修乃嶺,嚴(yán)玉忠,竇晶晶,王　臻，駱　禹,嚴(yán)星明

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

?

四川長(zhǎng)寧A平臺(tái)頁(yè)巖氣水平井組壓裂地面測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)評(píng)估

修乃嶺,嚴(yán)玉忠,竇晶晶,王臻，駱禹,嚴(yán)星明

(中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

四川長(zhǎng)寧A平臺(tái)是我國(guó)第一個(gè)頁(yè)巖氣叢式水平井井組平臺(tái)，也是國(guó)內(nèi)首次采用“拉鏈?zhǔn)健眽毫炎鳂I(yè)模式進(jìn)行“工廠化”壓裂作業(yè)的平臺(tái)。為更好地認(rèn)識(shí)該平臺(tái)壓裂模式中水力裂縫的形態(tài)和擴(kuò)展規(guī)律，指導(dǎo)該區(qū)塊其他井組優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)，采用地面測(cè)斜儀對(duì)該井組3口水平井分段壓裂裂縫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲得了裂縫的形態(tài)、體積和長(zhǎng)度，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，探索了影響裂縫形態(tài)的因素。結(jié)果表明：即使同一個(gè)井組，水力裂縫形態(tài)也會(huì)具有很大的差別，天然裂縫和水平層理對(duì)水力裂縫形態(tài)具有重要影響；當(dāng)天然裂縫發(fā)育時(shí)，水力裂縫以垂直縫為主，裂縫延伸距離大，反之則水平縫與垂直縫同時(shí)發(fā)育，且體積相近，裂縫延伸距離小。

四川長(zhǎng)寧；測(cè)斜儀;裂縫監(jiān)測(cè);水平井組;頁(yè)巖氣

四川盆地頁(yè)巖氣資源儲(chǔ)量十分豐富，具有廣闊的勘探開發(fā)前景[1]。但頁(yè)巖氣儲(chǔ)層具有超低孔隙度、低滲透率的特征， 只有借助水力壓裂才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)[2-3]。獲知水力裂縫的形態(tài)、尺寸等參數(shù)，對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)頁(yè)巖儲(chǔ)層水力裂縫延伸規(guī)律，優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)和制定合理的開發(fā)方案具有重要意義。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，常用的遠(yuǎn)井方法有微地震方法和測(cè)斜儀方法。地面測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)屬于遠(yuǎn)井方法，該技術(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[4-9]，但國(guó)內(nèi)基本是在砂巖、煤巖儲(chǔ)層水力壓裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

地面測(cè)斜是一種每年在全球應(yīng)用超過1000多次的裂縫診斷手段[10], 它能夠監(jiān)測(cè)水力壓裂造成的地面變形或地下移位情況。測(cè)斜儀類似于“木匠水平儀”,它能夠感覺到小到十億分之一的位移梯度變化(或傾斜)。由測(cè)斜儀測(cè)量到的地面位移可以直接用來確定水力裂縫的方位和傾斜情況;同時(shí),當(dāng)多個(gè)平面出現(xiàn)裂縫增長(zhǎng)時(shí),可以確定注入到每個(gè)水平或垂直裂縫中的流體比例的大小。通過測(cè)斜儀獲得水力裂縫形態(tài)、尺寸等參數(shù)，可為優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)壓裂效果提供理論依據(jù)。

1　A平臺(tái)水平井組基本情況

A平臺(tái)是四川盆地長(zhǎng)寧一威遠(yuǎn)國(guó)家級(jí)頁(yè)巖氣示范區(qū)一個(gè)“工廠化”試驗(yàn)平臺(tái)， 是長(zhǎng)寧區(qū)塊繼直井探井、水平井評(píng)價(jià)井后部署的水平井平臺(tái)，目的層位為志留系龍馬溪組。該平臺(tái)成2排共布置6口水平井，此次壓裂監(jiān)測(cè)的井為首先完鉆上傾的A1、A2、A3井(表1)。

表1　A平臺(tái)水平井組基本數(shù)據(jù)

A平臺(tái)A1、A2兩口水平井采取“拉鏈?zhǔn)健眽毫训淖鳂I(yè)模式，即同一井場(chǎng)一口井壓裂，另一口井進(jìn)行電纜橋塞射孔聯(lián)合作業(yè)，兩項(xiàng)作業(yè)交替進(jìn)行無縫銜接，之后單獨(dú)對(duì)A3井進(jìn)行壓裂作業(yè)。

2　地面測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)方案及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

