四川長寧A平臺頁巖氣水平井組壓裂地面測斜儀監(jiān)測評估

修乃嶺,嚴(yán)玉忠,竇晶晶,王　臻，駱　禹,嚴(yán)星明

(中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

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四川長寧A平臺頁巖氣水平井組壓裂地面測斜儀監(jiān)測評估

修乃嶺,嚴(yán)玉忠,竇晶晶,王臻，駱禹,嚴(yán)星明

(中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

四川長寧A平臺是我國第一個頁巖氣叢式水平井井組平臺，也是國內(nèi)首次采用“拉鏈?zhǔn)健眽毫炎鳂I(yè)模式進(jìn)行“工廠化”壓裂作業(yè)的平臺。為更好地認(rèn)識該平臺壓裂模式中水力裂縫的形態(tài)和擴(kuò)展規(guī)律，指導(dǎo)該區(qū)塊其他井組優(yōu)化壓裂設(shè)計，采用地面測斜儀對該井組3口水平井分段壓裂裂縫進(jìn)行了監(jiān)測，獲得了裂縫的形態(tài)、體積和長度，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比分析，探索了影響裂縫形態(tài)的因素。結(jié)果表明：即使同一個井組，水力裂縫形態(tài)也會具有很大的差別，天然裂縫和水平層理對水力裂縫形態(tài)具有重要影響；當(dāng)天然裂縫發(fā)育時，水力裂縫以垂直縫為主，裂縫延伸距離大，反之則水平縫與垂直縫同時發(fā)育，且體積相近，裂縫延伸距離小。

四川長寧；測斜儀;裂縫監(jiān)測;水平井組;頁巖氣

四川盆地頁巖氣資源儲量十分豐富，具有廣闊的勘探開發(fā)前景[1]。但頁巖氣儲層具有超低孔隙度、低滲透率的特征， 只有借助水力壓裂才能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)[2-3]。獲知水力裂縫的形態(tài)、尺寸等參數(shù)，對于科學(xué)認(rèn)識頁巖儲層水力裂縫延伸規(guī)律，優(yōu)化壓裂設(shè)計和制定合理的開發(fā)方案具有重要意義。目前水力裂縫監(jiān)測的直接方法主要有近井筒方法和遠(yuǎn)井方法，常用的遠(yuǎn)井方法有微地震方法和測斜儀方法。地面測斜儀裂縫監(jiān)測技術(shù)屬于遠(yuǎn)井方法，該技術(shù)對“井工廠”模式下的多口水平井分段壓裂具有良好的適用性，能夠一次性監(jiān)測多口井的分段壓裂裂縫的主要參數(shù)。近些年，該技術(shù)在國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用[4-9]，但國內(nèi)基本是在砂巖、煤巖儲層水力壓裂監(jiān)測中的應(yīng)用。

地面測斜是一種每年在全球應(yīng)用超過1000多次的裂縫診斷手段[10], 它能夠監(jiān)測水力壓裂造成的地面變形或地下移位情況。測斜儀類似于“木匠水平儀”,它能夠感覺到小到十億分之一的位移梯度變化(或傾斜)。由測斜儀測量到的地面位移可以直接用來確定水力裂縫的方位和傾斜情況;同時,當(dāng)多個平面出現(xiàn)裂縫增長時,可以確定注入到每個水平或垂直裂縫中的流體比例的大小。通過測斜儀獲得水力裂縫形態(tài)、尺寸等參數(shù)，可為優(yōu)化壓裂設(shè)計、評價壓裂效果提供理論依據(jù)。

1　A平臺水平井組基本情況

A平臺是四川盆地長寧一威遠(yuǎn)國家級頁巖氣示范區(qū)一個“工廠化”試驗平臺， 是長寧區(qū)塊繼直井探井、水平井評價井后部署的水平井平臺，目的層位為志留系龍馬溪組。該平臺成2排共布置6口水平井，此次壓裂監(jiān)測的井為首先完鉆上傾的A1、A2、A3井(表1)。

表1　A平臺水平井組基本數(shù)據(jù)

A平臺A1、A2兩口水平井采取“拉鏈?zhǔn)健眽毫训淖鳂I(yè)模式，即同一井場一口井壓裂，另一口井進(jìn)行電纜橋塞射孔聯(lián)合作業(yè)，兩項作業(yè)交替進(jìn)行無縫銜接，之后單獨對A3井進(jìn)行壓裂作業(yè)。

