微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在暫堵壓裂工藝中的應(yīng)用

劉建升，楊永剛，張紅崗，李曉明，南茜，海金龍

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川　750006）

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)在暫堵壓裂工藝中的應(yīng)用

劉建升，楊永剛，張紅崗，李曉明，南茜，海金龍

（中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川750006）

暫堵壓裂工藝在三疊系油藏的推廣試驗(yàn)已取得實(shí)際成效，但各實(shí)施區(qū)塊尚未針對(duì)性開(kāi)展井下裂縫監(jiān)測(cè)以明確壓裂裂縫是否轉(zhuǎn)向，導(dǎo)致該工藝的實(shí)施缺乏一定的技術(shù)支持和依據(jù)。對(duì)此，2015年在具有代表性的D1油藏實(shí)施井中微地震裂縫監(jiān)測(cè)5口，筆者通過(guò)對(duì)測(cè)試資料的分析，詳細(xì)描述了壓裂過(guò)程中裂縫產(chǎn)狀、形態(tài)、走向等裂縫參數(shù)，明確了通過(guò)暫堵壓裂工藝能夠?qū)崿F(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向、開(kāi)啟地層微裂縫，驗(yàn)證了通過(guò)控制堵劑投加時(shí)機(jī)來(lái)優(yōu)化主向縫延伸規(guī)模的設(shè)想，最后對(duì)升壓幅度、泵注程序等工藝參數(shù)針對(duì)性的提出了優(yōu)化方向。該研究成果使暫堵壓裂工藝在三疊系油藏的設(shè)計(jì)思路得到實(shí)踐證實(shí)，對(duì)同類油藏暫堵壓裂設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施具有較好的指導(dǎo)意義。

暫堵壓裂；微地震監(jiān)測(cè)；工藝參數(shù)；裂縫形態(tài)

隨著D1油藏進(jìn)入中高含水開(kāi)發(fā)階段，老井采出程度加大，常規(guī)壓裂后含水率上升幅度較大。據(jù)室內(nèi)研究實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算表明，暫堵轉(zhuǎn)向壓裂能夠在壓裂過(guò)程中實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向［1-3］，動(dòng)用側(cè)向剩余油。因此，以“堵老縫、造新縫”為改造思路的暫堵轉(zhuǎn)向壓裂得到推廣應(yīng)用，2014-2015年在D1油藏共實(shí)施暫堵轉(zhuǎn)向重復(fù)壓裂46井次，有效率93.4％，平均單井日增油1.59 t，措施后含水率由47.6％下降到39.7％，與同區(qū)域常規(guī)壓裂相比，控水增油效果明顯。但是，在該區(qū)域油藏尚未開(kāi)展過(guò)微地震監(jiān)測(cè)、井下壓力測(cè)試等相關(guān)技術(shù)，對(duì)于施工過(guò)程中人工裂縫是否發(fā)生轉(zhuǎn)向、開(kāi)啟新縫，在采油三廠各區(qū)塊尚未得到實(shí)踐驗(yàn)證，導(dǎo)致地面升壓幅度、堵劑投加時(shí)機(jī)等工藝參數(shù)的確定缺乏技術(shù)支持。

1　暫堵壓裂原理

國(guó)內(nèi)外研究表明，隨著油藏注水開(kāi)發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)，油井附近的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致最大、最小主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這為重復(fù)壓裂過(guò)程中裂縫發(fā)生轉(zhuǎn)向提供了可能性。

圖1　暫堵壓裂開(kāi)啟天然微裂縫示意圖

圖2　暫堵轉(zhuǎn)向壓裂原理示意圖

暫堵壓裂通過(guò)在壓裂過(guò)程中實(shí)時(shí)加入暫堵劑，在舊縫張開(kāi)后，暫堵劑與支撐劑混合后進(jìn)入原有裂縫，依據(jù)橋堵原理，混合物會(huì)在高滲透帶聚集并產(chǎn)生濾餅橋堵，阻礙和限制裂縫的繼續(xù)延伸和發(fā)展，使后續(xù)壓裂液不能進(jìn)入裂縫和高滲透帶，導(dǎo)致井底壓力升高，當(dāng)裂縫內(nèi)凈壓力達(dá)到微裂縫開(kāi)啟壓力或新縫破裂壓力時(shí)，微裂縫或新縫就會(huì)開(kāi)啟［4-6］，隨后續(xù)攜砂液的繼續(xù)加入，微裂縫或新縫會(huì)延伸和擴(kuò)展成為新的支裂縫（見(jiàn)圖1、圖2）。

