压裂改造裂缝网络构建技术及其应用

杨小慧,林正良,丁 圣,杨心超,余 波

(中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院,江苏南京211103)

我国非常规油气资源十分丰富,其成藏机理、赋存状态、分布规律及勘探开发技术需求等与常规油气资源存在一定的差异性[1-2]。这些低渗透储层中的油气几乎都需要通过压裂才能够实现经济开采。作为非常规油气资源,特别是页岩气开发的重要技术手段之一,近年来水力压裂微地震监测技术得到广泛关注和迅速发展。微地震处理技术以提供发震时间和震源的空间位置为目的,主要有基于走时的定位反演方法和基于成像的定位算法两大类[3]。由于微地震定位结果反映的是地下岩石破裂和裂缝活动,与是否形成连通的有效裂缝没有必然联系,因此需要对微地震事件所反映的裂缝特征进行解释。

传统的微地震解释技术停留在“事件点”上,主要通过微地震事件定位结果俯视和侧视图,笼统估算裂缝几何参数(长、宽、高、主方位)[4]及事件点的包络体积(SRV)[5],且主要依据微地震事件波及体积评价压裂改造效果。国内外学者指出,波及体积远大于实际油气产能估算的有效改造体积,前者不仅包含了不连通体积,还包含了裂缝闭合体积(未被支撑剂有效支撑)。MCKENNA[6]统计了Evie和Muskwa工区的资料,发现被支撑体积仅占波及体积的15%～20%。如何建立微地震波及体积和有效压裂体积之间的关系成为微地震解释的研究重点。基于压裂裂缝网络进行压裂效果评价与从缝网的复杂度和连通性方面解释体积压裂,逐渐得到重视。

在裂缝网络构建方法研究初期,需要观察微地震点分布的宏观趋势,人工划定主裂缝的粗略位置,再使用线性拟合确定其最终位置。该方法构建的裂缝网络受研究者主观影响较大,如:选择不同的主裂缝条数、位置,拟合得出的缝网完全不同,且效率低[7]。近年来逐渐发展起来的震源机制反演技术是了解裂缝形态及裂缝生长过程的重要手段,同时也是进行压裂定量解释不可或缺的一项技术。其中反演方法包括基于P波初动的反演方法和矩张量反演,反演解为微地震事件的矩震级和震源机制,进一步得出断层模型的3个参数(方位角、滑动角和倾角)[8-11]。EISNER等[12]利用震源机制反演获得的裂缝方位及破裂面面积等信息建立离散裂缝网络,避免了传统裂缝网络构建的主观性。但是,该方法受资料信噪比的影响较大,对资料预处理提出了更高的要求,且计算量大,实现成本高。MAYERHOFER[13]根据Barnett页岩气井微地震监测结果,发现压裂缝网呈现为主裂缝与多级次生裂缝形成的裂缝网络系统。BEUGELSDIJK等[14]也通过室内实验证实了复杂裂缝网的存在。实验结果表明,使用低粘度压裂液时,裂缝延伸方向上没有主裂缝存在,压裂裂缝沿天然裂缝起裂延伸;而采用高粘度压裂液时明显存在主裂缝,且水力压裂裂缝几乎不与天然裂缝发生作用。同时,压裂裂缝主要成树形从起裂点向外扩展。HUGOT等[15]提出了多种简单的裂缝网络构建准则,并在此基础上实现了SRV计算。

本文基于HUGOT等[15]提出的裂缝网络构建准则,结合实际生产应用,提出了改进方法。通过时距交会分析进行无效压裂事件识别,在此基础上再进行裂缝网络构建,提高了裂缝网络的合理性;同时,基于微地震事件的时空特征表征裂缝发育过程。利用改进的方法,对某水平井压裂的微地震地面监测结果进行裂缝网络构建,结合预测的储层特征和生产测试结果的对比分析证明了这种裂缝网络构建的合理性。

