測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)技術(shù)在共和盆地干熱巖井壓裂中的應(yīng)用研究

徐勝?gòu)?qiáng)，張旭東，張保平，周 健

（中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京100029）

0 引言

我國(guó)2019 年原油進(jìn)口量超過(guò)5×108t，為世界第一大原油消費(fèi)國(guó)，在原油消耗量72%需要進(jìn)口的情況下，拓寬資源種類和獲取途徑非常必要［1］。目前我國(guó)地?zé)豳Y源利用量?jī)H占能源消耗總量的0.6%，但世界范圍內(nèi)地?zé)崮艿哪昀迷鲩L(zhǎng)率達(dá)7%。我國(guó)地?zé)崮苜Y源豐富，每年可采量相當(dāng)于2015 年煤炭消耗量的70%，地?zé)崮芾迷鲩L(zhǎng)空間巨大［1-2］。目前我國(guó)地?zé)豳Y源利用主要是地?zé)岚l(fā)電、供暖、溫泉、洗浴、醫(yī)療等領(lǐng)域，地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)目前處于探索階段，干熱巖壓裂裂縫發(fā)育特征、改造工藝與造縫關(guān)系尚不明確，壓裂監(jiān)測(cè)工藝技術(shù)尚未配套成熟，進(jìn)行壓裂監(jiān)測(cè)改造裂縫，對(duì)壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展和促進(jìn)地?zé)岷侠黹_(kāi)發(fā)運(yùn)用都十分有益。

我國(guó)首次在青海共和盆地發(fā)現(xiàn)大規(guī)?？衫酶蔁釒r資源，X1 井是部署的第一口干熱巖勘探開(kāi)發(fā)探索井。國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了水力壓裂熱儲(chǔ)改造施工。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法，形成了高原干旱地區(qū)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和復(fù)雜裂縫解釋技術(shù)，并成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首口地?zé)峋畨毫咽┕?。該井的成功監(jiān)測(cè)為其它區(qū)塊的裂縫監(jiān)測(cè)提供了有利的借鑒。

1 測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)原理

測(cè)斜儀壓裂裂縫監(jiān)測(cè)原理（參見(jiàn)圖1）是利用油氣井施工時(shí)產(chǎn)生的地層形變分析監(jiān)測(cè)裂縫形態(tài)，是一種高精尖電子儀器，可檢測(cè)地層納弧度級(jí)形變。儲(chǔ)層改造過(guò)程流體高壓注入地層，打破了原始平衡狀態(tài)，會(huì)引起地層縫隙壓力變化，地層的壓力變化或巖石破裂改變了地層受力平衡，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，由此產(chǎn)生的彈性形變信息會(huì)向各個(gè)方向輻射并傳導(dǎo)到地面，靜置在地面監(jiān)測(cè)孔中的測(cè)斜儀可以接收記錄這些形變信息。

圖1 測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)原理Fig.1 Monitoring schematic diagram of the surface inclinometer

測(cè)斜儀測(cè)量的是相對(duì)于垂直方向傾斜的角度變化，壓裂引起隆起及傾斜信息被測(cè)斜儀采集并保存，非規(guī)律地均勻布設(shè)測(cè)斜儀測(cè)得多點(diǎn)的形變數(shù)據(jù)，集中描繪即可得出隨時(shí)間變化的地面形變場(chǎng)，該地面形變場(chǎng)可以反映地下裂縫動(dòng)態(tài)發(fā)育及流體運(yùn)移方向，由此獲得壓裂改造裂縫信息。

該技術(shù)產(chǎn)生以來(lái)，已經(jīng)在全球各地得到應(yīng)用，無(wú)論是山地、平原、叢林、沙漠和黃土溝壑地區(qū)，都有成功應(yīng)用的實(shí)例，具有廣譜的適用性，已成為一種成熟的壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)［3-7］。

