压裂驱油试验邻井压窜风险预警方案及其应用

邓 刚

（中国石油大庆油田有限责任公司开发事业部，黑龙江 大庆 163458）

0 引 言

大庆油田三类油层储层物性差、采出程度低、剩余油分布零散，采用常规的开发方式难以有效动用剩余油储量，为此提出采用压裂驱油的方式来提高采收率［1‐2］。压裂驱油具有注入效率高、驱替液损失小、波及体积广、增液增油效果好的技术优势［3‐5］。压裂驱油工艺是压裂—渗流—驱洗相结合的提高采收率技术，相较于常规压裂，具有持续时间长、注入液量大等特点，但是也增大了裂缝与周围井瞬时沟通的风险，在压裂驱油现场对邻井压窜风险压力监控提出了更高的要求［6‐10］。以往对压裂井进行裂缝监测，主要通过作业在邻井预置仪器测试通道，在压裂过程中监测压裂井周围的微地震事件，根据压裂井周围微地震事件的强弱和分布范围，进行压裂效果评价。该技术需要进行多次井下作业施工，监测成本高，并且只能定性反映压裂的影响范围，无法明确压裂井与周围邻井之间的真实连通性，更无法准确分析井间窜流风险。为此，优选了井底压力直读、地面无线传输实时监测技术，优化了压力实时监测方案。采用试井工艺将直读电子压力计下到井底，实时监测井底压力。研究邻井压窜风险预警界限，编制压力分析预警软件。将井底压力变化预警信息实时推送给压驱施工人员，为压驱施工方案设计优化［11‐15］、现场施工参数调整和安全施工提供了保障。

1 压驱邻井压窜风险预警方案

在试验早期为确保压驱试验施工邻井安全，往往采用人工定期巡井量油、录取井口套压的办法了解邻井的动态反应，但会出现在施工现场不能及时掌握监测邻井的井底压力变化，延误了施工参数调整时机，造成邻井见剂、地层沟通的现象。根据现场试验测试需求，优化监测方案，优选监测工艺，采用试井工艺实现邻井的井底压力实时监测，数据地面无线传输，制定安全风险预警参数技术界限，兼顾压驱裂缝延伸距离评价，形成了一套有效的井下压力实时监测试井技术。

1.1 实时监测方案设计

基于干扰试井理论，需在压驱井周围连通井下入实时压力计，同步监测压力变化，用于计算裂缝延伸距离，评价压驱裂缝的延展形态，同时给压驱规模调整、储层连通认识提供参考。因此借鉴干扰试井方案设计，从监测井选井、关井时间、测试仪器3 方面制定了方案设计原则。

1.1.1 邻井压力实时监测井点选择原则

根据现场试验风险监控及确定周围连通井优势主方向的监测需求，结合压驱井与邻井的连通情况和井间距离，形成了压驱过程中压力实时监测井点两级选井原则：一是压驱直接连通井以及设计裂缝半径内非连通井，为一级监测井点，监测方式采用电缆将井下直读压力计下到监测井的油层中部，进行压驱过程井底压力实时监测，为压驱安全施工提供信息支持；二是压驱井一个井距之外的同层系连通井以及设计裂缝半径以外的其它非连通井，为二级监测井点，由采油厂进行油、套压监控。

1.1.2 监测井关井时间确定原则

为确保监测井在压裂期间监测到的压力干扰信息不受其他因素影响，形成了压驱邻井压力实时监测时间确定原则。压驱前为使地层压力稳定，更好地录取到监测井的压力，提前关井时间参考区块内压力恢复监测井关井时间；压驱中关井监测时间根据压驱施工进度确定；压驱后为了保证邻井监测到压裂结束的压力响应，延迟关井监测时间为压驱结束随动态反应出现时间。因此，压驱邻井压力实时监测所需的关井时间为

式中：Δt1——压前地层压力稳定最少关井时间（参考静压测试时间），h；

Δt2——压裂驱油持续时间（为压驱施工时间），h；

Δt3——压裂驱油后跟踪干扰响应延迟关井时间，h。

1.1.3 监测仪器选择

针对压驱试验监测邻井多数是与压驱井存在连通的高风险井，这些井具有高压、井口密闭指标高、井底压力随压驱施工波动大等特点，优选了传感器满量程相对误差为0.05%的高精度直读电子压力计，仪器的压力最大量程为60 MPa，温度最大量程为150 ℃，仪器外径为22 mm，仪器与直径为3.5 mm 的铠装电缆连接，可实现偏心油井、注入井的井底压力实时监测。通过该套设备能及时反映监测压力波动情况，防止监测井压力突升、井口高压造成渗漏事故，并辅助压驱施工单位在第一时间合理控制压驱施工规模。

