基于光纖監(jiān)測(cè)的段內(nèi)多簇壓裂效果主控因素研究

王博，李麗哲，董小衛(wèi)，劉帥，周福建*

1 中國石油大學(xué)(北京)克拉瑪依校區(qū)石油學(xué)院，克拉瑪依 834000

2 中國石油大學(xué)(北京)非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249

3 新疆油田工程技術(shù)研究院，克拉瑪依 834000

0 引言

非常規(guī)油氣藏通常具有低孔、低滲、儲(chǔ)量豐度低、自然能源產(chǎn)量低等特點(diǎn)。水平井多級(jí)壓裂降成本、密切割、提高壓裂增產(chǎn)效果，是開發(fā)非常規(guī)油藏不可缺少的技術(shù)。

由于儲(chǔ)層物性和地質(zhì)參數(shù)的非均質(zhì)性，段內(nèi)多裂縫進(jìn)液不均勻、裂縫擴(kuò)展不均衡，降低了水平井多級(jí)壓裂的增產(chǎn)效果。裂縫擴(kuò)展不均勻受到地層非均質(zhì)，裂縫間的強(qiáng)應(yīng)力作用以及不均勻的流體分布等影響。郭天魁[1]等人設(shè)計(jì)真三軸水力壓裂物模試驗(yàn)明確地應(yīng)力差、排量以及壓裂級(jí)數(shù)對(duì)頁巖水平井分段壓裂裂縫擴(kuò)展的影響規(guī)律。同時(shí)，多位學(xué)者[2-3]基于位移—不連續(xù)方法(DDM)開展裂縫擴(kuò)展數(shù)值模擬，探究射孔直徑和數(shù)目、不同布縫模式等對(duì)多裂縫擴(kuò)展形態(tài)的影響。

限流壓裂[4-5]、暫堵壓裂[6–8]是緩解改造不均衡的常用手段。使用限流壓裂技術(shù)限制單個(gè)裂縫流量，實(shí)現(xiàn)均勻的多裂縫擴(kuò)展。Roberts等人[9]引入鷹眼手段監(jiān)測(cè)限流壓裂技術(shù)對(duì)裂縫均勻擴(kuò)展的影響，現(xiàn)場(chǎng)壓裂結(jié)果表明含支撐劑的壓裂液容易造成強(qiáng)烈的射孔沖蝕，優(yōu)勢(shì)簇孔眼沖蝕后流通能力更強(qiáng)，加重段內(nèi)改造不均衡程度。段內(nèi)暫堵壓裂通過泵注可降解暫堵劑封堵優(yōu)勢(shì)進(jìn)液孔眼或縫口，提升井筒凈壓力，迫使后續(xù)壓裂液進(jìn)入欠改造/未改造射孔簇，從而提高段內(nèi)均衡改造程度[10-11]。然而，段內(nèi)暫堵過程復(fù)雜，暫堵效果受暫堵劑類型、泵注參數(shù)、孔眼參數(shù)和地層參數(shù)影響顯著，暫堵效果差異大，工藝方案不完善[12]。Li等[8]通過真三軸壓裂實(shí)驗(yàn)定量研究裂縫間距、射孔簇?cái)?shù)目、壓裂液粘度、地應(yīng)力等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)暫堵的影響。優(yōu)化分段分簇方案，有助于從根本上解決段內(nèi)改造不均衡的難題，其核心在于明確影響段內(nèi)裂縫起裂、進(jìn)液、擴(kuò)展和產(chǎn)液的主控因素，提高分段分簇方案的準(zhǔn)確性。

本文基于管外光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，獲取段內(nèi)多裂縫起裂順序、進(jìn)液比例和產(chǎn)液比例等數(shù)據(jù)，與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和測(cè)井解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定影響段內(nèi)多簇壓裂效果的主控因素，指導(dǎo)分段分簇方案設(shè)計(jì)，提高段內(nèi)多簇壓裂均衡改造效果。

