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        地震監測

        用微地震法監測壓裂裂縫轉向過程

        發布日期:2015-05-07 11:02    瀏覽次數:

        劉繼民1 , 劉建中2 , 劉志鵬1 , 朱鋼芹1 , 王立峰1
        ( 1. 中國石油大慶油田采油十廠; 2. 中國石油勘探開發研究院)
        摘要: 應用微地震法, 全程監測松遼盆地朝陽溝油田3 口井、7 個層( 次) 的壓裂施工過程, 監測結果與油田生產動態相符,取得了成功。監測中發現了有代表性的3 種形式的裂縫轉向機制: ¹ 對于不同因素控制的不同走向的兩條裂縫, 分別壓開轉向效果最明顯; 對于同一因素控制下的裂縫, 盡管初裂縫走向不同, 但裂縫在延伸過程中仍轉回原來的方向, 由于起點不同, 二者只是平行, 并不一定重合; » 同一因素控制下的裂縫也可能出現小角度轉向, 由于偏離的方向小, 受到的轉回原來方向的約束力也小, 可以出現較長的、不同走向新縫。其中, 以壓開不同控制因素下的兩條裂縫效果最好?偨Y監測結果, 得出判定裂縫發生轉向的3 個標準: ¹ 監測到的裂縫走向、形態不同; º 第二次壓裂的破裂壓力應比第一次壓裂的破裂壓力顯著升高; » 新裂縫與原來的裂縫不是同一條縫, 觀測到的裂縫高度也會有所差別。這些標準與實際情況十分吻合。圖4 表2 參5
        關鍵詞: 微地震監測; 壓裂轉向實驗; 裂縫轉向機制; 裂縫轉向判定標準
        中圖分類號: P631. 414; TE357 文獻標識碼: A
        老油田經過多年開采, 老井原有的人工壓裂裂縫幾乎沒有可供挖掘的生產潛能, 只有在老井壓出新縫,擴大人工裂縫的掃油面積, 才能提高生產效益。近年來國內外多個油公司采用新的壓裂技術、施工方案、觀測方法, 研究壓裂形成新裂縫的機制和可能性[ 1] 。大慶油田采油十廠于2003 年7 月在朝陽溝油田進行了3口井、7 個層次壓裂形成新裂縫的實驗研究, 結果有70%的層形成新裂縫, 增產效益明顯。
        1 壓裂及觀測技術
        壓裂時, 先用清水壓開老裂縫, 不加砂, 一發現井底已形成穩定的壓裂液外流, 即投入暫堵劑, 堵住所有與老裂縫相連的射孔。再壓裂, 迫使壓裂液通過新的射孔, 在井壁上形成新的裂縫起點, 形成新裂縫后加砂。實際壓裂施工的加壓過程分為兩段, 前一段為張開老裂縫, 后一段為壓開新裂縫( 見圖1) 。

        圖1 朝572楊125 井第一層轉向壓裂施工曲線
        理論上, 老裂縫應分布在最易形成裂縫的方向。多數老裂縫分布在最大水平主應力方向, 新裂縫則應沿偏離老裂縫的方向延伸, 延伸過程中應該轉回老裂縫的延伸方向。為了研究裂縫轉向機制, 施工中采用了近年來國際上廣泛應用的微地震技術進行監測[ 2] , 監測采用6 分站、模擬傳輸、實時定位系統,微地震檢波器放置在壓裂井周圍的地面, 由計算機直接給出壓裂中形成的微地震震源空間分布, 根據震源空間分布描述新、老裂縫的延伸方向、幾何形態[ 3, 4] 。由于整個施工過程中觀測臺站位置不變、地層不變, 二次壓裂的觀測誤差是系統性的, 盡管監測的絕對誤差較大, 但對二次施工的方位、高度的變化則有很高的分辨率。
        2 裂縫轉向實驗觀測結果
        整體實驗結果見表1, 壓裂3 口井、7 個層, 每層壓裂兩次。有5 個層發現第二次壓裂的新縫轉向。
        表1 壓裂裂縫轉向實驗觀測結果統計表