1.2 施工工艺优化

针对压驱试验需及时了解邻井压力变化情况，根据实时压力变化调整压驱现场施工规模的需求，在测井工艺直读压力监测的基础上，对监测仪器及配套设备进行了相应改进。

在供电模式方面，将监测仪器的供电模式由交流电改为电压12 V 的直流电供电模式，采用12 V、120 Ah 车用铅酸蓄电池作为供电电源。为有效降低控制箱能耗，提高转换效率，对降压模块进行了优化：

（1）采用扁平线大电流电感，具有电流大、发热小的特点；

（2）同步整流方案，输入采用MOS 管反接保护，降低损耗；

（3）8～35 V 超宽输入电压，5 V、2 A 输出，保证设备用电要求。

经测试，整套系统平均工作电流为60 mA 左右，采用120 Ah 蓄电池供电，可连续工作75 d以上。

在井口密闭及承压装置方面，对直插防喷盒的密封机构进行了改进，采用尼龙密封圈代替常规的橡胶圈，与3.5 mm 电缆配合使用，井口密封性更好，耐压性更高，从而提高监测安全性。

通过以上2 方面的优化，实现采用试井工艺便可进行压力实时监测，整个压驱监测过程，无需班组、车辆设备驻留井场，仅需1 人便可以从服务器调取压力实时监测数据，完成压中风险预警工作。有效缩减人员、设备成本，实现对周边井进行实时、准确、安全、有效的全过程监测。

1.3 预警参数技术界限确定

压裂施工过程中，现场将压裂形成的裂缝延伸长度与井距的比值称为穿透比，压裂设计时一般要求穿透比小于0.25，当穿透比大于0.5 时，表明压裂井与监测邻井的窜通风险较高。跟踪监测了前期实施的33 口压驱井，对监测到的122 段压力随动反应数据进行了详细分析。

从监测曲线可以看出，监测井接收到的干扰压力变化速率与压驱施工的排量、压力等参数直接相关，通过对49 口108 个层段一级监测井解释裂缝参数的分析表明：压力变化速率越大，裂缝与邻井沟通风险越大。从表1的统计数据可以看出，大多数层段压裂时邻井监测到的压力变化速率均小于0.2 MPa/h，此时穿透比大于0.5 的层段数比例仅为7.5%；随着压力变化速率的增大，尤其当压力变化速率大于0.7 MPa/h 时，穿透比大于0.5 的层段数比例上升到50%。

表1 压驱裂缝穿透比与压力变化速率分级关系Table 1 Classification relationship between fracture penetration ratio and pressure change rate in fracturing flooding

为此，综合考虑压窜的可能性、突发性和危害性，建立了基于压力的安全风险预警界限。综合考虑监测井的液面深度、压力变化速率、压力上升幅度等影响因素，将压驱邻井压窜风险自低到高分为黄、橙、红3 级。

1.3.1 黄色预警触发条件

黄色预警主要针对与压驱井存在直接连通关系的油井。触发黄色预警时从压力监测现场间隔30 min 向压驱施工单位反馈压力信息。

（1）监测井油管与套管的环形空间内液面距离井口100 m。根据直读压力计停测深度、监测到的井底压力以及该井井筒内的流体密度，可以计算出油套环形空间内液面到井口的距离；（2）用监测井监测到压裂井施工引起的压力变化，且压力变化速率在0.2 MPa/h 以内。

1.3.2 橙色预警触发条件

橙色预警主要针对与压驱井存在直接连通关系的油井、注水井。触发橙色预警时从压力监测现场间隔10 min 向压驱施工单位反馈压力信息，并且建议施工单位适当降低施工泵压和排量。

（1）油井的油管与套管的环形空间内液面已到井口，并且井口处的套压在3 MPa 以内；

（2）注水井监测到压裂井施工引起的压力变化，且井口压力值小于正常生产时的注入压力；

（3）油水井监测到压裂井施工引起的压力变化速率在0.2～0.7 MPa/h。

采用Olympus共聚焦显微镜分别测量如图3所示的3k个区域，依次进行局部放大，截取特定的区域测量表面粗糙度值，分别记录为逆铣区域表面粗糙度(USR)、中间区域表面粗糙度(MSR)及顺铣区域表面粗糙度(DSR)：

1.3.3 红色预警触发条件

红色预警主要针对与压驱井存在直接连通关系的油井、注水井，以及在设计裂缝半径内无连通关系的监测井。触发红色预警时从压力监测现场实时向压驱施工单位反馈压力信息，并且建议施工单位暂停或终止压驱施工。

