2019, Vol. 40
2. 中国石化胜利油田分公司 石油工程技术研究院, 山东 东营 257000
2. Institute of Petroleum Engineering, Shengli Oil Field Company, SINOPEC, Dongying 257000, China
水力压裂技术是一项提高低渗透油田采油率的重要技术[1], 是利用高压液体(水、细沙、胶黏剂等混合物)克服地应力及岩层强度, 使岩层破裂产生裂缝[2].
当岩层破坏时积蓄在岩层中的应变能会释放并向外传播弹性波, 这种现象叫做微(地)震[3].利用微震监测系统可以对微震波进行采集及分析, 进而获得压裂裂缝的特征，帮助评价压裂效果[4].
起初, 由于现场监测方法的限制, 对水力压裂裂缝的研究集中在理论分析、数值模拟[5]以及室内试验这三方面上.随着微震监测观测装备的进步和处理技术的发展, 微震数据的质量得到提高并促使对现场压裂裂纹发展过程、形成机制的研究方法不断完善[6].Aminzadeh等[7]通过模糊聚类方法分析了美国Geysers地热田水力压裂过程中裂缝网随时间的迁移路径；Eaton等[8]分析了加拿大一处地下1 950 m深的水平井水力压裂过程中诱发的微震信号, 根据频谱特征发现裂纹的形成机制以张拉为主.然而截至目前, 水力压裂裂缝形成及扩展的力学机理尚未被完全理解[9].因此, 如何更好地基于微震波监测数据, 开展震源机制反演、震源破裂过程分析等深层次的研究, 是研究的重点及难点.
本文结合胜利油田花古6井压裂过程中的微震监测结果, 利用建立的裂纹延伸路径分析方法及矩张量分析方法分析裂缝延伸的时空过程及成缝机理.
1 工程概况花古6井位于山东省高青县花沟镇花魏村东约770 m, 为济阳坳陷青城凸起西南部地垒高点.该井于2016年9月19日开钻, 同年12月2日完井, 完井垂直深度3 167.71 m.储油层为常压低渗透荧光石英砂岩.压裂过程中采用速溶型低浓度瓜胶压裂液体系及变黏度多尺度充填技术:低黏液造分支裂缝; 中黏液增加分支裂缝宽度, 加强与主裂缝通道连通性; 高黏胶液高砂比加砂, 保持主裂缝高导流通道.
为了评价压裂效果, 利用15个全内置式地面微地震监测台站在地面建立了“十字形”的微震监测系统(图 1).截取2017年2月13日台站采集到的波形进行滤波去噪、拾取到时、定位及计算震源参数等数据处理, 作为本文压裂裂纹时空演化过程及产生机理分析的基础数据.
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图 1 “十字形”微震监测台站布置示意图 Fig.1 "Cruciform" microseismic monitoring stations layout |
本文利用裂纹延伸路径分析方法及矩张量分析方法对压裂过程中裂纹的产生机理及裂纹扩展过程进行分析.
2.1 裂纹延伸路径分析方法按照微震事件出现的时间先后顺序及空间距离, 再现压裂裂缝的延伸路径，其过程如下:①连接射孔点及事件1;②计算事件2与事件1的距离, 及事件1, 2与射孔点连线的夹角, 若夹角>120°, 则连接射孔点及事件2, 若夹角 < 120°, 则连接事件1及事件2;直到>120°后不需再判断; ③计算事件3与事件1, 2间的距离并连接最短距离.由于花古6井的射孔相位角为180°, 故采用120°来区分初始的微震事件是由哪一侧的射孔诱发.以一侧射孔诱发的微震事件为例, 按照以上方法再现的压裂裂纹延伸路径示意图如图 2所示.
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图 2 压裂裂纹延伸路径示意图 Fig.2 Schematic diagram of the fracture extension path |
将地震震源力矩模型以二阶张量的形式表示.根据Ohtsu的理论[10], 经过远场近似, 只考虑P波初动振幅, 将震源简化为激冲函数模型, 忽略时间项, 信号的初动振幅A(x)可以写成
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(1) |
式中:A(x)为传感器P波信号初动振幅; Cs为传感器响应系数, 其包含了传感器自身固有属性与波导介质的材料特性; R为震源至接收点的距离; Re(t, r)为考虑传感器朝向t与射线传播路径方向(震源与接收点连线方向)r的反射修正系数.