2　工藝設(shè)計(jì)思路

針對(duì)不同井網(wǎng)井型、不同生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、不同治理類型的油井，目前D1油藏暫堵壓裂工藝設(shè)計(jì)思路主要有以下三種：（1）針對(duì)位于裂縫主向、壓裂后極易造成含水升高的井，設(shè)計(jì)為兩級(jí)暫堵，一級(jí)縫口暫堵在泵注程序的30％轉(zhuǎn)向；二級(jí)縫內(nèi)暫堵在泵注程序的60％。（2）針對(duì)側(cè)向中高含水井，不宜過(guò)早轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)為一級(jí)縫內(nèi)暫堵，泵注程序的50％轉(zhuǎn)向。（3）針對(duì)低產(chǎn)低效井，根據(jù)低產(chǎn)原因設(shè)計(jì)兩套改造思路：①地層堵塞造成的低產(chǎn)，設(shè)計(jì)一級(jí)縫內(nèi)暫堵、加砂中后期實(shí)施轉(zhuǎn)向（泵注程序的50％～70％），以保證在主裂縫延伸的同時(shí)擴(kuò)大側(cè)翼支縫的開(kāi)啟；②對(duì)于物性差的長(zhǎng)期低產(chǎn)低效井，采用多級(jí)暫堵，建立有效壓裂控制條帶，增加裂縫帶寬，充分增大儲(chǔ)層泄油面積。

3　微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1技術(shù)原理

井中微地震方法在臨井中對(duì)應(yīng)位置下入檢波器，地面布設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，以監(jiān)測(cè)壓裂井在壓裂過(guò)程中誘發(fā)的微地震波，通過(guò)對(duì)微震數(shù)據(jù)的處理和解釋，描述壓裂過(guò)程中裂縫生長(zhǎng)的幾何形態(tài)和空間展布，以及水力裂縫帶中流體通道的圖像和水力裂縫隨時(shí)間發(fā)育過(guò)程的圖像（見(jiàn)圖3）。該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是井下采集信噪比高，可信度高。

圖3　微地震監(jiān)測(cè)原理示意圖

施工接收設(shè)備采用推靠方式，可以避免管波干擾，有效的接收到聲發(fā)生事件傳來(lái)的地震波信號(hào)，井中微地震信號(hào)采集儀器使用10級(jí)三分量檢波器，每級(jí)之間用軟連接方式進(jìn)行串聯(lián)，級(jí)間距為10.0 m，檢波器串由可撈式橋塞位置處開(kāi)始向上布設(shè)，接收段深度與壓裂目的層相匹配。

3.2監(jiān)測(cè)井概況

本次測(cè)試選取D1油藏中部區(qū)域五口代表性油井，地應(yīng)力狀況、井組生產(chǎn)時(shí)間、對(duì)應(yīng)注水井情況等基本一致，設(shè)計(jì)不同工藝參數(shù)及措施類型，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)向縫的產(chǎn)狀及出現(xiàn)的時(shí)間，驗(yàn)證暫堵轉(zhuǎn)向的實(shí)施思路，進(jìn)一步指導(dǎo)單井工藝設(shè)計(jì)（見(jiàn)表1）。

3.3解釋成果

A4、A5井投加堵劑一段時(shí)間（約4 min）后，在主裂縫側(cè)向地震點(diǎn)明顯增多，并沿一定方向集中聚集，認(rèn)為壓裂裂縫出現(xiàn)轉(zhuǎn)向，且轉(zhuǎn)向縫走向與初次壓裂裂縫成一定角度夾角。兩口井轉(zhuǎn)向縫均有不同程度延伸，平均縫長(zhǎng)91 m，投加堵劑后地面升壓幅均大于4.8 MPa（見(jiàn)圖4）。

A3井為多級(jí)暫堵壓裂井，在投加堵劑3 min后，主裂縫側(cè)向地震點(diǎn)明顯增多，但整體寬度受限，且地震點(diǎn)不具有方向性。認(rèn)為該井未出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)向縫，但多次投加堵劑后，裂縫寬帶增加，有微裂縫開(kāi)啟的特征（見(jiàn)圖5）。

圖4　A4井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果XOY平面圖（裂縫轉(zhuǎn)向）

圖5　A3井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果平面圖（微裂縫開(kāi)啟）

A1、A2井為常規(guī)暫堵壓裂井，投加堵劑后，整個(gè)施工過(guò)程中井既未監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)向縫，也無(wú)微裂縫開(kāi)啟特征，且升壓幅度較低（見(jiàn)表2）。

表1　D1油藏5口微地震監(jiān)測(cè)井基本信息及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)表

