水力压裂裂缝监测仪器概述

赵小充雷月莲李 佳

(1.中石油川庆钻探长庆井下技术作业公司 陕西西安) (2.中石油长庆油田勘探开发研究院 陕西西安)(3.中石油长庆油田工程建设监理公司 陕西西安)

水力压裂裂缝监测仪器概述

赵小充1雷月莲2李 佳3

(1.中石油川庆钻探长庆井下技术作业公司 陕西西安) (2.中石油长庆油田勘探开发研究院 陕西西安)(3.中石油长庆油田工程建设监理公司 陕西西安)

水力压裂效果评价在优化低渗油气田开发方面具有重要的作用。文章对国外主要生产家的最新裂缝监测仪器进行了系统归纳、描述,分析了其原理、性能和特点。

水力压裂;裂缝;监测;技术;现状

0 引 言

国内外水力压裂裂缝监测分为地面监测和井下监测;测试方法分成实验室测试和现场测试;裂缝信息捕捉形式分为声波和位移。实验室测试包括非定向岩心波速的各向异性、古地磁等测试,综合分析各测试结果,最后确定岩心主应力大小和方向。现场测试分为直接测试和间接测试;间接法包括裂缝模拟(净压力分析)、试井、生产数据分析等方法;直接法包括:近井地带直接法和远场直接法两种。目前国内外用于裂缝监测评价的仪器种类较多,在仪器性能方面各具特点,各有所长。

1 近井筒地带裂缝诊断技术

近井地带裂缝直接测试方法主要包括放射性示踪剂测试法、井温测井、井眼成像测井、井下电视成像、井径测井等。放射性示踪剂测试法可以估计压裂裂缝的高度、宽度、方位及倾角,不能估计裂缝长度,而且探测深度只有0.3 m～0.6 m,测试的裂缝高度比实际的偏低。井温测井可以估计井眼较近范围的裂缝高度,但是要求压裂后较短时期内进行,所测裂缝高度比实际的偏低。井眼成像测井、井下电视成像、井径测井等对测试井的现场施工条件要求较高,一般不太常用。

近年来过套管交叉偶极横波测井技术在长庆气田应用较多。其原理是采用了偶极声源,其产生的剪切波具有频散特征,低频时其传播速度与地层横波相同,可以从剪切绕曲波得到横波。交叉偶极横波测井仪有两个正交发射器,沿两个相互垂直的方向,向地层发射压力脉冲,通过两列接收波形的时间差和相位差,可以判断地层的各向异性,并评价垂直裂缝和地应力状态。

2 远场井筒地带裂缝诊断技术

2.1 地面测斜仪

采用高灵敏度测斜仪器通过监测压裂对大地造成的变形,借助地球物理反演法来确定裂缝方位、倾角及产状。仪器探棒直径60.5 mm,长762 mm,安置在施工井周围的浅井中(3 m～12 m),浅井与压裂井的距离取决于压裂层的深度,一般为90 m～1 000 m[1]。地面倾斜裂缝绘图技术原理简单,能够可靠地确定几个主要裂缝参数,如裂缝方位角、倾角及较低精度的距裂缝中心深度、裂缝不对称发育引起裂缝偏移。目前所进行的地面倾斜裂缝测绘深度浅至6 m,深达3 600 m以上[2、3]。

2.2 邻井测斜仪

自1997年起,开始利用钢丝电缆将线性排列的井下倾斜仪(通常8-5只测斜仪)放置在一口或多口邻井中,接近压裂层深度。由于倾斜仪分布于压裂处理层段深度,与地面倾斜仪相比通常更加靠近裂缝(30 m～900 m),所以能够比较准确地测绘裂缝尺寸,并且实时测定随时间变化的裂缝高度、长度和宽度[4、5]。

2.3 压裂井测斜仪

通常采用3-20只井下测斜仪排列组合,在压裂施工开泵之前入井;工具串外径依靠磁性扶正器与井筒耦合,一般可以覆盖整个处理层段;在有些情况下,仅在预期可能会把理想裂缝层段与水层或气顶隔离开的裂缝阻挡层放置少量测斜仪;仪器串上每只测斜仪可以对无支掌剂压裂作业(微型压裂、清水压裂或酸压)和人工诱导倾斜进行实时测量,通过常规单芯电缆传输到地面,用实时测得的缝高数据建立裂缝模型,并对作为实际施工参数函数的裂缝几何形状进行回放[6]。如果随后紧接加砂压裂,那么在开泵之前可以起出仪器串,而前面微型压裂期间创建的模型,在加砂压裂施工时,用实时数据进行施工评价和量化分析;在有些情况下,测斜仪也可以滞留在井筒里对加砂压裂作业进行绘图监测。