1 管外光纖監(jiān)測(cè)方案與數(shù)據(jù)獲取

1.1 井概況與監(jiān)測(cè)方法

本文選取新疆油田石炭系火山巖油藏中某水平井A井，該井開展套管外敷光纖監(jiān)測(cè)壓裂試驗(yàn)，該井完鉆井深為1463.0 m，水平段長670.0 m，分6 段壓裂，每段段內(nèi)有3～6 個(gè)壓裂簇，射孔簇間距為23.86～40.24 m，平均為27.5 m。儲(chǔ)層孔隙度是13.4%～18.7%，平均是16.8%，滲透率是6.23～187.4 mD，平均是38.46 mD，沿井身非均質(zhì)性強(qiáng)，各向異性強(qiáng)，采用大排量壓裂施工。施工結(jié)果表明各簇起裂、進(jìn)液量和進(jìn)砂量差別大，分析段內(nèi)多簇裂縫間非同步起裂與非均勻進(jìn)液原因，有利于優(yōu)選壓裂方案，提高儲(chǔ)層精準(zhǔn)改造程度。

A井監(jiān)測(cè)光纖安裝于套管外，可以對(duì)壓裂全過程以及生產(chǎn)階段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?？籽鄄捎闷屏驯P裝置，與光纖固定板方向相對(duì)，破裂盤在光纖對(duì)面均勻分布，可以有效避免壓裂混砂液損害光纖設(shè)備。壓裂過程中，破裂盤最初是關(guān)閉的，在套管內(nèi)部壓力達(dá)到一定值，破裂盤打開，充當(dāng)孔眼通道，避免傳統(tǒng)射孔工藝破壞光纖電纜。壓裂起始前，需要進(jìn)行光纖校深以及原始地層數(shù)據(jù)錄入。光纖校深驗(yàn)證指下入設(shè)計(jì)深度后，獲取設(shè)計(jì)下入深度與實(shí)際下入深度的偏差值，以此修正光纖位置，從而準(zhǔn)確反演各壓裂段各壓裂簇的進(jìn)液情況。光纖校深采用井口敲擊和熱風(fēng)槍加熱的方法，通過計(jì)算聲音和溫度的傳播速度，計(jì)算光纖實(shí)際安裝位置。光纜校深定位與入井深度數(shù)據(jù)偏差為0.8 m。原始地層數(shù)據(jù)錄入是指錄入井下的原始溫度和原始噪音，通過原始監(jiān)測(cè)，判斷是否存在異常溫度區(qū)間和噪音區(qū)間，避免影響后續(xù)對(duì)比判斷。圖1(a)展示了DTS地層溫度數(shù)據(jù)，水平段原始溫度約為28.5 ℃～29 ℃，與地質(zhì)預(yù)測(cè)溫度偏差為1.5 ℃。圖1(b)展示了DAS原始背景噪聲數(shù)據(jù)，井下無特殊高頻噪音區(qū)域，可直接用于與后續(xù)施工過程數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。光纖監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)從溫度/聲波數(shù)據(jù)反演得到進(jìn)液/產(chǎn)液比例需要分3 步：第一步，對(duì)光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；第二步，建立溫度/聲波正演模型；第三步，建立溫度/聲波反演算法。

圖1 原始地層DTS/DAS數(shù)據(jù)錄入Fig. 1 Raw data of DTS/DAS

1.2 數(shù)據(jù)獲取

為了明確非同步起裂原因及前置液、攜砂液和產(chǎn)液簇間分配主控因素，針對(duì)測(cè)錄井原始數(shù)據(jù)(表1)和綜合測(cè)井解釋成果數(shù)據(jù)(表2)，提取5 段22 簇各自對(duì)應(yīng)的的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)提取光纖監(jiān)測(cè)獲取的各簇裂縫起裂順序、前置液分配比例、攜砂液分配比例和產(chǎn)液分配比例數(shù)據(jù)(表3)，繪制如圖2 所示的數(shù)據(jù)圖?？紤]到壓裂第2 級(jí)時(shí)橋塞失封，壓裂液進(jìn)入第1 級(jí)，因此舍去第2 級(jí)相應(yīng)數(shù)據(jù)。

