测斜仪监测技术在共和盆地干热岩井压裂中的应用研究

2021-02-02徐胜强张旭东张保平

钻探工程 2021年2期

徐胜强，张旭东，张保平，周健

（中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京100029）

0 引言

我国2019 年原油进口量超过5×108t，为世界第一大原油消费国，在原油消耗量72%需要进口的情况下，拓宽资源种类和获取途径非常必要［1］。目前我国地热资源利用量仅占能源消耗总量的0.6%，但世界范围内地热能的年利用增长率达7%。我国地热能资源丰富，每年可采量相当于2015 年煤炭消耗量的70%，地热能利用增长空间巨大［1-2］。目前我国地热资源利用主要是地热发电、供暖、温泉、洗浴、医疗等领域，地热能开发目前处于探索阶段，干热岩压裂裂缝发育特征、改造工艺与造缝关系尚不明确，压裂监测工艺技术尚未配套成熟，进行压裂监测改造裂缝，对压裂监测技术发展和促进地热合理开发运用都十分有益。

我国首次在青海共和盆地发现大规模可利用干热岩资源，X1 井是部署的第一口干热岩勘探开发探索井。国内首次进行了水力压裂热储改造施工。通过室内实验与现场实践相结合的方法，形成了高原干旱地区测斜仪监测现场实施和复杂裂缝解释技术，并成功应用于国内首口地热井压裂施工。该井的成功监测为其它区块的裂缝监测提供了有利的借鉴。

1 测斜仪监测原理

测斜仪压裂裂缝监测原理（参见图1）是利用油气井施工时产生的地层形变分析监测裂缝形态，是一种高精尖电子仪器，可检测地层纳弧度级形变。储层改造过程流体高压注入地层，打破了原始平衡状态，会引起地层缝隙压力变化，地层的压力变化或岩石破裂改变了地层受力平衡，破坏了稳定状态，由此产生的弹性形变信息会向各个方向辐射并传导到地面，静置在地面监测孔中的测斜仪可以接收记录这些形变信息。

图1 测斜仪监测原理Fig.1 Monitoring schematic diagram of the surface inclinometer

测斜仪测量的是相对于垂直方向倾斜的角度变化，压裂引起隆起及倾斜信息被测斜仪采集并保存，非规律地均匀布设测斜仪测得多点的形变数据，集中描绘即可得出随时间变化的地面形变场，该地面形变场可以反映地下裂缝动态发育及流体运移方向，由此获得压裂改造裂缝信息。

该技术产生以来，已经在全球各地得到应用，无论是山地、平原、丛林、沙漠和黄土沟壑地区，都有成功应用的实例，具有广谱的适用性，已成为一种成熟的压裂监测技术［3-7］。

2 X1 井基本情况及施工参数

2.1 监测井基本情况

X1 井位于青海省共和县，地形以高原山地为主，海拔2910.08 m，完钻层位为印支期花岗岩，完钻深度3705 m，完井套管深度3361.12 m，裸眼段长度343.88 m。该井自1341.00～3705.42 m 钻遇花岗岩地层，岩性以灰白色花岗岩为主，中粗粒花岗结构，块状构造，岩石主要成分为斜长石、钾长石、石英等。X1 井岩心孔隙度和渗透率都很低，孔隙度＜4%，渗透率＜0.4 mD，地层渗透率低，岩石致密坚硬，杨氏模量及泊松比见表1，储层上覆岩石力学参数对地下形变的传输具有重要影响，是进行监测解释的关键基础参数。经分析测试，X1 井的岩石力学性质能较好满足监测要求。

表1 岩心力学性质测试Table 1 Test parameters for the mechanical properties of cores

2.2 X1 井施工参数

通过水力压裂将干热岩压裂形成相互连通裂缝网络，地面注入液体至相互连通的裂隙系统中经高温岩体加热后采出的热能以高温蒸汽的方式通过地上发电装置转变为电能，实现干热岩热能利用，是目前地热经济开发的主要方式。美国、英国、法国、德国、瑞士、日本、澳大利亚等国已经开展了多年的研究和试验，但终因技术问题或经济效益不佳而终止，未实现大规模商业开发利用［8-12］。

通过压裂技术实现地下裂缝网络贯通是干热岩有效开发技术的关键途径，在室内试验和研究分析的基础上，结合X1 井地质特征，压裂过程分为3个阶段：（1）地层吸水能力、热破裂及可压性试验阶段；（2）缝网主控因素试验阶段；（3）压后效果评价试验阶段。

采用4½ in（1 in=25.4 mm，下同）光套管注入压裂施工，于2019 年8 月27-29 日，完成了地层吸水试验、热破裂试验、可压性试验、恒定排量试验（一）、恒定排量试验（二）等压裂施工阶段。2019 年9 月5 日进行压后地层吸水试验注入施工，各阶段主要施工参数如表2 所示。

2.3 地面测斜仪裂缝监测施工准备及现场实施

测斜仪对方位角和倾斜角敏感，裂缝方位和形态对后期井位调整和施工方案确定指导意义重大［13-16］。X1 井是我国花岗岩地热井进行压裂的首次施工，施工难度大，风险高，施工不确定性多。作为首口井压裂施工试验，用测斜仪进行地热井监测也是全球第一次，无经验可以借鉴，而监测施工要求务必成功。

