地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (2): 885-888   PDF    
引用本文
赵争光, 杨瑞召, 孙志朋, 孟张武, 张青山, 刘利强. 2014,储层岩性对水力裂缝延伸的影响[J]. 地球物理学进展, 29(2): 885-888, doi: 10.6038/pg20140255  
ZHAO Zheng-guang, YANG Rui-zhao, SUN Zhi-peng, MENG Zhang-wu, ZHANG Qing-shan, LIU Li-qiang.2014, Influence of reservoir lithology on hydraulic fracture propagation. Progress in Geophysics, 29(2): 885-888, doi: 10.6038/pg20140255   
储层岩性对水力裂缝延伸的影响
赵争光1,2, 杨瑞召1, 孙志朋1, 孟张武1, 张青山1, 刘利强1    
1. 中国矿业大学（北京）, 北京 100083;
2. 北京阳光吉澳能源技术有限公司, 北京 100083
收稿日期: 2013-6-18 修回日期: 2013-9-19 .
基金项目：国家重大基础研究计划项目（2009CB724601）资助.
作者简介：赵争光，男，1988 年生，山东枣庄人，中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院硕士研究生，主要从事地震资料解释、地震波反演方法、微地震信号处理和非常规资源评价等方向的研究.（E-mail：robin_chiu@foxmail.com）
摘要：水力压裂施工过程中，天然断层或裂缝对水力裂缝的延伸影响显著，甚至与水平井轨迹平行或近乎平行的断层或裂缝会形成压裂屏障，阻止水力裂缝的延伸甚至造成砂堵.而岩性对水力裂缝延伸的影响目前还不清楚.本文首先利用地面微地震监测技术对水力裂缝进行了成像并提取出微震事件点分布平面图；然后利用三维地震断层属性预测了天然断层或裂缝分布，利用三维地震GR反演体提取了沿层砂岩分布平面图；最后，通过叠合天然断层或裂缝分布图、砂岩分布平面图以及微震事件点分布平面图，分析了岩性和天然断层或裂缝对水力裂缝延伸的影响，证实了岩性是除天然断层或裂缝以外控制水力裂缝延伸过程的另一个重要因素.
关键词： 致密砂岩     水力压裂     三维地震     微地震     压裂屏障     岩性    
Influence of reservoir lithology on hydraulic fracture propagation
ZHAO Zheng-guang1,2, YANG Rui-zhao1, SUN Zhi-peng1, MENG Zhang-wu1, ZHANG Qing-shan1, LIU Li-qiang1    
1. China University of Mining & Technology at Beijing, Beijing 100083, China;
2. Beijing GeoSun Energy Tech, Ltd., Beijing 100083, China
Abstract: During hydraulic fracturing, the natural faults or fractures play a key role in the propagation of the hydraulic fractures, and the faults or fractures which are parallel or nearly parallel to the horizontal wellbore will act as the fracture barriers for hydraulic fracture propagation and even result in sand plug. However, there is no research having been reported about the reservoir lithology's influence on the propagation of hydraulic fractures. This paper has firstly mapped the hydraulic fractures by using surface based microseismic monitoring technology and extracted the plan view of microseismic events; and then used the faulting attribute of 3D seismic to predict the distribution of natural faults or fractures as well as used the GR inversion data derived from inverting 3D seismic data to extract the plan view of sandstone distribution; and finally analyzed the role of lithology and natural faults or fractures in the propagation of hydraulic fractures through overlaying the plan views of microseismic events, sandstone distribution and natural faults or fractures distribution. It is found that the reservoir lithology other than the natural faults or fractures is another important factor that plays a key role in the propagation of hydraulic fractures.
Key words: tight sands     hydraulic fracturing     3D seismic     microseismic     fracture barrier     lithology    

0 引 言

在非常规致密砂岩油藏开发的早期阶段，水平井分段完井压裂能够通过水力裂缝网络最大化井眼与储层接触面积以提高油藏渗透率，使天然气流动至生产井中(Frohne和Mercer，1984).微地震监测技术提供了表征由于水力压裂增产施工而形成的人工裂缝网络的方法，通过对微地震数据的处理和解释可获得水力裂缝的准确走向，以及裂缝的空间形状、尺寸等数据，还可给出水力裂缝带中流体通道的图像(宋维琪等，2008).前人的研究表明天然断层或裂缝对水力裂缝的延伸影响显著.Refunjol等(2011)通过结合区域构造分析、微地震监测成果和三维地震曲率发现水力裂缝与天然断层或裂缝具有很好的相关性，即水力裂缝的走向基本与井轨迹周围主要的天然断层或裂缝走向一致.Norton等(2011)和Maxwell等(2011)通过叠合微地震事件点分布平面图和三维地震沿层断层分布平面图(蚂蚁体属性)发现水平井轨迹附近与水平井轨迹平行的局部断层或裂缝可形成压裂屏障，水力裂缝延伸至此断层处将停止延伸；Ringrose等(2009)发现在与上述情况类似的某些极端情况下，容易出现砂堵现象.而目前还没有关于储层岩性对水力裂缝延伸的控制作用方面研究的报道.本文拟通过结合三维地震GR反演预测的储层岩性信息和由地面微地震监测获得的水力裂缝几何形态信息，研究储层岩性是如何影响水力裂缝的延伸. 1 地质背景

