用微地震技术评价姬塬油田体积压裂的效果

引用本文

王纳申, 张译丹, 黄家旋, 徐铠烔. 用微地震技术评价姬塬油田体积压裂的效果[J]. 物探与化探, 2017,41(1): 165-170.
WANG Na-Shen, ZHANG Yi-Dan, HUANG Jia-Xuan, XU Kai-Tong. The application of micro-seismic monitoring and evaluation technology to evolution of volume fracturing effect in the Jiyuan oilfield[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(1): 165-170. 复制到剪切板

Doi:10.11720/wtyht.2017.1.26
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用微地震技术评价姬塬油田体积压裂的效果

王纳申¹, 张译丹², 黄家旋¹, 徐铠烔¹

1.西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安 710065

2.中国地质大学(北京) 能源学院,北京 100083

作者简介: 王纳申(1992-),男,硕士研究生,毕业于西安石油大学资源勘查工程专业,获学士学位,现就读于西安石油大学地球科学与工程学院矿物学、岩石学、矿床学专业 ,主要从事油藏精细描述和储层评价等研究工作。Email:hongzao9209@163.com

收稿日期: 2016-03-16

基金: 中国石油长庆油田“姬塬油田混合水体积压裂试验研究”课题

摘要

微地震监测技术是对低渗透储层压裂效果评价和指导油藏精细注水开发的重要手段。通过观测、分析由压裂产生的微小地震事件,能够获取压裂裂缝的位置、大小、导流能力、几何形态及局部裂缝分布规律等诸多信息。姬塬油田王盘山长8油藏具有低孔、低渗、低压特征,常规压裂生产一段时间后减产很快;近年来开展了混合水体积压裂并实施了微地震监测。芦58-54井监测混合水体积压裂结果显示:产生的缝长达到315.97 m,缝宽104 m,缝高约58 m,影响体积约244.8万m³,方位北偏东19.5°;压裂使储层裂缝开启,泄油半径增大,单井产油量增加,效果非常明显。为该油藏进一步精细开发打下了坚实基础。

关键词: 微地震监测技术; 混合水体积压裂; 姬塬油田; 压裂缝几何特征

中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)06-0165-06

The application of micro-seismic monitoring and evaluation technology to evolution of volume fracturing effect in the Jiyuan oilfield

WANG Na-Shen¹, ZHANG Yi-Dan², HUANG Jia-Xuan¹, XU Kai-Tong¹

1.School of Earth Science and Engineering,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,China

2.College of Energy Resoures,China University of Geosciences(Beijing),Beijing 100083,China

Abstract

Micro-seismic monitoring technology is an important means to evaluate the fracturing effect of low permeability reservoir and to guide the development of fine water injection in oil reservoir.Through the observation and analysis of micro-seismic events produced by fracturing,the location,size,flow conductivity,geometric shape and local fracture distribution regularity of fractures can be obtained.Wangpanshan Chang 8 reservoir of the Jiyuan oilfield is characterized by low porosity,low permeability and low voltage,and hence production will decrease soon after the conventional fracturing production is conducted for a period.In recent years researchers have carried out mixed water volume fracturing and implemented the micro-seismic monitoring.The monitoring of Lu 58-54 well mixed water volume fracturing results shows that the long slit produced is up to 315.97 m,the seam width is 104 m,the fracture height is about 58 m,the affected volume is about 24.48 million m³,and the direction is NE 19.5°.The fracturing has caused the reservoir layer cracks to open and drainage radius to increase,thus increasing the amount of single well production.The effect is very obvious,and the results obtained by the authors lay a solid foundation for further fine development of the reservoir.

Keyword: micro earthquake real-time monitoring; measurement of mixed water volume fracturing; Jiyuan oilfield; hydraulic fracture geometry

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0 引言

微地震监测是以声发射学和地震学原理为基础, 通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动之影响、效果及地下状态的地球物理技术。与地震勘探不同的是, 微地震监测中震源的位置、发震时刻、震源强度都是未知的, 而这些因素正是生产中想要了解的, 微地震监测恰好能完成这个任务。

微地震监测主要包括数据采集、震源成像和精细反演等几个关键步骤, 其应用有几个方面。利用微地震监测储层压裂产生的效果, 特点是通过井中地震技术和反射地震技术相结合, 增强了常规监测的功能, 降低了储层监测的周期和费用。