式(1)仅考虑了几何衰减.工程尺度上, 必须考虑岩体的黏性对波的吸收衰减, 需要将式(1)修正为
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(2) |
式中:Q为岩体P波品质因子; vp为P波波速; f为频率成分, 当传播距离较大时, 可以将f用波拐角频率或主频替代.
当用于矩张量反演的微震事件传感器触发数大于6时, 式(2)可利用最小二乘法很容易计算出震源矩张量mpq.要进一步解译震源力学特性, 需要对矩张量进行分解.矩张量的分解有多种方法, 本文采用常规分解方法, 将其分解为各向同性成分(ISO)、双力偶成分(DC)与补偿线性矢量偶极(CLVD)部分:
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(3) |
式中, M1，M2，M3为mpq的三个特征值, 表示最大力偶, 其对应的三个本征矢量e1, e2, e3表示最大力偶方向, 且M1>M2>M3.MISO表示震源区域的体积膨胀或塌缩, MDC表示震源剪切位错.由于大部分研究将震源破裂模型等效为双力偶, 即纯剪切模型, 因此用MDC成分所占比例X来判断破裂源的剪切程度.设Z为各项同性张拉成分MISO所占比例, Y为补偿项MCLVD所占比例, 由式(3)可得
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(4) |
当X>80%时, 判断震源为剪切破坏; 当80%≥X≥50%时, 判断震源为介于剪切与张拉间的混合型破坏; 当X < 50%时为张拉破坏.同时, 破裂面法向n与位错方向l与本征向量之间关系可以表示为
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(5) |
纯剪切源位错情况下, n与l呈垂直关系; 纯张拉时, n与l呈平行关系.
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图 3 不同破裂类型示意图 Fig.3 Schematic diagram of different fracture types (a)—张拉破裂；(b)—剪切破裂；(c)—混合破裂. |
2017年2月13日13:30~15:20间裂纹的动态发展过程如图 4所示, 图中红色路径表示当前时段内新增的裂纹延伸路径, 青色路径表示初始及当前时段之前的裂纹延伸路径.
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图 4 裂纹延伸路径的动态发展过程(俯视图) Fig.4 Development of fracture extension path(planform) (a)—13:30-13:41高黏液；(b)—13:41-14:25低黏液；(c)—14:25-14:55中黏液；(d)—14:55-15:20高黏液. |
第一次注入高黏液过程中, 在射孔点附近形成了一些延伸路径较短的裂缝, 但在远离射孔点的区域延伸路径则较长且裂缝网中存在大面积的无裂纹延伸区域(图 4a), 由于注入高黏液的主要目的是保持主裂缝的宽度以保证其导流能力, 因此在该过程中未形成高密度的裂缝网是完全可以接受的.
在注入低黏液过程中, 裂纹的延伸路径以短程为主、具有十分明显的分叉特征, 裂缝网的密度及分布范围均显著增加, 裂缝网形状趋于圆形且裂缝网中无裂纹延伸区域面积明显变小(图 4b), 这说明注入低黏液过程中形成了大量分支裂缝, 达到了较好的压裂效果.
在注入中黏液过程中, 新生的裂缝数量少于低黏液, 除压裂范围北边界处存在2条十分明显的向外延伸裂纹, 多数裂纹的延伸路径仍为短程(图 4c), 因为注入中黏液的主要目的为增加分支裂缝宽度, 所以该过程中新生的裂纹也大多始于低黏液注入期间产生的分支裂纹端部.
由于大量分支裂缝已经形成, 所以当为保持主裂缝的宽度再次注入高黏液时, 新生裂纹数量已明显减少(图 4d).
由以上分析可以发现, 注入不同黏度的液体时, 裂纹的时空演化过程表现出了不同的特征.这既符合不同黏液的注入目的, 又验证了不同黏液的注入效果.
3.2 微震事件震源机制的时空演化过程2017年2月13日13:30~15:20期间不同黏液注入情况下微震事件的震源机制时空演化过程如图 5所示.图中圆盘的位置为定位微震事件所在的空间位置, 圆盘的大小表示微震事件破裂尺度的大小, 不同的颜色表示不同的破裂机制, 蓝色为剪切破坏, 红色为张拉破坏, 绿色为混合破坏.
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图 5 不同黏液注入情况下微震事件的震源机制演化过程 Fig.5 Evolution of the focal mechanism of microseismic events under different viscidity liquid injection (a)—13:30-13:41高黏液；(b)—13:41-14:25低黏液；(c)—14:25-14:55中黏液；(d)—14:55-15:20高黏液. |
在所有微震事件中, 剪切破裂源为256个、占总事件数的89.5%, 张拉破坏源及混合破裂源均为15个、分别占总事件数的5.25%.
