水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)儀器概述

趙小充雷月蓮李 佳

(1.中石油川慶鉆探長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司 陜西西安) (2.中石油長(zhǎng)慶油田勘探開發(fā)研究院 陜西西安)(3.中石油長(zhǎng)慶油田工程建設(shè)監(jiān)理公司 陜西西安)

水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)儀器概述

趙小充1雷月蓮2李 佳3

(1.中石油川慶鉆探長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司 陜西西安) (2.中石油長(zhǎng)慶油田勘探開發(fā)研究院 陜西西安)(3.中石油長(zhǎng)慶油田工程建設(shè)監(jiān)理公司 陜西西安)

水力壓裂效果評(píng)價(jià)在優(yōu)化低滲油氣田開發(fā)方面具有重要的作用。文章對(duì)國(guó)外主要生產(chǎn)家的最新裂縫監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行了系統(tǒng)歸納、描述,分析了其原理、性能和特點(diǎn)。

水力壓裂;裂縫;監(jiān)測(cè);技術(shù);現(xiàn)狀

0 引 言

國(guó)內(nèi)外水力壓裂裂縫監(jiān)測(cè)分為地面監(jiān)測(cè)和井下監(jiān)測(cè);測(cè)試方法分成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試;裂縫信息捕捉形式分為聲波和位移。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試包括非定向巖心波速的各向異性、古地磁等測(cè)試,綜合分析各測(cè)試結(jié)果,最后確定巖心主應(yīng)力大小和方向。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分為直接測(cè)試和間接測(cè)試;間接法包括裂縫模擬(凈壓力分析)、試井、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析等方法;直接法包括:近井地帶直接法和遠(yuǎn)場(chǎng)直接法兩種。目前國(guó)內(nèi)外用于裂縫監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)的儀器種類較多,在儀器性能方面各具特點(diǎn),各有所長(zhǎng)。

1 近井筒地帶裂縫診斷技術(shù)

近井地帶裂縫直接測(cè)試方法主要包括放射性示蹤劑測(cè)試法、井溫測(cè)井、井眼成像測(cè)井、井下電視成像、井徑測(cè)井等。放射性示蹤劑測(cè)試法可以估計(jì)壓裂裂縫的高度、寬度、方位及傾角,不能估計(jì)裂縫長(zhǎng)度,而且探測(cè)深度只有0.3 m～0.6 m,測(cè)試的裂縫高度比實(shí)際的偏低。井溫測(cè)井可以估計(jì)井眼較近范圍的裂縫高度,但是要求壓裂后較短時(shí)期內(nèi)進(jìn)行,所測(cè)裂縫高度比實(shí)際的偏低。井眼成像測(cè)井、井下電視成像、井徑測(cè)井等對(duì)測(cè)試井的現(xiàn)場(chǎng)施工條件要求較高,一般不太常用。

近年來(lái)過(guò)套管交叉偶極橫波測(cè)井技術(shù)在長(zhǎng)慶氣田應(yīng)用較多。其原理是采用了偶極聲源,其產(chǎn)生的剪切波具有頻散特征,低頻時(shí)其傳播速度與地層橫波相同,可以從剪切繞曲波得到橫波。交叉偶極橫波測(cè)井儀有兩個(gè)正交發(fā)射器,沿兩個(gè)相互垂直的方向,向地層發(fā)射壓力脈沖,通過(guò)兩列接收波形的時(shí)間差和相位差,可以判斷地層的各向異性,并評(píng)價(jià)垂直裂縫和地應(yīng)力狀態(tài)。

2 遠(yuǎn)場(chǎng)井筒地帶裂縫診斷技術(shù)

2.1 地面測(cè)斜儀

采用高靈敏度測(cè)斜儀器通過(guò)監(jiān)測(cè)壓裂對(duì)大地造成的變形,借助地球物理反演法來(lái)確定裂縫方位、傾角及產(chǎn)狀。儀器探棒直徑60.5 mm,長(zhǎng)762 mm,安置在施工井周圍的淺井中(3 m～12 m),淺井與壓裂井的距離取決于壓裂層的深度,一般為90 m～1 000 m[1]。地面傾斜裂縫繪圖技術(shù)原理簡(jiǎn)單,能夠可靠地確定幾個(gè)主要裂縫參數(shù),如裂縫方位角、傾角及較低精度的距裂縫中心深度、裂縫不對(duì)稱發(fā)育引起裂縫偏移。目前所進(jìn)行的地面傾斜裂縫測(cè)繪深度淺至6 m,深達(dá)3 600 m以上[2、3]。

