(jiān)測到的有效信號被加強，環(huán)境噪聲相對減弱，因此可以準(zhǔn)確得出監(jiān)測區(qū)內(nèi)每個點在不同時刻的破裂能量S。

通過對不同時刻的破裂能量S 切片，并過濾掉井筒以外的破裂能量，可以準(zhǔn)確識別壓裂裂縫的延伸過程（圖2）。如A208 井壓裂初期，裂縫在長度方向上已經(jīng)形成了一定的規(guī)模；但在壓裂過程中隨著壓裂液的注入，新增了兩組平行的壓裂裂縫，裂縫長度與初期基本一致。表明受該井點南北方向砂體規(guī)模的影響，裂縫在長度方向上延伸困難。四維影像裂縫監(jiān)測過程中，在井筒處出現(xiàn)多次較高的破裂能量，表明此時裂縫長度延伸困難，直到出現(xiàn)了新的破裂位置，破裂能量才降低，同時在壓裂施工壓力曲線上也表現(xiàn)出產(chǎn)生新破裂的特征。對不同時刻四維影像裂縫監(jiān)測的破裂能量疊加后，可以看出裂縫形態(tài)為多條平行方向破裂。綜合判斷A208 井南北方向砂體寬度為210m。

圖2 A208 井監(jiān)測的不同時刻裂縫形態(tài)圖Fig.2 Fracture shapes monitored in Well A208 at different moments

3 砂體展布研究

在進行砂體展布研究時，首先應(yīng)用地震剖面確定石盒子組頂面和底面，然后在層系內(nèi)部依據(jù)不同級次旋回特征對石盒子組進行不同巖性段和小層的劃分，最后在小層內(nèi)部依據(jù)砂體的規(guī)模、發(fā)育部位等進行單砂體的劃分與對比，研究井間砂體連通性，建立石盒子組的高分辨率層序地層格架模型[18-19]。根據(jù)巖心相、單井相、連井相、地球物理響應(yīng)特征并結(jié)合野外露頭、現(xiàn)代沉積及沉積模式，對研究區(qū)的平面沉積微相進行劃分[20]。研究區(qū)石盒子組主要發(fā)育河流相沉積體系，砂體整體呈條帶狀分布[19]，剖面上砂體透鏡體形態(tài)十分明顯。目前主要通過三維地震屬性進行砂體展布的預(yù)測，但精度不高，而壓裂施工時的裂縫監(jiān)測能在一定范圍內(nèi)精確地反映出砂體邊界及形態(tài)。

不同形態(tài)的砂體在壓裂時裂縫延伸表現(xiàn)出與形態(tài)對應(yīng)的特征：在砂體邊部時，裂縫僅僅沿一個方向破裂；在砂體中部時，裂縫會在砂體兩邊擴展，根據(jù)兩端裂縫的長度，可以判斷井在砂體中的位置；當(dāng)砂體規(guī)模偏小時，首先會形成一條長度較小的裂縫，后期會產(chǎn)生多條平行方向上的裂縫，或者形成分支縫，或者砂堵。因此根據(jù)監(jiān)測的裂縫形態(tài)及破裂過程，可以判斷出砂體的大概規(guī)模和形態(tài)，輔助地質(zhì)上的砂體認識，修正單井控制范圍內(nèi)的沉積相認識；結(jié)合壓裂過程中不同時刻的裂縫延伸方向和過井的破裂能量大小，可以確定砂體的展布方向和規(guī)模。

本文以研究區(qū)A101 井盒8 段為例，說明四維影像裂縫監(jiān)測技術(shù)輔助砂體展布規(guī)模研究的方法。A101 井盒8 段在壓裂初期裂縫沿著水平主應(yīng)力方向擴展，且主要的破裂位置位于井點的西北方向（西北方向裂縫長度為90m，東南方向裂縫長度為30m），表明砂體主要位于井點的西北方向（圖3）。壓裂進行半小時以后破裂能量增強，表明裂縫延伸受阻[3，21]，此時地面施工壓力也有微弱的增加，裂縫破裂方向變?yōu)闁|北方向，且后期主要的破裂集中在東北方向，該方向的裂縫長度為240m。綜合分析認為A101 井盒8段砂體的長度方向為東北方向，西北方向的寬度僅為120m 左右（圖4），與野外露頭觀測的河道寬度相似。

對研究區(qū)30 余層的壓裂施工曲線及壓后裂縫形態(tài)資料進行分析，認為砂體展布在很大程度上影響壓裂裂縫的高度及長度。由此可初步推斷，裂縫形態(tài)與儲層砂體展布及所處沉積環(huán)境相關(guān)，裂縫更易在砂體范圍較大的相帶（心灘、河道中部等）進行長度與高度的擴展。結(jié)合對多組裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)的認識，在壓裂作業(yè)井控制范圍內(nèi)精細刻畫出多套小層的砂體展布形態(tài)、規(guī)模及大小，直觀地從砂體形態(tài)上識別邊灘，遠沙壩等，確認出河道走向、彎曲度及廢棄河道砂體。再結(jié)合單井垂向上的巖性組合、沉積層序、巖心沉積構(gòu)造、各小層河道在不同時期的連續(xù)性及側(cè)移等特征和物源方向，最終確定河道的走向及分布。

