周 健， 張保平， 李克智， 張旭東， 徐勝?gòu)?qiáng)

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2.中國(guó)石化華北分公司，河南鄭州 450006)

基于地面測(cè)斜儀的“井工廠”壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)

周 健1， 張保平1， 李克智2， 張旭東1， 徐勝?gòu)?qiáng)1

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京100101；2.中國(guó)石化華北分公司，河南鄭州 450006)

為了更好地認(rèn)識(shí)大牛地氣田“井工廠”壓裂模式中裂縫的形態(tài)和方位，指導(dǎo)該區(qū)塊其他井組合理部署井網(wǎng)及優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)，采用地面測(cè)斜儀對(duì)R井組的2口水平井分段壓裂裂縫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲得了每條壓裂裂縫的方位與長(zhǎng)度，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，探索研究了水平井組同步壓裂工藝對(duì)裂縫復(fù)雜性的影響。研究表明，在R井組2口水平井的同步壓裂過程中，由于誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)的影響，使得部分井段壓裂裂縫的復(fù)雜性增加，從而增大了改造體積，改善了壓裂效果。研究結(jié)果為今后的壓裂設(shè)計(jì)優(yōu)化和井網(wǎng)部署提供了理論依據(jù)。

測(cè)斜儀 井工廠 裂縫形態(tài) 同步壓裂 裂縫監(jiān)測(cè) 大牛地氣田

水力壓裂是低滲透油氣藏增產(chǎn)的主要措施之一，水力裂縫的形態(tài)即裂縫的高度、長(zhǎng)度、寬度、方位和傾角等，對(duì)于制定合理的開發(fā)方案、確保油氣田開發(fā)的完整性、達(dá)到長(zhǎng)期高效的油田開發(fā)和增產(chǎn)的目的具有重要意義。目前水力裂縫監(jiān)測(cè)的直接方法主要有近井筒方法和遠(yuǎn)井方法。地面測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)“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(cè)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(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用[1-5]，但是基本是在單一直井或者單一水平井分段壓裂監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。

大牛地氣田儲(chǔ)層以辮狀河流相沉積為主，縱向上交錯(cuò)疊合發(fā)育，平面上分片展布，非均質(zhì)性較強(qiáng)，氣藏內(nèi)部差別較大，是典型的低壓、低孔、低含氣飽和度致密氣藏。大牛地氣田盒1氣層平均孔隙度9.09%，平均滲透率0.55 mD，地層壓力系數(shù)0.91，采用水平井分段壓裂工藝取得了較好的改造效果[6]。為進(jìn)一步提高大牛地氣田盒1氣層的儲(chǔ)量動(dòng)用程度，掌握“井工廠”水平井分段壓裂后的裂縫走向和裂縫幾何參數(shù)，在大牛地氣田R井組的水平井同步壓裂過程中[7-9]，利用地面測(cè)斜儀采集傾斜角變化信號(hào)，并通過數(shù)據(jù)解釋軟件反演求取裂縫參數(shù)，獲得每一段水力裂縫的方位、長(zhǎng)度和復(fù)雜性參數(shù)，為優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)壓裂效果和合理布置注采井網(wǎng)提供了理論依據(jù)。

1 地面測(cè)斜儀基本測(cè)試原理

水力壓裂可將地層壓開，并最終形成一定寬度的裂縫。壓裂裂縫引起的巖石變形場(chǎng)向各個(gè)方向輻射，引起地面及地下地層的變形，這種地面地層變形的量級(jí)為微米級(jí)，幾乎是不可測(cè)量的，但是可以測(cè)量變形場(chǎng)的變形梯度(即傾斜場(chǎng))。因此，可以在地面壓裂井周圍或鄰井井下布設(shè)一組測(cè)斜儀，測(cè)量地面由于壓裂引起巖石變形而導(dǎo)致的地層傾斜，再通過地球物理反演的方法[10]來反演出壓裂裂縫的參數(shù)。測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)垂直裂縫的基本原理如圖1所示。

