水平井桥塞分段压裂管外光纤监测技术

董小卫 田志华 李一强 汪志 韩光耀 唐家财 刘帅

关键词：桥塞压裂；光纤；光缆方位；定向避射；实时监测

0 引言

水平井分段多簇体积压裂已成为非常规油气藏开发的主体技术，为进一步提高储层动用程度，段内射孔簇间距也呈现逐步缩小的趋势［1］，国内致密油、页岩油等难动用储层射孔簇间距已由初期的30m 缩短至现在的最小8 m 左右，此时开展簇间改造效果监测尤为重要。目前水力压裂裂缝监测方法主要有井下微地震、测斜仪和可控源电磁法等［2］，可用于解释整段压裂裂缝的走向、长度、高度等，但针对簇间改造效果的监测方法相对缺乏，主要以放射性同位素示踪剂［3］为主。其方法是压裂时示踪砂随压裂液进入地层裂缝，通过能谱测井测量地层中各簇示踪砂伽马计数率来监测储层改造效果，但放射性同位素示踪剂对环境与操作人员存在潜在的伤害风险。微量物质示踪剂［4］克服了这个缺点，它通过对压后返排液进行间隔密集取样得到示踪剂返排曲线，利用示踪剂返排曲线进行簇间改造效果评价，但存在解释周期长的问题。20 世纪90 年代以来，随着光导纤维及光纤通信技术的发展，光纤传感技术得到了快速发展［5］，其具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰、定位精度高等技术优势，可分为分布式光纤温度传感（拉曼散射）［6］和分布式光纤声波传感（瑞利散射）［7］两大主体技术。压裂液注入地层会引起井筒降温，但是受地层环境的影响，井筒降温响应缓慢［8］，此时应用分布式光纤温度传感技术无法对井筒各射孔簇进液动态作出快速、实时响应，因此引入了分布式声波传感技术进行油气井压裂监测［9］，其工作原理是在完井时将光缆外敷捆绑于油层套管入井、固井，压裂时利用高压流体通过小直径射孔簇孔眼所产生的瞬时高频段声信号表征整个压裂事件，由于较强的声波信号与进液活跃的压裂簇存在对应关系，同时也代表该位置正在起裂或扩展，现场通过观测沿井筒各位置声能随时间变化生成的能谱图就可实时监测各簇改造效果。

2011 年Shell 公司率先使用光纤声波传感技术进行了水力压裂监测，此后，Halliburton、Schlumberge等油服公司联合Fotech、Optasense、Silixa 等专业分布式光纤传感供应商先后投入开发套管外敷永久式光纤压裂监测技术［10］。据不完全统计，截至2022 年底，该技术已在Eagle Ford、Baken、Montney 等油田现场应用300 余口井，实现了压裂过程各簇进液动态信息实时监测。国内油田在光纤压裂监测技术方面起步较晚［11］，2019 年吉林油田联合英国Tendeka公司在黑页1-2-2 井实施了分压4 层17 簇现场监测试验，2020 年新疆油田在石炭系油藏HW62031 井完成了6 段23 簇投球滑套压裂监测攻关现场试验，2021 年浙江油田在昭通页岩气YS137H1-2 井进行了13 段125 簇桥塞分压监测现场试验，2022 年长庆油田在鄂尔多斯盆地涧12H3 井开展了28 级可开关滑套压裂监测现场试验。与国外相比，国内各油田主要以引进为主，尚未形成完整的现场实施方案和技术难点攻关措施。

1 管外光纤监测完井管柱

水平井桥塞分段压裂管外光纤监测完井管柱结构如图1 所示，主要由浮鞋、浮箍、特种光缆、可穿越光缆扶正器、桥塞等组成，位于套管接箍处的可穿越光缆扶正器起到保护光缆的作用。其工作原理：采用桥塞+定向射孔技术对储层进行分段多簇改造，当压裂液通过射孔簇孔眼进入地层时将产生强振动信号，利用光纤既是传感元件又是传输介质的特性，通过地面声波采集设备获取光纤沿程各簇的声波场，并可视化输出，直观实时展现各簇进液情况。该管柱适用于?139.7 mm 套管完井井况，分布式光纤声波监测系统空间分辨率1 m、声波灵敏度50～80dB、声波频带范围0.01～10 kHz。

1.1 特种光缆

如图2 所示，特种光缆［12］主要由纤芯、油膏、不锈钢护管等组成，采用聚丙烯注塑成缆加工，耐磨损、抗冲击、耐酸碱腐蚀。光缆技术指标：截面尺寸22 mm×11 mm，耐温150 ℃，耐压130 MPa，破断拉力80 kN，光纤信号衰减＜0.40 dB/km（1 310 nm）。

1.2 可穿越光缆扶正器

油层套管接箍处采用分瓣镂空式可穿越光缆扶正器［13］对光缆进行保护（图3）。扶正器由上本体、下本体、滚珠等组成，上、下本体通过螺栓连接，上本体、下本体设计有多排滚珠阵列，减小了管柱下入摩阻，光缆穿越下本体内铺置凹槽，同时，扶正器与套管本体接触部分采用滚花处理，可最大限度防止因扶正器转动而引起的光缆周向旋转、断裂发生。扶正器技术指标：外径209 mm，长度315 mm，通径139.7 mm，光缆凹槽尺寸22.5 mm×11.5 mm。