2.4 测斜仪信号强度测算

监测施工前应对信号强度进行测算以评估施工可行性，测斜仪地面信号强度与施工时注入液体的量和目的层深度相关。调研目标区内的施工规模及地层条件，依据测斜仪形变计算公式：

表2 各阶段施工参数Table 2 Operation parameters for each stage

式中：n——形变弧度，μR；V——液体总量，m3；H——目的层垂深，m。

参照设计施工规模和X1 井施工目的层位，计算地热井压裂信号强度为（6～7）×103nR，测斜仪监测精度为1 nR，信号强度足够满足监测要求。

2.5 仪器准备

测斜仪地面监测系统有检波仪60 支，每支仪器独立进行数据采集，检波仪有专用接口进行数据读取和仪器运行状态检查，现场施工过程中对检波仪及配套附件进行联机检查和维护（参见图2）。

2.6 监测孔设计及要求

依据施工目的层位深度、施工规模和测斜仪检波仪探测能力可确定需要监测孔数，信号越强，需要的监测孔个数越少，反之则越多。

地面布孔需在井眼四周垂深25%～75%形变最佳范围内尽可能地均匀布设，并且避免钻孔多点连成直线；考虑地面噪声对监测质量的影响和增加数据处理工作量，在兼顾钻孔施工条件的同时还要远离交通干道、人口密集区以减少干扰；每个监测孔深度要达到12 m，井眼需进行防水处理并与地层胶结良好。

2.7 现场查勘

监测施工必须提前进行现场查勘，了解施工区域的交通条件、自然环境、社会依托、土地关系、民风民俗等基本情况。X1 井场地处牧民的公共草场，但是井场东部及南部1 km 外就是砾石沟壑地区，高度落差大，交通困难。实地查勘发现沟壑底部干涸河床能够行进工程车辆，查当地为非汛期，为监测孔布设提供了有利条件。沟壑底部有淤积平原、有农田和村庄，需要调整和规避的井位比较多。大部分区域地表土层下有1～3 m 的砾石层，钻孔过程中容易垮塌，高原干旱地带施工及生活用水比较困难。施工现场地形见图3。

图2 测斜仪数据传输界面Fig.2 Data transmission interface of the surface inclinometer

2.8 监测孔布孔

根据现场查勘的初步情况，室内进行理论布孔，理论布孔只能确定监测的大概位置，考虑实施条件和钻孔要求，现场查勘时几乎全部的理论监测点位置需要微调或者大幅度调整。室内设计与现场查勘两者相结合并不断调整和反复优化，最终提供首次钻孔位置选点。在实际钻孔过程中遇到异常也会导致个别井位调整，从而引起其它井位关联性调整，如此反复形成最终的井眼位置（参见图 4）。

图3 现场查勘地形Fig.3 Site inspection

本次监测总共钻孔47 个，因底部钻遇砾石流动层，无法下PVC 管调整位置1 口井，井眼透水重新钻井1 口，井眼斜度过大重钻3 口，最终实际交付合格监测孔眼42 口，达到了预期的设计要求。

2.9 数据采集及监测结果

施工提前3 天，测斜仪全部入井静置，进入数据采集状态，记录监测区域背景数据。数据采集覆盖整个施工过程，施工监测期间需对仪器进行巡护和采集状态检查。

在施工全部结束后进行了全部下载，42 个监测孔中的检波仪获取了整个施工过程地面形变数据，形成了地面形变场，利用蒙特卡罗统计分析方法，拟合形变场以达到最佳解释结果。

第一阶段为地层吸水能力、热破裂及可压性试验阶段，阶段注入清水压裂液357.5 m3。第二阶段为可压性实验和恒定排量压裂试验，主要是为了测试地层持续吸液能力和裂缝破裂延伸状况，阶段注入排量最大达到3.5 m3/min，累计注入压裂液976.3 m（3含胶液压裂液100 m3）。第三阶段为吸水试验阶段，施工排量 0.5～3.0 m3/min，累计注入132.6 m3。

每一泵注阶段都进行数据质量检查，去除干扰信号或异常数据。采用“三段分析法”进行数据处理，即压前和压后的背景数据与压裂时段的数据进行对比和数学反演，最后得出解释结果。地面测斜仪的解释结果包括每一段的裂缝方位、裂缝半长、裂缝倾角、复杂裂缝。

形变矢量图及裂缝模拟见图5，对数据进行分析解释后获得数据见表3。

从分析结果看，不同阶段裂缝的方位有所变化，随着液体注入地应力场的改变，裂缝发生偏转，注入胶液后，随着液体粘度的增加，缝高也有明显的增加。

图4 实际成孔GPS 投影Fig.4 Borehole positions from GPS projection

图5 监测数据矢量及裂缝投影Fig.5 Monitoring data vector and fracture projection

2.10 地震事件分析

测斜仪不但能够精确记录地层的形变，对于能够导致地面起伏波动的其它信号也能够准确记录。根据地震台网测定，2019 年 8 月 27 日 18 时 55 分 02秒监测到震级2.7 级的地震事件，震源位于北纬36.265°、东经 100.656°，深度 9000 m，测斜仪检波仪监测到典型信号如图6 所示。测斜仪的监测数据捕捉到了异常信号，记录了地震发生的时间和强弱，具有对区域重大地质事件的记录及监测作用。