水平井压裂微地震监测成果的不对称性分析

董文波，桂志先，王亚楠，张和排，靳鹏飞

(1.长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北武汉 430100；2.长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 430100；3.中国石油辽河油田公司勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010；4.东方地球物理公司研究院地质研究中心，河北涿州 072750；5.东方地球物理公司装备服务处，河北涿州 072750；6.东方地球物理公司新兴物探开发处，河北涿州 072751)

0 引言

微地震监测技术是水平井压裂效果评价的重要手段，对于低渗油气藏、非常规油气的精细开发具有重要的实际意义[1-5]。而微地震监测实践显示，在很多水平井压裂微地震监测成果中存在不对称性，即微地震事件在水平井的水平段两侧或上下分布不均匀，或者仅在单一方向分布微地震事件[6-8]。导致这种不对称性的因素复杂多样[9-12]，而且对于客观评价水平井压裂效果具有重要意义[13-15]。前人针对水平井压裂微地震监测成果不对称性的研究较少，且主要集中在工程方面和天然裂缝方面[16-19]。龚才喜等[20]根据室内实验研究发现，天然裂缝对人工裂缝具有诱导作用。压裂过程中，随着压裂液的延伸，天然裂缝宽度增加，相互连通，导流能力增强，压裂裂缝发育在天然裂缝集中区，导致不对称的微地震事件分布；赵超峰等[18]认为在微地震监测过程中，监测井与压裂井距离过大会导致部分压裂井段的微地震信号无法被接收，造成远离监测井区域微地震事件过少，从而形成微地震事件的不对称分布。

综上所述，目前对于微地震监测成果不对称性的分析多基于室内实验或者个例分析，缺少系统性研究。为此，本文在前人研究的基础上，采用地质—工程一体化的研究思路，综合分析了辽河油田“十三·五”以来54口微地震监测井的地质研究成果、压裂施工成果以及微地震监测成果，系统总结了水平井压裂微地震监测成果不对称性的成因机制，对于客观评价压裂效果，指导后期开发部署、压裂设计具有重要的实际意义。

1 不对称性分析方法

水平井压裂微地震监测实践表明，导致微地震监测成果呈不对称分布的原因主要包括工程因素、地质因素、完钻井分布等三个方面，其中地质因素主要指储层特征，包括天然裂缝、断层发育情况、岩性变化、地应力特征等，所以分析微地震事件分布不对称的成因，需要从微地震监测技术、基础地质特征以及压裂施工等多角度进行综合分析。主要涉及微地震监测技术、裂缝预测技术、储层预测技术等。

微地震监测技术是通过观测、分析水力压裂过程中产生的微地震事件来监测、评价压裂效果的地球物理技术，其基础是地震学，核心是根据检波器接收到的地震信号计算震源位置、发生时间以及震源强度等核心参数，并且根据微地震事件空间分布定量地计算压裂裂缝的长、宽、高以及储层改造体积，对压裂效果进行评价[21-25]。关键步骤如下：①根据研究需要及客观条件制定微地震采集方案；②对采集数据进行处理解释，具体包括检波器定向、初至拾取、建立速度模型等，确定微地震事件发生的位置、时间及能量；③根据微地震事件空间分布，确定压裂裂缝的几何参数，具体包括压裂裂缝的长、宽、高以及储层改造体积[2-4]。

本文所涉及的裂缝预测技术主要包括相干体技术和蚂蚁体技术，其中相干体技术是基于传统的能量归一化互相关原理，计算多道地震数据间的相似程度，根据相干性的高低显示数据的连续或中断，进而对由于断层、岩性引起的不连续性进行表征[24]。裂缝集中发育区内部相干性较差，与不发育裂缝的区域存在规律性的相干性差异，所以可以应用该技术对裂缝集中发育区进行识别。蚂蚁体技术是基于蚂蚁算法实现对三维地震数据中断裂、裂缝自动解释。首先根据断裂、裂缝的地震响应特征设定大量电子蚂蚁，并让电子蚂蚁在地震数据中沿着可能的裂缝、断层追踪和识别，并作出标记，最终形成一个只显示断层、裂缝的全新的数据体，据此可以实现对裂缝的识别[25]。

