趙小充雷月蓮李 佳

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

水力壓裂裂縫監(jiān)測儀器概述

趙小充1雷月蓮2李 佳3

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

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

水力壓裂;裂縫;監(jiān)測;技術(shù);現(xiàn)狀

0 引 言

國內(nèi)外水力壓裂裂縫監(jiān)測分為地面監(jiān)測和井下監(jiān)測;測試方法分成實驗室測試和現(xiàn)場測試;裂縫信息捕捉形式分為聲波和位移。實驗室測試包括非定向巖心波速的各向異性、古地磁等測試,綜合分析各測試結(jié)果,最后確定巖心主應(yīng)力大小和方向?，F(xiàn)場測試分為直接測試和間接測試;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)場直接法兩種。目前國內(nèi)外用于裂縫監(jiān)測評價的儀器種類較多,在儀器性能方面各具特點,各有所長。

1 近井筒地帶裂縫診斷技術(shù)

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

近年來過套管交叉偶極橫波測井技術(shù)在長慶氣田應(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。交叉偶極橫波測井儀有兩個正交發(fā)射器,沿兩個相互垂直的方向,向地層發(fā)射壓力脈沖,通過兩列接收波形的時間差和相位差,可以判斷地層的各向異性,并評價垂直裂縫和地應(yīng)力狀態(tài)。

2 遠(yuǎn)場井筒地帶裂縫診斷技術(shù)

2.1 地面測斜儀

采用高靈敏度測斜儀器通過監(jiān)測壓裂對大地造成的變形,借助地球物理反演法來確定裂縫方位、傾角及產(chǎn)狀。儀器探棒直徑60.5 mm,長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)原理簡單,能夠可靠地確定幾個主要裂縫參數(shù),如裂縫方位角、傾角及較低精度的距裂縫中心深度、裂縫不對稱發(fā)育引起裂縫偏移。目前所進(jìn)行的地面傾斜裂縫測繪深度淺至6 m,深達(dá)3 600 m以上[2、3]。

2.2 鄰井測斜儀

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)確地測繪裂縫尺寸,并且實時測定隨時間變化的裂縫高度、長度和寬度[4、5]。

2.3 壓裂井測斜儀

通常采用3-20只井下測斜儀排列組合,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,一般可以覆蓋整個處理層段;在有些情況下,僅在預(yù)期可能會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斜儀;儀器串上每只測斜儀可以對無支掌劑壓裂作業(yè)(微型壓裂、清水壓裂或酸壓)和人工誘導(dǎo)傾斜進(jìn)行實時測量,通過常規(guī)單芯電纜傳輸?shù)降孛?用實時測得的縫高數(shù)據(jù)建立裂縫模型,并對作為實際施工參數(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,用實時數(shù)據(jù)進(jìn)行施工評價和量化分析;在有些情況下,測斜儀也可以滯留在井筒里對加砂壓裂作業(yè)進(jìn)行繪圖監(jiān)測。

2.4 井下微地震成像

該技術(shù)采用鎧裝光纜將三分量實時采集檢波器以大級距的排列方式、多極布放在壓裂井旁的一個鄰近井井底對應(yīng)儲層深度,通過監(jiān)測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造成的微地震信號,經(jīng)過資料處理得出裂縫方位、高度、長度、不對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。即在壓裂施工過程中,如果所用的壓裂液相對于地層介質(zhì)電阻率相比差異較大,這時向地層供電,由于大量壓裂液的存在將使原來地面電場的分布形態(tài)發(fā)生變化。在壓裂井周圍環(huán)形布置多環(huán)測量電極,并采用高精度的電位觀測系統(tǒng)測量壓裂前后的電位梯度變化并經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)處理,進(jìn)行裂縫方位、長度、裂縫對稱性及產(chǎn)狀的解釋。

3 目前國外裂縫檢測儀器技術(shù)現(xiàn)狀

國外早在1962年由Biot首先提出利用微地震技術(shù)對壓裂裂縫進(jìn)行識別;1992年美國品尼高(Pinnacle)技術(shù)公司首次將微地震監(jiān)測技術(shù)投入現(xiàn)場試驗;1997年以后逐漸進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。從目前各種檢測方法對比來看,都不同程度存在自身的優(yōu)點和局限性;為了準(zhǔn)確、全面進(jìn)行壓裂施工后分析、識別人工裂縫特征,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井中應(yīng)用。儀器整體設(shè)計規(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,使得每個夾臂能夠獨立地固定在套管上,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,不必使用鄰井檢驗放炮資料確定儀器方向;②開發(fā)了遙測技術(shù),用常規(guī)7芯電纜將數(shù)據(jù)實時傳送至地面,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孔,允許電子接頭間連線通過。