低黏液注入期间产生微震事件134个, 其中剪切破裂源122个, 占该期间内总事件数的91%, 略高于平均水平(图 5b).中黏液注入期间产生微震事件56个, 其中剪切破裂源50个, 占该期间内总事件数的89.3%, 略低于平均水平(图 5c).高黏液注入期间定位微震事件96个, 其中剪切破裂源84个, 占该期间内总事件数的87.5%, 略低于平均水平(图 5a、图 5d).通过以上数据可以发现:不同的黏液注入对微震事件的震源机制, 即水压致裂的裂纹破裂类型影响不大, 可认为裂纹破裂类型与液体的黏性无关.
张拉型裂纹占比低、剪切型裂纹占比高这一现象与绝大多数文献及报告中记载的监测井微震分析结果相符, 但实验室尺度下水压致裂的物理模型实验分析结果表明水压致裂产生的裂纹主要为张拉型, 两种尺度下观测到完全相反的物理现象, 其原因:
1) 从地应力对深部岩体破裂类型的影响来看, 三向压应力作用下岩石的破裂模式多为剪切破裂, 这已被大量的室内实验所证实并成为学者们的共识.一般来说, 地下深部受到较高的三向压应力作用, 高压注液难以克服地应力岩体本身的抗拉强度使深部岩体出现拉破坏.
2) 从水对岩石强度的影响来看, 浆液被压入岩体的原生节理裂隙中, 通过水的润滑作用可以降低节理裂隙两侧岩石间的摩擦系数, 诱发节理裂隙两侧岩石的滑移, 产生剪切破裂.
3) 张拉破裂形成的物理过程主要为原先为一连续体的岩石介质在应力作用下相互分离, 基本无摩擦现象且张拉裂纹一般不贯穿岩石颗粒, 故释放的能量较小, 微震信号的幅值较低.而剪切破裂形成的物理过程不仅包括原先为一连续体的岩石介质在应力作用下相互分离现象, 还包括已形成不连续面的两侧岩石介质进行相对运动, 即摩擦现象.并且在剪切裂纹经过的路径上常见被贯穿的岩石颗粒, 故释放的能量较大, 微震信号的幅值较高.在同等技术条件下, 剪切破裂释放的微震信号更容易被识别到.
4) 从传播介质对微震波的衰减效应来看, 张拉破裂诱发的微震信号频率较高, 剪切破裂诱发的微震信号频率较低, 信号频率越高在传播过程中衰减得越快, 所以当张拉破裂诱发的微震波经过几千米的路程传播到地表传感器所在位置时, 其信号常衰减至与环境噪声相同水平, 极低的信噪比使其难以被分辨出来.岩性相同的条件下, 传播路程直接决定了波的衰减程度, 衰减效应也是引起现场大尺度及实验室内小尺度下观测到不同物理现象的最主要原因.
其中第1)，2)项因素为影响震源机制的本质因素, 而第3)，4)项为间接因素, 是通过影响微震波的强弱来影响采集及分析结果.基于以上分析, 可以发现以剪切破裂为主的破裂机制是符合实际情况的, 但由于较低的能量及较强的干扰导致张拉破裂诱发的微震波难以被监测和识别到, 影响了拉伸剪切破裂占比的准确性(这里暂不考虑分析方法的影响因素).也正是由于该原因, 花古6井水压致裂过程中拉伸破裂的真实占比应略高于5.25%, 但真实占比无法通过微震监测的方法直接获得.
4 结论1) 花古6井压裂过程中不同黏度液体注入时, 裂纹的时空演化过程具有不同特征.以保持主裂缝宽度为目的注入高黏液会在储层形成裂纹密度较低的缝网.以制造分支裂缝为目的注入低黏液会在储层形成以延伸路径短、分叉明显、密度高、范围大为特征的缝网.以增加分支裂缝宽度为目的注入中黏液会在储层形成一些始于分支裂缝端部的裂纹.
2) 花古6井压裂裂缝的破裂类型以剪切破裂为主(占比89.5%), 并且破裂类型占比不受液体黏性的影响.剪切型裂纹占比高这一现象产生的原因可归结为高地应力、水的润滑作用、张拉破裂释放能量小且衰减效应明显这4个因素.
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