表1 測(cè)井原始數(shù)據(jù)表Table 1 Raw data of well logs

表2 測(cè)井解釋數(shù)據(jù)表Table 2 Interpretation data of well logs

表3 光纖反演各簇進(jìn)液比例數(shù)據(jù)表Table 3 Fiber optic inversion data of each cluster

圖2 測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與光纖反演結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 2 Comparison of log data and FO inversion results

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

本文針對(duì)獲取的數(shù)據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)法探究測(cè)井原始數(shù)據(jù)和測(cè)井解釋數(shù)據(jù)與光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，并利用二因素相關(guān)圖直觀展示單一因素與各壓裂段裂縫起裂順序、前置液分配比例、攜砂液分配比例和產(chǎn)液比例關(guān)系，以此明確段內(nèi)多簇壓裂效果主控因素。

2.1 段內(nèi)各簇裂縫起裂順序主控因素分析

圖3 中，以此處例子介紹段簇編號(hào)：6-1 表示第6 段第1 個(gè)射孔簇，6-4 表示第6 段第4 個(gè)射孔簇，第1 個(gè)射孔簇靠近趾端，第4 個(gè)射孔簇靠近跟端。如圖3 和圖4 所示(圖中數(shù)字代表段內(nèi)各簇的起裂順序)，第6 段中水平最小主應(yīng)力越小，脆性指數(shù)越高，起裂越早，符合率100%，第5 段符合率為67%，第4 段符合率60%，第3 段符合率為75%。在全部統(tǒng)計(jì)結(jié)果的4 個(gè)壓裂段中，19 簇共有14 簇符合該規(guī)律(14/19)，總體符合率為74%。進(jìn)一步分析其他測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與段內(nèi)各簇裂縫起裂順序的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)吻合度較小，如各簇孔隙度與起裂順序無明顯規(guī)律性。因此，最小水平主應(yīng)力與脆性指數(shù)是導(dǎo)致各簇非同步起裂的主控因素。

圖3 各簇最小水平主應(yīng)力與起裂順序關(guān)系分布圖Fig. 3 Distribution of the Sh and the fracture initiation sequence of clusters

圖4 各簇脆性指數(shù)與起裂順序關(guān)系分布圖Fig. 4 Distribution of the BI and the fracture initiation sequence of clusters

2.2 前置分配比例主控因素分析

(1)灰色關(guān)聯(lián)法分析

以測(cè)井原始數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)為比較數(shù)列，以每簇前置液進(jìn)液比例為參考數(shù)列，基于灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算了比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度(圖5)。橫坐標(biāo)表示影響前置液分配比例的原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和解釋結(jié)果數(shù)據(jù)，前者包括井徑(CALI)、伽瑪值(GR)、侵入帶電阻率(RI)、原狀地層電阻率(RT)、聲波速度(AC)、密度(DEN)、補(bǔ)償中子(CNL)、氣測(cè)值(QL)；后者包括楊氏模量(E)、泊松比(v)、孔隙度(φ)、含油飽和度(So)、孔隙度與含油飽和度之積(φ×So)、脆性指數(shù)(BI)和最小水平主應(yīng)力(Sh)?？v坐標(biāo)表示各因素與前置液分配比例的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，說明該因素對(duì)前置液分配比例的影響程度越強(qiáng)?？梢钥闯觯跍y(cè)井原始數(shù)據(jù)中，影響前置液分配比例最關(guān)鍵的4 個(gè)因素依次是QL>CNL>GR>AC；在測(cè)井解釋數(shù)據(jù)中，影響前置液分配比例最關(guān)鍵的4 個(gè)因素依次是φ>φ×So>BI>Sh。