不同類型的裂縫引起的地層變形在地面的變形場(chǎng)如圖2所示。變形場(chǎng)不受儲(chǔ)層巖石力學(xué)特性和原地應(yīng)力場(chǎng)的影響，比如一條定尺寸的南北向擴(kuò)展的垂直水力裂縫，不管裂縫位于低模量的硅藻巖、非常硬的碳酸巖還是疏松的砂巖，在地面產(chǎn)生的變形模式將是一樣的，變形的模式是具有南北向趨勢(shì)的由周圍對(duì)稱隆起環(huán)繞的槽(若裂縫有傾斜，則隆起不對(duì)稱)，隆起的大小取決于裂縫的體積和裂縫中心的深度[11]。

在進(jìn)行壓裂裂縫監(jiān)測(cè)之前，基于相關(guān)的施工參數(shù)，可以提前計(jì)算出壓裂裂縫產(chǎn)生過程中所造成的最大傾斜角：

(1)

式中：Tmax為最大傾斜角，μrad；V為裂縫內(nèi)流體的體積，m3；D為射孔垂直深度，m。

某一口頁巖氣直井壓裂施工時(shí)射孔位置垂深為2 400 m，壓裂液用量為2 000 m3，通過式(1)可計(jì)算得到壓裂過程中所產(chǎn)生的最大的傾斜角為24.1μrad。測(cè)斜儀的最高測(cè)量精度為1μrad，滿足工程施工精度要求，因此可以采用測(cè)斜儀進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)。

2 壓裂裂縫監(jiān)測(cè)方案優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

大牛地氣田R井組是一“米”字形水平井組，水平段平均垂深2 540.00 m左右。應(yīng)用測(cè)斜儀對(duì) R-1H井、R-3H 井和 R-5H 井進(jìn)行壓裂裂縫監(jiān)測(cè)(井位分布見圖3)。其中，R-5H 井和 R-3H 井采用水平井同步壓裂工藝， R-1H 井采用水平井單井分段壓裂。

一般來說，布置單一水平井測(cè)點(diǎn)時(shí)，依據(jù)射孔深度、水平段長(zhǎng)度和施工規(guī)模確定測(cè)斜儀支數(shù)和布置范圍。對(duì)于叢式水平井組，測(cè)點(diǎn)的布置范圍要根據(jù)3口井水平段的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此測(cè)點(diǎn)布置范圍要遠(yuǎn)大于單一水平井的范圍，測(cè)點(diǎn)數(shù)量也比單一水平井要多。

根據(jù)R井組實(shí)際情況及目前已完鉆水平井的水平段長(zhǎng)度和壓裂施工參數(shù)情況，監(jiān)測(cè)單井單段壓裂需布置36支地面測(cè)斜儀。根據(jù)3口水平井多段壓裂需要，統(tǒng)籌考慮井深允許的測(cè)斜儀布放機(jī)動(dòng)余量，設(shè)計(jì)55支測(cè)斜儀可以滿足監(jiān)測(cè)要求。在水平井射孔位置，以深度的25%～75%為半徑的環(huán)形范圍內(nèi)隨機(jī)布孔。3口井的垂直深度為2 540 m，因此測(cè)斜儀地面觀測(cè)點(diǎn)布置在以措施段中心位置為圓點(diǎn)、以635和1 905 m為半徑的環(huán)形范圍內(nèi)，在井的東、西、南、北大致相同數(shù)目的井眼內(nèi)隨機(jī)布置。依次壓裂 R-1H井、R-3H 井和 R-5H 井，3口井監(jiān)測(cè)時(shí)以中間井為基準(zhǔn)進(jìn)行布放，左右適當(dāng)增加。圖3是根據(jù)這3口井的壓裂監(jiān)測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)的測(cè)點(diǎn)布置優(yōu)化方案。

結(jié)合設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)場(chǎng)地表實(shí)際條件，在井組地面4 km2范圍內(nèi)布置了54支地面測(cè)斜儀(見圖4)。