2.2 鄰井測(cè)斜儀

自1997年起,開始利用鋼絲電纜將線性排列的井下傾斜儀(通常8-5只測(cè)斜儀)放置在一口或多口鄰井中,接近壓裂層深度。由于傾斜儀分布于壓裂處理層段深度,與地面傾斜儀相比通常更加靠近裂縫(30 m～900 m),所以能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)繪裂縫尺寸,并且實(shí)時(shí)測(cè)定隨時(shí)間變化的裂縫高度、長(zhǎng)度和寬度[4、5]。

2.3 壓裂井測(cè)斜儀

通常采用3-20只井下測(cè)斜儀排列組合,在壓裂施工開泵之前入井;工具串外徑依靠磁性扶正器與井筒耦合,一般可以覆蓋整個(gè)處理層段;在有些情況下,僅在預(yù)期可能會(huì)把理想裂縫層段與水層或氣頂隔離開的裂縫阻擋層放置少量測(cè)斜儀;儀器串上每只測(cè)斜儀可以對(duì)無(wú)支掌劑壓裂作業(yè)(微型壓裂、清水壓裂或酸壓)和人工誘導(dǎo)傾斜進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,通過(guò)常規(guī)單芯電纜傳輸?shù)降孛?用實(shí)時(shí)測(cè)得的縫高數(shù)據(jù)建立裂縫模型,并對(duì)作為實(shí)際施工參數(shù)函數(shù)的裂縫幾何形狀進(jìn)行回放[6]。如果隨后緊接加砂壓裂,那么在開泵之前可以起出儀器串,而前面微型壓裂期間創(chuàng)建的模型,在加砂壓裂施工時(shí),用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行施工評(píng)價(jià)和量化分析;在有些情況下,測(cè)斜儀也可以滯留在井筒里對(duì)加砂壓裂作業(yè)進(jìn)行繪圖監(jiān)測(cè)。

2.4 井下微地震成像

該技術(shù)采用鎧裝光纜將三分量實(shí)時(shí)采集檢波器以大級(jí)距的排列方式、多極布放在壓裂井旁的一個(gè)鄰近井井底對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層深度,通過(guò)監(jiān)測(cè)裂縫端部巖石的張性破裂和濾失區(qū)的微裂隙的剪切滑動(dòng)造成的微地震信號(hào),經(jīng)過(guò)資料處理得出裂縫方位、高度、長(zhǎng)度、不對(duì)稱性和延伸范圍等方面的空間展布特征。

2.5 地面電位法

通常使用有源大地電位法。即在壓裂施工過(guò)程中,如果所用的壓裂液相對(duì)于地層介質(zhì)電阻率相比差異較大,這時(shí)向地層供電,由于大量壓裂液的存在將使原來(lái)地面電場(chǎng)的分布形態(tài)發(fā)生變化。在壓裂井周圍環(huán)形布置多環(huán)測(cè)量電極,并采用高精度的電位觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量壓裂前后的電位梯度變化并經(jīng)過(guò)一定的數(shù)據(jù)處理,進(jìn)行裂縫方位、長(zhǎng)度、裂縫對(duì)稱性及產(chǎn)狀的解釋。

3 目前國(guó)外裂縫檢測(cè)儀器技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外早在1962年由Biot首先提出利用微地震技術(shù)對(duì)壓裂裂縫進(jìn)行識(shí)別;1992年美國(guó)品尼高(Pinnacle)技術(shù)公司首次將微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)投入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);1997年以后逐漸進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。從目前各種檢測(cè)方法對(duì)比來(lái)看,都不同程度存在自身的優(yōu)點(diǎn)和局限性;為了準(zhǔn)確、全面進(jìn)行壓裂施工后分析、識(shí)別人工裂縫特征,需要采用先進(jìn)技術(shù)、結(jié)合多種方法、相互對(duì)比進(jìn)行綜合診斷。

3.1 ?？松梨?三軸井眼地震儀(TABS)

1)工作原理:利用聲波方法推斷水力壓裂裂縫的幾何形狀?？梢栽趬毫哑陂g直接下入施工井,也可以在一口或多口相鄰的觀測(cè)井中應(yīng)用。儀器整體設(shè)計(jì)規(guī)格不受井口防噴管限制。