AP1水平井位于松辽盆地中央坳陷区大庆长垣敖南鼻状构造.目的层段为下白垩统泉头组泉四段扶余油层，垂深1795 m.储层岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩、含钙粉砂岩为主，含油性较好.测井曲线及数字处理成果显示，有效孔隙度在12.6%~15.4%之间，含水饱和度在42%~45%之间，具有含油特征. 2 三维地震GR反演

由于扶余油层为砂泥岩薄互储层，储层与非储层(围岩)波阻抗差异不明显，利用常规波阻抗反演技术难以较好地识别储层.而测井曲线重构技术可以有效提高岩性识别和储层预测的精度，减少多解性.本文利用GR曲线重构声波反演技术进行储层预测，并提取出沿层砂泥岩分布平面图(图 1，红黄色代表砂岩，蓝色代表泥岩)，其表明扶余油层岩性具有一定的非均质性，砂岩在水平井轨迹左侧较为发育，而水平井轨迹右侧具有大面积的泥岩分布区，并与砂岩形成明显的分界线.

图 1 GR反演体沿层时间切片

Fig. 1 Stratal slice derived from GR inversion data
3 天然断层或裂缝预测

由于水力裂缝的延伸受天然断层或裂缝影响显著，在研究岩性对水力裂缝延伸的控制作用的同时，必须同时研究天然断层或裂缝的分布以区分水力裂缝的延伸是受岩性、天然断层或裂缝单一因素影响还是同时受两者的影响.蚂蚁追踪的结果被用来识别储层中存在的天然断层.研究中，利用蚂蚁追踪技术在三维地震数据体上追踪并检测出水平井压裂目的层附近的小断层，并从中提取了小断层分布平面图.蚂蚁追踪算法被用来计算并生成断层属性体，步骤包括数据预处理、边缘探测和蚂蚁追踪.预处理步骤将保存断层边缘特征的平滑算子应用到原始数据体上以增强反射轴的连续性，同时保存与断层响应相对应的不连续同相轴.边缘探测用来提取代表地震图像中不连续性质的特征.然而，这一过程不仅会探测到断层的不连续性，也将会探测到包括河道边界、采集脚印、反射轴振幅变化和许多其它使反射轴不连续的特征.蚂蚁追踪算法在边缘探测体内提取出仅代表断层的特征.这一算法模拟自然界中蚂蚁的觅食行为而产生，主要通过称为人工蚂蚁的智能群体之间的信息传递来达到寻优的目的，使蚂蚁总是偏向于选择信息素浓的路径，通过信息量的不断更新最终收敛于最优路径上(史军，2009； 张欣，2010).运用在地震勘探领域，我们在边缘探测体(相干体、方差体)中播撒大量的电子蚂蚁，同时设置断裂条件，某单个蚂蚁沿满足条件处追踪，同时释放信息素，吸引其他蚂蚁沿其追踪，并进行标注，直到不满足条件为止.蚂蚁追踪的最终结果为仅仅与类似断层特征相对应的地震属性体(图 2，黑色线性特征代表天然断层或裂缝).

图 2 蚂蚁体沿层时间切片预测天然断层或裂缝分布 Fig. 2 Stratal slice derived from ant-tracking volume to predict the distribution of natural faults or fractures
4 微地震监测 4.1 数据采集

AP1井实施了水平井多段多簇体积切割压裂.压裂施工设计为8段.用于采集微地震信号的地面检波器排列由24个埋置于地表(约2 m深)的三分量数字检波器组成(图 3，黄色大头针代表地面检波器位置；红色实线代表水平井轨迹在地面的投影).离井口最近的检波器距井口超过1 km以避免井场压裂车发动机、泵以及发电机的噪音干扰(Birkelo et al., 2011)；离井口最远的检波器距井口不超过3 km，因为微地震信号的传播超过这个距离后会严重衰减以至无法到达地面埋置的检波器.