        圖2、圖3、圖4 是典型的微地震監測實例, 表現出3 種不同的新裂縫形成機制。由這些圖可以看出新、老裂縫的差別以及新裂縫的延伸過程。

        圖2 朝572楊125 井第一層兩次壓裂裂縫轉向微地震監測結果

        圖3 朝752105 井第二層兩次壓裂裂縫轉向微地震監測結果

        圖4 朝462126 井第一層兩次壓裂裂縫轉向微地震監測結果
        由朝572楊125 井第一層壓裂裂縫轉向的微地震監測結果( 見圖2) 可見, 第一次壓裂只有北西向裂縫;第二次壓裂出現明顯的北東向裂縫。兩次壓裂形成了不同因素控制下的兩條縫, 一條是由原地應力場控制的裂縫, 另一條是由原生裂隙帶控制的裂縫, 二者高度差別為3. 3m。由于二者不相關, 應該有最好的增產效果, 事實上該井增產原油超過10t。該層第一次壓裂的井口壓力是28MPa, 排量2m3 / min; 第二次壓裂的井口壓力是33MPa, 排量2. 5 m3 / min。第二次壓裂的峰值壓力比第一次的峰值壓力大5MPa。
        由朝752105 井第二層兩次壓裂裂縫轉向的微地震監測結果( 見圖3) 可見, 兩次壓裂的人工裂縫方位有近2b的變化, 為北西87. 8b和北西89. 7b; 裂縫的高度差別也很大, 近6m。第二次監測結果相對第一次監觀測結果有左旋趨勢, 但在細節上有很多相似之處, 是同一控制條件下的裂縫轉向; 這表明, 該層的兩次壓裂出現了可以觀測到的人工裂縫轉向, 由于轉向角度很小, 約束轉回原來的方向的力也很小, 新裂縫保持直線延伸。兩次壓裂破裂壓力的差別很大, 第二次壓裂破裂壓力比第一次明顯增高。該層第一次壓裂的井口峰值壓力是26MPa, 排量2m3 / min; 第二次壓裂的井口峰值壓力是39MPa, 排量2. 5m3 / min。
        朝462126 井第一層兩次壓裂人工裂縫方位分別為北東49b和北東71. 3b, 有近20b的變化。仔細觀察兩次壓裂裂縫轉向的微地震監測結果( 見圖4) 可以看出, 第二次壓裂, 東翼近井人工裂縫近東西走向, 裂縫長度近50m, 然后左旋轉向第一次壓裂裂縫的方向, 出現明顯的典型裂縫轉向過程, 第二次監測結果相對第一次監測結果, 不僅東翼初裂縫不重合, 轉向后的裂縫也不重合, 后者有明顯的裂縫轉向過程, 轉向后的裂縫與第一次壓裂形成的裂縫走向大體一致, 二者的裂縫高度差近2m。這表明, 壓裂形成同一因素控制下的新裂縫若與原來的裂縫夾角較大, 裂縫在延伸過程中將轉回原來的延伸方向, 但不一定和原來的裂縫重合, 這可能是轉向壓裂可以增產的原因。該層第一次壓裂的井口峰值壓力是22MPa, 排量2m3 / min; 第二次壓裂的井口峰值壓力是32MPa, 排量2. 8m3 / min, 壓力升高10MPa。
        3 新裂縫延伸機制分析
        形成新縫的常見機制是形成同一因素控制下的新縫, 這一控制因素多為原地應力場。由于與老縫相連的射孔被堵住, 壓裂液必然通過其它射孔作用在井壁上, 在比形成老縫更高的破裂壓力下形成新的初裂縫。其力學機制可表示為:cos2( $U) \ 1 - ( Tc - T ) / ( S1 - S2 ) ( 1)式中 $U) ) ) 新裂縫偏離最大水平主應力方向的最大角度, (b) ; Tc ) ) ) 最大水平主應力方向處的巖石抗張強度, MPa; T ) ) ) 井壁形成新裂縫處的巖石抗張強度,MPa; S1 - S2 ) ) ) 差異應力, MPa。由( 1) 式可以看出, 新裂縫偏離最大水平主應力方向的最大角度$U與測點的差異應力正相關, 差異應力越大, ( 1) 式右側第二項的值越小, ( 1) 式右側的值越接近1, 偏差角度也小。如果差異應力很小, 新老裂縫的夾角就可能很大。大慶油田油層相對淺, 水平差異應力較小, 有利于壓裂裂縫轉向施工。裂縫延伸必然受到原地應力場的影響與控制, 其控制強度可表示為[ 5] :sinW[ ( R1 - R2 ) sin( 2U) / pU ( 2)式中 pU ) ) ) 裂縫中有效壓裂壓力, MPa; R1 , R2 ) ) ) 裂縫面上的最大、最小有效水平主應力, MPa; W) ) ) 開裂角, 即開裂方向與裂縫面的夾角, (b) ; U) ) ) 裂縫面與最大水平主應力方向的夾角, (b) 。
