四川长宁A平台页岩气水平井组压裂地面测斜仪监测评估

修乃岭,严玉忠,窦晶晶,王　臻，骆　禹,严星明

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)



四川长宁A平台页岩气水平井组压裂地面测斜仪监测评估

修乃岭,严玉忠,窦晶晶,王臻，骆禹,严星明

(中国石油勘探开发研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

四川长宁A平台是我国第一个页岩气丛式水平井井组平台，也是国内首次采用“拉链式”压裂作业模式进行“工厂化”压裂作业的平台。为更好地认识该平台压裂模式中水力裂缝的形态和扩展规律，指导该区块其他井组优化压裂设计，采用地面测斜仪对该井组3口水平井分段压裂裂缝进行了监测，获得了裂缝的形态、体积和长度，并对监测结果进行了对比分析，探索了影响裂缝形态的因素。结果表明：即使同一个井组，水力裂缝形态也会具有很大的差别，天然裂缝和水平层理对水力裂缝形态具有重要影响；当天然裂缝发育时，水力裂缝以垂直缝为主，裂缝延伸距离大，反之则水平缝与垂直缝同时发育，且体积相近，裂缝延伸距离小。

四川长宁；测斜仪;裂缝监测;水平井组;页岩气

四川盆地页岩气资源储量十分丰富，具有广阔的勘探开发前景[1]。但页岩气储层具有超低孔隙度、低渗透率的特征， 只有借助水力压裂才能实现经济开发[2-3]。获知水力裂缝的形态、尺寸等参数，对于科学认识页岩储层水力裂缝延伸规律，优化压裂设计和制定合理的开发方案具有重要意义。目前水力裂缝监测的直接方法主要有近井筒方法和远井方法，常用的远井方法有微地震方法和测斜仪方法。地面测斜仪裂缝监测技术属于远井方法，该技术对“井工厂”模式下的多口水平井分段压裂具有良好的适用性，能够一次性监测多口井的分段压裂裂缝的主要参数。近些年，该技术在国内外进行了广泛的应用[4-9]，但国内基本是在砂岩、煤岩储层水力压裂监测中的应用。

地面测斜是一种每年在全球应用超过1000多次的裂缝诊断手段[10], 它能够监测水力压裂造成的地面变形或地下移位情况。测斜仪类似于“木匠水平仪”,它能够感觉到小到十亿分之一的位移梯度变化(或倾斜)。由测斜仪测量到的地面位移可以直接用来确定水力裂缝的方位和倾斜情况;同时,当多个平面出现裂缝增长时,可以确定注入到每个水平或垂直裂缝中的流体比例的大小。通过测斜仪获得水力裂缝形态、尺寸等参数，可为优化压裂设计、评价压裂效果提供理论依据。

1　A平台水平井组基本情况

A平台是四川盆地长宁一威远国家级页岩气示范区一个“工厂化”试验平台， 是长宁区块继直井探井、水平井评价井后部署的水平井平台，目的层位为志留系龙马溪组。该平台成2排共布置6口水平井，此次压裂监测的井为首先完钻上倾的A1、A2、A3井(表1)。

表1　A平台水平井组基本数据

A平台A1、A2两口水平井采取“拉链式”压裂的作业模式，即同一井场一口井压裂，另一口井进行电缆桥塞射孔联合作业，两项作业交替进行无缝衔接，之后单独对A3井进行压裂作业。

2　地面测斜仪监测方案及现场监测

一般来说，监测单一压裂层段时，监测所需仪器的数量与压裂井预压层的垂直深度和压裂规模有关，一般需在地面布置30～40支监测仪器，布置的方式是以压裂井预压层射孔段在地面垂直投影为圆心，以压裂井预压层平均垂深的25%～75% 为半径范围内随机布置监测点，避免径向连成直线，并使观测点密度分布大致均匀。对于丛式水平井组，测点的数量和布置范围要根据3口井压裂段的位置进行优化设计，因此测点布置范围要远大于单一压裂层段的范围，测点数量也比单一压裂层段要多，要使得所有的压裂层段都有足够数量和范围的测点来覆盖。考虑压裂排量、每段液量和压裂段垂直深度，50支地面测斜仪可以满足A平台监测要求；3口井地面观测点布置范围为4 700 m×4 400 m，50个观测点随机、大致均匀地布置在观测范围内，并根据地面实际地形地貌条件调整观测点位置。

根据现场压裂进度安排，在压裂前5～7天把仪器下入到提前构筑好的地面观测井。通过电缆把地面测斜仪下入到观测井PVC管中，并往管中下入沙子，使沙子刚好埋没测斜仪，这样地面倾斜信号通过沙子传给测斜仪。仪器连接完成后，通过软件启动仪器，仪器工作正常后，封好PVC管头。由于采用电池供电，仪器一直处于数据采集状态，并把数据存储在仪器内的数据存储器内。3口井全部压裂完成后，继续采集一天信号，然后关闭仪器下载数据。