储层预测技术主要以约束稀疏脉冲反演为主，由于水平井体积压裂适用于低渗储层或非常规油气的开发，而此类油藏多具有储层厚度大、平面分布广泛且连续的特点，对储层预测技术要求较低，所以多采用约束稀疏脉冲反演技术。该技术是基于稀疏脉冲反褶积的递推反演方法，针对地震记录的欠定问题，假设地震记录是由一系列叠加于高斯背景上的强反射系数组成的，在此条件下以不同的方法估算地下强反射系数和地震子波，并直接根据褶积公式将地震记录通过递推计算转换为反演剖面。该技术比较完整地保留了地震反射的基本特征，不存在多解性，在储层分布相对稳定的条件下，可以更客观地反映储层的空间展布[22]。

2 工程因素导致的微地震监测成果不对称

在对水平井压裂进行微地震监测时，由于微地震监测施工而导致的监测成果不对称称之为工程因素，需要明确的是，该因素并非由于施工失误而造成，而是由于客观监测条件较差导致，主要原因是监测井与水平井的压裂井段距离过大。确定工程因素导致的微地震监测成果不对称，对于客观评价压裂效果具有重要的实际意义。

W77-H1井位于辽河坳陷中央凸起南部倾没带，紧邻清水洼陷，目的层为沙河街组三段，储层为扇三角洲前缘水下分流河道砂岩、砂砾岩，储层平均脆性指数为85.5%，隔夹层零散分布且厚度小于3 m，储层渗透率小于1 mD。W77-H1井水平段长520 m，采用速钻桥塞方式分9段压裂。周边仅1口完钻井W77井，所以只能选取该井作为监测井，检波器沉放深度为2540～2630 m，共10级，W77-H1井水平段与检波器距离为300～735 m。

图1为W77-H1井微地震监测成果俯视图。图2为W77-H1井微地震事件密度体俯视图，代表微地震事件的空间分布密度。由图1、图2可见，微地震事件在W77-H1井水平段南北两侧分布具有较强的不对称性，微地震事件集中分布于水平段南侧，北部较少，而且缝长与南部相比大幅减小。地质研究成果显示该井水平段位于优质储层中部，且不存在岩性变化，天然裂缝及断层不发育，说明该井微地震监测成果的不对称性并非由于地质因素引起。通过对微地震事件分布规律与监测井检波器之间的距离进行统计发现，由于W77-H1井距W77井较远，仅靠近监测井的前5段压裂接收到了信号，距离大于550 m的后4段没有微地震信号，而且前5段的微地震事件分布也存在明显的趋于监测井的趋势，随着与监测井距离的增加，微地震事件数量减少，充分证明了该井微地震事件的不对称性是由于监测井与压裂井距离过大，微地震事件能量经过长距离传播衰减，低于背景噪声或与背景噪声相当而被淹没所导致。

图1 W77-H1井微地震事件俯视图

图2 W77-H1井微地震事件密度体俯视图

3 地质因素导致的微地震监测成果不对称

3.1 天然裂缝引起的微地震监测成果不对称

当水平井位于裂缝集中发育区内部或者裂缝集中发育区与水平井之间的距离小于压裂缝长时，压裂裂缝的发育不再完全受地应力的约束，而是沿着裂缝或微断裂集中发育，从而导致代表压裂裂缝分布的微地震事件在水平井两侧呈现明显的不对称性。