        可以看出, 差異應力越大, 應力對裂縫延伸過程的控制越強。U角小, 則開裂角也小。由( 2) 式可以判斷,若形成與老裂縫相同控制因素下的新裂縫, 有2 種延伸機制: ¹ 新縫與老縫的夾角很小, 如朝752105 井的第二層, 新、老裂縫的差別僅2b。由于差別較小, 約束裂縫轉回原來方向的力也小, 開裂角也小, 新縫始終保持直線延伸( 見圖3) 。º 新縫與老縫夾角較大, 如朝462126 井, 差別近20b, 約束裂縫轉回原來方向的力也大,出現了典型的裂縫轉向, 裂縫轉回最大水平主應力方向( 見圖4) 。形成新縫的另一個重要機制是壓開不同因素控制的新縫, 有些井的人工裂縫方向可由應力場和原生裂隙帶控制。老裂縫由其中一個控制因素, 若能再壓開另一個因素控制的裂縫, 由于兩個裂縫互不相關, 則會取得最好的生產效益。圖2 給出了這一過
        程, 第一次壓裂主要為北西向裂縫, 第二次壓裂則出現了北東向裂縫。實際上, 朝572楊125 井第一層日增產原油10t, 取得了明顯的經濟效益。由于新、老裂縫不是一條縫, 其高度也會有明顯的差別( 見表2) 。
        總結分析觀測結果, 認為在現有監測條件下判別是否形成新裂縫可據3 個標準: ¹ 破裂壓力明顯升高;º 裂縫方位有大于1b的變化; » 觀測裂縫的高度差別不小于1m。由該標準判斷形成了新裂縫的層位油產量均有明顯增加( 見表2) ,F場其它跡象也表明形成了新裂縫。因此可以認為, 該判別標準是可信的。
        4 結語
        在大慶朝陽溝油田實施的壓裂裂縫轉向觀測實驗中, 采用微地震方法監測整個施工過程, 總結出壓裂形成新裂縫的機制、新裂縫形態、形成新裂縫的判別標準, 為繼續開展轉向壓裂施工和監測提供了重要參考。
        參考文獻:
        [ 1] 劉建中, 王秀娟, 孫玉玲. 人工壓裂形成多裂縫的可能性研究[ J] .石油勘探與開發, 2002, 29( 3) : 1042106.
        [ 2] 劉建中, 王春耘, 劉繼民, 等. 用微地震方法監測油田生產動態[ J] .石油勘探與開發, 2004, 31( 2) : 71273.
        [ 3] Philips W S, Rut ledg e J T, Faiban ks T D, et al. Reservoir fractu remappin g using microearthquak es: Two oilfield cas e studies [ A] .SPE 36651, 1998.
        [ 4] 劉建中. 油田應力測量[M] . 北京: 地震出版社, 1993. 1062110.
        [ 5] 劉建中. 油田應力測量[M] . 北京: 地震出版社, 1993.第一作者簡介: 劉繼民( 19712 ) , 男, 黑龍江大慶人, 大慶油田采油十廠工程師, 主要從事采油工程及科研管理工作。地址: 黑龍江省大慶市,大慶油田采油十廠工程技術大隊, 郵政編碼: 166405; 電話: ( 0459 )4391602。
        收稿日期: 2004202203 修回日期: 20042 11214
        ( 編輯、繪圖 唐金華)
         
        (責任編輯:admin)
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