1 方法原理

1.1 无效事件识别技术

开展裂缝网络构建工作之前,对监测的微地震事件基于一定原则进行优选,势必能够提高所构裂缝网络的合理性。传统方法主要基于微地震事件的空间分布和信噪比进行数据分析,将与微地震事件云分布相独立的事件以及低信噪比事件进行剔除[16]。基于空间分布进行事件剔除缺乏充分的理论依据;基于信噪比的方法默认高信噪比事件是可靠的,但是并非所有信噪比高的事件都是我们想要的人工压裂事件,比如干事件。这类事件是由于压裂造成局部地层应力状态发生改变而引发,其发生位置并未有压裂液到达,因此,它们往往出现在破裂前缘外侧,与人工裂缝相互独立,形成的是不连通缝,并不能达到提高采收率的目的,且会引起SRV计算量过大的问题。

SHAPIRO等[17]提出了压裂裂缝延伸速度的概念。压裂初期,裂缝长度L(即破裂前缘到压裂点的距离)与压裂时间t近似满足如下线性关系:

(1)

式中:QI为平均压裂排量;hf为平均裂缝高度;w为平均裂缝宽度。根据微地震定位结果,基于时距交会,通过线性拟合确定微地震事件分布边界,该边界即为破裂前缘。由于干事件往往出现在破裂前缘外侧,因此,将出现在破裂前缘外侧的事件定义为无效压裂事件,并将其剔除,以提高压裂解释所用资料的可靠性。

定义井筒右翼的事件到起裂点的距离为正,左翼事件到起裂点的距离为负,根据实测的某压裂段微地震事件绘制的时距交会图如图1所示。图中黑色折线为破裂前缘。横轴代表微地震事件的发震时间,纵轴代表微地震事件距离起裂点的距离,图中每个点的半径代表微地震事件的能量,色标代表事件发生的先后顺序。

图1 某压裂段微地震事件的发生时间与其到起裂点的距离交会分析结果

从图1时距交会分析结果可以看出,此压裂段大部分事件都位于破裂前缘内侧。与左翼相比,右翼有较多的无效事件,基于破裂前缘可以容易地识别无效事件。压裂初期破裂前缘距离起裂点越来越远,分别在压裂40min及60min后,右翼和左翼破裂前缘位置保持稳定,表明这段时间内破裂前缘在不断往前延伸,推断该时期压裂以主缝延伸为主。其后破裂前缘保持不变,表明后期产生的裂缝多在破裂区范围内,推断该时期压裂主要以裂缝复杂化为主。

1.2 裂缝网络构建技术

微地震事件在三维空间表现为一系列离散的点,各事件点包含微地震事件的时间、空间位置、能量等信息,但其不能直观体现压裂形成的缝网形态。压裂裂缝网络构建的目的是基于上述离散的微地震事件点,还原地层压裂裂缝形态。

本文采用“点缝”连接准则[15]模拟裂缝的生长情况。该准则假设裂缝随着压裂液从起裂点向外扩散,且压裂液在地层中流通遵循“最短路径”。压裂首先产生主缝,主缝侧向形成次生缝,次生缝上继续分枝形成二级次生缝,以此类推。基于该假设,形成“点缝”连接准则的裂缝路径计算方法,认为每条裂缝路径满足事件点到裂缝网络距离最短。

本文在裂缝网络构建过程中,首先基于前文介绍的无效事件识别技术对监测结果进行分析,选择有效微地震事件进行后续的裂缝网络构建。其次,裂缝网络结构是一个静态结果,展示压裂裂缝的最终状态。裂缝发育过程也是评价压裂效果的一个重要因素。

为了表征裂缝的生长发育过程,通过裂缝线段的颜色属性表征裂缝发育先后关系。裂缝网络构建具体实现过程如下:

1) 利用时距交会分析识别无效事件;

2) 将有效微地震事件按照发生的时间先后顺序进行排序;

3) 定义裂缝网络的起裂点为射孔点,定义裂缝路径的计算原则为当前事件与已形成的裂缝网络之间满足距离最短;

