非常規(guī)油氣藏壓裂曲線智能監(jiān)控技術(shù)研究

孫欽瑞

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院（遼寧盤錦 124000）

0 引言

水力壓裂是以頁(yè)巖氣、致密砂巖氣、煤層氣為主的非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)中的主要增產(chǎn)手段。通過(guò)在目的層中泵入高速流體，形成水力裂縫，并以追加支撐劑的方式，提高填砂裂縫的導(dǎo)流能力。以頁(yè)巖氣、煤層氣、致密砂巖氣為主的非常規(guī)油氣藏壓裂作業(yè)，具有施工節(jié)奏快、壓力排量高、砂堵與超壓風(fēng)險(xiǎn)突發(fā)等特點(diǎn)。隨著數(shù)字信息化技術(shù)在油氣行業(yè)的推廣與應(yīng)用，對(duì)原始?jí)毫亚€進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸已成為業(yè)內(nèi)主流趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了實(shí)時(shí)施工壓力預(yù)測(cè)技術(shù)的研究，嘗試對(duì)砂堵風(fēng)險(xiǎn)與超壓風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警[1-8]。

在國(guó)外，斯倫貝謝的StimMAP HFM水力壓裂監(jiān)測(cè)軟件已實(shí)現(xiàn)一體化施工決策系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可結(jié)合地質(zhì)建模數(shù)據(jù)與微地震裂縫監(jiān)控技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)砂堵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并實(shí)時(shí)整改壓裂施工設(shè)計(jì)，該技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)，李彥尊等[9]利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等手段,建立了大數(shù)據(jù)壓裂參數(shù)優(yōu)化方法,通過(guò)多元回歸等方法分析參數(shù)關(guān)系,建立和訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型，對(duì)壓裂參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而減少砂堵風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生幾率。代海洋[10]通過(guò)優(yōu)選GRNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，建立了依托時(shí)間序列的砂堵預(yù)警系統(tǒng)，并配套數(shù)據(jù)庫(kù)。長(zhǎng)城鉆探依托EasyFrac平臺(tái)，分別研發(fā)了基于LSTM 的砂堵風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型與周期性預(yù)警模型。

人工智能預(yù)警技術(shù)的突破與發(fā)展為業(yè)內(nèi)提供了智能、高效、全面的支持手段，但其邏輯思維的不可解釋性也意味著人工經(jīng)驗(yàn)的不可替代性。研究輔助現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員自主進(jìn)行辨識(shí)的預(yù)警監(jiān)控技術(shù)同樣重要。為此，針對(duì)非常規(guī)油氣藏壓裂施工特點(diǎn)，提出“N值法”壓力預(yù)測(cè)線的概念，嘗試對(duì)實(shí)時(shí)壓力曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)。通過(guò)分析壓力上漲斜率趨勢(shì)，找出不同施工排量下N值的最優(yōu)值，進(jìn)而對(duì)壓裂曲線監(jiān)控方法進(jìn)行智能化改造，從而達(dá)到提高作業(yè)者對(duì)壓力曲線的自主預(yù)測(cè)與監(jiān)控能力、強(qiáng)化砂堵風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施的目的。

1 “N值法”壓力曲線預(yù)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)研究

1.1 壓力預(yù)測(cè)基本原理

取實(shí)時(shí)壓力曲線上最新生成的數(shù)據(jù)點(diǎn)（A 點(diǎn)），再取該數(shù)據(jù)點(diǎn)生成N秒前的數(shù)據(jù)點(diǎn)（B 點(diǎn)），通過(guò)設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)（A點(diǎn)）與N秒前的數(shù)據(jù)點(diǎn)（B點(diǎn)）之間的連線，該連線即為壓力預(yù)測(cè)線。AB兩點(diǎn)的間隔時(shí)間值（以秒為單位），即為N值。

根據(jù)實(shí)時(shí)施工排量Q，該壓裂段井筒容積V1，地面管線至混砂液罐總體容積V2,可實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)（A點(diǎn)）處流體從地面泵入地層的時(shí)間T:

當(dāng)施工排量在目標(biāo)點(diǎn)頂替時(shí)間計(jì)算過(guò)程中發(fā)生變化，由Q1變化為Q2時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)（A 點(diǎn)）頂替時(shí)間計(jì)算方法為:

其中，V3為排量變化時(shí)，目標(biāo)點(diǎn)以后的流體已充滿管柱的總體積（包含地面管線體積）。在實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)曲線中，使用該算法進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，標(biāo)記出目標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)（A點(diǎn)）頂替時(shí)間的豎線。該豎線與壓力預(yù)測(cè)線的相交點(diǎn)，即為目標(biāo)點(diǎn)（A 點(diǎn)）流體入地時(shí)刻的壓力預(yù)測(cè)值。如圖1所示。

圖1 預(yù)測(cè)壓力與實(shí)際壓力

對(duì)實(shí)際壓力曲線趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)研，充分考慮以頁(yè)巖氣、煤層氣為主的非常規(guī)油氣藏采用體積壓裂工藝具有高排量的泵注特點(diǎn)，默認(rèn)同一頂替階段僅存在一種油壓斜率變化，不考慮S型、雙增型及其他綜合曲線變化類型。因此將單階段油壓上漲曲線分為：斜率上升型、斜率穩(wěn)定型、斜率下降型3種。根據(jù)3種油壓上漲曲線類型可知：斜率上升型油壓上漲實(shí)際值要高于預(yù)測(cè)壓力（圖2），斜率下降型油壓上漲實(shí)際值要低于預(yù)測(cè)壓力（圖3），斜率穩(wěn)定型曲線油壓上漲實(shí)際值最接近該相交點(diǎn)預(yù)測(cè)壓力（圖4）。

圖2 斜率上升型曲線預(yù)測(cè)值偏小

圖3 斜率下降型曲線預(yù)測(cè)值偏大

圖4 斜率穩(wěn)定型曲線

1.2 最優(yōu)N值的確定

N值的含義為壓力曲線上的目標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)（A點(diǎn)）與之前某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)點(diǎn)（B 點(diǎn)）兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。在進(jìn)行壓裂曲線監(jiān)控作業(yè)前，需提前設(shè)置該施工壓裂段的N值。N值的實(shí)際物理意義反映在壓力預(yù)測(cè)線的斜率k上。在壓力單調(diào)上升的前提下，N值越大，壓力預(yù)測(cè)線的斜率k越小，N值越小，壓力預(yù)測(cè)線的斜率k則越大。如圖5 所示，確定目標(biāo)A 點(diǎn)后，當(dāng)N值取20 s 時(shí)，預(yù)測(cè)線斜率k1為0.618，預(yù)測(cè)壓力93.51 MPa(誤差0.32 MPa)；當(dāng)N值取40 s 時(shí)，預(yù)測(cè)線斜率k2為0.476，預(yù)測(cè)壓力92.46 MPa(誤差1.37 MPa)。因此,N值的選擇決定了壓力預(yù)測(cè)線的精度。

圖5 不同N值下的壓力預(yù)測(cè)線斜率

以川渝頁(yè)巖氣壓裂井為例，選取一壓裂段進(jìn)行參數(shù)分析研究。當(dāng)排量q1=14 m3/min，q2=16 m3/min，q3=18 m3/min 時(shí)，分別取不同的k值進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)平均誤差結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同排量下不同N值的壓力預(yù)測(cè)平均誤差

分析數(shù)據(jù)知，相同壓裂段中，當(dāng)q1=14 m3/min時(shí)，最小誤差N值為21.7 s，誤差值為0.48 MPa；當(dāng)q2=16 m3/min 時(shí)，最小誤差N值為18.1 s，誤差值為0.42 MPa；當(dāng)q3=18 m3/min 時(shí)，最小誤差N值為15.6 s，誤差值為0.28 MPa。總結(jié)規(guī)律如下：相同井筒容積條件下，最優(yōu)N值隨著排量的增加而減小。由于該區(qū)塊套管內(nèi)徑均為114.3 mm，因此可以推斷，最優(yōu)N值與頂替時(shí)間T（替井筒時(shí)間）變化成正比。通過(guò)總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，得出不同頂替時(shí)間下最優(yōu)N值圖版，如圖7所示。

圖7 不同頂替時(shí)間下的最優(yōu)N值

2 數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

獲取視點(diǎn)坐標(biāo)(sx,sy)，該點(diǎn)為鼠標(biāo)點(diǎn)擊屏幕時(shí)的屏幕坐標(biāo)。系統(tǒng)將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成時(shí)間-壓力坐標(biāo)(t，p)，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：

其中：x0、x1為圖形區(qū)域橫向顯示區(qū)間；y0、y1為圖形區(qū)域縱向顯示區(qū)間；t0、t1為時(shí)間區(qū)間；p0、p1為油壓區(qū)間。將轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)命名為點(diǎn)A。