圖3 A101 井監(jiān)測的不同時刻裂縫形態(tài)圖Fig.3 Fracture shapes monitored in Well A101 at different moments

圖4 A101 井盒8 段砂體展布圖Fig.4 Sandstone distribution in He 8 Member in Well A101

首先根據(jù)地震屬性預(yù)測砂體的大致位置及形態(tài)（圖5），初步確定砂體展布規(guī)模；然后根據(jù)壓裂過程中四維影像裂縫監(jiān)測成果識別出的砂體展布規(guī)模修正沉積相平面圖。如A36 井四維影像裂縫監(jiān)測顯示破裂能量高，且壓裂施工過程中壓力較高，表明裂縫難以延伸，砂體規(guī)模較小，可根據(jù)監(jiān)測到的裂縫長度約束砂體規(guī)模（圖6）。A19 井地震屬性預(yù)測為單一小規(guī)模砂體，但監(jiān)測顯示破裂能量低，裂縫延伸容易，且裂縫長度遠大于周邊鄰井，推測該井位于河道上（圖6）。A301 井破裂能量波動較大，初期破裂能量高，裂縫延伸困難，表現(xiàn)出砂堵的趨勢，表明砂體非均質(zhì)性強；后期破裂能量降低，裂縫延伸較快，表明溝通了有利砂體，將其由位于河道上改為河道外（圖6）。采用裂縫監(jiān)測結(jié)果修正后的砂體展布情況與鉆遇情況和實際壓裂施工的效果符合率得到顯著提高。

圖5 研究區(qū)石盒子組沉積微相概念模型Fig.5 Conceptual model of sedimentary microfacies of Shihezi Formation in the study area

4 應(yīng)用效果

對30 余口四維影像裂縫監(jiān)測井的壓裂裂縫延伸過程進行分析，修正了20 多個沉積相砂體認識，更加清晰地刻畫了河道及心灘的規(guī)模；據(jù)此優(yōu)化壓裂施工規(guī)模，在后期壓裂施工過程中，基本上未出現(xiàn)砂堵，提高了壓裂改造的效果。

在A26 井和A206 井壓裂設(shè)計時，根據(jù)修正的砂體展布情況，及時調(diào)整加砂量，盡管在加砂過程中出現(xiàn)了施工壓力突然升高情況，但并未出現(xiàn)砂堵。

A26 井石盒子組在壓裂時預(yù)測可能出現(xiàn)砂堵，加砂量由初期設(shè)計的40m3降低到20m3。在四維影像裂縫監(jiān)測約束后的沉積相圖中（圖7），可以看出A26井位于河道邊部，壓裂施工時有砂堵的風(fēng)險。通過裂縫監(jiān)測可以看出，裂縫的破裂位置主要集中在河道中，裂縫延伸方向與水平主應(yīng)力方向一致，主要集中在東南方向，表現(xiàn)出橫切河道，受到河道寬度的影響，在壓裂后期裂縫長度并未增加（圖8），在東南方向的長度為160m，與沉積相認識相符。

圖6 研究區(qū)石盒子組修正前（左）、后（右）沉積相圖Fig.6 Sedimentary facies of Shihezi Formation in the study area before (left) and after (right) correction

圖7 A26 井（左）及A206 井（右）石盒子組沉積相圖Fig.7 Sedimentary facies of Shihezi Formation in Wells A26 (left) and A206 (right)

圖8 A26 井監(jiān)測的不同時刻裂縫形態(tài)Fig.8 Fracture shapes monitored in Well A26 at different moments

A206 井在四維影像裂縫監(jiān)測成果約束后的沉積相圖中砂體規(guī)模?。▓D7），壓裂時裂縫可能難以擴展，在壓裂設(shè)計時建議降低壓裂規(guī)模，設(shè)計加砂量由45m3降為20m3。從裂縫監(jiān)測結(jié)果中可以看出裂縫的破裂主要集中在井周圍，未在長度上延伸，形成的破裂范圍小，僅為80m（圖9）。在施工后期井底施工壓力快速增加，表明可能已經(jīng)出現(xiàn)砂堵，實際完成加砂量18m3。通過對砂體的準(zhǔn)確認識，降低了設(shè)計加砂量，減小了施工風(fēng)險。該井在壓裂前射孔測試產(chǎn)氣2050m3/d，壓裂后產(chǎn)氣970m3/d，這主要是由于砂體規(guī)模太小，壓后裂縫長度小，且對儲層存在一定的傷害，導(dǎo)致壓裂后難以達到理想產(chǎn)能。

圖9 A206 井監(jiān)測的不同時刻裂縫形態(tài)Fig.9 Fracture shapes monitored in Well A26 at different moments

5 結(jié)論

四維影像裂縫監(jiān)測的破裂能量能夠準(zhǔn)確反映不同時刻的裂縫擴展情況，通過對比不同時刻的裂縫形態(tài)，可以判斷壓裂裂縫的破裂情況及砂體和巖性變化情況。壓裂裂縫的延伸受到砂體規(guī)模的影響較大，當(dāng)砂體規(guī)模偏小時，裂縫長度難以擴展，砂堵風(fēng)險高，需要優(yōu)化加砂量。

采用四維影像裂縫監(jiān)測成果可以有效約束沉積相砂體展布認識，提高砂體認識的準(zhǔn)確率，對后續(xù)的壓裂施工和布井具有指導(dǎo)作用。