一般來說，監(jiān)測(cè)單一壓裂層段時(shí)，監(jiān)測(cè)所需儀器的數(shù)量與壓裂井預(yù)壓層的垂直深度和壓裂規(guī)模有關(guān)，一般需在地面布置30～40支監(jiān)測(cè)儀器，布置的方式是以壓裂井預(yù)壓層射孔段在地面垂直投影為圓心，以壓裂井預(yù)壓層平均垂深的25%～75% 為半徑范圍內(nèi)隨機(jī)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，避免徑向連成直線，并使觀測(cè)點(diǎn)密度分布大致均勻。對(duì)于叢式水平井組，測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和布置范圍要根據(jù)3口井壓裂段的位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此測(cè)點(diǎn)布置范圍要遠(yuǎn)大于單一壓裂層段的范圍，測(cè)點(diǎn)數(shù)量也比單一壓裂層段要多，要使得所有的壓裂層段都有足夠數(shù)量和范圍的測(cè)點(diǎn)來覆蓋?？紤]壓裂排量、每段液量和壓裂段垂直深度，50支地面測(cè)斜儀可以滿足A平臺(tái)監(jiān)測(cè)要求；3口井地面觀測(cè)點(diǎn)布置范圍為4 700 m×4 400 m，50個(gè)觀測(cè)點(diǎn)隨機(jī)、大致均勻地布置在觀測(cè)范圍內(nèi)，并根據(jù)地面實(shí)際地形地貌條件調(diào)整觀測(cè)點(diǎn)位置。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓裂進(jìn)度安排，在壓裂前5～7天把儀器下入到提前構(gòu)筑好的地面觀測(cè)井。通過電纜把地面測(cè)斜儀下入到觀測(cè)井PVC管中，并往管中下入沙子，使沙子剛好埋沒測(cè)斜儀，這樣地面傾斜信號(hào)通過沙子傳給測(cè)斜儀。儀器連接完成后，通過軟件啟動(dòng)儀器，儀器工作正常后，封好PVC管頭。由于采用電池供電，儀器一直處于數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儀器內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)。3口井全部壓裂完成后，繼續(xù)采集一天信號(hào)，然后關(guān)閉儀器下載數(shù)據(jù)。

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在壓裂過程中，采用地面測(cè)斜儀對(duì)A平臺(tái)3口井進(jìn)行了壓裂裂縫監(jiān)測(cè)。這3口水平井共壓裂32段，得到了32個(gè)壓裂裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果，見表2、表3和表4。

表2　A1井12段測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

表3　A2井12段測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

表4　A3井8段測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果

注：A3井第8段第一次壓裂注入液體490 m3后，由于施工壓力高停泵，記為8-1，第二次壓裂記為8-2。

裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，A1井壓裂裂縫以垂直裂縫為主，垂直縫體積分?jǐn)?shù)為55%～100%，垂直縫半長(zhǎng)106～406 m；A2井壓裂裂縫也以垂直裂縫為主，垂直縫體積分?jǐn)?shù)為72%～100%，垂直縫半長(zhǎng)235～355 m；A3井壓裂裂縫中垂直縫和水平縫同時(shí)發(fā)育，水平縫與垂直縫比例接近。3口井垂直縫方位以北偏西20°～50°為主，與該區(qū)塊最大水平主應(yīng)力方位相近。對(duì)32段壓裂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)行了擬合。A1井和A2井大部分裂縫以垂直縫為主，地面變形表現(xiàn)為具有兩個(gè)鼓包的“馬鞍”形，如圖1中的A1井的第5段和A2井的第2段地面變形圖，這是垂直縫引起的地面變形特征，圖中顏色越深表示地表的變形越大，即垂向位移越大。A3井水平裂縫體積比例與垂直縫接近，由于相同體積的水平縫在地面引起的垂向位移是垂直縫的三倍，水平縫體積比例超過30%時(shí)，地表的變形表現(xiàn)為僅有一個(gè)峰值(單一隆起)，如圖1中A3井第3段變形圖。

對(duì)3口水平井不同級(jí)數(shù)裂縫的垂直裂縫分量和水平裂縫分量延伸對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層水平層理及天然裂縫發(fā)育情況將很大程度影響壓裂裂縫形態(tài)與延伸距離。地震勘探顯示A平臺(tái)井區(qū)層理發(fā)育，但A1井和A2井與水平段近似正交的高角度天然裂縫發(fā)育，A3井高角度天然裂縫發(fā)育程度低。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，A1井和A2井壓裂裂縫以垂直縫為主，裂縫延伸距離大；A3井壓裂裂縫延伸距離較小(圖2),水平裂縫和垂直裂縫同時(shí)發(fā)育，垂直縫體積比例低于A1和A2井(圖3)。原因是水力裂縫形態(tài)受地應(yīng)力、水平層理和天然裂縫的綜合影響。A平臺(tái)三口井地應(yīng)力狀態(tài)相同，水力裂縫形態(tài)的差別主要受水平層理和天然裂縫發(fā)育程度的影響。A平臺(tái)3口井水平層理發(fā)育，但A3井處天然裂縫欠發(fā)育，則水力裂縫主要為水平縫和垂直縫共同發(fā)育，水平縫比例與垂直縫接近，說明水平層理對(duì)垂直裂縫的擴(kuò)展具有明顯的限制作用；同時(shí)相同壓裂規(guī)模下，水平縫擴(kuò)展范圍小于垂直縫，A3井水力裂縫延伸距離小于A1和A2井；A1和A2井地應(yīng)力狀態(tài)和水平層理發(fā)育程度與A3井相同，但由于A1和A2井高角度天然裂縫發(fā)育，水力裂縫形態(tài)與A3井有很大不同。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示A1和A2井水力裂縫以垂直縫為主，水力裂縫延伸距離大。