通過(guò)二分法獲取點(diǎn)A 序號(hào)，具體過(guò)程為將秒點(diǎn)數(shù)據(jù)區(qū)間（a,b）分為兩個(gè)長(zhǎng)度相等的子區(qū)間[a,x0]及[x0,b]，計(jì)算A 點(diǎn)時(shí)間t所在子區(qū)間，若t≥a且t≤x0則A 點(diǎn)落入[a,x0]區(qū)間；若t≥x0且t≤b則A 點(diǎn)落入[x0,b]區(qū)間。在所落入的子區(qū)間內(nèi)繼續(xù)二分查找，直至找出A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的秒點(diǎn)數(shù)據(jù)序號(hào)。如果存在秒點(diǎn)數(shù)據(jù)不連續(xù)的特殊情況，此時(shí)x0所在區(qū)間位置有可能并不在實(shí)際秒點(diǎn)數(shù)據(jù)中，當(dāng)出現(xiàn)該情況時(shí)，可遍歷兩個(gè)子區(qū)間，求出實(shí)際秒點(diǎn)數(shù)據(jù)所在位置。

設(shè)找到的秒點(diǎn)數(shù)據(jù)序號(hào)為i，則取i-k處秒點(diǎn)，命名為B 點(diǎn)，該點(diǎn)的時(shí)間-壓力坐標(biāo)為(ti-k,pi-k)。按公式T=(V1+V2)/Q得出預(yù)測(cè)點(diǎn)T處時(shí)間值。在時(shí)間-壓力坐標(biāo)系下,已知A、B 點(diǎn),解出AB 延長(zhǎng)線上T處的壓力預(yù)測(cè)值P。公式為：

系統(tǒng)工作流程為：①在EayFrac系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面中，點(diǎn)擊“切線設(shè)置”，選擇“間隔設(shè)置”選項(xiàng)，輸入間隔數(shù)據(jù)點(diǎn)長(zhǎng)度（N值）。②鼠標(biāo)點(diǎn)擊壓力曲線上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)（A點(diǎn)），根據(jù)N值，通過(guò)獲取視點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)轉(zhuǎn)換獲取B點(diǎn)坐標(biāo)。③生成AB點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線，與A點(diǎn)頂替時(shí)間線相交，得到預(yù)測(cè)壓力值。如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

3 影響智能監(jiān)控技術(shù)的因素

3.1 壓裂液

壓裂施工過(guò)程中，在切換壓裂液時(shí)，由于不同壓裂液降阻比的不同，以及交聯(lián)劑的使用情況沿程摩阻也發(fā)生變化。因此，施工壓力會(huì)隨壓裂液的切換而發(fā)生變化。由于“N值法”壓力預(yù)測(cè)技術(shù)僅適用于壓力單調(diào)增的實(shí)際情況中，局部的壓力下降將會(huì)直接影響壓力預(yù)測(cè)功能的效果。

3.2 砂濃度

施工過(guò)程中砂濃度的變化會(huì)造成凈液柱壓力的改變，在壓力單調(diào)上升的工況下，其常規(guī)影響方式主要分為兩種：當(dāng)砂濃度增加時(shí)，凈液柱壓力逐漸升高，動(dòng)態(tài)壓力會(huì)稍微降低，壓力曲線由斜率穩(wěn)定型向斜率下降型轉(zhuǎn)變；當(dāng)砂濃度降低時(shí)，凈液柱壓力逐漸降低，動(dòng)態(tài)壓力會(huì)稍微上升，壓力曲線由斜率穩(wěn)定型向斜率上升型轉(zhuǎn)變。

3.3 施工排量

排量的升高或降低會(huì)瞬間打破壓力單調(diào)變化的趨勢(shì)。因此，當(dāng)采取升降排量等規(guī)避措施時(shí)，該技術(shù)無(wú)法進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在川渝頁(yè)巖氣X216 平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該平臺(tái)摒棄了頁(yè)巖氣常規(guī)的“段塞式”加砂工藝，采用高低砂比相互替換，尾追高濃度陶粒的方式進(jìn)行加砂。該壓裂設(shè)計(jì)工藝特點(diǎn)為加砂強(qiáng)度高、施工排量大，但會(huì)頻繁出現(xiàn)壓力上漲跡象，需及時(shí)進(jìn)行停砂換膠液掃井筒等操作。