圖5 前置液分配比例與各因素間關(guān)聯(lián)度分布圖Fig. 5 Correlation between the pre-fluid proportion and influence factors

(2)與測(cè)井原始數(shù)據(jù)相關(guān)性

針對(duì)測(cè)井原始數(shù)據(jù)中影響前置液分配比例的4 個(gè)關(guān)鍵因素(QL>CNL>GR>AC)，分別繪制影響因素?cái)?shù)值與前置液比例分布圖(圖6)。如圖6(a)所示，第6段和第5 段中，QL與前置液分配比例有明顯的正相關(guān)關(guān)系；第4 段和第3 段中，氣測(cè)值(QL)與前置液分配比例沒有明顯的相關(guān)性；如圖6(b)所示，4 段的補(bǔ)償中子值(CNL)與前置液分配比例整體呈正相關(guān)，其中6-1、4-2、3-1、3-2 出現(xiàn)異常。如圖6(c)所示，伽瑪值(GR)與前置液分配比例正相關(guān)性較弱，異常簇較多。如圖6(d)所示，聲波速度(AC)與前置液分配比例整體呈正相關(guān)，其中6-1、4-2、3-2 發(fā)生異常。

圖6 測(cè)井原始數(shù)據(jù)與前置液分配比例分布圖Fig. 6 Correlation between raw logs and pre-fluid proportion

(3)與測(cè)井解釋數(shù)據(jù)相關(guān)性

針對(duì)測(cè)井解釋數(shù)據(jù)中影響前置液分配比例的4 個(gè)關(guān)鍵因素(φ>φ×So>BI>Sh)，分別繪制影響因素?cái)?shù)值與前置液比例之間關(guān)系分布圖(圖7)。如圖7(a)所示，第5 段、第4 段中，孔隙度與前置液分配比例有明顯的正相關(guān)關(guān)系；如圖7(b)所示，第5 段中，孔隙度和飽和度乘積與前置液分配比例有明顯的正相關(guān)性；如圖7(c)所示，第6 段、第5 段和第4 段中，脆性指數(shù)與前置液分配比例有明顯的正相關(guān)性；如圖7(d)所示，第6 段、第5 段和第4 段中，水平最小主應(yīng)力與前置液分配比例有明顯的負(fù)相關(guān)性。

2.3 攜砂液分配比例主控因素分析

(1)灰色關(guān)聯(lián)法分析

以測(cè)井原始數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)為比較數(shù)列，以每簇?cái)y砂液進(jìn)液比例為參考數(shù)列，基于灰色關(guān)聯(lián)法計(jì)算了比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度(見圖8)。橫坐標(biāo)表示影響攜砂液分配比例的原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和測(cè)井解釋數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)表示各因素與攜砂液分配比例之間的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，說明該因素對(duì)攜砂液分配比例的影響程度越強(qiáng)。可以看出，在測(cè)井原始數(shù)據(jù)中，影響攜砂液分配比例最關(guān)鍵的4 個(gè)因素依次是QL>CNL>GR>AC；在測(cè)井解釋數(shù)據(jù)中，影響攜砂液分配比例最關(guān)鍵的4 個(gè)因素依次是BI>φ>Sh>So。

圖8 攜砂液分配比例與各因素間關(guān)聯(lián)度分布圖Fig. 8 Correlation between the sand-laden fluid proportion and influence factors

(2)與測(cè)井原始數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

針對(duì)測(cè)井原始數(shù)據(jù)中影響攜砂液分配比例的4 個(gè)關(guān)鍵因素(QL>CNL>GR>AC)，分別繪制影響因素?cái)?shù)值與攜砂液比例分布圖(圖9)。如圖9(a)所示，第6段和第5 段中，氣測(cè)值(QL)與攜砂液分配比例有明顯的正相關(guān)關(guān)系；如圖9(b)所示，第6 段和第5 段中，補(bǔ)償中子值(CNL)與攜砂液分配比例有明顯的正相關(guān)性；如圖9(c)所示，第6 段、第5 段和第3 段中，伽瑪值(GR)與攜砂液分配比例有明顯的正相關(guān)性；如圖9(d)所示，第6 段和第5 段中，聲波時(shí)差值(AC)與攜砂液分配比例有明顯的正相關(guān)性。