（1）连通油井的井口套压大于3 MPa；

（2）连通注水井的井口压力值高于正常生产时的注入压力；

（3）连通油水井监测到压裂施工引起的压力变化速率大于0.7 MPa/h；

（4）无连通关系的监测井监测到压裂施工引起的压力变化。

由监测井监测到的压力及压力变化情况满足以上任意一条预警条件，即触发对应等级的风险预警。例如在压驱过程中，若一口油井监测到其油套环形空间内的井口压力大于3 MPa，或者受压裂施工影响监测到的压力变化速率大于0.7 MPa/h，说明监测邻井的井口出现渗漏、地层被压窜的可能性较大。针对这类情况，现场压力监测人员应实时关注邻井的压力变化，及时通知压驱施工队伍采取停压观察、终止施工等措施。按照这种思路，编制了压力数据自动分析软件，设定相应的预警界限值，一旦触发某一预警条件，软件自动将风险预警信息定向推送给压驱现场施工人员，及时提醒他们作出相应的施工调整（表2）。

表2 压驱邻井压窜风险预警界限Table 2 Warning limit of pressure channeling risk in adjacent wells in the fracturing flooding

1.4 压窜风险定量评价

针对压裂过程中接收到压窜风险预警信息的监测井，研究了人工裂缝在监测井方向等效延伸距离计算方法，用来定量评价压窜风险，指导后期生产动态调整，确保压裂驱油效果。根据干扰试井理论，假设地层为均质无限大，在压裂前2 口井之间的地层无裂缝，压裂过程中形成的裂缝无限导流，且无压力损失。在压裂过程中对直接连通邻井进行压力监测，把压裂过程视为对地层的压力干扰，那么压裂井相当于激动井，监测邻井相当于观测井。压裂前激动井中注入压力被观测井接收到具有一定的滞后时间，这个滞后时间在干扰试井中叫作时滞；随着压裂施工的进行，激动井与观测井之间的裂缝逐渐形成，直到压裂结束，由于裂缝无限导流，停止压裂时在裂缝最远端的压力下降被观测井接收到又是另一个较小的时滞。正是监测到压裂前、后时滞的差异，才能够定量计算压驱裂缝延伸距离，即

式中：xf——压驱裂缝延伸距离，m；

L——监测井与压裂井之间的距离，m；

Δt4——监测井监测到压裂开始的压力延迟时间，h；

Δt5——监测井监测到压裂结束的压力延迟时间，h。

2 应用效果

2.1 压窜风险监控信息及时推送

截至2019 年底，按照压驱邻井安全风险预警机制共对102 个压驱井组进行311 井次安全监控，其中8 口井压驱时触发红色预警，及时进行了风险预警。以T128‐A 井压驱时邻井压力监测风险预警为例，T128‐B 井为压中监测油井，2018 年4 月18日压第1 段时邻井监测到井底压力变化速率突升为0.73 MPa/h，折算井口压力由2.7 MPa 上升到6.8 MPa，突破红色预警，压力分析软件立即将这一信息反馈到采油厂和压驱现场，压裂施工队根据监测井的井底压力变化情况采取了2 次降低压驱注入泵压措施，确保顺利施工（图1）。

图1 T128-A井压驱时根据邻井压力变化实时采取泵注压力调整情况Fig.1 Real-time adjustment of pumping pressure according to the pressure changes in adjacent wells during fracturing flooding for Well T128-A

2.2 压窜风险定量评价方法验证

在2018 年40 个压驱井组压裂施工过程中，对周围120 口压驱邻井进行了压窜风险监控，明确连通层数185 层，其中153 层能够运用压窜风险定量评价方法进行裂缝延伸距离解释，解释率为82.7%。如X3‐A6 井，压驱时间2018 年9 月25—27日，压驱井段为3 段，共注入驱替液7 700 m3。压力实时监测井点4 个，同时采用井下微地震对压裂施工过程进行了监测，9 月28 日监测结束，测试期间周围井工作制度稳定。利用压驱干扰试井解释方法对有随动反应的X3‐D15、X3‐F12、X3‐C09 等3口井进行裂缝延伸距离定量解释，裂缝延伸最大100 m，最小17 m。

根据各层不同方向解释的裂缝延伸距离，绘制出连通井方向裂缝延伸范围，与微地震裂缝评价对比，结果基本接近（表3）。

表3 压驱邻井压窜风险定量评价与井下微地震监测结果对比Table 3 Comparison between quantitative evaluation of pressure channeling risk and downhole microseismic monitored results of adjacent wells

3 结 论

（1）建立的二级监测井点选取原则，以及井底压力实时监测试井工艺技术，能够满足压驱试验邻井压力安全监控需求。

（2）压驱时邻井压窜风险预警机制在大庆油田压驱井中具有可靠的适用性。邻井压力变化速率能及时反应井间连通状况，能够有效降低压窜风险，同时为裂缝评价提供更多信息。

（3）压驱裂缝延伸距离评价方法是压驱效果评价的关键技术。通过监测压驱裂缝在不同方向的延伸距离，定量分析压裂井与周围邻井的连通状况，有利于为地质研究人员开展措施后注采井之间动态方案的调整提供参考信息，确保压驱措施效果的保持。