4) 根据裂缝路径计算准则,确定裂缝的连接点,连接事件及连接点生成裂缝;

5) 循环步骤4),逐一计算排序后的有效事件的裂缝连接点,形成最终的裂缝网络。

对图1中压裂段所监测的微地震事件进行裂缝网络构建,结果如图2所示。图2a是基于HUGOT准则构建的裂缝网络,图2b是本文方法构建的裂缝网络。图2a中,井筒右翼有一条长约500m的大裂缝,根据本文表征裂缝发育过程的思想,该条大裂缝颜色为蓝色,代表压裂初期即产生大裂缝。结合实际生产经验,压裂初期产生如此大裂缝的可能性比较小。根据时距交会分析结果,将破裂前缘外侧的事件进行删除,重新构建的裂缝网络均在井筒附近,如图2b 所示,更为合理。图2压裂曲线表明,该段压裂施工分3个阶段。施工前30min内采用添加前置液、滑溜液压裂工艺,主要目的是进行人工造缝。40min到60min为加粉砂阶段,对前期造的裂缝进行打磨沟通使得裂缝进一步延伸。压裂60min后,加粗砂阶段,主要目的是支撑前期的压裂裂缝,并形成微小的裂缝。在此,为了便于比较,绘制了压裂初期(添加前置液和加粉砂阶段)的裂缝网络,如图2c所示。由图2可以看出,压裂初期裂缝网络主要在井筒附近,且裂缝支缝发育并不充分。结合图1中左翼破裂前缘在约压裂60min后保持不变的特征,表明粉砂工艺对左翼裂缝起到了明显的裂缝延伸作用。图2b与前期裂缝网络(图2c)相比,支缝(黄色和红色缝)发育,缝网复杂度明显提高,表明加粗砂工艺起到了很好的裂缝复杂化作用。

图2 某压裂段的裂缝网络结构俯视图及其压裂曲线a 无效压裂事件识别前; b 无效压裂事件识别后; c 压裂初期的裂缝网络结构俯视图(图中:X表示东西(EW)方向距离;Y表示北南(NS)方向距离;红色粗线代表压裂井轨迹;蓝色裂缝为压裂初期形成的裂缝;红色裂缝为压裂后期形成的裂缝)

2 实际资料应用

选取四川盆地某压裂平台的地面微地震监测资料进行裂缝网络构建,并结合地层属性特征分析裂缝网络在压裂效果评价中的作用。该平台水平压裂井微地震定位结果如图3a所示。图3b为基于该定位结果采用人工手段绘制的裂缝网络。

利用本文方法,首先根据微地震定位结果进行无效事件识别。该平台第3,5,6压裂段时距交会分析结果如图4a、图4b和图4c所示,在部分压裂段监测到无效压裂事件,将图中黑色椭圆框内微地震事件剔除再进行后续的裂缝网络构建,结果见图4d、图4e、图4f。裂缝网络结果表明,该平台的裂缝网络具有明显的先主缝延伸后裂缝复杂化的发育特征。

图3 某工区水平井各压裂段定位结果俯视图(a)及人工绘制的裂缝网络俯视图(b)(纵向红色实线为压裂井轨迹,微地震事件点和裂缝网络的颜色代表不同的压裂段)

图4 部分压裂段时距交会图及其对应的裂缝网络俯视图a,b,c 分别为第3,5,6压裂段时距交会图; d,e,f 分别为第3,5,6压裂段裂缝网络俯视图及其压裂曲线(a,b和c图中天蓝色折线为第3,5,6压裂段的破裂前缘;a中黑色椭圆内事件为无效事件;d,e和f中红色粗线代表压裂井轨迹;微地震事件点和裂缝网络的颜色代表事件形成的先后关系;蓝色为压裂初期形成的事件或裂缝;红色为压裂后期形成的事件或裂缝)

