压裂缝缝高监测技术在安塞油田的对比应用

梁冬，张欢，温柔，孟越

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西西安710201）

压裂缝缝高监测技术在安塞油田的对比应用

梁冬，张欢，温柔，孟越

（中国石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西西安710201）

安塞油田属于特低渗透油藏，油层经压裂方可出油。研究压裂缝形态，对于最大限度地挖潜油层潜力以及提高油井单井产能，具有重要的意义。本文通过井下微地震、地面微地震、正交偶极声波测井及数值模拟等四种监测方式对比，重点剖析了压裂缝缝高的特点。认为压裂缝缝高随着缝长的延伸呈衰减规律，近井地带缝高为15 m～20 m，油层内部缝高为5 m～10 m，至缝长的末端，缝高值较小，直至衰减为0 m。针对这一现象，可以采取混合水体积压裂和单砂体补孔压裂措施，改善油藏开发效果。

安塞油田；长6；压裂缝；缝高；缝长；射孔段

安塞油田位于鄂尔多斯盆地中部，以内陆淡水湖泊三角洲沉积为主，主力油层长6为三角洲前缘相沉积，砂体连片性好，含油范围与砂体展布主要受岩性和物性控制，是较典型的岩性油藏。储层岩性为细粒硬砂质长石砂岩，颗粒分选较好，结构成熟度高；受强烈成岩作用，孔隙结构复杂，孔隙类型为粒间孔－溶孔－微孔混合型［1-2］。

长6油藏为典型的特低渗、低压、低产油藏，空气渗透率1.29 mD，压力系数0.7～0.8。储层致密，孔喉半径小，似磨刀石。油井常规无初产、经压裂改造后才有工业油流，压裂后，单井日产油能力2 t～3 t。

油层在水力压裂过程中产生压裂缝。压裂缝与储层微裂缝、孔隙搭配，形成较好的渗流条件，油层造缝对于改善油井开发效果至关重要。安塞油田实施整体压裂开发，受地应力影响，压裂缝方位较为单一恒定，以北东-南西向为主，平均为北东68.9°，全缝长250 m左右。压裂缝方位和缝长资料数据较为详实，而缝高资料数据较少、争议较大。目前关于缝高的监测方式主要有四种，每种方式特点不同，测试数据差异较大。

1　四种方式监测压裂缝缝高

1.1井下微地震监测压裂缝缝高

油层在水力压裂过程中，压裂缝周围的薄弱层面（如天然裂缝、层理面）的稳定性受到影响，发生剪切滑动，产生微地震或微天然地震。微地震辐射出弹性波的频率相当高，一般处在声波的频率范围内。水力压裂缝微地震监测主要有井下监测和地面监测两种方式。

井下微地震技术可以用精密的传感器在邻井探测弹性波信号，在压裂过程中，随着微地震在时间和空间上的产生，裂缝测试结果便连续不断地更新，形成了一个个裂缝延伸的“动态图”，得到压裂缝方位和缝长的平面视图，最终得到裂缝的高度和裂缝两翼的长度［3-5］。该技术测量快速，可实时确定微地震事件的位置。

2011年对王窑区王加25-054井开展井下微地震裂缝监测，在王加25-054井压裂的同时，在其邻井王25-04下入监测仪器监测压裂缝形态。结果显示，王加25-054压裂缝方位为北东65°，高度55 m，北东翼半缝长145 m（见图1）。该井射孔段厚度4 m，压裂缝高度比射孔段厚度大51 m。2013年对黄陵区正平15开展井下微地震裂缝监测，在其邻井正203下入监测仪器监测压裂缝形态。结果显示，正平15压裂缝方位为北东61°，高度81 m，北东翼半缝长135 m，裂缝向长6砂体上部扩展（见图2）。

图1　王加25-054井下微地震监测压裂缝缝高图

图2　正平15井下微地震监测压裂缝缝高图

1.2地面微地震监测压裂缝缝高

压裂缝地面微地震监测是在压裂井地面安装一系列监测站点进行监测，施工条件要求低，定位精度达到10 m以内，但易受地面各种干扰的影响［6-7］。

2010-2011年在王窑区开展了6口采油井地面微地震监测，结果显示，压裂缝方位为北东60°左右，平均高度16.3 m，北东翼平均半缝长129.6 m（见表1）。6口井平均射孔段厚度5.1 m，压裂缝高度比射孔段厚度大11.2 m。

1.3正交偶极声波测井监测压裂缝缝高

正交偶极声波测井资料主要包括地层纵波、横波和斯通利波的提取及其时差计算、岩石物理参数计算、岩石机械特性分析等。主要应用于岩石特征分析、地层各向异性分析、机械特性分析以及压裂缝高度预测。