压裂井S268-H311位于辽河坳陷大民屯凹陷平安堡—安福屯构造带，目的层为沙河街组四段，储层为扇三角洲水下分流河道的含砾细砂岩；监测井S268-34-20与压裂井水平段的距离为264～342 m，检波器沉放深度为3100～3200 m。为了分析压裂裂缝发育特征与天然裂缝的关系，将可以反映地层连续性的相干体切片与代表压裂裂缝发育的微地震事件进行叠合分析(图3)。由图3可以看出，压裂裂缝在水平井两侧分布不均匀、不对称，而且规律性较差。结合相干体切片分析发现，压裂裂缝与天然裂缝集中发育区的分布具有较高的一致性，吻合率为94.8%，压裂裂缝主要集中在天然裂缝或小断层发育区。这是由于裂缝、小断层的渗透率远高于储层的渗透率，甚至闭合裂缝的渗透率都是储层渗透率的数倍乃至数十倍[20]。在压裂过程中，压裂裂缝遇到天然裂缝时，高压压裂液会使闭合裂缝重新开启，而且随着压裂液的不断注入，裂缝宽度不断增加，导流能力显著增强，压裂裂缝会在天然裂缝的导流作用下转向，继而沿着天然裂缝延伸，从而导致微地震事件在水平井两侧不对称分布。

图3 S268-H311井微地震事件与3240 ms相干体切片叠合

3.2 断层引起的微地震监测成果不对称

当断层与水平井的距离小于压裂缝长时，断层对水平井压裂裂缝的发育具有诱导和屏蔽的作用。即当断层发育时，压裂过程中的高压会在一定程度上引起断层的活化，压裂液沟通断层后沿着断面向前延伸，导致压裂裂缝主要集中在断面上，而且难以越过断层到达另一侧，形成远离水平井的微地震事件集中发育区。

J2-H205井位于辽河油田外围开鲁盆地交2区块，目的层为白垩系九佛堂组上段，储层以凝灰质砂岩为主。该井分13段压裂，其中1～7段用J58-48井作为监测井，检波器沉放深度为1340～1420 m，共9级，级间距为10 m，监测距离为334～543 m。图4为第5段微地震监测结果俯视图，图5为第5段微地震监测结果侧视图，图6为过J2-H205井水平段与微地震事件集中发育区的地震剖面。由图4可以看出，该段压裂出现明显的异常，代表压裂裂缝分布的微地震事件在井周围不发育，而是呈条带状集中发育在J2-H205井东侧约40 m处，而且具有明显的规律性。由图5可以看出微地震事件在纵向上呈面状分布，高约为160 m，宽约为220 m，靠近射孔位置微地震事件密度最大，随着远离射孔位置，微地震事件发生频率逐渐减小。结合图6分析发现，J2-H205井第5段的所有微地震事件均沿着断面分布，这是由于断层距水平井的水平段过近，在压裂过程中，压裂裂缝沟通断层，高压压裂液使断层及周围的伴生裂缝活化，而且随着压裂液的不断注入，断面活化范围不断增加，导流能力逐渐增强，压裂液在断面的导流作用下，沿着断面延伸，从而使该段压裂无法有效改造储层，而且压裂裂缝也无法越过断面到达另一侧，形成了远离水平井的特殊不对称分布。

图4 J2-H205井第5段微地震监测成果俯视图

图5 J2-H205井第5段微地震监测成果侧视图

图6 过J2-H205井地震剖面(位置见图4)

3.3 岩性变化引起的微地震监测成果不对称

水平井压裂微地震监测实践表明，岩性变化可以导致水平井压裂微地震监测成果的不对称性。岩性变化主要包括纵向和横向变化两种情况。纵向岩性变化即发育隔夹层，而横向岩性变化则是由储层变为非储层或者由优质储层变为差储层。两种情况可以分别导致微地震监测成果在纵向和横向上的不对称。

3.3.1 隔夹层发育导致的微地震监测纵向不对称

水平井压裂的微地震监测实例表明，当厚储层内部发育隔夹层时，水平井压裂裂缝会受到较大影响，此时压裂裂缝无法穿过隔夹层而对隔夹层以外的储层进行改造，从而形成微地震监测结果在纵向上不对称。