圖4中，3口井的井口用紅旗代表，各井水平段的兩端用綠旗代表，測(cè)斜儀測(cè)點(diǎn)用藍(lán)旗代表。每一個(gè)藍(lán)色測(cè)點(diǎn)都是通過GPS現(xiàn)場(chǎng)定位確定的。在現(xiàn)場(chǎng)布置完地面測(cè)斜儀后，由于現(xiàn)場(chǎng)壓裂作業(yè)制度的臨時(shí)調(diào)整，只對(duì) R-3H 井和 R-5H 井進(jìn)行壓裂裂縫監(jiān)測(cè)。

3 壓裂裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

在現(xiàn)場(chǎng)壓裂作業(yè)過程中，R-3H井因投球滑套提前打開，放棄了前3段施工，實(shí)際采用地面測(cè)斜儀對(duì)R井組的 R-5H 井和 R-3H 井這2口水平井進(jìn)行了同步壓裂裂縫監(jiān)測(cè)。這2口井共壓裂15段，得到15個(gè)裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中包括裂縫方位、裂縫半場(chǎng)、裂縫的水平分量和垂直分量，以及壓裂裂縫擴(kuò)展而引起地表變形的趨勢(shì)面及其矢量場(chǎng)。

圖5為2口水平井的裂縫方位示意圖，清晰地反映了2口水平井的位置、每一段裂縫的方位、地面測(cè)斜儀測(cè)點(diǎn)的分布和井口的位置等參數(shù),其中沿著水平井段的彩色短線分別代表了每一段壓裂裂縫和方位。這2口井的裂縫參數(shù)匯總結(jié)果見表1和表2。

表1 R-3H 井分段壓裂測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

Table 1 Results of fracture monitoring of the surface tiltmeter for Well R-3H during multistage fracturing

表2 R-5H 井分段壓裂測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

Table 2 Results of fracture monitoring of the surface tiltmeter for Well R-5H during multistage fracturing

裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，R-3H 井水平井分段壓裂裂縫的方位為北偏東53°～71°，裂縫半長(zhǎng)112～149 m；R-5H 井水平井分段壓裂裂縫的方位為北偏東67°～76°，裂縫半長(zhǎng)107～142 m。

對(duì)15條裂縫所造成的地面變形場(chǎng)的形態(tài)和變形數(shù)值分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。 R-5H 井第4級(jí)裂縫的地表變形形態(tài)如圖6所示，圖中顏色越深表示地表的變形越大，即垂向位移越大，由于垂直裂縫為主體，造成地表的變形具有一大一小2個(gè)峰值。 R-5H 井第9級(jí)裂縫的地表變形形態(tài)如圖7所示，由于水平裂縫為主體，造成地表的變形僅有一個(gè)峰值(單一隆起)。

4 同步壓裂造成的復(fù)雜裂縫及其對(duì)單井產(chǎn)量的影響分析

對(duì)不同級(jí)數(shù)裂縫的垂直分量和水平分量對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，水平井同步壓裂對(duì)裂縫形態(tài)的影響顯著。由于這2口井相對(duì)應(yīng)的壓裂級(jí)數(shù)基本屬于同步壓裂(泵車開泵時(shí)間前后不超過20 min)，因此會(huì)產(chǎn)生局部誘導(dǎo)應(yīng)力場(chǎng)的變化，使得產(chǎn)生的裂縫之間相互干擾，在一定程度上增加了裂縫的復(fù)雜性。從表1可以看出，從第7級(jí)裂縫到第9級(jí)裂縫，其水平分量逐漸增加；從表2可以看出，從第5級(jí)裂縫到第9級(jí)裂縫，其水平分量顯著增加。從第1級(jí)裂縫到第9級(jí)裂縫之間，2口井水平段之間的距離是逐步減小的，因此隨著水平段之間距離的減小，同步壓裂所造成的應(yīng)力干擾程度逐漸升高，造成裂縫的水平分量顯著增大，增加了裂縫的復(fù)雜性。產(chǎn)量對(duì)比發(fā)現(xiàn)(見表3)，由于 R-3H 井和 R-5H 井同步壓裂中產(chǎn)生的復(fù)雜裂縫較多，這2口井的無阻流量分別是20.41×104m3/d和27.51×104m3/d，分別在該井組單井產(chǎn)量中排名第一和第二。