安塞油田长6油层破裂压力梯度小于上覆岩石压力梯度，油层压裂后形成垂直裂缝。裂缝的长度和高度是杨氏模量、切变模量、泊松比、压裂液排量等的函数。根据正交偶极声波测井所得的岩石力学参数，结合纵波、横波、斯通利波的幅度衰减规律，就可准确地判断出压裂缝的形态。

安塞油田对4口井开展了正交偶极声波测井压裂缝高度检测，4口井平均射孔段厚度7.55 m，平均缝高17.75 m，缝高比射孔段厚度大10.2 m。以采油井山052-59为例，该井射孔段为1 675.0 m～1 680.1 m、1 680.4 m～1 682.0 m，射孔段厚度6.7 m。监测成果显示，油层改造引起射孔段及上下地层1 669.5 m～1 689.0 m各向异性及能量差较压前明显加强。裂缝向上延伸至1 669.5 m，向下延伸到1 689.0 m，裂缝延伸高度19.5 m，该井缝高比射孔段厚度大12.8 m，近井地带裂缝改造程度高。

表1　安塞油田地面微地震监测压裂缝成果表

1.4数值模拟计算压裂缝缝高

数值模拟是计算压裂缝高度的有效手段之一。可以先利用Petrol软件建立一个区块的基础地质模型及岩石力学模型，综合考虑渗流机理和地质特征等因素，在此基础上，利用美国STIM-LAB公司开发的Gohfer压裂软件，利用压裂液及支撑剂综合数据，采用网格结构计算法建立全三维裂缝扩展模型，可预测地层的水力压裂缝剖面，计算单井压裂缝几何形态［8-11］。

对安塞油田王窑西南区油水井进行压裂缝数值模拟，可以看出油水井的压裂缝的长、宽、高立体特征，裂缝展布方向较为单一，主要为北东-南西向。该区共模拟油水井压裂缝图141口，压裂缝平均高度8.0 m，北东向半缝长118.3 m，西南向半缝长117.4 m（见表2）。其中加密井平均射孔厚度4.5 m，平均压裂缝高度6.9 m，说明压裂缝高度只比射孔段大2.4 m，从数字模拟角度说明压裂缝高度非常有限。以单井王加25-071为例，该井射孔段1 354 m～1 358 m，射孔段厚度4 m。模拟裂缝高度7 m，只比射孔段大3 m。

表2　安塞油田王窑区油水井压裂缝模拟结果统计表

2　综合分析压裂缝缝高形态

通过对压裂缝四种监测方式的对比与分析，发现四种方式计算的压裂缝缝长数据比较一致，半缝长125 m左右，但是压裂缝缝高数据差别较大。井下微地震监测压裂缝缝高55 m，比射孔段厚度大51 m；地面微地震监测压裂缝平均缝高16.3 m，比射孔段厚度大11.2 m；正交偶极声波测井监测压裂缝平均缝高17.75 m，比射孔段厚度大10.2 m；数值模拟计算压裂缝平均缝高6.9 m，比射孔段厚度大2.4 m。压裂缝高度数据差别较大主要有两个原因：（1）井下微地震技术对地震波反应灵敏，监测到产生地震的部位只能说明在受力条件下产生了“地震事件”，并不一定代表被压开裂缝，所以井下微地震监测的缝高比实际的偏大；（2）地面微地震和正交偶极声波测井监测的是近井地带的缝高，数值模拟计算的是油层内部的缝高。

综合以上分析，认为在压裂过程中，随着水力压裂对岩石作用力的衰减，压裂缝缝高随着缝长的增长呈“正态分布式”衰减规律性：近井地带缝高为15 m～20 m，比射孔段厚度大10 m左右；油层内部缝高为5 m～10 m，比射孔段厚度大3 m左右；至缝长的末端，缝高值较小，直至衰减为0 m（见图3）。

图3　安塞油田压裂缝缝高示意图

这一现象说明水力压裂过程中，油层近井地带压开程度较高，油层内部压开程度较低。分析认为压裂缝缝高衰减有两个方面原因。

2.1岩石垂直方向的抗拉强度较大

通过岩石破裂实验可以测试岩石不同方向的抗拉强度。王窑区王检29-061、王检16-154、王检16-159等三口检查井的11个岩心柱分别开展了岩石破裂实验。王检16-154垂直方向抗拉强度为3.94 MPa，水平方向抗拉强度为3.41 MPa；王检16-159垂直方向抗拉强度为5.91 MPa，水平方向抗拉强度为5.39 MPa；王检29-061垂直方向抗拉强度为4.98 MPa，水平方向抗拉强度为4.08 MPa（见图4）。垂直方向的抗拉强度比水平方向的平均大15.2%。破裂实验数据表明垂直方向的岩石抗拉强度大于水平方向，岩石沿水平方向比沿垂直方向更容易破裂。压裂时，近井地带受水力作用的冲击，裂缝高度值较大，随着缝长的延伸，受岩石垂直方向较大的抗拉强度影响，裂缝高度值逐步衰减。