J2-H1井位于辽河油田外围开鲁盆地交力格洼陷南部的交南断鼻上，目的层为白垩系下统九佛堂组上段Ⅱ油组、Ⅲ油组，储层主要为近岸水下扇的细砂岩。J2-H1井水平段部署于Ⅱ、Ⅲ油组中间部位，原始方案设计拟采用体积压裂的方式同时沟通Ⅱ、Ⅲ油组，以提高开发效率，实现效益开发。图7为J2-H1井微地震监测成果及J70-46井目的层岩性剖面，可以看出，J2-H1井在大斜度段压裂效果较好，同时有效改造了Ⅱ、Ⅲ油组，平均缝高约为90 m；但水平段的微地震监测成果显示，本次压裂仅改造了Ⅲ油组，平均缝高约为80 m，Ⅱ油组并未有效改造。结合J2-H1井邻井J70-46井纵向岩性分布特征分析发现，J2-H1井水平段Ⅱ、Ⅲ油组之间发育一套平均厚度约5 m的煤层，由于煤层的脆性指数较低且具有一定分布规模，所以压裂裂缝无法穿过煤层对Ⅱ油组进行改造，从而导致了代表压裂裂缝发育的微地震事件主要集中在J2-H1井水平段下部地层中，形成了纵向的不对称。

图7 J2-H1井微地震监测成果侧视图及J70-46井岩性剖面

3.3.2 岩性平面变化导致的微地震监测成果横向不对称

在水平井压裂过程中，当侧向储层岩性发生变化时，压裂裂缝仅在储层内部延伸，无法延伸或者穿过侧方非储层，从而形成微地震监测结果的横向不对称性。

压裂井S358-H205井位于辽河坳陷大民屯凹陷，目的层为沙河街组四段，储层为扇三角洲水下分流河道的含砾细砂岩，储层平均孔隙度为10%，平均渗透率为1.4 mD。依托水平井体积压裂技术，为整体动用该块储量，规模部署水平井22口，S358-H205井位于工区西南侧，根据前期储层预测结果，该井距离储层边界约为150 m。图8为S358-H205井微地震监测成果俯视图，可以看出，该井的微地震监测成果是不对称的，代表压裂裂缝发育的所有微地震事件均发育在该井水平段北侧，缝长约为190～230 m，南侧几乎没有微地震事件分布。结合S28-22井分析发现，S28-22井目的层为非储层，原储层预测结果存在一定偏差，而S358-H205井的水平段位于储层边界处，所以导致了该井北部储层发育的区域微地震事件较多，即压裂裂缝发育程度较高，而南部为脆性指数较低的非储层，压裂裂缝发育程度较低甚至不发育，从而导致该井微地震监测成果出现了明显的不对称。

图8 S358-H205井微地震监测成果俯视图

3.4 最大主应力方向与水平井夹角引起的微地震监测成果不对称

水平井压裂微地震监测实践表明，当最大主应力为水平应力，且水平井的水平段垂直于最大主应力方向时，压裂裂缝分布垂直于水平段并在水平段两侧对称发育。而当最大主应力方向与水平井存在夹角时，会使水平井压裂微地震监测成果存在角度不对称。

图9为辽河油田鄂尔多斯矿区N175-H1井第1段压裂微地震监测成果。该井位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡，水平段长1110.42 m，油气层钻遇率为100%，分15段压裂。目的层为延长组，储层为低孔、超低渗细砂岩，分布稳定，断层、天然裂缝不发育。监测井为N175井，检波器沉放深度为1700～1790 m，共10级，N175-H1井第1段与检波器距离约336 m。由图9可见，N175-H1井第1段压裂微地震监测共计定位144个微地震事件，东西两侧压裂裂缝半缝长分别为156、142 m，裂缝网格宽47 m，裂缝走向为北偏东52°，微地震事件在水平井两侧呈现良好的对称性，为标准的当水平井水平段垂直于最大主应力方向时的微地震监测成果。

图9 N175-H1井微地震监测成果俯视图

图10为辽河坳陷西部凹陷雷家地区L88-H1井第2段体积压裂微地震监测成果，该井水平段长700 m，油气层钻遇率100%，分9级28簇分段压裂。目的层为沙河街组四段，储层为湖相泥质白云岩，分布稳定，研究区断层、天然裂缝不发育。监测井为L88井，检波器沉放深度为2440～2550 m，共12级，L88-H1井第2压裂段距检波器513 m。