微地震监测技术有了50余年的发展历史, 1962年, 有人提出了利用微地震技术监测地质生产过程中的变化, 以提高生产效率, 保证可持续性生产。20世纪80年代微地震技术被用于矿山工程、地热开发等领域, 20世纪90年代末期微地震技术被引入到石油行业^[1]。我国在20世纪初开始引进该项技术^[2], 分别在大庆油田、华北油田、长庆油田等进行了尝试, 经过百余口井的实际观测, 表明结果可靠, 方法可行, 可以作为注水、调剖、井网布署与调整的依据, 为油田解决了许多关键性问题。

2005年, 长庆油田首次在庄19井区用微地震技术监测了压裂效果^[3] 。延长集团也在吴起油田应用微地震技术监测了水驱前缘注水产生的裂缝发育状况、注水波及区域以及优势区域等。2013年7月, 在姬塬油田王盘山长8油藏芦58-54井区开展了混合体积压裂, 压裂同时利用微地震技术监测了该次混合体积压裂产生的裂缝规模和主导方向, 以及评价体积压裂的效果, 为精细油藏开发提供条件。

1 研究区开展体积压裂的背景

姬塬油田王盘山长8油藏位于陕西省定边县王盘山乡与樊学乡境内, 该油藏勘探始于2006年, 2010年采用480 m× 150 m井排距菱形反九点井网进行规模开发(图1)。长8油层组根据砂体连通性和隔层特点, 进一步划分为长8₁、长 $\begin{matrix} 8_{2}^{1} \end{matrix}$ 、长 $\begin{matrix} 8_{2}^{2} \end{matrix}$ 三个小层, 主力开发层位为长 $\begin{matrix} 8_{2}^{1} \end{matrix}$ 层。长8油藏受岩性控制为主, 埋深达2 700~2 800 m, 油层平均厚度 17.6 m, 平均渗透率0.76× 10^-3 μ m², 平均孔隙度11.22%, 平均孔径42 μ m, 原始含油饱和度54.8%, 原始地层压力18.3 MPa, 原始气油比67.5 m³/t, 地层原油饱和压力8.16 MPa。属低孔、低渗、低压油藏。 2013年前, 该油藏油井开井数131口(图1), 日产油178 t, 单井产能1.36 t/d, 综合含水38.2%, 采油速度1.30%, 采出程度1.73%; 采油速度和采出程度均较低。

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	图1 王盘山长8油藏主力油层长 $\begin{matrix} 8_{2}^{1} \end{matrix}$ 砂体厚度分布及芦58-54等井位分布

2 混合水体积压裂特点及增产效果分析

2.1 研究区储层常规压裂状况

结合王盘山长8油藏的油层厚度、储层应力、油层纵向连续性、隔夹层发育程度等特征, 该油藏早期储层改造主要采用常规加砂压裂(部分为多级加砂压裂)(表1)。累计完试油井124口, 平均单井试排日产油7.9 m³, 累计投产油井123口, 满三个月产油井有117口, 投产前三个月平均单井日产油1.37 t, 含水52.3%, 没有达到增产的预期效果。

表1 2010~2012年王盘山长8试油压裂数据统计

年份	井数 (口)	油层参数						压裂参数			试排结果
年份	井数 (口)	$\begin{matrix} \frac{厚度}{m} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{电阻}{Ω \cdot m} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{孔隙度}{%} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{渗透率}{mD} \end{matrix}$	含油饱和度/%	$\begin{matrix} \frac{声波时差}{μs / m} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{砂量}{m^{3}} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{砂比}{%} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{排量}{m^{3} / \min} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{抽深}{m} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{动液面}{m} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{日产油}{m^{3} / d} \end{matrix}$	$\begin{matrix} \frac{日产水}{m^{3} / d} \end{matrix}$
2010	52	16.90	26.92	12.09	1.46	48.81	224.14	40.6	32.6	2.2	2080	1942	9.90	4.70
2011	22	16.10	22.64	10.74	0.97	48.74	223.63	42.7	30.1	2.2	1999	1881	7.40	5.60
2012	50	15.40	25.30	11.30	1.12	50.89	224.80	45.2	29.1	2.1	1618	1498	6.00	13.20
小计	124	16.13	24.95	11.38	1.18	49.48	224.19	42.8	30.6	2.2	1899	1774	7.77	7.83