2 X1 井基本情況及施工參數(shù)

2.1 監(jiān)測(cè)井基本情況

X1 井位于青海省共和縣，地形以高原山地為主，海拔2910.08 m，完鉆層位為印支期花崗巖，完鉆深度3705 m，完井套管深度3361.12 m，裸眼段長(zhǎng)度343.88 m。該井自1341.00～3705.42 m 鉆遇花崗巖地層，巖性以灰白色花崗巖為主，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要成分為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英等。X1 井巖心孔隙度和滲透率都很低，孔隙度＜4%，滲透率＜0.4 mD，地層滲透率低，巖石致密堅(jiān)硬，楊氏模量及泊松比見(jiàn)表1，儲(chǔ)層上覆巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)地下形變的傳輸具有重要影響，是進(jìn)行監(jiān)測(cè)解釋的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。經(jīng)分析測(cè)試，X1 井的巖石力學(xué)性質(zhì)能較好滿足監(jiān)測(cè)要求。

表1 巖心力學(xué)性質(zhì)測(cè)試Table 1 Test parameters for the mechanical properties of cores

2.2 X1 井施工參數(shù)

通過(guò)水力壓裂將干熱巖壓裂形成相互連通裂縫網(wǎng)絡(luò)，地面注入液體至相互連通的裂隙系統(tǒng)中經(jīng)高溫巖體加熱后采出的熱能以高溫蒸汽的方式通過(guò)地上發(fā)電裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?shí)現(xiàn)干熱巖熱能利用，是目前地?zé)峤?jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)的主要方式。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、瑞士、日本、澳大利亞等國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了多年的研究和試驗(yàn)，但終因技術(shù)問(wèn)題或經(jīng)濟(jì)效益不佳而終止，未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)利用［8-12］。

通過(guò)壓裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下裂縫網(wǎng)絡(luò)貫通是干熱巖有效開(kāi)發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵途徑，在室內(nèi)試驗(yàn)和研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合X1 井地質(zhì)特征，壓裂過(guò)程分為3個(gè)階段：（1）地層吸水能力、熱破裂及可壓性試驗(yàn)階段；（2）縫網(wǎng)主控因素試驗(yàn)階段；（3）壓后效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)階段。

采用4? in（1 in=25.4 mm，下同）光套管注入壓裂施工，于2019 年8 月27-29 日，完成了地層吸水試驗(yàn)、熱破裂試驗(yàn)、可壓性試驗(yàn)、恒定排量試驗(yàn)（一）、恒定排量試驗(yàn)（二）等壓裂施工階段。2019 年9 月5 日進(jìn)行壓后地層吸水試驗(yàn)注入施工，各階段主要施工參數(shù)如表2 所示。

2.3 地面測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)施工準(zhǔn)備及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

測(cè)斜儀對(duì)方位角和傾斜角敏感，裂縫方位和形態(tài)對(duì)后期井位調(diào)整和施工方案確定指導(dǎo)意義重大［13-16］。X1 井是我國(guó)花崗巖地?zé)峋M(jìn)行壓裂的首次施工，施工難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，施工不確定性多。作為首口井壓裂施工試驗(yàn)，用測(cè)斜儀進(jìn)行地?zé)峋O(jiān)測(cè)也是全球第一次，無(wú)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，而監(jiān)測(cè)施工要求務(wù)必成功。

2.4 測(cè)斜儀信號(hào)強(qiáng)度測(cè)算

監(jiān)測(cè)施工前應(yīng)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)算以評(píng)估施工可行性，測(cè)斜儀地面信號(hào)強(qiáng)度與施工時(shí)注入液體的量和目的層深度相關(guān)。調(diào)研目標(biāo)區(qū)內(nèi)的施工規(guī)模及地層條件，依據(jù)測(cè)斜儀形變計(jì)算公式：

表2 各階段施工參數(shù)Table 2 Operation parameters for each stage

式中：n——形變弧度，μR；V——液體總量，m3；H——目的層垂深，m。

參照設(shè)計(jì)施工規(guī)模和X1 井施工目的層位，計(jì)算地?zé)峋畨毫研盘?hào)強(qiáng)度為（6～7）×103nR，測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)精度為1 nR，信號(hào)強(qiáng)度足夠滿足監(jiān)測(cè)要求。