表3 R井組分段壓裂參數(shù)及測(cè)試產(chǎn)量

Table 3 Parameters of multistage fracturing and testing production for Cluster R

以上研究表明，同步壓裂中產(chǎn)生的復(fù)雜裂縫，在一定程度上增大了有效改造體積，進(jìn)而提高了壓裂后的單井產(chǎn)量。在今后的水平井“井工廠”鉆井設(shè)計(jì)和壓裂設(shè)計(jì)中，綜合考慮水平井水平段之間的距離和壓裂設(shè)計(jì)中的裂縫規(guī)模(縫長(zhǎng))，既要在水平井的水平段之間充分地造長(zhǎng)縫，提高壓裂裂縫的有效改造體積，又要適度控制裂縫規(guī)模和裂縫的復(fù)雜性，以有效提高壓裂后的產(chǎn)量。

5 結(jié) 論

1) 基于地面測(cè)斜儀的裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)在水平井井組“井工廠”壓裂模式中的成功應(yīng)用表明，地面測(cè)斜儀可以為水平井組的壓裂后評(píng)估及壓裂設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供依據(jù)，具有較好的推廣前景。

2) R井組的2口水平井采用的是水平井組同步壓裂工藝，說明地面測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)適用于水平井同步壓裂監(jiān)測(cè)。

3) 測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅可以監(jiān)測(cè)水平井同步壓裂的裂縫參數(shù)，而且可以判斷壓裂裂縫的復(fù)雜性。

4) 水平井同步壓裂工藝對(duì)裂縫形態(tài)的影響顯著。對(duì)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)結(jié)果的初步研究發(fā)現(xiàn)，在靠近2井井口的水平段部分的多條裂縫的水平分量顯著增大，說明隨著水平段之間距離的減小，同步壓裂所造成的應(yīng)力干擾程度逐漸升高，造成裂縫的水平分量顯著增大，增加了裂縫的復(fù)雜性。

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[編輯 滕春鳴]

Fracture Monitoring Technology Based on Surface Tiltmeter in “Well Factory” Fracturing

Zhou Jian1, Zhang Baoping1, Li Kezhi2, Zhang Xudong1, Xu Shengqiang1

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China; 2.SinopecHuabeiCompany,Zhengzhou,Henan, 450006,China)

To obtain fracture geometry and azimuth in the “well factory” fracturing in the Daniudi Gas Field in order to guide the well pattern deployment and fracturing design, surface tiltmeters were used to monitor fractures induced in multistage horizontal well fracturing of two wells in Cluster R. Monitoring results were analyzed to understand fracture complexity using Simufrac. The research results demonstrated that complex fracture networks were developed due to induced stress which would lead to improved stimulation volume and performance in the simufrac of the two wells in Cluster R.This research will provide a theoretical basis forwell placement and fracturing design optimization in the near future.

surface tiltmeter; well factory; fracture geometry; simufrac; fracture monitoring; Daniudi Gas Field

2014-10-27；改回日期：2015-04-28。

周健(1979—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，2003年畢業(yè)于江蘇工業(yè)學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)， 2008年獲中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣井工程專業(yè)博士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事石油工程巖石力學(xué)及水力壓裂、裂縫監(jiān)測(cè)等方面的研究。

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“超深井酸壓監(jiān)測(cè)新技術(shù)應(yīng)用研究”(編號(hào)：2011ZX05014-006-006)和中國(guó)石油化工股份有限公司項(xiàng)目“鄂南中淺層水平井裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)”(編號(hào)：JSG12018)部分研究?jī)?nèi)容。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201503014

TE357.1+4

A

1001-0890(2015)03-0071-05

聯(lián)系方式：(010)84988550，zhouj.sripe@sinopec.com。