2　地面測斜儀監(jiān)測方案及現(xiàn)場監(jiān)測

一般來說，監(jiān)測單一壓裂層段時，監(jiān)測所需儀器的數(shù)量與壓裂井預(yù)壓層的垂直深度和壓裂規(guī)模有關(guān)，一般需在地面布置30～40支監(jiān)測儀器，布置的方式是以壓裂井預(yù)壓層射孔段在地面垂直投影為圓心，以壓裂井預(yù)壓層平均垂深的25%～75% 為半徑范圍內(nèi)隨機(jī)布置監(jiān)測點，避免徑向連成直線，并使觀測點密度分布大致均勻。對于叢式水平井組，測點的數(shù)量和布置范圍要根據(jù)3口井壓裂段的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，因此測點布置范圍要遠(yuǎn)大于單一壓裂層段的范圍，測點數(shù)量也比單一壓裂層段要多，要使得所有的壓裂層段都有足夠數(shù)量和范圍的測點來覆蓋?？紤]壓裂排量、每段液量和壓裂段垂直深度，50支地面測斜儀可以滿足A平臺監(jiān)測要求；3口井地面觀測點布置范圍為4 700 m×4 400 m，50個觀測點隨機(jī)、大致均勻地布置在觀測范圍內(nèi)，并根據(jù)地面實際地形地貌條件調(diào)整觀測點位置。

根據(jù)現(xiàn)場壓裂進(jìn)度安排，在壓裂前5～7天把儀器下入到提前構(gòu)筑好的地面觀測井。通過電纜把地面測斜儀下入到觀測井PVC管中，并往管中下入沙子，使沙子剛好埋沒測斜儀，這樣地面傾斜信號通過沙子傳給測斜儀。儀器連接完成后，通過軟件啟動儀器，儀器工作正常后，封好PVC管頭。由于采用電池供電，儀器一直處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，并把數(shù)據(jù)存儲在儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。3口井全部壓裂完成后，繼續(xù)采集一天信號，然后關(guān)閉儀器下載數(shù)據(jù)。

3　監(jiān)測結(jié)果及分析

在壓裂過程中，采用地面測斜儀對A平臺3口井進(jìn)行了壓裂裂縫監(jiān)測。這3口水平井共壓裂32段，得到了32個壓裂裂縫監(jiān)測結(jié)果，見表2、表3和表4。

表2　A1井12段測斜儀裂縫監(jiān)測結(jié)果

表3　A2井12段測斜儀裂縫監(jiān)測結(jié)果

表4　A3井8段測斜儀裂縫監(jiān)測結(jié)果

注：A3井第8段第一次壓裂注入液體490 m3后，由于施工壓力高停泵，記為8-1，第二次壓裂記為8-2。

裂縫監(jiān)測結(jié)果表明，A1井壓裂裂縫以垂直裂縫為主，垂直縫體積分?jǐn)?shù)為55%～100%，垂直縫半長106～406 m；A2井壓裂裂縫也以垂直裂縫為主，垂直縫體積分?jǐn)?shù)為72%～100%，垂直縫半長235～355 m；A3井壓裂裂縫中垂直縫和水平縫同時發(fā)育，水平縫與垂直縫比例接近。3口井垂直縫方位以北偏西20°～50°為主，與該區(qū)塊最大水平主應(yīng)力方位相近。對32段壓裂裂縫所造成的地面變形場的形態(tài)和變形數(shù)值分別進(jìn)行了擬合。A1井和A2井大部分裂縫以垂直縫為主，地面變形表現(xiàn)為具有兩個鼓包的“馬鞍”形，如圖1中的A1井的第5段和A2井的第2段地面變形圖，這是垂直縫引起的地面變形特征，圖中顏色越深表示地表的變形越大，即垂向位移越大。A3井水平裂縫體積比例與垂直縫接近，由于相同體積的水平縫在地面引起的垂向位移是垂直縫的三倍，水平縫體積比例超過30%時，地表的變形表現(xiàn)為僅有一個峰值(單一隆起)，如圖1中A3井第3段變形圖。