表2　D1油藏5口井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總表

3.4工藝參數(shù)認(rèn)識(shí)

3.4.1升壓幅度根據(jù)Nolte和Smith研究成果，裂縫凈壓力滿足公式（1）所代表?xiàng)l件時(shí)，微裂縫才會(huì)開(kāi)啟，結(jié)合巖石力學(xué)測(cè)試結(jié)果，利用式（1）計(jì)算得到油藏微裂縫開(kāi)啟最小壓力為1.9 MPa。

式中：Pnet-水力壓裂裂縫凈壓力；σh1-儲(chǔ)層最大水平主應(yīng)力；σh2-儲(chǔ)層最小水平主應(yīng)力；υ-巖石泊松比。

從5口井壓裂施工曲線及微地震解釋成果來(lái)看，投加堵劑后，地面壓力升高幅度大于4.8 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)微裂縫開(kāi)啟、轉(zhuǎn)向縫產(chǎn)生，高于理論公式計(jì)算結(jié)果。因此，升壓幅度越大，壓裂裂縫越容易發(fā)生轉(zhuǎn)向，這與該油藏現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果相吻合。結(jié)合礦場(chǎng)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，建議D1油藏地面升壓幅度需大于4.0 MPa（見(jiàn)圖6，圖7）。3.4.2轉(zhuǎn)向時(shí)機(jī)對(duì)比分析A4、A5兩口井主向縫縫長(zhǎng)及微裂縫或轉(zhuǎn)向縫出現(xiàn)的時(shí)機(jī)，可以看到，在排量、入地液量以及儲(chǔ)層物性基本相同的情況下，堵劑投加越早，主向縫縫長(zhǎng)越短、轉(zhuǎn)向縫出現(xiàn)越早。因此，對(duì)于高含水、高采出程度的主應(yīng)力方向的油井，提前加入堵劑促使裂縫轉(zhuǎn)向、控制主向裂縫規(guī)模的工藝思路同樣得到了驗(yàn)證。

3.5裂縫形態(tài)認(rèn)識(shí)

對(duì)比分析A4、A5兩口裂縫轉(zhuǎn)向井，轉(zhuǎn)向縫均出現(xiàn)在炮眼附近，且并不是沿初次裂縫對(duì)稱分布，轉(zhuǎn)向縫走向與初次壓裂裂縫成一定角度（60°左右），隨著轉(zhuǎn)向縫的延伸，夾角逐漸變小但轉(zhuǎn)向縫并未回到初次壓裂裂縫方位。同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)向縫出現(xiàn)區(qū)域檢測(cè)到地震點(diǎn)較少，可能是由于進(jìn)入微裂縫、轉(zhuǎn)向縫的壓裂液較少，破裂點(diǎn)響應(yīng)較少。在壓裂施工結(jié)束后，此類裂縫會(huì)因缺少支撐劑極易發(fā)生閉合，導(dǎo)致裂縫導(dǎo)流能力下降（見(jiàn)表3）。

因此，建議投加暫堵劑后泵注小粒徑支撐劑，增加進(jìn)入轉(zhuǎn)向縫幾率，同時(shí)在安全可控的前提下，提高升壓幅度，擴(kuò)大轉(zhuǎn)向縫縫長(zhǎng)、縫寬。

圖6　A2井壓裂施工曲線圖

圖7　D1油藏暫堵壓裂升壓幅度與日增油關(guān)系散點(diǎn)圖

表3　主裂縫與轉(zhuǎn)向縫、微裂縫出現(xiàn)微地震事件對(duì)比表

4　應(yīng)用實(shí)例

A5井位于D1油藏中部，處于井網(wǎng)主向井，自2014 年4月起，日產(chǎn)液由2.40 m3下降到1.61 m3，含水率由5.3％上升到26.9％上升到55.9％，液量2.17 m3，認(rèn)為該井地層裂縫閉合導(dǎo)致滲流能力下降，含水率上升；按照主向堵塞井治理思路，設(shè)計(jì)二級(jí)暫堵轉(zhuǎn)向，兩次投加堵劑，充分動(dòng)用側(cè)向剩余油的思路，同時(shí)避免主向縫過(guò)度延伸導(dǎo)致措施后含水率上升。

施工參數(shù)如下：暫堵劑用量150 kg+150 kg，40/ 70目石英砂15.0 m3，20/40目石英砂25.0 m3，排量3.0 m3/min～6.0 m3/min，砂比23.9％，前置液45.0 m3，攜砂液156 m3，入地總液量441.0 m3，利用三維壓裂軟件FPT模擬結(jié)果為：裂縫半長(zhǎng)228.3 m，縫高19.4 m，壓裂過(guò)程中微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果及壓裂施工曲線（見(jiàn)圖8）。

