四维向量监测技术在煤层气水平井分支动用识别的应用

于家盛 范秀波 董 鑫 崔新瑞 张武昌 张 博

(中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

四维向量监测技术在煤层气水平井分支动用识别的应用

于家盛 范秀波 董 鑫 崔新瑞 张武昌 张 博

(中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048000)

煤层气裸眼多分支水平井由于煤层的地质与力学特征，主支和侧钻分支容易在钻井与排采中出现垮塌，降低有效控制面积。由于水平井采用裸眼完井方式，在后期生产过程中无法对分支的垮塌情况进行有效识别。为解决此难题，利用四维向量监测技术对煤层气井进行生产监测，以樊庄区块裸眼多分支水平井的樊11-Y、樊11-Z井为例，有效检测出各分支流体流动性及控制储量动用的情况。结果表明，该技术在研究煤层气水平井实时储层流体动态具有较好的应用效果，对下步井网优化以及增产措施的制定起指导作用。

四维向量监测 多分支水平井 措施增产 储层流体动态

1 水平井开发现状

沁水盆地樊庄区块裸眼多分支水平井共有46口，动用面积51.4km2，地质储量82.3m3，煤层钻遇率86%～93%，分支个数6～10，单井控制面积0.47km2，日产气500～35000m3,单井日产气差异大。

多数多分支水平井受其裸眼完井影响，分支井壁均无有效支撑。钻井过程中，钻压及侧钻震动等变化，煤块掉落，井壁垮塌，致使分支或者主支堵塞；排采过程中井底流压的突变，引起有效应力的变化，致使井壁煤体破裂，分支堵塞；同时煤层气的特点，排采过程中，低气液流速下煤粉携带能力下降，极易堆积在孔喉、裂隙之中，引起分支堵塞，致使水平井气量下降，产量无法释放，开发效果降低。

因此需要手段描述煤层气水平井实时地下流体动态，客观反映煤层气水平井产出差异，依次针对性调整井网优化、制定增产措施，提高整体区块的开发效果。

2 微地震四维向量监测技术主要技术方法

2.1 监测原理

气藏开发过程中，孔隙流体的采出导致储层岩体局部收缩，周围岩体产生应力和变形，并在地层中产生剪切应力变化，当总剪应力超过摩擦阻力时，便会滑动产生微破裂并向地层中辐射纵波和横波。在被监测区附近地表布置采集仪器接收纵波和横波信号，利用相干振幅体向量叠加扫描技术、三维可视化技术对监测区流体进行扫描成像，并通过仪器内置GPS卫星授时系统，在时间域上了解流体动态演变过程。

2.2 监测采用的软硬件

硬件由数由12套四维数据采集站构成。每个采集站包括三分量检波器、四维数据采集站、GPS接收机和电源组。检波器总灵敏度大于100V/m/s。软件主要包括数据预处理软件、微破裂能量扫描软件、微破裂定位及反演物理模型软件系统。

2.3 室内数据处理

在地表观测微破裂地震波，由于地层高频滤波及噪声干扰，无法识别微破裂产生的纵横波的旅行时和微破裂高频有效信号。而应用微破裂矢量叠加网格扫描技术，在时空上即可辨别出破裂产生的方位及形态。

(1)选定需监测的空间三维立方体范围(如距井中心X1000m*Y1000m*Z3000m)，其顶面为地表最高点海拔的平面,监测的目的层为对应Z坐标距顶面的深度值。空间体以多个扫描单元形式存在。

(2)根据声波测井资料计算出空间体的各扫描单元网格节点的地震波(纵、横波)速度。

(3)对地震波传播路径进行射线追踪，计算出各网格节点到地面各检波器点的入射角方位与倾角和最小旅行时值。

(4)地面每个检波器接收的全体体波地震信号相当于地下所有网格节点对该地面点的波动集合。将地面每个检波器三分量地震信号旋转到某个扫描单元网格节点K入射矢量方向，形成矢量场波动方程。取特定时间窗口w，矢量迭加K点到所有采集站记录的信号振幅的平方f，并使用归一化因子F,即得出k点的破裂辐射能量S(k)。矢量波场叠加后，随机噪音将被消弱。有用信号将被增强，从而“提取”出k点的破裂能量。

3 微地震四维向量监测技术在水平井上的应用

3.1 现场应用情况

樊11-Y井、樊11-Z井是沁水盆地东南缘向西北倾的斜坡带构造上的3号煤为目的层的两口水平井。两井紧邻，完钻井深分别为374m/350m，钻遇煤层井段：302.6～307.75m/279.93～285.68m，纯煤进尺3266m/3347m，同为主支2个，分支8个，控制面积0.41km2/0.43 km2，同为分支下倾。

樊11-Y井与樊11-Z井，在同一构造位置、相同钻完井工艺、相同排采控制管理下，生产情况差距较大(图1、2)。樊11-Y井投产后一年后气量升至4000m3，但是由于设备故障导致频繁的启停，导致井底流压和套压短时间内反复波动，井壁煤体破裂、煤粉堵塞通道，日产气量快速下降至0，检泵后恢复缓慢，依然无法解决主支垮塌分支堵塞的问题，后期产气只有400m3，低产低效。樊11-Z井投产后气量平稳上升至6300m3，突然的无液检泵作业，使得气量、水量持续下降，加大排采强度也无法遏制趋势，后期产气只有2700m3。