2.4 井下微地震成像

该技术采用铠装光缆将三分量实时采集检波器以大级距的排列方式、多极布放在压裂井旁的一个邻近井井底对应储层深度,通过监测裂缝端部岩石的张性破裂和滤失区的微裂隙的剪切滑动造成的微地震信号,经过资料处理得出裂缝方位、高度、长度、不对称性和延伸范围等方面的空间展布特征。

2.5 地面电位法

通常使用有源大地电位法。即在压裂施工过程中,如果所用的压裂液相对于地层介质电阻率相比差异较大,这时向地层供电,由于大量压裂液的存在将使原来地面电场的分布形态发生变化。在压裂井周围环形布置多环测量电极,并采用高精度的电位观测系统测量压裂前后的电位梯度变化并经过一定的数据处理,进行裂缝方位、长度、裂缝对称性及产状的解释。

3 目前国外裂缝检测仪器技术现状

国外早在1962年由Biot首先提出利用微地震技术对压裂裂缝进行识别;1992年美国品尼高(Pinnacle)技术公司首次将微地震监测技术投入现场试验;1997年以后逐渐进入商业化应用。从目前各种检测方法对比来看,都不同程度存在自身的优点和局限性;为了准确、全面进行压裂施工后分析、识别人工裂缝特征,需要采用先进技术、结合多种方法、相互对比进行综合诊断。

3.1 埃克森美孚-三轴井眼地震仪(TABS)

1)工作原理:利用声波方法推断水力压裂裂缝的几何形状。可以在压裂期间直接下入施工井,也可以在一口或多口相邻的观测井中应用。仪器整体设计规格不受井口防喷管限制。

2)技术特征:①TABS由一列声波接收器组成,在仪器短节之间有“挠曲连接部件”,这种连接部件在旋转方面是刚性的,在弯曲方面又是柔性的,使得每个夹臂能够独立地固定在套管上,便于接收器定向。一体式Gyrodata“速率陀螺”仪用于提供所有接收器的方向,不必使用邻井检验放炮资料确定仪器方向;②开发了遥测技术,用常规7芯电缆将数据实时传送至地面,具有更高的带宽;③开发了处理注入“压裂井口”,减轻压裂处理期间的电缆冲蚀。

3)井下仪器:TABS仪器由3轴接收器、数据遥测短节和陀螺短节组成。接收器位于仪器的顶部、中部和底部。遥测短节位于顶部和中部接收器之间,钻铤定位器短节在顶部接收器之下,压力和温度传感器在遥测短节的底部;陀螺短节位于中部和底部接收器之间;在仪器底部,可以使用机械弹簧偏心器或缓冲器短节;仪器总长度大约21 m。其关键部分是各短节之间的“挠曲连接部件”,是由低模量钛质材料制成,外径较小,弯曲性较好;连接部件的中心有个孔,允许电子接头间连线通过。

4)地面及井口设备:TABS地面设备由架式安装的外壳组成,含有电子模块、电力供应和计算机系统。电缆接口电路具有标尺和控制设备,可调节电缆长度,读取仪器的电压和电流数据;信号从接口电路传送到位于架式安装的PC上的数据采集板上。

3.2 法国SIMFRAC压裂微震仪

1)仪器原理:SIMFRAC探测器仪器是一种声波仪器,安装有一个三轴向加速度器、压力和温度测量仪。探测器连接在一根标准的单芯或七芯测井电缆绳下入准备压裂或注水的井中。从探测器发送的高速数字信号传输到地面的采集系统。在其后的流体压裂的下降期间,SIMFRAC工具通过加速度器记录与裂缝闭合相关的地震活动信息,假设速度模型是已知的,通过不同的地震活动进行裂缝勘测,根据P/S波列解释他们的位置。用于确定水力压裂产生的裂缝或已存在裂缝的方向及延伸长度,尤其适用于水平井段。

2)仪器特点:①此类工具通常使用地震检波器或井斜仪采集信息,而该仪器使用了加速度计,具有较大的带宽,且仪器测量段安装了隔声系统,能阻止因测井电缆振动产生的机械噪声;②直接用于生产井,监测生产井周围的裂缝,信息更准确;③电缆较细,可以施加更大的压力,不会出现由于泵压造成的跳动现象;④高速实时传输,实时处理数据,出结果更快;⑤额定工作温度150℃,额定压力133 MPa、耐CO2-H2S环境。

3.3 哈利伯顿微地震成像仪(FracSeis)

该公司主要在增产措施井下作业技术和工具研发方面处于领先地位;它与品尼高(Pinnacle)公司合作开发的最新压裂地震绘图(Fracseis)技术正在油气井改造评价中广泛应用。

1)技术原理:在储层顺层理面上或者在邻近水力裂缝的天然裂缝上,通过对剪切滑脱作用产生的微地震进行监测形成裂缝图像;凭借安装在补偿井中预定深度的井下接收器排列组合,获得微震活动生成的裂缝位置;如果无法提供邻井监测,可以直接下入施工井采集裂缝成像数据。

