【技術裝備】國外頁巖氣井水力壓裂裂縫監測技術進展
盤點國際 瀏覽量: 828 2016-06-02 14:21:37
       由于頁巖氣儲層顯示低孔、低滲透率的物性特征,因此只有極少數天然裂縫特別發育的頁巖氣井可以直接投入生產,但是大部分的頁巖氣井需要經過水力壓裂改造后才能獲得理想的產量。頁巖氣井經過水力壓裂改造后,利用裂縫監測技術可以有效地評價壓裂效果。

  通過裂縫監測:

  a) 更好地了解壓裂施工,獲得裂縫大致尺寸,判斷壓裂是否產生了多裂縫;

  b) 更好地了解壓后產量情況,判斷裂縫是否覆蓋了目的層,分析裂縫和天然裂縫是否交叉;

  c) 進行壓裂優化和產量經濟評價,隨施工規模的增加可以獲得多少的裂縫長度和高度增長,獲得最優的壓裂設計。

  因此,采取準確的裂縫監測方法是認識頁巖氣井壓裂裂縫擴展的有效手段。

       一、頁巖氣井水力壓裂監測技術

  目前,在美國頁巖氣開發地區,主要運用井下微地震監測、測斜儀裂縫監測、直接近井筒裂縫監測和分布式聲傳感(DAS)裂縫監測等裂縫監測技術來了解和評價頁巖氣井水力壓裂裂縫的特征。

  1、井下微地震裂縫監測

  井下微地震裂縫監測通過采集微震信號并對其進行處理和解釋,獲得裂縫的參數信息從而實現壓裂過程實時監測,可用來管理壓裂過程和壓裂后分析,是目前判斷壓裂裂縫最準確的方法之一。

  頁巖氣儲層進行水力壓裂過程中,裂縫起裂和延伸造成壓裂層的應力和孔隙壓力發生很大變化,從而引起裂縫附近弱應力平面的剪切滑動,這類似于地震沿著斷層滑動,但是由于其規模很小,通常稱作“微地震”。

  水力壓裂產生微地震釋放的彈性波,其頻率相當高,大概在200~2000 Hz聲波頻率范圍內變化。這些彈性波信號可以采用合適的接收儀在鄰井檢測到,通過分析處理就能夠判斷微地震的具體位置。頁巖氣井進行水力壓裂施工時,在壓裂井的鄰井下人一組檢波器,對壓裂過程中形成的微地震事件進行接收,通過地面的數據采集系統接收這些微地震數據,然后對其進行處理來確定微地震的震源在空間和時間上的分布,最終得到水力壓裂裂縫的縫高、縫長和方位參數。
 
           
圖1 井下微地震監測示意圖
 
  圖1是井下微地震裂縫監測工作原理圖,壓裂井和監測井位于同一井區,壓裂井壓裂施工過程中產生的微地震信號通過地層向周圍傳播,位于鄰井中的接收器接收這些信號并傳至地面數據采集器,處理后可得到微地震監測圖。

  2、測斜儀裂縫監測

  測斜儀裂縫監測技術是通過在地面壓裂井周圍和鄰井井下布置兩組測斜儀來監測壓裂施工過程中引起的地層傾斜,經過地球物理反演計算確定壓裂參數的一種裂縫監測方法。測斜儀在地表測量裂縫方向、傾角和裂縫中心的大致位置,在鄰井井下可以測量裂縫高度、長度和寬度參數。

  頁巖氣井水力壓裂過程在裂縫附近和地層表面會產生一個變位區域,這種變位典型的量級為十萬分之一米,幾乎是不可測量的。但是測量變形場的變形梯度即傾斜場是相對容易的,裂縫引起的地層變形場在地面是裂縫方位、裂縫中心深度和裂縫體積的函數。變形場幾乎不受儲層巖石力學特性和就地應力場的影響。

  測斜儀在兩個正交的軸方向上測量傾斜,當儀器傾斜時,包含在充滿可導電液體的玻璃腔內的氣泡產生移動,以便與重力矢量保持一致。精確的儀器探測到安裝在探測器上的兩個電極之間的電阻發生變化,這種變化是由氣泡的位置變化所引起的。

                         
圖2 地面測斜儀監測示意原理圖
 
  圖2是測斜儀監測垂直裂縫的示意原理圖,顯示了從地面測斜儀和鄰井井下測斜儀觀察到的水力裂縫造成的地面變形。由地面測斜儀監測的垂直裂縫引起的地面變形是沿著裂縫方向的凹槽,而且凹槽兩側地面發生突起,通過凹槽兩側的突起可以推算出裂縫的傾角。井下測斜儀布置在與壓裂層相同深度的鄰井中,垂直裂縫會在鄰井處產生突起變形,從而可以推算出裂縫的幾何形態。

  3、直接近井筒裂縫監測

  直接近井筒裂縫監測,是在井筒附近區域通過對壓裂后頁巖氣井的流體物理特性,如溫度或示蹤劑等進行測井,從而獲得近井筒范圍裂縫參數信息。這類裂縫監測技術通常作為選擇應用技術的補充,主要包括放射性同位素示蹤劑法、溫度測井、聲波測井、井筒成像測并、井下錄像和多井徑測井技術。