圖9 測(cè)井原始數(shù)據(jù)與攜砂液分配比例分布圖Fig. 9 Correlation between raw logs and sand-laden fluid proportion

(3)與測(cè)井解釋數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

針對(duì)測(cè)井解釋數(shù)據(jù)中影響攜砂液分配比例的4 個(gè)關(guān)鍵因素(脆性指數(shù)>孔隙度>最小水平主應(yīng)力>含油飽和度)，分別繪制影響因素?cái)?shù)值與攜砂液比例分布圖(圖10)。如圖10(a)所示，第6 段和第5 段中，脆性指數(shù)與攜砂液分配比例有明顯的正相關(guān)關(guān)系；如圖10(b)所示，第5 段中孔隙度與攜砂液分配比例呈正相關(guān)，第6、4、3 段中孔隙度與攜砂液分配比例呈負(fù)相關(guān)；如圖10(c)所示，第6 段和第5 段中，水平最小主應(yīng)力與攜砂液分配比例呈負(fù)相關(guān)；如圖10(d)所示，第6 段和第5 段中，含油飽和度與攜砂液分配比例呈負(fù)相關(guān)。

圖10 測(cè)井解釋數(shù)據(jù)與攜砂液分配比例分布圖Fig. 10 Correlation between interpretation logs and sand-laden fluid proportion

2.4 產(chǎn)液分配比例主控因素分析

(1)灰色關(guān)聯(lián)法分析

以測(cè)井原始數(shù)據(jù)和解釋數(shù)據(jù)為比較數(shù)列，以每簇產(chǎn)液比例為參考數(shù)列，基于灰色關(guān)聯(lián)法，計(jì)算了比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度(見圖11)。橫坐標(biāo)表示影響產(chǎn)液比例的原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和測(cè)井解釋數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)表示各因素與產(chǎn)液比例的關(guān)聯(lián)度。關(guān)聯(lián)度越大，說明該因素對(duì)產(chǎn)液比例的影響程度越強(qiáng)?？紤]壓裂階段前置液和攜砂液階段各簇總進(jìn)液比例，測(cè)井原始數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)液比例的影響程度由強(qiáng)到弱依次是：總液分配比(Ratio)>QL>CNL>AC>GR；測(cè)井解釋數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)液比例的影響程度由強(qiáng)到弱依次是：總液分配比(Ratio)>φ>BI>Sh>φ×So。

圖11 各簇產(chǎn)液比例與各因素間關(guān)聯(lián)度分布圖Fig. 11 Correlation between the fluid production proportion and influence factors

(2)產(chǎn)液剖面分配特征分析

進(jìn)一步繪制各簇總液分配比例、產(chǎn)液比例和孔隙度—飽和度乘積分布圖(圖12)，可以看出，各簇總液分配比例與孔隙度飽和度乘積都處于相對(duì)較高值時(shí)，該射孔簇產(chǎn)液比例才會(huì)高。具體統(tǒng)計(jì)規(guī)律如下：進(jìn)液多，φ×So高，該簇產(chǎn)液占比大，符合率8/22；進(jìn)液少，φ×So高，該簇產(chǎn)液占比小，符合率10/22；進(jìn)液多，φ×So低，該簇產(chǎn)液占比小，符合率1/22。

圖12 各簇總進(jìn)液/產(chǎn)液比例與φ×So關(guān)系圖Fig. 12 Relationship between total injection/production proportion and φ×So