2)技術(shù)特征:①TABS由一列聲波接收器組成,在儀器短節(jié)之間有“撓曲連接部件”,這種連接部件在旋轉(zhuǎn)方面是剛性的,在彎曲方面又是柔性的,使得每個(gè)夾臂能夠獨(dú)立地固定在套管上,便于接收器定向。一體式Gyrodata“速率陀螺”儀用于提供所有接收器的方向,不必使用鄰井檢驗(yàn)放炮資料確定儀器方向;②開發(fā)了遙測(cè)技術(shù),用常規(guī)7芯電纜將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至地面,具有更高的帶寬;③開發(fā)了處理注入“壓裂井口”,減輕壓裂處理期間的電纜沖蝕。

3)井下儀器:TABS儀器由3軸接收器、數(shù)據(jù)遙測(cè)短節(jié)和陀螺短節(jié)組成。接收器位于儀器的頂部、中部和底部。遙測(cè)短節(jié)位于頂部和中部接收器之間,鉆鋌定位器短節(jié)在頂部接收器之下,壓力和溫度傳感器在遙測(cè)短節(jié)的底部;陀螺短節(jié)位于中部和底部接收器之間;在儀器底部,可以使用機(jī)械彈簧偏心器或緩沖器短節(jié);儀器總長(zhǎng)度大約21 m。其關(guān)鍵部分是各短節(jié)之間的“撓曲連接部件”,是由低模量鈦質(zhì)材料制成,外徑較小,彎曲性較好;連接部件的中心有個(gè)孔,允許電子接頭間連線通過(guò)。

4)地面及井口設(shè)備:TABS地面設(shè)備由架式安裝的外殼組成,含有電子模塊、電力供應(yīng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。電纜接口電路具有標(biāo)尺和控制設(shè)備,可調(diào)節(jié)電纜長(zhǎng)度,讀取儀器的電壓和電流數(shù)據(jù);信號(hào)從接口電路傳送到位于架式安裝的PC上的數(shù)據(jù)采集板上。

3.2 法國(guó)SIMFRAC壓裂微震儀

1)儀器原理:SIMFRAC探測(cè)器儀器是一種聲波儀器,安裝有一個(gè)三軸向加速度器、壓力和溫度測(cè)量?jī)x。探測(cè)器連接在一根標(biāo)準(zhǔn)的單芯或七芯測(cè)井電纜繩下入準(zhǔn)備壓裂或注水的井中。從探測(cè)器發(fā)送的高速數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)降孛娴牟杉到y(tǒng)。在其后的流體壓裂的下降期間,SIMFRAC工具通過(guò)加速度器記錄與裂縫閉合相關(guān)的地震活動(dòng)信息,假設(shè)速度模型是已知的,通過(guò)不同的地震活動(dòng)進(jìn)行裂縫勘測(cè),根據(jù)P/S波列解釋他們的位置。用于確定水力壓裂產(chǎn)生的裂縫或已存在裂縫的方向及延伸長(zhǎng)度,尤其適用于水平井段。

2)儀器特點(diǎn):①此類工具通常使用地震檢波器或井斜儀采集信息,而該儀器使用了加速度計(jì),具有較大的帶寬,且儀器測(cè)量段安裝了隔聲系統(tǒng),能阻止因測(cè)井電纜振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械噪聲;②直接用于生產(chǎn)井,監(jiān)測(cè)生產(chǎn)井周圍的裂縫,信息更準(zhǔn)確;③電纜較細(xì),可以施加更大的壓力,不會(huì)出現(xiàn)由于泵壓造成的跳動(dòng)現(xiàn)象;④高速實(shí)時(shí)傳輸,實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù),出結(jié)果更快;⑤額定工作溫度150℃,額定壓力133 MPa、耐CO2-H2S環(huán)境。

3.3 哈利伯頓微地震成像儀(FracSeis)

該公司主要在增產(chǎn)措施井下作業(yè)技術(shù)和工具研發(fā)方面處于領(lǐng)先地位;它與品尼高(Pinnacle)公司合作開發(fā)的最新壓裂地震繪圖(Fracseis)技術(shù)正在油氣井改造評(píng)價(jià)中廣泛應(yīng)用。