圖1　A1井第5段、A2井第2段和A3井第3段壓裂裂縫引起的地面變形

圖2　A平臺(tái)3口井平均垂直縫半長(zhǎng)

圖3　A平臺(tái)3口井平均垂直裂縫體積分?jǐn)?shù)

4　結(jié)論

(1)地面測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)適用于頁(yè)巖氣水平井組“拉鏈?zhǔn)健眽毫训墓S化作業(yè)模式壓裂監(jiān)測(cè)，不僅可以獲得頁(yè)巖氣水平井組壓裂裂縫參數(shù)，還可以判斷壓裂裂縫的復(fù)雜性，為認(rèn)識(shí)壓裂裂縫和壓裂評(píng)估提供依據(jù)。

(2)水平層理及天然裂縫發(fā)育情況對(duì)壓裂裂縫形態(tài)及延伸距離具有重要影響，即使是同一個(gè)水平井組，天然裂縫發(fā)育程度不同，也會(huì)造成壓裂裂縫形態(tài)的很大變化：A1井、A2井處高角度天然裂縫發(fā)育且與水平段近似正交，水力裂縫以垂直縫為主，裂縫延伸距離大；A3井天然裂縫發(fā)育程度低，則水平縫與垂直縫同時(shí)發(fā)育，裂縫延伸距離小。

(3)裂縫形態(tài)及復(fù)雜程度受到地應(yīng)力、水平層理和天然裂縫等因素共同控制，3口井壓裂裂縫方位總體上與該區(qū)塊最大水平主應(yīng)力方位走向一致；“拉鏈?zhǔn)健眽毫褧r(shí)雖然應(yīng)力干擾增加裂縫復(fù)雜程度，但在A平臺(tái)3口井地應(yīng)力狀態(tài)相同情況下，水平層理和天然裂縫發(fā)育情況對(duì)水力裂縫的延伸和形態(tài)具有重要的影響，水平層理發(fā)育，高角度天然縫不發(fā)育時(shí)，水平層理對(duì)垂直縫的延伸具有限制作用；相反，高角度天然裂縫發(fā)育時(shí)，水力裂縫中垂直裂縫更為發(fā)育。

[1]劉樹根,馬文辛,LUBA Jansa，等.四川盆地東部地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁(yè)巖儲(chǔ)層特征[J].巖石學(xué)報(bào)，2011，27(8)：2239-2252．

[2]李勇明,彭瑀,王中澤.頁(yè)巖氣壓裂增產(chǎn)機(jī)理與施工技術(shù)分析[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013,35(2)：90-95.

[3]葉登勝,尹叢彬,蔣海,等.四川盆地南部頁(yè)巖氣藏大型水力壓裂作業(yè)先導(dǎo)性試驗(yàn)[J].天然氣工業(yè),2011,31(4)：48-50.

[4]唐梅榮,張礦生,樊鳳玲．地面測(cè)斜儀在長(zhǎng)慶油田裂縫測(cè)試中的應(yīng)用[J]．石油鉆采工藝，2009,31(3):107-110.

[5]修乃嶺,嚴(yán)玉忠,駱禹,等．地面測(cè)斜儀壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J]．鉆采工藝，2013,36(1):50-52.

[6]修乃嶺,王欣,梁天成,等．地面測(cè)斜儀在煤層氣井組壓裂裂縫監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]．特種油氣藏，2013,20(4):147-150.

[7]周健,張保平,李克智,等.基于地面測(cè)斜儀的“井工廠”壓裂裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù)，2015,43(3)：71-75.

[8]D K Astakhov，W H Roadarmel，A S Nanayakkara.A new method of characterizing the stimulated reservoir volume using tiltmeter-based surface microdeformation measurements[C].SPE 151017，2012.

[9]C L Cipolla, N R Warpinski, M J Mayerhofer. Hydraulic fracture complexity:diagnosis,remediation,and exploitation[C].SPE 115771,2008.

[10]李艷春,劉雄明, 徐俊芳. 改進(jìn)Barnett 頁(yè)巖增產(chǎn)效果的綜合裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].國(guó)外油田工程,2009,25(1):20-23.

[11]Wang Xin, Ding Yunhong, Xiu Nailing, et al. A new method to interpret hydraulic fracture complexity in unconventional reservoir by tilt magnitude[C].IPTC 17094,2013.

編輯：李金華

1673-8217(2016)05-0124-04

2016-03-26

修乃嶺，工程師，碩士，1981年生，2008年畢業(yè)于中科院流體力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事水力裂縫監(jiān)測(cè)和解釋工作。

國(guó)家重大項(xiàng)目18課題4“頁(yè)巖氣儲(chǔ)層增產(chǎn)改造技術(shù)研究”(2011ZX05018-004)、國(guó)家973項(xiàng)目“中國(guó)南方海相頁(yè)巖氣高效開發(fā)的基礎(chǔ)研究”(2013CB228004)聯(lián)合資助。

TE357

A