微地震監測技術在低滲透油田裂縫研究中的應用——以大慶西部外圍低滲透油田為例

趙玉武，曲瑛新，2，熊文平

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

1 前言

隨著對低滲透油田的開發和注水的深入，人們發現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部署，直接決定著油田開發的好壞，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，對微地震監測技術在低滲透裂縫性油田的應用進行研究，通過對裂縫成像和驅動前緣波及狀況進行科學的分析，優化和調整注水方案，進一步提高油田整體開發效果。

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構造復雜，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、古構造發育史分析法以及動態分析法。

2.1 巖心觀察法

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

2.2 古構造發育史分析法

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

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

表1 大慶外圍低滲透油田巖心構造裂縫發育頻率統計表Table 1 Statistics of rock core construction developed fracture for DaQing Peripheral low permeability oilfields

圖1 新站油田應力分解與構造模式發育圖Fig.1 Stress decomposition and structural pattern development map ofXinzhan oil field

斷裂系統控制下的裂縫，其性質是張性構造裂縫或扭張性構造裂縫。由于橫擋斷層發育，油田裂縫更為復雜。

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

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

2.3 動態分析法

新站油田注水開發后，表現出油井裂縫性見水井多，見水方向復雜，且見水后含水上升快，產量遞減快的特征。其中，大401區塊146口油井中已有56口井裂縫性見水，平均見水時間28個月，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為主，分別占38%和40%，東北和西北方向分別占14%和8%。注水開發2年后，含水上升率為2.90%，自然遞減率為35.3%，儲層裂縫的存在嚴重影響了區塊整體開發效果。

敖南油田注水開發后，從動態上也表現出儲層裂縫發育的特征。注水開發2年后，共有裂縫性見水井33口，最早投注15 d即水淹，表現出見水早、見水后含水上升快的裂縫性見水特征。見水方向較為明顯，主要以東西向為主。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識，但由于受取心密度的限制，對油田裂縫分布規律的認識極為有限，不能從根本上解決裂縫對油田開發造成的不利影響。微地震監測方法是近年來國內外廣泛使用的方法，該方法具有及時、直觀，并且理論基礎嚴謹，現場操作簡單的優勢。

2.4 波速場分析方法

根據波速場分布與地下滲流場分布的關系，在一個較小的區域里，波速主要受傳輸介質的圍壓和傳輸介質本身的影響。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 無源微地震監測技術在大慶外圍低滲透油田的應用

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

為緩解由于儲層裂縫發育導致層間、平面矛盾，經常使用無源微地震監測技術，搞清油田裂縫分布規律，合理利用裂縫，改善油田開發效果。

3.1 無源微地震監測裂縫的基本原理

不用人工激發，直接監測地下固有地震的監測方法稱為無緣地震監測，由于大地震較少，以監測微地震為主。油藏自身的一些活動可以產生微地震，如孔隙和裂隙內流體的流動、注水過程中由壓力誘發的砂巖裂隙張開等，均可產生微地震。無源地震監測技術以注水井注水過程中引起的激蕩震動為震源，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育狀況，從而指導油田開發[3]。

根據摩爾－庫倫準則，孔隙壓裂升高，必會產生微地震，記錄這些微地震，并進行震源定位就可以描述地下滲流場。實際監測采用六分站，臺站布置示意圖如圖2所示。“+”為監測臺站位置。

圖2 監測臺站布置示意圖Fig.2 The layout diagram of monitoring station

摩爾－庫倫準則:

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

斷力學理論認為，當應力強度因子大于斷裂韌性時，裂縫發生擴張，即:

式中，左側是應力強度因子;右側是斷裂韌性;p0是井底注水壓力;Sn是裂縫面上的法向應力;Y是裂縫形狀因子;l是裂縫長度;x是自裂縫端點沿裂縫面走向的坐標。上式成立時，裂縫發生張性擴展。

3.2 應用無源微地震監測裂縫分布規律

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

圖3 顯裂縫發育井注水前緣監測結果擬合圖Fig.3 Microseismic monitoring result of water-flooding for well-developed fracture well

圖4 隱裂縫發育井注水前緣監測結果擬合圖Fig.4 Microseismic monitoring result of water-flooding for general-developed fracture well

圖5 裂縫不發育井注水前緣監測結果擬合圖Fig.5 Microseismic monitoring result of water-flooding for poor-developed fracture well

從新站和敖南油田裂縫監測結果來看，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，以近似東西向為主(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，占總數的36.09%，東西向42條，占總數的 18.26%，南北向 32條，占總數的13.91%，西北向73條，占總數的31.74%。敖南油田監測69口井，共測出278條裂縫，其中東北向39條，占總數的14.03%，東西向194條，占總數的69.78%，南北向1條，占總數的0.36%，西北向44條，占總數的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

從裂縫發育類型來看，新站和敖南油田隱裂縫均較為發育，在注水開發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預防裂縫開啟，因此有必要確定隱裂縫開啟時的注水參數，以指導油田合理注水(見表3)。

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

3.3 應用微地震監測結果實施定壓注水

油田實際生產過程中，合理的注水參數應保證儲層裂縫不開啟的條件下，油井最短時間受效，同時盡可能延長油井的低含水采油期。通過油田不同時段無源微地震監測結果，應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注水井的井口壓力計算出測試時的油層泊松比，再根據重復地應力測試井計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系為

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

計算出目前的泊松比后，根據式(1)即可得出目前注水井井口壓力上限。

根據上述方法，計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)。

根據上述泊松比法確定單井注水壓力上限后，結合注水井指示曲線，可以得出上限注水壓力所對應的注水量。應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度。

表4 敖南油田泊松比法計算注水壓力上限數據表Table 4 Low limit of water-flooding pressure by Poisson’s ratio method in Aonan Oilfield

3.4 應用效果

通過以上方法對油田實施定壓注水，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，取得較好的開發效果。

4 結語

1)無源微地震監測技術可以直觀地提供注水井的優勢注水方向、水驅前緣結果，對低滲透裂縫性油田裂縫分布規律的研究有一定的借鑒作用。

2)通過無源微地震監測技術，在搞清儲層裂縫分布規律的基礎上，結合動靜態資料確定合理的注水參數，可以有效控制儲層裂縫的不利影響，提高油田開發效果。

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

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

[3]胥中義，徐大書，羅建強，等.用水驅前緣監測技術評價特低滲透油藏注水開發動態特征[J].石油與天然氣學報，2006，28(6):153－155.

[4]周振華，范長海.新站油田注水壓力上限確定方法的探討[J].大慶石油地質與開發，2005(6):56－57.