圖8　A5井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果三維立體圖（左），A5井微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果剖面圖（右）

圖9　

表4　A5井暫堵壓裂措施效果表

根據(jù)壓裂施工曲線可以看出，在加砂3 m3后，單獨(dú)投加暫堵劑，同時(shí)由于排量提升，地面壓力大幅上升（由17 MPa上升到30 MPa）；砂比為20％時(shí)，二次投加堵劑150 kg，1.4 min后，堵劑達(dá)到射孔段，地面壓力先小幅下降，后成臺(tái)階式上升，由23 MPa上升到31.8 MPa，后出現(xiàn)二次破壓，破裂壓力約為31.8 MPa。同步對(duì)比微地震監(jiān)測(cè)結(jié)果，一次暫堵后，主向縫延伸受到抑制，裂縫寬帶不斷增加；二次暫堵后，轉(zhuǎn)向縫地震點(diǎn)開(kāi)始出現(xiàn)，并持續(xù)增多，說(shuō)明轉(zhuǎn)向縫開(kāi)始延伸擴(kuò)張，走向?yàn)榕c初次裂縫成51°夾角，縫長(zhǎng)約為104 m，但并未出現(xiàn)與初次壓裂裂縫平行的趨勢(shì)，說(shuō)明該區(qū)域兩向地應(yīng)力差相對(duì)較小（見(jiàn)圖9）。

該井措施后單井日增油1.70 t，含水率由72.0％下降到54.1％，有效天數(shù)228 d，累增油達(dá)405.19 t，控水增油效果良好（見(jiàn)表4）。

5　結(jié)論

（1）通過(guò)微地震裂縫監(jiān)測(cè)證明，在一定升壓幅度下，通過(guò)暫堵壓裂實(shí)現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)向、動(dòng)用側(cè)向剩余油的思路是可行的，開(kāi)辟了D1油藏中高含水開(kāi)發(fā)階段油井控水增油的新途徑。

（2）裂縫監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果顯示，通過(guò)控制堵劑投加時(shí)機(jī)可以控制主向縫及轉(zhuǎn)向縫規(guī)模。對(duì)于高含水、高采出程度的主應(yīng)力方向的油井，提前加入堵劑促使裂縫轉(zhuǎn)向、控制主向裂縫規(guī)模的工藝思路同樣得到了驗(yàn)證。

（3）轉(zhuǎn)向縫、微裂縫會(huì)因缺少支撐劑而過(guò)早閉合，建議在保證施工安全的前提下，提高升壓幅度，擴(kuò)大轉(zhuǎn)向縫的縫長(zhǎng)、縫寬。同時(shí)投加暫堵劑后泵注小粒徑支撐劑，增加進(jìn)入轉(zhuǎn)向縫幾率。

（4）對(duì)于地面升壓幅度的準(zhǔn)確界定，還需結(jié)合井下壓力計(jì)監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取井底壓力、溫度資料，通過(guò)分析井底與地面曲線變化特征，進(jìn)一步計(jì)算不同砂濃度下的合理升壓幅度。

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Application of micro-seismic fracturing monitoring technology in temporary plugging and reoriented fracturing

LIU Jiansheng，YANG Yonggang，ZHANG Honggang，LI Xiaoming，NAN Qian，HAI Jinlong
（Oil Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yinchuan Ningxia 750006，China）

Temporary plugging and fracturing technology has achieved practical results in the Triassic reservoirs，but has not yet targeted implementation underground fracture monitoring to verify fracture shift，resulting in the lack of technical support and basis for the implementation of the process.In this regard，micro-seismic fracture monitoring was carried out 5 well-times in D1 reservoir in 2015.Through the analysis of testing data，the author describes the fracture parameters detailedly，such as occurrence，shape，direction and etc，which cleared temporary plugging fracturing can realize the fracture orientation and open the formation micro cracks.Finally，the author put forward optimization direction of the pressor amplitude and pumping program.The results of this research make the design of temporary plugging fracturing technology have been proved by practice in the Triassic reservoirs，which has good directive significance to the field implementation of similar reservoirs.

temporary plugging fracturing；micro-seismic fracturing monitoring technology；technological parameter；fracture parameters

TE357.13

A

1673-5285（2016）08-0068-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2016.08.016

2016-07-31

劉建升，男（1986-），工程師，主要從事油水井增產(chǎn)增注技術(shù)研究工作，郵箱：ljs62_cq@petrochina.com.cn。