在對(duì)該平臺(tái)1井的17段壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，共出現(xiàn)29次因壓力上漲的砂堵風(fēng)險(xiǎn)隱患，結(jié)合不同頂替時(shí)間下，最優(yōu)N值推薦圖版（圖7）的基礎(chǔ)上，對(duì)其分別進(jìn)行壓力曲線類型分類與壓力預(yù)測(cè)線誤差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 X216平臺(tái)壓力上站類型及相應(yīng)預(yù)測(cè)誤差統(tǒng)計(jì)

從表1 數(shù)據(jù)可知，斜率穩(wěn)定型壓力曲線占比72.4%，斜率上升型占比20.7%，斜率下降型占比3.4%，綜合變化型占比3.4%。斜率穩(wěn)定型壓力曲線占比較高的原因在于，該井施工排量高（16～18 m3/min），平均頂替時(shí)間在2.6～3.2 min，因此，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生壓力曲線復(fù)雜變化的情況較為少見(jiàn)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，在選擇推薦的最優(yōu)N值的前提下，斜率穩(wěn)定型壓力曲線平均預(yù)測(cè)誤差僅在0.6～0.8 MPa，所有類型壓力曲線加權(quán)平均誤差為0.92 MPa。

在X216 平臺(tái)29 處砂堵風(fēng)險(xiǎn)隱患中，通過(guò)應(yīng)用該項(xiàng)智能監(jiān)控技術(shù)后，以人工識(shí)別方式采取的規(guī)避措施共有22 處（另外7 處被認(rèn)定為低風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)需采取規(guī)避）。工況復(fù)盤分析后，其中有意義的規(guī)避次數(shù)20 次，砂堵風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避成功率90.1%。未應(yīng)用智能監(jiān)控技術(shù)的鄰平臺(tái)（X203 平臺(tái)4 口井），統(tǒng)計(jì)出平均單井砂堵風(fēng)險(xiǎn)隱患22 處，平均單井采取規(guī)避措施次數(shù)13 次，其中平均單井有意義的規(guī)避次數(shù)9 次，砂堵風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避成功率為69.2%。通過(guò)對(duì)比應(yīng)用前后的數(shù)據(jù)得出：在非常規(guī)油氣藏區(qū)塊中，通過(guò)智能壓裂曲線監(jiān)控技術(shù)的輔助，人工識(shí)別的砂堵風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避成功率平均提高了20.9%，如圖9、圖10 所示。

圖9 智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用前后預(yù)警成功率對(duì)比

圖10 砂堵風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施占比分布

5 結(jié)論

1）通過(guò)分析3種不同的實(shí)時(shí)壓力曲線上漲趨勢(shì)，展開(kāi)壓力曲線走向類型調(diào)研與分類。調(diào)研可知：斜率穩(wěn)定型曲線壓力上漲實(shí)際值最接近預(yù)測(cè)壓力值，斜率上升型油壓上漲實(shí)際值要高于預(yù)測(cè)壓力值，斜率下降型油壓上漲實(shí)際值要低于預(yù)測(cè)壓力值。

2）以施工排量為基礎(chǔ)進(jìn)行先導(dǎo)研究，對(duì)不同施工排量下的最低預(yù)測(cè)誤差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。進(jìn)一步對(duì)區(qū)塊壓裂套管內(nèi)徑展開(kāi)調(diào)研，最終建立了以頂替時(shí)間為變量的最優(yōu)N值圖版。施工前，可根據(jù)頂替時(shí)間提前設(shè)置N值（AB點(diǎn)間隔時(shí)間）進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)。

3）壓裂曲線智能監(jiān)控技術(shù)僅在壓力單調(diào)上升的工況下，對(duì)人工識(shí)別砂堵風(fēng)險(xiǎn)具有指導(dǎo)意義?，F(xiàn)場(chǎng)切換壓裂液、提高或降低砂濃度、停砂等操作會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)能力的下降。施工排量的變化會(huì)直接導(dǎo)致功能的失效。

4）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別對(duì)壓力曲線類型分類與壓力切線預(yù)測(cè)進(jìn)行誤差統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明：在選擇推薦的N值基礎(chǔ)上，斜率穩(wěn)定型壓力曲線平均預(yù)測(cè)誤差僅在0.6～0.8 MPa。所有類型壓力曲線加權(quán)平均誤差為0.92 MPa。

5）在多平臺(tái)間展開(kāi)智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用前后對(duì)比，結(jié)果表明：在非常規(guī)油氣藏區(qū)塊中，通過(guò)智能壓裂曲線監(jiān)控技術(shù)的輔助，人工識(shí)別砂堵風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避成功率平均提高了20.9%。