3　监测结果及分析

在压裂过程中，采用地面测斜仪对A平台3口井进行了压裂裂缝监测。这3口水平井共压裂32段，得到了32个压裂裂缝监测结果，见表2、表3和表4。

表2　A1井12段测斜仪裂缝监测结果

表3　A2井12段测斜仪裂缝监测结果

表4　A3井8段测斜仪裂缝监测结果

注：A3井第8段第一次压裂注入液体490 m3后，由于施工压力高停泵，记为8-1，第二次压裂记为8-2。

裂缝监测结果表明，A1井压裂裂缝以垂直裂缝为主，垂直缝体积分数为55%～100%，垂直缝半长106～406 m；A2井压裂裂缝也以垂直裂缝为主，垂直缝体积分数为72%～100%，垂直缝半长235～355 m；A3井压裂裂缝中垂直缝和水平缝同时发育，水平缝与垂直缝比例接近。3口井垂直缝方位以北偏西20°～50°为主，与该区块最大水平主应力方位相近。对32段压裂裂缝所造成的地面变形场的形态和变形数值分别进行了拟合。A1井和A2井大部分裂缝以垂直缝为主，地面变形表现为具有两个鼓包的“马鞍”形，如图1中的A1井的第5段和A2井的第2段地面变形图，这是垂直缝引起的地面变形特征，图中颜色越深表示地表的变形越大，即垂向位移越大。A3井水平裂缝体积比例与垂直缝接近，由于相同体积的水平缝在地面引起的垂向位移是垂直缝的三倍，水平缝体积比例超过30%时，地表的变形表现为仅有一个峰值(单一隆起)，如图1中A3井第3段变形图。

对3口水平井不同级数裂缝的垂直裂缝分量和水平裂缝分量延伸对比研究发现，页岩气储层水平层理及天然裂缝发育情况将很大程度影响压裂裂缝形态与延伸距离。地震勘探显示A平台井区层理发育，但A1井和A2井与水平段近似正交的高角度天然裂缝发育，A3井高角度天然裂缝发育程度低。监测结果显示，A1井和A2井压裂裂缝以垂直缝为主，裂缝延伸距离大；A3井压裂裂缝延伸距离较小(图2),水平裂缝和垂直裂缝同时发育，垂直缝体积比例低于A1和A2井(图3)。原因是水力裂缝形态受地应力、水平层理和天然裂缝的综合影响。A平台三口井地应力状态相同，水力裂缝形态的差别主要受水平层理和天然裂缝发育程度的影响。A平台3口井水平层理发育，但A3井处天然裂缝欠发育，则水力裂缝主要为水平缝和垂直缝共同发育，水平缝比例与垂直缝接近，说明水平层理对垂直裂缝的扩展具有明显的限制作用；同时相同压裂规模下，水平缝扩展范围小于垂直缝，A3井水力裂缝延伸距离小于A1和A2井；A1和A2井地应力状态和水平层理发育程度与A3井相同，但由于A1和A2井高角度天然裂缝发育，水力裂缝形态与A3井有很大不同。监测结果显示A1和A2井水力裂缝以垂直缝为主，水力裂缝延伸距离大。

图1　A1井第5段、A2井第2段和A3井第3段压裂裂缝引起的地面变形

图2　A平台3口井平均垂直缝半长

图3　A平台3口井平均垂直裂缝体积分数

4　结论

(1)地面测斜仪裂缝监测技术适用于页岩气水平井组“拉链式”压裂的工厂化作业模式压裂监测，不仅可以获得页岩气水平井组压裂裂缝参数，还可以判断压裂裂缝的复杂性，为认识压裂裂缝和压裂评估提供依据。

(2)水平层理及天然裂缝发育情况对压裂裂缝形态及延伸距离具有重要影响，即使是同一个水平井组，天然裂缝发育程度不同，也会造成压裂裂缝形态的很大变化：A1井、A2井处高角度天然裂缝发育且与水平段近似正交，水力裂缝以垂直缝为主，裂缝延伸距离大；A3井天然裂缝发育程度低，则水平缝与垂直缝同时发育，裂缝延伸距离小。

(3)裂缝形态及复杂程度受到地应力、水平层理和天然裂缝等因素共同控制，3口井压裂裂缝方位总体上与该区块最大水平主应力方位走向一致；“拉链式”压裂时虽然应力干扰增加裂缝复杂程度，但在A平台3口井地应力状态相同情况下，水平层理和天然裂缝发育情况对水力裂缝的延伸和形态具有重要的影响，水平层理发育，高角度天然缝不发育时，水平层理对垂直缝的延伸具有限制作用；相反，高角度天然裂缝发育时，水力裂缝中垂直裂缝更为发育。

[1]刘树根,马文辛,LUBA Jansa，等.四川盆地东部地区下志留统龙马溪组页岩储层特征[J].岩石学报，2011，27(8)：2239-2252．

[2]李勇明,彭瑀,王中泽.页岩气压裂增产机理与施工技术分析[J].西南石油大学学报:自然科学版，2013,35(2)：90-95.

[3]叶登胜,尹丛彬,蒋海,等.四川盆地南部页岩气藏大型水力压裂作业先导性试验[J].天然气工业,2011,31(4)：48-50.

[4]唐梅荣,张矿生,樊凤玲．地面测斜仪在长庆油田裂缝测试中的应用[J]．石油钻采工艺，2009,31(3):107-110.

[5]修乃岭,严玉忠,骆禹,等．地面测斜仪压裂裂缝监测技术及应用[J]．钻采工艺，2013,36(1):50-52.

[6]修乃岭,王欣,梁天成,等．地面测斜仪在煤层气井组压裂裂缝监测中的应用[J]．特种油气藏，2013,20(4):147-150.

[7]周健,张保平,李克智,等.基于地面测斜仪的“井工厂”压裂裂缝监测技术[J].石油钻探技术，2015,43(3)：71-75.

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

[10]李艳春,刘雄明, 徐俊芳. 改进Barnett 页岩增产效果的综合裂缝监测技术[J].国外油田工程,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.

编辑：李金华

1673-8217(2016)05-0124-04

2016-03-26

修乃岭，工程师，硕士，1981年生，2008年毕业于中科院流体力学专业，现从事水力裂缝监测和解释工作。

国家重大项目18课题4“页岩气储层增产改造技术研究”(2011ZX05018-004)、国家973项目“中国南方海相页岩气高效开发的基础研究”(2013CB228004)联合资助。

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