表1 2010~2012年王盘山长8试油压裂数据统计

2.2 研究区储层体积压裂措施

姬塬油田王盘山长8油藏芦58-54井区常规压裂后日产液1.03 m³/d, 日产油0.72 t/d, 含水 16.6%, 动液面1 958 m, 沉没度42 m。油井生产中动态监测液量变化图显示油井产液量供应不足, 需要实施新的改造措施。综合研究认为:王盘山长8油藏平均油层厚度较大, 物性相对较好, 单井产能偏低, 区块平均压力保持水平较高, 具备措施增产潜力, 适合实施混合水体积压裂。

混合水体积压裂技术原理主要是通过高排量、大液量、低粘度液体压裂的方式将渗流的有效储集体“ 打碎” , 形成网络裂缝^[4], 使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大, 油气从任意方向向裂缝的渗流距离最短, 开启天然裂缝并进行有效支撑, 形成网状缝, 极大地提高了储层整体渗透率, 实现了对储层的立体改造^{[8, 9]}。

混合水压裂主要技术参数为:高排量, 6.4~15.0 m³/min; 大液量, 1 000~1 500 m³/段; 大支撑剂量, 100~200 t; 低黏压裂液, 滑溜水或者滑溜水与线性胶或和交联液组合; 不同粒径支撑剂, 20/40目和40/70目组合; 配套连续混配及连续输砂设备。

2.3 研究区储层混合水体积压裂效果分析

王盘山长8油藏2013年实施体积压裂井4口, 施工时前置液液量在350~500 m³, 排量在9~10 m³/min, 使储层裂缝开启, 泄油半径增大。措施后初期平均单井日增油3.67 t/d, 累计增油2 044 t, 增油很明显。例如, 芦49-51井措施后初期液量保持在9 m³/d, 含水呈平稳下降趋势。目前生产稳定, 日产油3.84 t, 含水18.7%, 动液面1 747 m, 累计措施增油618 t(表2)。

表2 2013年王盘山长8试油压裂数据统计

3 微地震技术评价芦58-54井混合水体积压裂效果

为了更好地探索芦58-54井体积压裂过程中的破裂发生和发展状况, 定量地评价压裂效果, 对芦58-54井的压裂开展了微地震监测工作。2013年7月26日, 对芦58-54井实施混合水体积压裂施工, 在旁侧芦57-54井内同步监测。

此次监测目的:确定芦58-54井压裂形成主裂缝的展布方向; 确定裂缝方位、高度、长度等方面的空间几何信息; 现场实时合成微地震监测初步结果; 通过后期处理解释得出最终成果, 完成对芦58-54井的压裂效果全面评价。

2013年7月25日, 设备到达芦57-54井现场, 检波器下到接收井芦57-54井内, 采集空炮弹信号; 7月26日下午2点开始, 芦58-54井压裂施工, 芦57-54井同步监测; 7月26日下午7点, 芦58-54井施工结束, 检波器提出交井, 完成监测。

从芦58-54井长8层压裂微地震监测结果看(图2), 识别出的所有微地震事件数随时间的变化规律, 从图2可以看出, 自下午14:29开始记录到事件发生, 压裂过程持续到19:00结束, 历时4个半小时多。图中显示破裂震动主要发生在初期(14:30)和后期(18:00前后), 因中间过程中事件少, 所以把事件分成2个阶段, 大部分事件出现在压裂第二阶段(18:00前后30 min以内), 黑色柱状图为每分钟内发生微地震次数。

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	图2 微地震事件发生时间和频率

芦57-54井中监测的微地震事件发生与压裂施工曲线叠合图展示了整个压裂响应过程(图3)。图3中上图为压裂监测的横截面图, 记录了微地震沿着井筒发生事件的深度统计(深度2 590~2 598 m为射孔段), 横向红点反映了距离井筒由近到远微地震事件位置与频次变化。下图为压裂施工曲线与微地震发生频次叠合图, 目的是为了更好地反映微地震事件与压裂施工过程的精确对应关系。图中上面红色曲线为施工压力随时间变化曲线(单位, KPa), 下面粉色曲线为套压随时间变化曲线(单位, KPa), 绿色为砂比变化曲线(单位, %), 蓝色为排量变化曲线(单位, m³/min), 黑色柱状图为每分钟内发生微地震频次。