1)技術(shù)原理:在儲(chǔ)層順層理面上或者在鄰近水力裂縫的天然裂縫上,通過(guò)對(duì)剪切滑脫作用產(chǎn)生的微地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)形成裂縫圖像;憑借安裝在補(bǔ)償井中預(yù)定深度的井下接收器排列組合,獲得微震活動(dòng)生成的裂縫位置;如果無(wú)法提供鄰井監(jiān)測(cè),可以直接下入施工井采集裂縫成像數(shù)據(jù)。

2)技術(shù)特點(diǎn):①鄰井測(cè)斜儀成像繪圖技術(shù)是目前業(yè)內(nèi)微地震技術(shù)領(lǐng)域唯一最具經(jīng)濟(jì)性、能直接測(cè)量水力壓裂裂縫,包括長(zhǎng)度、高度、寬度及時(shí)間的工藝技術(shù);②在增產(chǎn)改造泵送作業(yè)時(shí),當(dāng)人工誘導(dǎo)裂縫走向偏離產(chǎn)層時(shí),它具有自動(dòng)暫停的功能;③該微地震裂縫成像的結(jié)果可以校準(zhǔn)和修訂壓裂裂縫發(fā)育模型;④根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要,可隨時(shí)調(diào)整壓裂方案,達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量、優(yōu)化施工、節(jié)省成本之目的。

3.4 斯倫貝謝水力壓裂監(jiān)測(cè)儀(VSI,StimMAP)

該公司在油藏評(píng)價(jià),尤其在電纜測(cè)井及井下成像技術(shù)方面占居優(yōu)勢(shì)。2008年新近推出StimMAP Live“增產(chǎn)施工實(shí)時(shí)繪圖”技術(shù)。

1)儀器性能:采用的多用途地震成像儀(VSI)具有非常出色的向量保真度;VSI儀器放置在電纜上,每個(gè)傳感器包都應(yīng)用三軸定位技術(shù),通常配置8個(gè)傳感器包;這些傳感器設(shè)計(jì)時(shí)考慮了與整個(gè)儀器主體的聲學(xué)隔離,同時(shí)在水力壓裂監(jiān)測(cè)(HFM)作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)與套管的聲學(xué)耦合;在記錄微地震活動(dòng)信息時(shí),這種設(shè)計(jì)有助最小化噪音和最大化數(shù)據(jù)質(zhì)量;還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,對(duì)傳感器數(shù)量及其在多功能地震成像儀上的間距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2)工作原理:聲發(fā)射測(cè)量,斯倫貝謝VSI儀器采用三軸(Y,X,Z)檢波器和加速度器通過(guò)隔離彈簧實(shí)現(xiàn)與整個(gè)儀器主體的聲學(xué)隔離,可采集高保真地震數(shù)據(jù);VSI儀器通過(guò)一個(gè)強(qiáng)力錨臂實(shí)現(xiàn)與套管或地層的機(jī)械耦合;在作業(yè)之前,可利用內(nèi)部震動(dòng)器來(lái)測(cè)量耦合質(zhì)量;為了增加垂向覆蓋范圍,可以安裝多達(dá)40個(gè)傳感器包,不過(guò)通常HFM作業(yè)中一般使用8個(gè)傳感器,VSI儀器有直徑85.7 mm和63.5 mm兩種規(guī)格[8]。

3.5 美國(guó)品尼高技術(shù)(Pinnacle Technologies)

全球媒體成像電子科技公司,成立于1992年,專門從事水力壓裂裂縫診斷技術(shù)和軟件研發(fā),主要產(chǎn)品有地面測(cè)斜、鄰井測(cè)斜、壓裂井測(cè)斜儀與繪圖技術(shù);自1997年以來(lái),已經(jīng)為世界各地油氣田提供水力壓裂裂縫診斷技術(shù)服務(wù)12 000口井,其中現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)1 100口井,占全球水力壓裂裂縫診斷現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用90%以上,位居領(lǐng)先地位;2000年以來(lái),品尼高與哈利伯頓合作,開始將此技術(shù)用于壓裂施工井中直接進(jìn)行人工裂縫檢測(cè),避免了在鄰井中放傾斜儀并得關(guān)井停產(chǎn)的必要,使原來(lái)由于井距的因素導(dǎo)致繪圖傳導(dǎo)效果不好的地方能夠采用測(cè)斜儀進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖;截止目前已經(jīng)在油氣壓裂施工井或觀測(cè)井中安置測(cè)斜儀,對(duì)上千口水力壓裂井里直接進(jìn)行裂縫檢測(cè)繪圖診斷;2008年品尼高公司正式并入哈利伯頓[9]。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)地面測(cè)斜儀和井下微震監(jiān)測(cè)是目前最先進(jìn)的裂縫檢測(cè)技術(shù),資料處理可以得知裂縫方位、高度、長(zhǎng)度、不對(duì)稱性和延伸范圍等方面的空間展布特征。