图4　安塞油田破裂实验数据结果统计图

2.2泥质夹层对压裂缝纵向延伸有较强遮挡作用

安塞油田长611-2主力小层砂岩厚度一般为15 m～20 m，砂岩上下均为泥质夹层，对比砂岩、泥岩的岩石力学性质，发现泥岩对压裂缝纵向延伸有较强遮挡作用。

对长6油层声波时差与杨氏模量归一值进行散点统计（见图5），发现声波时差与杨氏模量呈明显的负相关关系，相关系数-0.82。杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量，应力与应变的比叫杨氏模量。杨氏模量越大，说明在压缩或拉伸材料时，材料的形变越小。而砂岩密度小、声波时差大，杨氏模量小；泥质夹层密度大、声波时差小，杨氏模量大，抗张性、抗剪切能力强。说明在水力压裂作用下，砂岩的形变大，泥质夹层的形变小，压裂缝主要沿着横向延伸。这一特征在油层内部随着压裂缝的延伸会更加明显，随着水力压裂作用力的衰减，泥质夹层的遮挡作用会更加凸显。

图5　王窑区杨氏模量与声波时差的散点关系图

油层压裂改造的目的不仅仅是增加采油井近井地带的渗流能力，而是要打通油层内部渗流通道，从而提高油井单井产能。安塞油田的基础井网井距为300 m，压裂缝半缝长为125 m左右，全缝长为250 m左右，缝长改造水平已经能够满足油田开发需要。但是压裂缝缝高值不大，随着缝长的延伸呈衰减规律性。这一点正是以后安塞油田开发的挖潜方向之一，可以通过增加缝高来提高油层内部的渗流能力，使原来油层中不参与流动的油重新流动，从而提高单井产能，最终提高油田采收率。

针对缝高衰减这一现象，安塞油田一方面采取混合水体积压裂措施，由原来的“线”压裂转变为“体”压裂，深部压开油层，形成网状裂缝，建立油层内部良好的剩余油渗流通道。近年来共实施体积压裂202口，平均单井日增油2.16 t，是常规压裂增油量的1.9倍，累计增油5.25万t。另一方面采取单砂体补孔压裂措施，通过提高油层的射孔程度，增加压裂缝缝高。近年来共实施单砂体补孔压裂措施41口，平均单井日增油1.45 t，取得了较好的效果。

3　结论

（1）安塞油田通过井下微地震、地面微地震、正交偶极声波测井及数值模拟等四种方式监测压裂缝缝高，四种方式监测数据差别较大。井下微地震监测的缝高比实际的偏大，地面微地震和正交偶极声波测井监测的是近井地带的缝高，数值模拟计算的是油层内部的缝高。

（2）安塞油田压裂缝缝高随着缝长的增长呈“正态分布式”衰减规律性：近井地带缝高为15 m～20 m，比射孔段厚度大10 m左右；油层内部缝高为5 m～10 m，比射孔段厚度大3 m左右；至缝长的末端，缝高值较小，直至衰减为0 m。

（3）针对缝高衰减现象，可以通过混合水体积压裂和单砂体补孔压裂措施，增加缝高，改善油层内部渗流能力，从而提高单井产能。

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The comparison and application of fracturing height monitoring technology used in Ansai oilfield

LIANG Dong，ZHANG Huan，WEN Rou，MENG Yue
（Oil Production Plant 1 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710201，China）

Ansai oilfield is an extra low permeability reservoir，the reservoir by fracturing can be out of oil.Study on the fracture morphology has important significance to maximum excavate reservoir potential and improve the oil production of single well.By comparing the underground microseismic，ground microseismic，cross dipole acoustic logging and numerical simulation，this article analyzes the characteristics of fracturing height.Think of fracturing height is attenuation with the extend of crack length.The fracturing height near wellbore is 15 m～20 m，the reservoir internal is 5 m～10 m，the end of fracturing length is smaller，until the attenuation of 0 m.In view of this phenomenon，we can adopt the mixed water volume fracture and single sandbody reperforating fracture to improve the effect of reservoir development.

Ansai oilfield；Chang 6；fracturing；fracturing height；fracturing length；perforation interval

10.3969/j.issn.1673-5285.2015.03.006

TE348

A

1673-5285（2015）03-0023-05

2015－01-21

国家重大专项：低渗透油藏中高含水期稳产配套技术，项目编号：2011ZX05013-005。

梁冬，男（1970-），陕西绥德人，中国石油长庆油田第一采油厂副厂长，采油工程师，2010年毕业于中国地质大学（武汉）地质工程专业，硕士研究生学历，主要从事特低渗透油藏开发与管理工作，邮箱：ld_cq@petrochina.com.cn。