2.5 各射孔簇進(jìn)液、產(chǎn)液分配比與起裂順序之間關(guān)系

將4 段19 簇前置液分配比例、攜砂液分配比例、產(chǎn)液分配比例與各射孔簇起裂順序繪制成圖13?？梢钥闯?，4 個(gè)壓裂段中，進(jìn)液最多的射孔簇，產(chǎn)液最多，起裂最早，該規(guī)律符合率為100%；進(jìn)液排第2 的射孔簇，起裂順序也為第2，該規(guī)律符合率為75%；因此，最先起裂的裂縫后續(xù)傾向于形成優(yōu)勢(shì)裂縫或超級(jí)裂縫，嚴(yán)重影響段內(nèi)均衡改造程度。為此，為提高段內(nèi)均勻進(jìn)液程度，應(yīng)優(yōu)化射孔參數(shù)，利用限流的方法，提高段內(nèi)多個(gè)射孔簇同步起裂程度。

圖13 各簇前置液/攜砂液進(jìn)液比例/產(chǎn)液剖面/起裂順序關(guān)系圖Fig. 13 Relationship between pre-fluid/sand-laden fluid/production proportion and the fracture initiation sequence

本文給出了一口實(shí)際井各射孔簇測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，量化了各參數(shù)(如應(yīng)力和脆性指數(shù)等)對(duì)多裂縫間砂液分配的影響，相對(duì)數(shù)值模擬方法更加可靠，也可以對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行校正。此外，本文明確了影響多簇裂縫進(jìn)液的主控因素，后續(xù)可以此為基礎(chǔ)，引入聚類的方法，開展分段分簇優(yōu)化，有助于水平井段內(nèi)均衡改造。

3 結(jié)論

由于管外監(jiān)測(cè)成本高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有限，且由于監(jiān)測(cè)技術(shù)尚待進(jìn)一步完善，各壓裂段所得規(guī)律并非絕對(duì)一致，但仍能得到一定認(rèn)識(shí)，有助于段內(nèi)多簇壓裂分段分簇方案制定。

(1)低水平最小主應(yīng)力、高脆性指數(shù)的射孔簇優(yōu)先開啟，整體符合率為73.7%；水平最小主應(yīng)力越小，脆性越強(qiáng)，更容易起裂，因此水平井壓裂分段分簇設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮儲(chǔ)層的應(yīng)力條件和巖石脆性特征，優(yōu)選射孔甜點(diǎn)；

(2)基于灰色關(guān)聯(lián)法分析，影響前置液比例的測(cè)試數(shù)據(jù)中最關(guān)鍵4 個(gè)因素分別是：氣測(cè)數(shù)據(jù)>中子數(shù)據(jù)>伽瑪數(shù)據(jù)>聲波數(shù)據(jù)；解釋數(shù)據(jù)中最關(guān)鍵的4 個(gè)因素是：孔隙度>孔隙度和飽和度乘積>脆性指數(shù)>最小水平主應(yīng)力；影響攜砂液比例的測(cè)試數(shù)據(jù)中最關(guān)鍵4 個(gè)因素分別是：氣測(cè)數(shù)據(jù)>中子數(shù)據(jù)>伽瑪數(shù)據(jù)>聲波數(shù)據(jù)；解釋數(shù)據(jù)中最關(guān)鍵的4 個(gè)因素是：脆性指數(shù)>孔隙度>最小水平主應(yīng)力>含油飽和度；

(3)基于灰色關(guān)聯(lián)分析思路，獲得影響裂縫起裂順序和進(jìn)液情況的重要因素。同一井區(qū)的壓裂水平井可以基于射孔基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和射孔解釋數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)；

(4)影響產(chǎn)液比例的關(guān)鍵因素是總液分配比和φ×So，二者比例同時(shí)高是產(chǎn)液比例高的充要條件；進(jìn)液最多的簇最先起裂，符合率100%；進(jìn)液次多的簇次起裂，符合率75%。