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)電纜長度,讀取儀器的電壓和電流數(shù)據(jù);信號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SIMFRAC壓裂微震儀

1)儀器原理:SIMFRAC探測器儀器是一種聲波儀器,安裝有一個三軸向加速度器、壓力和溫度測量儀。探測器連接在一根標(biāo)準(zhǔn)的單芯或七芯測井電纜繩下入準(zhǔn)備壓裂或注水的井中。從探測器發(fā)送的高速數(shù)字信號傳輸?shù)降孛娴牟杉到y(tǒng)。在其后的流體壓裂的下降期間,SIMFRAC工具通過加速度器記錄與裂縫閉合相關(guān)的地震活動信息,假設(shè)速度模型是已知的,通過不同的地震活動進(jìn)行裂縫勘測,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度,尤其適用于水平井段。

2)儀器特點: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,具有較大的帶寬,且儀器測量段安裝了隔聲系統(tǒng),能阻止因測井電纜振動產(chǎn)生的機(jī)械噪聲;②直接用于生產(chǎn)井,監(jiān)測生產(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,不會出現(xiàn)由于泵壓造成的跳動現(xiàn)象;④高速實時傳輸,實時處理數(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)正在油氣井改造評價中廣泛應(yīng)用。

1)技術(shù)原理:在儲層順層理面上或者在鄰近水力裂縫的天然裂縫上,通過對剪切滑脫作用產(chǎn)生的微地震進(jìn)行監(jiān)測形成裂縫圖像;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,獲得微震活動生成的裂縫位置;如果無法提供鄰井監(jiān)測,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:①鄰井測斜儀成像繪圖技術(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、能直接測量水力壓裂裂縫,包括長度、高度、寬度及時間的工藝技術(shù);②在增產(chǎn)改造泵送作業(yè)時,當(dāng)人工誘導(dǎo)裂縫走向偏離產(chǎn)層時,它具有自動暫停的功能;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)場需要,可隨時調(diào)整壓裂方案,達(dá)到實時測量、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)測儀(VSI,StimMAP)

該公司在油藏評價,尤其在電纜測井及井下成像技術(shù)方面占居優(yōu)勢。2008年新近推出StimMAP Live“增產(chǎn)施工實時繪圖”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,每個傳感器包都應(yīng)用三軸定位技術(shù),通常配置8個傳感器包;這些傳感器設(shè)計時考慮了與整個儀器主體的聲學(xué)隔離,同時在水力壓裂監(jiān)測(HFM)作業(yè)時實現(xiàn)與套管的聲學(xué)耦合;在記錄微地震活動信息時,這種設(shè)計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)場實際,對傳感器數(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隔離彈簧實現(xiàn)與整個儀器主體的聲學(xué)隔離,可采集高保真地震數(shù)據(jù);VSI儀器通過一個強(qiáng)力錨臂實現(xiàn)與套管或地層的機(jī)械耦合;在作業(yè)之前,可利用內(nèi)部震動器來測量耦合質(zhì)量;為了增加垂向覆蓋范圍,可以安裝多達(dá)40個傳感器包,不過通常HFM作業(yè)中一般使用8個傳感器,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)品有地面測斜、鄰井測斜、壓裂井測斜儀與繪圖技術(shù);自1997年以來,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)場微地震監(jiān)測1 100口井,占全球水力壓裂裂縫診斷現(xiàn)場應(yīng)用90%以上,位居領(lǐng)先地位;2000年以來,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,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斜儀進(jìn)行實時繪圖;截止目前已經(jīng)在油氣壓裂施工井或觀測井中安置測斜儀,對上千口水力壓裂井里直接進(jìn)行裂縫檢測繪圖診斷;2008年品尼高公司正式并入哈利伯頓[9]。

4 結(jié)束語

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

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

3)井下測斜儀在診斷裂縫高度、長度、寬度方面可靠性較高。

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

5)地面監(jiān)測與井下監(jiān)測相比,節(jié)約成本、施工條件簡便、無傷害井筒危險;但存在距離震源遠(yuǎn)、接收信號少、檢波器和采集器的信噪比要求高等局限。

6)從裂縫評價技術(shù)及檢測儀器對比來看,美國哈利伯頓(Pinnacle)在地面、井下、鄰井測斜技術(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)實時繪圖儀(StimMap Live),上述兩種儀器測量精度高、操作方便、應(yīng)用廣泛。

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

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

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

[3] 陳福明,譯.實時壓裂井傾斜裂縫測繪技術(shù)[J].國外油田工程,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,長期在川慶鉆探長慶井下技術(shù)作業(yè)公司,從事油氣田開發(fā)技術(shù)研究、國際市場開發(fā),以及井下作業(yè)科研工作。郵編:710021

2010-03-06編輯:高紅霞)