2.5 儀器準(zhǔn)備

測(cè)斜儀地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有檢波儀60 支，每支儀器獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢波儀有專用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和儀器運(yùn)行狀態(tài)檢查，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中對(duì)檢波儀及配套附件進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢查和維護(hù)（參見(jiàn)圖2）。

2.6 監(jiān)測(cè)孔設(shè)計(jì)及要求

依據(jù)施工目的層位深度、施工規(guī)模和測(cè)斜儀檢波儀探測(cè)能力可確定需要監(jiān)測(cè)孔數(shù)，信號(hào)越強(qiáng)，需要的監(jiān)測(cè)孔個(gè)數(shù)越少，反之則越多。

地面布孔需在井眼四周垂深25%～75%形變最佳范圍內(nèi)盡可能地均勻布設(shè)，并且避免鉆孔多點(diǎn)連成直線；考慮地面噪聲對(duì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量的影響和增加數(shù)據(jù)處理工作量，在兼顧鉆孔施工條件的同時(shí)還要遠(yuǎn)離交通干道、人口密集區(qū)以減少干擾；每個(gè)監(jiān)測(cè)孔深度要達(dá)到12 m，井眼需進(jìn)行防水處理并與地層膠結(jié)良好。

2.7 現(xiàn)場(chǎng)查勘

監(jiān)測(cè)施工必須提前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，了解施工區(qū)域的交通條件、自然環(huán)境、社會(huì)依托、土地關(guān)系、民風(fēng)民俗等基本情況。X1 井場(chǎng)地處牧民的公共草場(chǎng)，但是井場(chǎng)東部及南部1 km 外就是礫石溝壑地區(qū)，高度落差大，交通困難。實(shí)地查勘發(fā)現(xiàn)溝壑底部干涸河床能夠行進(jìn)工程車輛，查當(dāng)?shù)貫榉茄雌冢瑸楸O(jiān)測(cè)孔布設(shè)提供了有利條件。溝壑底部有淤積平原、有農(nóng)田和村莊，需要調(diào)整和規(guī)避的井位比較多。大部分區(qū)域地表土層下有1～3 m 的礫石層，鉆孔過(guò)程中容易垮塌，高原干旱地帶施工及生活用水比較困難。施工現(xiàn)場(chǎng)地形見(jiàn)圖3。

圖2 測(cè)斜儀數(shù)據(jù)傳輸界面Fig.2 Data transmission interface of the surface inclinometer

2.8 監(jiān)測(cè)孔布孔

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘的初步情況，室內(nèi)進(jìn)行理論布孔，理論布孔只能確定監(jiān)測(cè)的大概位置，考慮實(shí)施條件和鉆孔要求，現(xiàn)場(chǎng)查勘時(shí)幾乎全部的理論監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置需要微調(diào)或者大幅度調(diào)整。室內(nèi)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)查勘兩者相結(jié)合并不斷調(diào)整和反復(fù)優(yōu)化，最終提供首次鉆孔位置選點(diǎn)。在實(shí)際鉆孔過(guò)程中遇到異常也會(huì)導(dǎo)致個(gè)別井位調(diào)整，從而引起其它井位關(guān)聯(lián)性調(diào)整，如此反復(fù)形成最終的井眼位置（參見(jiàn)圖 4）。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)查勘地形Fig.3 Site inspection

本次監(jiān)測(cè)總共鉆孔47 個(gè)，因底部鉆遇礫石流動(dòng)層，無(wú)法下PVC 管調(diào)整位置1 口井，井眼透水重新鉆井1 口，井眼斜度過(guò)大重鉆3 口，最終實(shí)際交付合格監(jiān)測(cè)孔眼42 口，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

2.9 數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)結(jié)果

施工提前3 天，測(cè)斜儀全部入井靜置，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，記錄監(jiān)測(cè)區(qū)域背景數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集覆蓋整個(gè)施工過(guò)程，施工監(jiān)測(cè)期間需對(duì)儀器進(jìn)行巡護(hù)和采集狀態(tài)檢查。