现场微地震事件信号定位成果图显示出了微震源的准确位置(图4)。不同颜色为不同时间段微震发生的方位。因发生破裂震动主要在压裂初期(14:30)和后期(18:00前后), 中间过程中事件少, 所以把事件分成2个阶段, 绿色表示第一阶段微震源方位和频次, 红色表示第二阶段(主要阶段)的微震源方位和频次。

处理后的地震事件与现场结果一致(图4), 图4中标识圈内事件为处理后高信噪比事件定位结果, 展示了微震源即裂缝网络最终定位方位为近南北向, 即东北19.5° , 长315.9 m, 宽104 m(图4), 在井两翼微震源即裂缝均较发育。

研究区未作微地震监测前, 普遍认为区域裂缝方位应该北东75° 方向, 芦58-54北东19.5° 裂缝方向说明局部井区产生了与区域裂缝方位背景不同的新裂缝, 能够更好地增加渗流网络。而这种精确的压裂缝方位, 延续到了相邻注水井, 对油藏精确注水控制和注水调整有非常重要的指导意义。

通过微地震事件的深度范围分析, 显示微震源即裂缝网络的高度在2 520~2 580 m之间, 约58 m(图5)。裂缝方向、深度、体积等参数为油田后期注水开发提供了直接依据。

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	图3 芦58-54井长8层压裂施工曲线与微地震事件叠合图

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	图4 现场微地震事件信号定位成果

图6为微地震事件密度分布区域立体示意图, 其横边长450 m、纵边长300 m、高100 m。图6a为从顶部俯视北东方向微地震事件发生频次的展布情况, 图6b为从西侧直视北和高度方向微地震事件发生频次的展布空间情况。

微地震事件密度分布区域也代表了压裂改造波及体积的范围(图6), 统计分析结果, 主要事件在长315.9 m、宽104 m、高58 m空间内, 但裂缝影响波及的范围更大, 储层改造体积约244.8万m³。

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	图5 深度范围分析微震源即裂缝网络的高度 a— 东侧直视; b— 北侧直视

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	图6 微地震事件密度分布区域立体示意(2013-07-26 监测) a— 从顶部俯视北东方向微地震事件发生频次展布空间; b— 从西侧直视北和高度方向微地震事件发生频次展布空间; 红点为事件发生位置

4 结论

微地震监测技术能够通过数据采集、震源成像和精细反演步骤精确定位微地震的震源位置、发震时刻、震源强度等因素, 从而识别出压裂缝的空间几何状态。

芦58-54井体积压裂实时地震监测结果显示此次人工造缝的裂缝网络延伸方向为北东19.5° , 裂缝总长度为315.9 m、宽104 m、高度约58 m, 裂缝网络长宽高达到设计要求; 裂缝网络在井旁两翼均较发育, 大部分微地震事件出现在压裂第二阶段; 改造体积约为244.8万m³。

用微地震监测能够准确定量地反映混合水体积压裂的效果, 且周期短、成本较低, 值得推广。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 20世纪80年代微地震技术被用于矿山工程、地热开发等领域,20世纪90年代末期微地震技术被引入到石油行业^[1] ...

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... 我国在20世纪初开始引进该项技术^[2],分别在大庆油田、华北油田、长庆油田等进行了尝试,经过百余口井的实际观测,表明结果可靠,方法可行,可以作为注水、调剖、井网布署与调整的依据,为油田解决了许多关键性问题 ...

2015

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... ,形成网络裂缝^[4],使裂缝壁面与储层基质的接触面积最大,油气从任意方向向裂缝的渗流距离最短,开启天然裂缝并进行有效支撑,形成网状缝,极大地提高了储层整体渗透率,实现了对储层的立体改造^[8,9] ...

2015

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芮拥军. 地面微地震水力压裂监测可行性分析[J]. 物探与化探, 2015, 39(2): 341-345.

Micro-seismic monitoring,as the most effective means of hydraulic fracturing monitoring,has attracted more and more attention and is becoming a hot research topic due to its advantages such as easy engineering and full observation.Nevertheless,due to the particularity of microseism,the problem whether valid micro-seismic events could be received under the strongly noisy ground is the key point of the whole technique.In this paper,the author conducted an in-depth research in three aspects,i.e.,the energy conducted by the hydraulic fracturing,the interference situation of fracture truck unit noise and the difference of different depth of micro seismic propagation and,from two angles of "signal (effective events) and noise (surface noise)",reached the conclusion that surface microseism is capable of receiving reliable fracture signal.The real micro-seismic data acquisition from Yan227 horizontal hydraulic fracturing well verified the effectiveness of this technology,which provides the basis for the implementation of the surface microseismic technology.