2)技术特点:①邻井测斜仪成像绘图技术是目前业内微地震技术领域唯一最具经济性、能直接测量水力压裂裂缝,包括长度、高度、宽度及时间的工艺技术;②在增产改造泵送作业时,当人工诱导裂缝走向偏离产层时,它具有自动暂停的功能;③该微地震裂缝成像的结果可以校准和修订压裂裂缝发育模型;④根据现场需要,可随时调整压裂方案,达到实时测量、优化施工、节省成本之目的。

3.4 斯伦贝谢水力压裂监测仪(VSI,StimMAP)

该公司在油藏评价,尤其在电缆测井及井下成像技术方面占居优势。2008年新近推出StimMAP Live“增产施工实时绘图”技术。

1)仪器性能:采用的多用途地震成像仪(VSI)具有非常出色的向量保真度;VSI仪器放置在电缆上,每个传感器包都应用三轴定位技术,通常配置8个传感器包;这些传感器设计时考虑了与整个仪器主体的声学隔离,同时在水力压裂监测(HFM)作业时实现与套管的声学耦合;在记录微地震活动信息时,这种设计有助最小化噪音和最大化数据质量;还可根据现场实际,对传感器数量及其在多功能地震成像仪上的间距进行适当调整。

2)工作原理:声发射测量,斯伦贝谢VSI仪器采用三轴(Y,X,Z)检波器和加速度器通过隔离弹簧实现与整个仪器主体的声学隔离,可采集高保真地震数据;VSI仪器通过一个强力锚臂实现与套管或地层的机械耦合;在作业之前,可利用内部震动器来测量耦合质量;为了增加垂向覆盖范围,可以安装多达40个传感器包,不过通常HFM作业中一般使用8个传感器,VSI仪器有直径85.7 mm和63.5 mm两种规格[8]。

3.5 美国品尼高技术(Pinnacle Technologies)

全球媒体成像电子科技公司,成立于1992年,专门从事水力压裂裂缝诊断技术和软件研发,主要产品有地面测斜、邻井测斜、压裂井测斜仪与绘图技术;自1997年以来,已经为世界各地油气田提供水力压裂裂缝诊断技术服务12 000口井,其中现场微地震监测1 100口井,占全球水力压裂裂缝诊断现场应用90%以上,位居领先地位;2000年以来,品尼高与哈利伯顿合作,开始将此技术用于压裂施工井中直接进行人工裂缝检测,避免了在邻井中放倾斜仪并得关井停产的必要,使原来由于井距的因素导致绘图传导效果不好的地方能够采用测斜仪进行实时绘图;截止目前已经在油气压裂施工井或观测井中安置测斜仪,对上千口水力压裂井里直接进行裂缝检测绘图诊断;2008年品尼高公司正式并入哈利伯顿[9]。

4 结束语

1)地面测斜仪和井下微震监测是目前最先进的裂缝检测技术,资料处理可以得知裂缝方位、高度、长度、不对称性和延伸范围等方面的空间展布特征。

2)地面测斜仪在裂缝方位、裂缝对称性方面可靠性比较高,而裂缝长度、高度解释结果可靠性比较低。

3)井下测斜仪在诊断裂缝高度、长度、宽度方面可靠性较高。

4)压裂井中直接放置测斜仪明显要比在邻井中安置测斜仪更具优势,一是实时检测缝高;二是无需观测井;三是分段压裂可测;四是微震信号更强、数据更准确、解释贴近实际裂缝。

5)地面监测与井下监测相比,节约成本、施工条件简便、无伤害井筒危险;但存在距离震源远、接收信号少、检波器和采集器的信噪比要求高等局限。

6)从裂缝评价技术及检测仪器对比来看,美国哈利伯顿(Pinnacle)在地面、井下、邻井测斜技术领域位居前茅;其次有斯伦贝谢的多用途地震成像仪(VSI)和增产作业实时绘图仪(StimMap Live),上述两种仪器测量精度高、操作方便、应用广泛。

7)国内水力压裂裂缝成像技术既不成熟,又无成熟的软硬件生产厂家,且微震监测技术尚需完善,相应仪器有待改进提高。

[1] 陆宏军.水力压裂裂缝测试新技术研究与应用[R].长庆油田超低渗油藏研究中心内部技术报告,2008

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

[3] 陈福明,译.实时压裂井倾斜裂缝测绘技术[J].国外油田工程,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] 闫 华.低渗透储层裂缝参数表征方法[J].低渗透油气田,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

赵小充,男,1959年生,工程师,本科,长期在川庆钻探长庆井下技术作业公司,从事油气田开发技术研究、国际市场开发,以及井下作业科研工作。邮编:710021

2010-03-06编辑:高红霞)