對3口水平井不同級數(shù)裂縫的垂直裂縫分量和水平裂縫分量延伸對比研究發(fā)現(xiàn)，頁巖氣儲層水平層理及天然裂縫發(fā)育情況將很大程度影響壓裂裂縫形態(tài)與延伸距離。地震勘探顯示A平臺井區(qū)層理發(fā)育，但A1井和A2井與水平段近似正交的高角度天然裂縫發(fā)育，A3井高角度天然裂縫發(fā)育程度低。監(jiān)測結(jié)果顯示，A1井和A2井壓裂裂縫以垂直縫為主，裂縫延伸距離大；A3井壓裂裂縫延伸距離較小(圖2),水平裂縫和垂直裂縫同時發(fā)育，垂直縫體積比例低于A1和A2井(圖3)。原因是水力裂縫形態(tài)受地應(yīng)力、水平層理和天然裂縫的綜合影響。A平臺三口井地應(yīng)力狀態(tài)相同，水力裂縫形態(tài)的差別主要受水平層理和天然裂縫發(fā)育程度的影響。A平臺3口井水平層理發(fā)育，但A3井處天然裂縫欠發(fā)育，則水力裂縫主要為水平縫和垂直縫共同發(fā)育，水平縫比例與垂直縫接近，說明水平層理對垂直裂縫的擴(kuò)展具有明顯的限制作用；同時相同壓裂規(guī)模下，水平縫擴(kuò)展范圍小于垂直縫，A3井水力裂縫延伸距離小于A1和A2井；A1和A2井地應(yīng)力狀態(tài)和水平層理發(fā)育程度與A3井相同，但由于A1和A2井高角度天然裂縫發(fā)育，水力裂縫形態(tài)與A3井有很大不同。監(jiān)測結(jié)果顯示A1和A2井水力裂縫以垂直縫為主，水力裂縫延伸距離大。

圖1　A1井第5段、A2井第2段和A3井第3段壓裂裂縫引起的地面變形

圖2　A平臺3口井平均垂直縫半長

圖3　A平臺3口井平均垂直裂縫體積分?jǐn)?shù)

4　結(jié)論

(1)地面測斜儀裂縫監(jiān)測技術(shù)適用于頁巖氣水平井組“拉鏈?zhǔn)健眽毫训墓S化作業(yè)模式壓裂監(jiān)測，不僅可以獲得頁巖氣水平井組壓裂裂縫參數(shù)，還可以判斷壓裂裂縫的復(fù)雜性，為認(rèn)識壓裂裂縫和壓裂評估提供依據(jù)。

(2)水平層理及天然裂縫發(fā)育情況對壓裂裂縫形態(tài)及延伸距離具有重要影響，即使是同一個水平井組，天然裂縫發(fā)育程度不同，也會造成壓裂裂縫形態(tài)的很大變化：A1井、A2井處高角度天然裂縫發(fā)育且與水平段近似正交，水力裂縫以垂直縫為主，裂縫延伸距離大；A3井天然裂縫發(fā)育程度低，則水平縫與垂直縫同時發(fā)育，裂縫延伸距離小。

(3)裂縫形態(tài)及復(fù)雜程度受到地應(yīng)力、水平層理和天然裂縫等因素共同控制，3口井壓裂裂縫方位總體上與該區(qū)塊最大水平主應(yīng)力方位走向一致；“拉鏈?zhǔn)健眽毫褧r雖然應(yīng)力干擾增加裂縫復(fù)雜程度，但在A平臺3口井地應(yīng)力狀態(tài)相同情況下，水平層理和天然裂縫發(fā)育情況對水力裂縫的延伸和形態(tài)具有重要的影響，水平層理發(fā)育，高角度天然縫不發(fā)育時，水平層理對垂直縫的延伸具有限制作用；相反，高角度天然裂縫發(fā)育時，水力裂縫中垂直裂縫更為發(fā)育。

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編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0124-04

2016-03-26

修乃嶺，工程師，碩士，1981年生，2008年畢業(yè)于中科院流體力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事水力裂縫監(jiān)測和解釋工作。

國家重大項目18課題4“頁巖氣儲層增產(chǎn)改造技術(shù)研究”(2011ZX05018-004)、國家973項目“中國南方海相頁巖氣高效開發(fā)的基礎(chǔ)研究”(2013CB228004)聯(lián)合資助。

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