在施工全部結(jié)束后進(jìn)行了全部下載，42 個(gè)監(jiān)測(cè)孔中的檢波儀獲取了整個(gè)施工過(guò)程地面形變數(shù)據(jù)，形成了地面形變場(chǎng)，利用蒙特卡羅統(tǒng)計(jì)分析方法，擬合形變場(chǎng)以達(dá)到最佳解釋結(jié)果。

第一階段為地層吸水能力、熱破裂及可壓性試驗(yàn)階段，階段注入清水壓裂液357.5 m3。第二階段為可壓性實(shí)驗(yàn)和恒定排量壓裂試驗(yàn)，主要是為了測(cè)試地層持續(xù)吸液能力和裂縫破裂延伸狀況，階段注入排量最大達(dá)到3.5 m3/min，累計(jì)注入壓裂液976.3 m（3含膠液壓裂液100 m3）。第三階段為吸水試驗(yàn)階 段 ，施 工 排 量 0.5～3.0 m3/min，累 計(jì) 注 入132.6 m3。

每一泵注階段都進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，去除干擾信號(hào)或異常數(shù)據(jù)。采用“三段分析法”進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即壓前和壓后的背景數(shù)據(jù)與壓裂時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和數(shù)學(xué)反演，最后得出解釋結(jié)果。地面測(cè)斜儀的解釋結(jié)果包括每一段的裂縫方位、裂縫半長(zhǎng)、裂縫傾角、復(fù)雜裂縫。

形變矢量圖及裂縫模擬見(jiàn)圖5，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋后獲得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

從分析結(jié)果看，不同階段裂縫的方位有所變化，隨著液體注入地應(yīng)力場(chǎng)的改變，裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，注入膠液后，隨著液體粘度的增加，縫高也有明顯的增加。

圖4 實(shí)際成孔GPS 投影Fig.4 Borehole positions from GPS projection

圖5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)矢量及裂縫投影Fig.5 Monitoring data vector and fracture projection

2.10 地震事件分析

測(cè)斜儀不但能夠精確記錄地層的形變，對(duì)于能夠?qū)е碌孛嫫鸱▌?dòng)的其它信號(hào)也能夠準(zhǔn)確記錄。根據(jù)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2019 年 8 月 27 日 18 時(shí) 55 分 02秒監(jiān)測(cè)到震級(jí)2.7 級(jí)的地震事件，震源位于北緯36.265°、東經(jīng) 100.656°，深度 9000 m，測(cè)斜儀檢波儀監(jiān)測(cè)到典型信號(hào)如圖6 所示。測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)捕捉到了異常信號(hào)，記錄了地震發(fā)生的時(shí)間和強(qiáng)弱，具有對(duì)區(qū)域重大地質(zhì)事件的記錄及監(jiān)測(cè)作用。

表3 階段裂縫結(jié)果解釋匯總Table 3 Summary of interpretation of stage fracture results

3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

通過(guò)X1 井壓裂施工測(cè)斜儀地面監(jiān)測(cè)，探索和驗(yàn)證了該技術(shù)在干熱巖壓裂監(jiān)測(cè)方面的可行性，獲得了裂縫的發(fā)育方位等重要參數(shù)。該井同時(shí)進(jìn)行的微地震、廣域電磁法等監(jiān)測(cè)結(jié)論也得到了相互印證。

（1）監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在完成地層吸水試驗(yàn)、熱破裂試驗(yàn)、可壓性試驗(yàn)、恒定排量試驗(yàn)等壓裂施工階段，地層產(chǎn)生了壓裂裂縫，裂縫以垂直縫為主，具有一定的復(fù)雜性，裂縫方位在北偏東22.3°～43.5°之間，傾斜角 60°。

圖6 檢波儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波形圖Fig.6 Waveform chart from the surface inclinometer

（2）測(cè)斜儀壓裂監(jiān)測(cè)記錄的地層形變資料與壓裂液注入關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，對(duì)地震等引起地面波動(dòng)的異常信號(hào)也能及時(shí)采集和記錄。

（3）測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)可用于干熱巖熱儲(chǔ)改造時(shí)的裂縫監(jiān)測(cè)。