图1 樊11-Y井综合生产曲线

图2 樊11-Z井综合生产曲线

针对此生产状况，2015年对这两口水平井进行了四维向量监测(能量色标柱：顶和底分别表切片图区域内的能量最大和最小值，切片图中能量的梯度边界代表地下运动流体的压降边界)。监测情况见图3、4、5、6。

图3 樊11-Y井四维向量监测能谱图1

图4 樊11-Y井四维向量监测能谱图2

图5 樊11-Z井四维向量监测能谱图

图6 樊11-Z井四维向量监测主渗区示意图

从樊11-Y井能量切片图得出以下结论：

①区域应力场：西北-东南向，方向角为北偏西40°。②主要产气分支：主要分布在井区的西北部的M2、L4、L6、L8，能量域较强，有明显的气水流动的表现。③相对低产气分支：主要分布在井区的西南部的M1、L1、L2、L3、L7，能量域较弱、基本无气水流动，产能动用较低。因此，可以看出樊11-Y井整体有效动用储量较小，大部分主支和分支的垮塌较为严重，水平井排采效果较差。

从樊11-Z井能量切片图得出以下结论：

①区域应力场：东北-西南向，方向角为北偏东约40°。②主要产气分支：主要分布在井区的西南部的M1、L1、L3、L5、M2、L7、L8、L9,能量域较强，有明显的气水流动的表现。③相对低产气分支：主要分布在井区的东部的L2、L4、L6，能量域较弱、基本无气水流动，产能动用较低。因此，可以看出樊11-Z井整体有效动用储量较好，大部分主支和分支的连通性较好，但是存在3个以上的分支堵塞严重的情况，导致水平井排采效果逐渐较差。

3.2 措施增产情况

通过研究分析，依据四维向量监测结果，结合排采过程中煤层堵塞、分支小型垮塌的生产状况，明确了分支动用情况及堵塞位置，采取针对性的氮气泡沫解堵措施。通过向水平井井眼里注入液氮泡沫混合液体，利用泵车注入高压流体冲刷分支通道，将裂缝中堵塞煤粉冲开；再利用液氮泡沫液体的高返排性能，将多余的煤块、煤粉携带出通道，疏通目标堵塞分支，扩大有效控制面积。

针对性实施的氮气泡沫解堵措施，樊11-Y井与樊11-Z使得均有效的提高了单井产量(图7、8)。樊11-Y井措施前流压0.03MPa，日产气200m3，措施后流压0.13MPa，日产气4100m3，日增产3900m3；樊11-Y井措施前流压0.03MPa，日产气4000m3，措施后流压0.22MPa，日产气11000m3，日增产7100m3。

图7 樊11-Y井措施后综合生产曲线

图8 樊11-Z井措施后综合生产曲线

3.3 监测结果验证

针对四维向量监测结果，两个水平井未动用分支附近，2014年在该区块部署了2口加密井，从加密井的压裂施工曲线，可以清楚看出施工压力较高，随着砂比的增加施工压力平稳，说明了分支垮塌严重、无有效动用，储层流体流动性较差。印证了四维向量监测结果的准确性。

[1] 李文阳, 马新华, 赵庆波, 等.中国煤层气地质评价与勘探技术新进展[M].徐州: 中国矿业大学出版社, 2001.

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[3] 张建国，苗耀，李梦溪，等. 沁水盆地煤层气水平井产能影响因素分析——以樊庄区块水平井开发示范工程为例[J]. 中国石油勘探，2010，15(2): 49-54.

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[5] 陈龙伟，左银卿，田炜，等.樊庄区块煤层气水平井产能模式划分及分类评价[J].煤炭科学技术，2017， 45 (2)： 109-113.

(责任编辑 刘 馨)

Application on the Technologyof Four-dimensional Vector Monitoring in Distinguish of CBM Multi-Lateral Horizontal Well Branches

YU Jiasheng,FAN Xiubo,DONGXin,CUI Xinrui,ZHANG Wuchang,ZHANG Bo

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

Because of the geological and mechanical characteristics of the coal seam, the main branch and the sidetrack of CBM open hole multi-lateral horizontal wells are prone to collapse in the drilling and drainage, which will reduce the effective control area. As the horizontal wells adopt open hole completion, in the latter part of the production process, the collapse of branches can not be effectively identified. In order to solve this problem, the production monitoring of CBM wells is carried out by using the four-dimensional vector monitoring technology. Taking Fan11-Y and Fan11-Z wells in the multi-lateral horizontal wells of Fanzhuang Block as an example, the fluidity of each branch fluid and controlling the use of reserves are effectively detected. The results show that this technique has good application effect in studying the real - time reservoir fluid dynamics of CBM horizontal well, and it can guide the future optimization of well pattern and the formulation of stimulation measures.

Four-dimensional vector monitoring; CBM multi-lateral horizontal well; stimulation measures; reservoir fluid dynamics

于家盛，男，工程师，主要从事煤层气开发生产管理与研究工作。