Geophysical Research Institute of Shengli Oilfield Branch Co. Ltd., Dongying 257022, China

作为水力压裂监测的最有效手段,微地震监测越来越受到人们的重视,特别是地面微地震监测因为便于施工、观测充分等优点成为研究的热点,然而由于微地震的特殊性,是否能够在地面强噪声环境下接收到有效的微地震事件,成为地面微地震监测整个技术环节的关键点。文中从水力压裂的产生能量、地面压裂车组噪声的干扰情况以及不同深度微地震传播的差异三个方面进行了深入分析,从"信(有效事件)噪(地面噪声)"两个角度,得出了地面微地震可以接收到可靠的压裂信号的结论。在Yan227水平井水力压裂地面微地震采集的实际数据验证了该方法的实用性,为地面微地震技术开展提供了依据。

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段建华, 王保利, 朱红娟, 等. 微地震监测数据压缩技术[J]. 物探与化探, 2014, 38(5): 1018-1023.

The substantial microseismic monitoring data bring many difficulties to the long distance wireless real-time transmission of data and,what is more,take up a lot of disk space.In this paper,using adaptive threshold STA/LTA algorithm,the authors select appropriate characteristic function and automatically,quickly and accurately identify effective micro-seismic signal from the large quantities of monitoring data.Then,the method on the paper accurately determines the start and end time of the effective micro-seismic signal complete waveform,and removes large quantities of redundant data by completely intercepting valid signal,so that the original data are reduced to 20%.Finally,the monitoring data compression ratio attains 10:1 by using STEIM2 algorithm compress data intercepted.

Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi'an 710077, China

微地震监测数据海量，给数据的长距离实时无线传输带来了很多困难，而且还占用很多磁盘空间。笔者首先采用自适应阈值的STA/LTA算法，选取合适的特征函数，从海量的监测数据中自动快速准确地识别微地震有效信号；然后准确确定有效信号的起止时间，完整地截取有效信号的波形数据，去除大量冗余数据，使得数据减少为原来的20%以下；最后再采用STEIM2算法对截取后的有效信号进行压缩，使监测数据的压缩比达到10：1。研究结果表明：该方法能够通过去除冗余数据和无损压缩，大幅减少微地震监测数据的传输量，使得最终的数据仅为原数据的10%，从而减少了微地震监测数据的长距离无线实时传输困难，同时也减少数据存储所需要的磁盘空间，取得了较好的应用效果。

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牛欢, 潘冬明, 周国婷. 井中地震VSP观测系统正演模拟[J]. 物探与化探, 2013, 37(2): 280-286.

Based on analyzing the characteristics of borehole VSP observation system, the authors investigated the types and features of the observed seismic waves, analyzed ray-tracing and composite records of several VSP models (horizontal interface model, oblique interface model, meta-deviation distance model and detection point model), conducted forward modeling by using the ray-tracing method so as to obtain the forward result, and studied kinematic characteristics of the seismic wave. Some regularities have been detected: the number of the strata penetrated by the drill hole is equal to the number of intersecting points between the ascending waves and the descending waves in the composite record; there exist differences between the composite ray-tracing record obtained by utilizing P wave and that obtained by utilizing the transform wave, which shows that the transform wave has some influence on VSP composite record; strata of different dip angles have influence on travel-time features of ascending wave and descending wave as well as the energy characteristics of VSP; there exist reverse polarity phenomenon on the horizontal component of VSP composite record, which is consistent with the theoretical phase.

Institute of Resource & Geoscience, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221000, China

在分析井中VSP地震观测系统特点的基础上,对观测到的地震波类型和特征作了阐释,分析了几种VSP模型(水平界面模型、倾斜界面模型、变偏移距模型、不同深度检波点模型)的射线追踪记录以及合成记录,利用射线追踪方法进行正演模拟,得到正演结果,并研究地震波的运动学特征。得出一些规律:钻孔穿过地层的数量等于合成记录上上行波和下行波的交点的数量;利用P波进行射线追踪和用转换波追踪其合成记录有差别,即转换波对VSP合成记录有影响;不同倾角的岩层对VSP上行波、下行波的走时特征和能量特征有影响;VSP合成记录的水平分量上会出现反极性现象,这与理论相一致。