2 配套技术

2.1 井口光缆穿越

芯轴式套管悬挂器传统开孔光缆穿越工艺存在悬挂器定制加工难、选型受限、穿越耗时长等问题，现场主要采用卡瓦式悬挂器，并进行了技术套管闸阀井口光缆穿越工艺设计（图4）。操作工序：（1） 计算最后一根套管入井后与技术套管闸阀的对应位置，并在套管本体进行标识；（2） 在套管标识位置附近进行光缆缠绕捆绑；（3） 光缆随套管入井；（4） 固井，候凝；（5） 上提防喷器，倒出适当长度的光缆，并将光缆从技术套管闸阀通道孔穿出；（6） 井口安装卡瓦式油层套管悬挂器；（7） 进行出口光缆与地面光缆熔纤接续和密封。主要的光缆穿越和光缆密封操作在固井结束后完成，井控安全性高，现场易实施。

2.2 光缆方位探测

因水平裸眼段井眼轨迹、井径不规则，光缆下入过程中将发生扭转［14］，射孔作业前需利用磁通量探测仪对井下光缆方位进行探测，防止光缆被射断。其测量原理：对接箍位置可穿越光缆扶正器进行360°磁场扫描，基于外部金属含量影响磁场分布的原理［15］，獲取磁通量变化及对应方位曲线［16］，如图5 所示，由于扶正器光缆凹槽为高金属含量设计，磁通量最大值处即光缆所处位置，通过对不同深度接箍进行测量，可明确井下光缆实际铺设情况，为后期定向射孔提供依据。

对不同方位光缆进行了地面探测试验，结果表明：磁通量探测值不小于1 060 Wb、光缆定位误差不大于3°，见表1。

2.3 光缆定向避射

如图6 所示，通过探测套管上、下端接箍处的光缆方位，以套管下端光缆方位顺时针转至套管上端光缆方位所形成的覆盖范围作为危险区域，在危险区域对侧进行线性定向射孔［17］。为兼顾射孔阶段光缆避射和压裂阶段射孔簇裂缝起裂，布孔方式采用双线性、方位夹角60°，在确保光缆避射的同时，与单线性射布孔方式相比，双线性射孔增大了裂缝起裂几率，有利于降低压裂施工泵压。

3 现场试验

2022 年4 月在新疆玛湖砾岩油藏JLHW2039井进行了水平井桥塞分段压裂管外光纤监测技术现场试验。该井完钻井深5 132 m，水平段长1 066 m，最大井斜92.46°，最大狗腿度7.66 （°）/30 m。该井共完成14 段59 簇定向射孔及压裂光纤监测。

3.1 光缆探测及定向射孔

采用连续油管输送井下磁通量探测仪，自下而上探测水平段87 个接箍位置光缆方位。由图7 可看出，相邻测点光缆方位差异主体介于0～45°之间，井下光缆无明显扭转现象。该井采用双线性定向射孔，方位夹角60°，孔密10 孔/ m，如图8 所示。

3.2 效果分析

以JLHW2039 井第14 段4 簇改造为例进行监测效果分析。

3.2.1 分簇射孔

泵送桥塞坐封后进行分簇定向射孔作业，在射孔枪点火成功瞬间，光纤声波信号将沿着井筒分别朝上、下两个方向传播，可用于判断光纤通断，也可以根据光纤信号拐点进行射孔深度校验。如图9 所示，通过光纤声波能谱可看出4 道明显的强振动信号，光纤监测射孔位置分别为4 103、4 091、4 080、4 069 m，与设计位置误差小于0.5 m。

3.2.2 各簇进液

如图10 所示，可以看出前置液和加砂液阶段S14-1 和S14-4 均持续保持强声波信号，而S14-2 和S14-3 未发现任何声波信号，表明中间2 簇基本不进液，改造不均衡。结合光纤声波振幅强度进行各簇进液占比分析，S14-1、S14-2、S14-3、S14-4 簇进液占比分别为51.7%、1.5%、1.2%、45.6%；同时，通过光纤声波能谱未发现第14 段桥塞坐封位置（4 136 m）下部存在异常振动信号，说明桥塞密封良好。

各簇非均衡进液影响因素分析结果见表2，提取第14 段各簇测录井综合解释结果和光纤监测进液数据，采用灰色关联法［18］进行变量间关联度计算，如图11 所示，影响各簇进液量最为关键的因素依次为孔隙度、脆性指数、最小水平主应力，各簇进液量与孔隙度、脆性指数呈正向关，与最小水平主应力呈负相关。

3.2.3 暂堵转向

针对第14 段S14-2 和S14-3 未改造， 现场对S14-1 和S14-4 采取暂堵措施，泵送绳结状暂堵剂到位后，可以看出S14-2、S14-3 开始出现强信号，原优势簇S14-1 信号逐渐减弱直至消失，原次优势簇S14-4信号基本保持不变，如图12 所示。结合声波振幅强度进行各簇进液占比分析，暂堵后S14-1、S14-2、S14-3、S14-4 簇進液占比分别为5.3%、38.2%、26.8%、29.7%，原优势进液簇得到抑制，各簇进液均衡性有效提升。

4 结论

（1） 设计了桥塞分段压裂套管外光纤监测完井管柱，可利用高压流体通过小直径射孔簇孔眼所产生的高频段声信号对整个压裂事件进行表征，该技术可实现分簇射孔、各簇进液、暂堵转向、桥塞密封等井下动态信息有效实时监测。

（2） 设计了铠装特种光缆、可穿越光缆扶正器，形成了井口光缆技术套管闸阀穿越、管外光缆方位精准探测及光缆定向避射配套技术，有效解决了光缆入井和射孔安全难题。

（3） 下一步应加快推进适用于高压压裂工况下的光纤压力计研发工作，利用套管外敷光纤作为信号传输系统，完善水平井体积压裂管外多点光纤测压技术，扩大其应用范围。