  1) 放射性同位素示蹤劑法是在壓裂過程中將放射性示蹤劑加入壓裂液和支撐劑,壓裂之后進行光譜伽馬射線測井;

  2) 溫度測井用于測量由于壓裂液注入導致地層溫度的下降,將壓裂后測井和基線測量進行比較,可以分析得到吸收壓裂液最多的層段;

  3) 聲波測井利用壓裂液進入井筒的聲音變化情況能夠確定壓裂液流動的差異,從而得到井簡裂縫的大致高度;

  4) 井筒成像測井可以獲得天然和誘導裂縫的定向圖,這些可以提供有關最小主應力方向的信息;

  5) 井下錄像可以直接觀察不同射孔方向的壓裂液流情況,從而確定井筒附近裂縫的擴展情況;

  6) 多井徑測井(又稱為橢圓度測井)可以提供井筒崩落的方向和橢圓率,這可以解釋最大主應力方向,由于裂縫的延伸方位與最大主應力方向一致,可獲得裂縫的延伸方位,直接近井筒裂縫監測技術需要在壓裂后馬上測量,不具備實時監測的功能。而且很多方法僅能獲得近井筒范圍內的裂縫參數,如放射性同位素示蹤劑測井,另外如果沿井筒方向的裂縫高度很高或者不完全沿井筒方向擴展則會造成儀器測不到,無法獲得裂縫擴展更細節的信息。

  4、分布式聲傳感裂縫監測(DAS)

  分布式聲傳感裂縫監測(DAS)方法是利用標準電信單模傳惑光纖作為聲音信息的傳感和傳輸介質,可以實時測量、識別和定位光纖沿線的聲音分布情況。殼牌加拿大分公司于2009年2月首次將該技術應用于裂縫監測和診斷的現場試驗,結果表明該技術可以有效地優化水力壓裂的設計和施工,從而降低完井成本及提高井筒導流能力和最終采收率。

  分布式聲傳感裂縫監測(DAS)系統將傳感光纖沿井筒布置,采用相干光時域反射測定法(C-OTDR),對沿光纖傳輸路徑的空間分布和隨時間變化的信息進行監測。該技術的主要原理是,在傳感光纖附近由于壓裂液流的變化會引起聲音的擾動,這些聲音擾動信號會使光纖內瑞利背向散射光信號產生獨特、可判斷的變化。地面的數據處理系統通過分析這些光信號的變化,產生一系列沿著光纖單獨、同步的聲信號。

  圖3是分布式聲傳感系統裂縫監測示意圖:
                              
圖3 分布式聲傳感系統示意圖
 
  每個聲信號相應于光纖上1—10m長的信道,比如5000 m 長的井下光纖按5m長信道可以產生1000個信道。將所收集的原始聲音信號數據傳送到處理系統,對這些信號進行解釋處理和可視化輸出。

  通過實時分析DAS地面系統所采集的數據,可以獲得壓裂液和支撐劑的作用位置,實現優化壓裂液和支撐劑作用位置,通過診斷壓裂設計的效果,在施工過程中和后續施工中實現成本優化。

  二、幾種裂縫監測技術的對比

  上述幾種裂縫監測技術是目前頁巖氣井水力壓裂過程中常用的裂縫監測技術,還有一些其他監測裂縫參數的方法,如采用電位法觀測壓裂施工前后地面電位變化推算裂縫延伸方位和縫長。

  在實際應用中,通過這些方法的綜合利用和相互比較,得出水力壓裂裂縫的參數,如成像測井和微地震監測相結合的監測技術,測斜儀監測和微地震監測相結合的綜合裂縫監測技術。表l給出上述裂縫監測技術各自的監測能力和局限性。


表1 幾種裂縫監測技術的對比
   
結論:
  1) 水力壓裂是頁巖氣藏儲層改造的重要手段,也是目前頁巖氣開發的核心技術之一,認識壓裂過程產生的裂縫產狀參數,對于提高壓裂效果和優化壓裂設計是非常重要的,而裂縫監測技術為評價頁巖氣藏儲層壓裂效果提供了可能性。

  2) 井下微地震裂縫監測是判斷壓裂裂縫最精確的方法之一,也是最常用的裂縫監測方法,通過實時確定微地震的位置,能夠顯示詳細的裂縫擴展信息,但是該技術要求地層必須可以產生和傳輸可分析的微地震事件。

  3) 測斜儀裂縫監測可以確定裂縫方位、傾角和裂縫中心的大致位置,充分利用地面測斜儀和井下測斜儀的優勢,可以快速方便地應用于現場。

  4) 分布式聲傳感監測在2009年2月首次應用于水力壓裂裂縫監測的現場試驗,目前還處于起步階段,還需要進行大量的現場試驗,驗證其監測效果。

  5) 通過壓裂監測技術可以更好地了解裂縫的擴展情況,掌握裂縫的特征,先進壓裂裂縫監測技術的應用大大增加了水力壓裂增產措施的有效性和經濟性,最終反饋到壓裂的優化設計上,實現頁巖氣藏管理的最優化。


(來源:金正縱橫編輯整理)

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