图 3 地面检波器排列

Fig. 3 Surface geophone array

4.2 数据处理

首先，检查每个检波器所记录的三个分量的地震道的数据质量.如果出现缺道、坏道或噪声过大等现象，将此检波器数据直接剔除；有效的地震道将进一步剔除明显噪声，并作1~45 Hz带通滤波.高截频率选择45 Hz主要是为了消除井场发电机的50 Hz固频噪声.

数据处理中最关键的步骤是将包含微地震信号信息的波场分量与地面产生的噪声尤其是人工噪声相互分离(Hanssen and Bussat， 2008).地面噪声源包括：汽车、钻井作业、压裂、管道、气体压缩机、油气井生产装备、风(Birkelo，et al.，2011).这些噪声按照频率带宽可大致分为2类：

(1)宽频瞬变噪声，由交通、动物、爆炸或物体坠落产生；

(2)窄频稳定噪声源，由机器、流水或建筑、桥梁结构化共振产生(Vaidya，2009). 4.3 震源定位

本研究利用地震发射层析成像(Seismic Emission Tomography)技术进行微地震震源定位.这一技术核心算法是“Semblance”叠加，最常用的“Semblance”叠加(Sheriff，1991)为

其中：S(k)是Semblance系数，是使用M个人工勘探中的大量阵排列的垂直分量道在有N个样点的时间窗口内对空间第k点的相关性的测量; fij 为第i道的第j个样点记录，i= 1，2，…，M和j = 1，2，…，N ; F 为适当的归一化因子.

地震发射层析成像(Seismic Emission Tomography)技术通过扫描微地震信号所代表的破裂能量以区别背景噪音和破裂有效信号能量分布；同时，通过叠加有效信号，随机背景噪音将被削弱，破裂能量将被加强，最后输出代表岩层破裂和水力裂缝形成的微震事件点分布图(图 4，不同颜色点代表不同压裂段的微地震事件；点的大小代微震事件震级的大小)(Kiselevitch et al., 1991；Lakings et al., 2006；叶根喜等，2008；沈琛等，2009).

图 4 微地震事件点分布三维视图

Fig. 4 3D visualization of microseismic events
5 结果和讨论

AP1井水力压裂地面微地震监测结果表明各压裂段的水力裂缝长度、方向以及微地震事件数量有较大的差异.这些差异可由GR反演结果和蚂蚁追踪结果标定.

图 5为微地震事件点、沿层断层属性和GR反演沿层属性叠合图，其中不同颜色点代表不同压裂段的微地震事件；黑色线性特征代表小断层或裂缝；背景彩色为GR反演结果，红黄色代表砂岩，蓝色代表泥岩.这表明水力压裂诱发的水力裂缝网络更倾向于在砂岩中发育，尤其是水平井轨迹右侧，天然断层或裂缝不发育，而微地震事件点的分布与砂、泥岩分布界线吻合，表明储层岩性对水力裂缝的延伸影响显著，砂、泥岩界面是水力裂缝延伸的终点(图 6a).

图 5 微地震事件点、沿层断层属性和GR反演沿层属性叠合图

Fig. 5 Overlay of microseismic events，fault attribute and GR inversion attribute on stratal slice

图 6 岩性非均质性对水力裂缝延伸的影响模式

Fig. 6 Influence on hydraulic fracture propagation by lithological heterogeneity

而图 5中，第六段的微地震事件点(棕色)沿北西方向延伸较远，水力裂缝长度比其它压裂段水力裂缝都长，但在水平井轨迹左侧的红色箭头指示的小断层处终止.一方面是由于此压裂段在水平井轨迹左侧砂岩比较发育，水力裂缝可以在砂岩中延伸较远；另一方面由于红色箭头指示的小断层走向与水平井轨迹近乎垂直，形成阻碍水力裂缝延伸的压裂屏障，使水力裂缝的延伸在此处终止(图 6b). 6 结 论

综上所述，储层岩性和天然断层或裂缝均影响水力裂缝的延伸.在天然断层或裂缝不发育的区域，储层岩性对水力裂缝的延伸具有主导控制作用，由于砂岩具有比泥岩更好的脆性，水力裂缝的延伸将被限定在砂岩分布区域内；在天然断层或裂缝发育区，储层岩性和天然断层或裂缝均影响水力裂缝的延伸，水力裂缝在砂岩分布区延伸时，如果存在与水平井轨迹平行或近乎平行的天然断层或裂缝，天然断层或裂缝将成为压裂屏障，阻止水力裂缝的继续延伸.

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