图5展示了该井所有压裂段的裂缝网络。从俯视图可以看出,裂缝网络近似沿垂直井筒方向对称发育,次缝发育,缝网复杂度高,如1～10段。仅在部分压裂段裂缝网络相对单一,比如11,18～22段。从侧视图上可以看出,该井的裂缝网络均发育在井筒上方,且各段裂缝高度相当。相比图3a 定位结果,裂缝网络俯视图和侧视图更能直观展示压裂缝网发育的空间形态。与图3b相比,利用本文方法构建裂缝网络避免了人工操作,效率高、精度高。此外,本文方法是在三维空间坐标系下构建裂缝网络,除了提供裂缝网络的平面分布情况外,还提供了裂缝高度的发育情况。

上述分析结果表明,裂缝网络可以直观展示压裂缝网的空间形态及其复杂度。为进一步分析压裂改造效果,在此利用裂缝网络以及储层的脆性、水平主应力差(DHSR)以及局部地应力方向等信息进行综合分析,厘清压裂主控因素,从而提高对储层和压裂改造的认识(图6)。图6a中红色代表高脆性值,蓝色代表低脆性值。在脆性指数较大的区域,微地震事件也较多;脆性指数较小的区域,微地震事件较少。结合裂缝网络来看,储层脆性好的地方,在水力压裂过程中更容易形成网状缝,如1～10段。图6b中,微地震事件多集中在DHSR相对较小的区域,且该区域易形成网状缝,对应较好压裂效果,在水力压裂过程中更易于形成体积压裂。图6c中,最大水平主应力与区域主应力一致性好的区域利于压裂,易形成网状缝,局部应力方向变化大的区域不利于压裂,如15～22段缝网复杂度较低。该工区最大水平主应力方向呈近似水平方向(图6d),结合裂缝网络形态发现,该井压裂裂缝发育方位与区域最大水平主应力方向接近,表明裂缝发育方位受区域主应力影响明显。

图5 水平压裂井裂缝网络俯视图(a)及侧视图(b)(红色粗线为压裂井轨迹,裂缝网络的颜色代表不同压裂段)

图6 微地震事件与地震属性叠合显示及区域最大水平主应力方向a 脆性指数E/λ; b DHSR预测结果; c 局部地应力方向与微地震事件叠合图; d 区域最大水平主应力方向(a图中黑色实线代表压裂井轨迹,各压裂段的圆半径代表地层破裂压力大小,背景红色代表高脆性值,蓝色代表低脆性值,红色椭圆区域为高脆性区;b图中黑色实线代表压裂井轨迹,井轨迹各压裂段的颜色代表破裂压力,红色为高破裂压力区,蓝色为低破裂压力区,背景红色代表低DHSR区,蓝色代表高DHSR区;c图中蓝色实线代表井轨迹,背景颜色含义与b图相同,每个小玫瑰图代表局部地应力方向,蓝色圆内局部地应力方向与区域最小水平主应力方向相差较大)

3 结束语

本文提出的裂缝网络构建技术,在裂缝网络构建前基于时距交会分析技术进行了无效压裂事件识别,提高了裂缝网络构建技术的合理性,在裂缝网络构建时通过裂缝发育时空顺序表征裂缝生长过程,并利用地层属性特征结合裂缝网络实现压裂改造效果评价。四川盆地某水平井压裂的地面微地震监测资料分析结果表明,时距交会分析可以有效识别无效压裂事件,且交会图可以有效分辨出主缝延伸阶段和裂缝复杂化阶段,为压裂工程人员提供指导;裂缝网络构建结果与地层属性特征具有较好的相关性,裂缝发育方位受控于该区域最大水平主应力方向,高脆性、低DHSR、局部地应力与该区域最大水平主应力一致区域易形成复杂的网状缝,压裂改造效果好,验证了本文方法的有效性和实用性。

本文初步解决了裂缝网络的构建问题,但未对未支撑的闭合缝作出评价。对形成产能的有效压裂体积的有效裂缝的解释,还需要结合其他监测资料和气藏动态模拟作出综合评价。