由图10可见，L88-H1井第2段体积压裂微地震监测共计定位190个微地震事件，东西两侧压裂裂缝半缝长分别为87 m和152 m，裂缝网格宽度为112 m，裂缝走向为北偏东114°，L88-H1井水平段与压裂裂缝走向夹角为38°，微地震事件在角度、长度方面均表现出较强的不对称性。分析其原因是由于L88-H1井部署时，为了兼顾构造走向与最大主应力方向，其水平段与最大主应力方向存在夹角，而压裂裂缝在相对均质储层中沿着最大主应力方向延伸，从而导致了微地震事件分布方向与水平段存在夹角。

图10 L88-H1井微地震监测成果俯视图

4 完钻井导致的微地震监测成果不对称

当完钻井与水平井的距离小于压裂缝长时，完钻井对水平井压裂裂缝的发育具有一定影响，压裂裂缝会集中发育在完钻井井周区域，形成微地震监测成果的横向不对称性。Q1-H101井位于辽河油田外围张强凹陷七家子洼陷东北部强1区块，目的层为白垩系沙海组，储层为粉砂岩；采用双井监测，监测井分别为Q1-44-13井和Q1-48-15井，监测井距压裂井水平段距离为165～293 m。图11为Q1-H101井微地震事件与1700 ms相干体切片的叠合，可以看出，研究区Q1-H101井附近相干性较强，说明储层内部天然裂缝和小断层不发育，而代表压裂裂缝分布的微地震事件呈团簇状集中分布在完钻井Q1-48-15井附近。图12、图13分别为Q1-H101井第14和第15段(图11中星号所示)微地震事件分布，可以明显看出，压裂裂缝在延伸过程中向着Q1-48-15井发生了明显的转向。由于Q1-H101井在2017年1月完钻，而监测井Q1-48-15井于2011年2月完钻，而且进行了压裂改造，形成了一定范围的储层改造区域。此外经过长达6年的油气生产，地下储层能量亏空，形成局部低压带。Q1-H101距离监测井最小距离仅165 m，而靠近监测井处的压裂缝长为150～250 m。在压裂过程中，压裂裂缝向着压力最低的方向延伸，优先进入局部低应力带，进一步导致压裂裂缝在监测井周围生长，形成了压裂裂缝呈团簇状集中在完钻井周围的不对称现象。

图11 Q1-H101井微地震监测成果俯视图与1700 ms相干体切片的叠合显示

图12 Q1-H101井第14段压裂微地震监测成果俯视图

图13 Q1-H101井第15段压裂微地震监测成果俯视图

5 结束语

本文综合应用水平井压裂微地震监测数据、储层预测、裂缝预测以及压裂施工等研究成果，明确了导致水平井压裂微地震监测成果具有不对称性的主要因素包括工程因素、地质因素以及完钻井分布等三个方面。其中工程因素主要由于监测井与压裂井距离过大，远处微地震信号无法被接收而导致；地质因素包括天然裂缝、断层、岩性变化以及最大主应力方向与水平段的夹角等4个方面。天然裂缝、缝长距离内的完钻井会诱导压裂裂缝集中分布于裂缝集中发育区和完钻井周围，形成平面上的不对称现象。水平井附近的断层会导致压裂裂缝沿着断面延伸，形成微地震事件远离水平井且在水平井单侧分布的不对称现象。纵向隔夹层、横向的岩性变化会对压裂裂缝的延伸起控制和封隔作用，在很大程度上抑制压裂裂缝延伸甚至无法形成裂缝。隔夹层的发育会导致纵向不对称性的发生；横向的岩性变化会导致微地震事件的在平面上具有不对称性。当水平井与最大主应力方向不垂直时，微地震事件分布方向与水平井存在夹角，形成角度不对称。