2)地面測(cè)斜儀在裂縫方位、裂縫對(duì)稱性方面可靠性比較高,而裂縫長(zhǎng)度、高度解釋結(jié)果可靠性比較低。

3)井下測(cè)斜儀在診斷裂縫高度、長(zhǎng)度、寬度方面可靠性較高。

4)壓裂井中直接放置測(cè)斜儀明顯要比在鄰井中安置測(cè)斜儀更具優(yōu)勢(shì),一是實(shí)時(shí)檢測(cè)縫高;二是無(wú)需觀測(cè)井;三是分段壓裂可測(cè);四是微震信號(hào)更強(qiáng)、數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、解釋貼近實(shí)際裂縫。

5)地面監(jiān)測(cè)與井下監(jiān)測(cè)相比,節(jié)約成本、施工條件簡(jiǎn)便、無(wú)傷害井筒危險(xiǎn);但存在距離震源遠(yuǎn)、接收信號(hào)少、檢波器和采集器的信噪比要求高等局限。

6)從裂縫評(píng)價(jià)技術(shù)及檢測(cè)儀器對(duì)比來(lái)看,美國(guó)哈利伯頓(Pinnacle)在地面、井下、鄰井測(cè)斜技術(shù)領(lǐng)域位居前茅;其次有斯倫貝謝的多用途地震成像儀(VSI)和增產(chǎn)作業(yè)實(shí)時(shí)繪圖儀(StimMap Live),上述兩種儀器測(cè)量精度高、操作方便、應(yīng)用廣泛。

7)國(guó)內(nèi)水力壓裂裂縫成像技術(shù)既不成熟,又無(wú)成熟的軟硬件生產(chǎn)廠家,且微震監(jiān)測(cè)技術(shù)尚需完善,相應(yīng)儀器有待改進(jìn)提高。

[1] 陸宏軍.水力壓裂裂縫測(cè)試新技術(shù)研究與應(yīng)用[R].長(zhǎng)慶油田超低滲油藏研究中心內(nèi)部技術(shù)報(bào)告,2008

[2] Pinnacle.Surface Tilt Fracture Mapping[EB/OL].TECH UPDATE 02TM 2009,www.pinntech.com

[3] 陳福明,譯.實(shí)時(shí)壓裂井傾斜裂縫測(cè)繪技術(shù)[J].國(guó)外油田工程,2003,19(2)

[4] Geospace Techologies.Microseismic Hydraulic Fracture Monitoring[C],032004,www.geospacetech.com

[5] Pinnacle.Offset Well Tilt Fracture Mapping[EB/OL].TECH UPDATE 06 MS 2009,www.pinntech.com

[6] Pinnacle.Treatment Well Microseismic Mapping[EB/OL].TECH UPDATE 06 MS 2009,www.pinntech.com

[7] Les Bennett.Texas College Station,The Source for Hydraulic Fracture Characterization[EB/OL].Oilfield Review,2008

[8] 閆 華.低滲透儲(chǔ)層裂縫參數(shù)表征方法[J].低滲透油氣田,2009,14(2)

PI,2010,24(6):57～59

The result evaluation of hydraulic fracturing operation is of great importance on optimizing the development of low permeability,tight oil and gas reservoirs.This paper serially describes sophisticated monitoring devices with various features and characteristics,from those main producers aboard,and gives synergistic evaluation.

Key words:hydraulic fracturing,fracture monitoring,technique status

Summing up fracture monitoring devices and techniques of hydraulicf racturing operation.

Zhao Xiaochong,Lei Yuelian and Li Jia.

TE33

B

1004-9134(2010)06-0057-03

趙小充,男,1959年生,工程師,本科,長(zhǎng)期在川慶鉆探長(zhǎng)慶井下技術(shù)作業(yè)公司,從事油氣田開發(fā)技術(shù)研究、國(guó)際市場(chǎng)開發(fā),以及井下作業(yè)科研工作。郵編:710021

2010-03-06編輯:高紅霞)