页岩气井水力压裂裂缝监测方法研究

页岩气井水力压裂裂缝监测方法研究

0美国页岩气藏水处理技术对罪犯压裂效果的影响岩流是指含有丰富有机质的暗粘土和高碳粘土的岩石，主要是作为吸入式或游离状态的天然气集合[1.3]。页岩气的资源前景巨大,且在全球范围内广泛分布,据估计全球页岩气的资源量约为456×1012m3,约占全球非常规天然气资源量的50%[2~4]。目前,美国是世界上页岩气工业起步最早、发展最快、年产量最大的国家,其根本原因是页岩气开发技术的进步[4~5]。由于页岩气储层显示低孔、低渗透率的物性特征,因此只有极少数天然裂缝特别发育的页岩气井可以直接投入生产,但是大部分的页岩气井需要经过水力压裂改造后才能获得理想的产量[1~5]。页岩气井经过水力压裂改造后,利用裂缝监测技术可以有效地评价压裂效果。通过裂缝监测:a)更好地了解压裂施工,获得裂缝大致尺寸,判断压裂是否产生了多裂缝;b)更好地了解压后产量情况,判断裂缝是否覆盖了目的层,分析裂缝和天然裂缝是否交叉;c)进行压裂优化和产量经济评价,随施工规模的增加可以获得多少的裂缝长度和高度增长,获得最优的压裂设计。因此,采取准确的裂缝监测方法是认识页岩气井压裂裂缝扩展的有效手段。1裂缝监测在环境层面的应用目前,在美国页岩气开发地区,主要运用井下微地震监测、测斜仪裂缝监测、直接近井筒裂缝监测和分布式声传感(DAS)裂缝监测等裂缝监测技术来了解和评价页岩气井水力压裂裂缝的特征。1.1水力压裂裂缝井下微地震裂缝监测通过采集微震信号并对其进行处理和解释,获得裂缝的参数信息从而实现压裂过程实时监测,可用来管理压裂过程和压裂后分析,是目前判断压裂裂缝最准确的方法之一[6~7]。页岩气储层进行水力压裂过程中,裂缝起裂和延伸造成压裂层的应力和孔隙压力发生很大变化,从而引起裂缝附近弱应力平面的剪切滑动,这类似于地震沿着断层滑动,但是由于其规模很小,通常称作“微地震”[7~8]。水力压裂产生微地震释放的弹性波,其频率相当高,大概在200~2000Hz声波频率范围内变化。这些弹性波信号可以采用合适的接收仪在邻井检测到,通过分析处理就能够判断微地震的具体位置。页岩气井进行水力压裂施工时,在压裂井的邻井下入一组检波器,对压裂过程中形成的微地震事件进行接收,通过地面的数据采集系统接收这些微地震数据,然后对其进行处理来确定微地震的震源在空间和时间上的分布,最终得到水力压裂裂缝的缝高、缝长和方位参数[9~10]。图1是井下微地震裂缝监测工作原理图,压裂井和监测井位于同一井区,压裂井压裂施工过程中产生的微地震信号通过地层向周围传播,位于邻井中的接收器接收这些信号并传至地面数据采集器,处理后可得到微地震监测图。1.2垂直裂缝引起的地面变形测斜仪裂缝监测技术是通过在地面压裂井周围和邻井井下布置两组测斜仪来监测压裂施工过程中引起的地层倾斜,经过地球物理反演计算确定压裂参数的一种裂缝监测方法。测斜仪在地表测量裂缝方向、倾角和裂缝中心的大致位置,在邻井井下可以测量裂缝高度、长度和宽度参数[11~12]。页岩气井水力压裂过程在裂缝附近和地层表面会产生一个变位区域,这种变位典型的量级为十万分之一米,几乎是不可测量的。但是测量变形场的变形梯度即倾斜场是相对容易的,裂缝引起的地层变形场在地面是裂缝方位、裂缝中心深度和裂缝体积的函数。变形场几乎不受储层岩石力学特性和就地应力场的影响。测斜仪在两个正交的轴方向上测量倾斜,当仪器倾斜时,包含在充满可导电液体的玻璃腔内的气泡产生移动,以便与重力矢量保持一致。精确的仪器探测到安装在探测器上的两个电极之间的电阻发生变化,这种变化是由气泡的位置变化所引起的。图2是测斜仪监测垂直裂缝的示意原理图,显示了从地面测斜仪和邻井井下测斜仪观察到的水力裂缝造成的地面变形[12~14]。由地面测斜仪监测的垂直裂缝引起的地面变形是沿着裂缝方向的凹槽,而且凹槽两侧地面发生突起,通过凹槽两侧的突起可以推算出裂缝的倾角。井下测斜仪布置在与压裂层相同深度的邻井中,垂直裂缝会在邻井处产生突起变形,从而可以推算出裂缝的几何形态。1.3单井筒裂缝监测直接近井筒裂缝监测,是在井筒附近区域通过对压裂后页岩气井的流体物理特性,如温度或示踪剂等进行测井,从而获得近井筒范围裂缝参数信息。这类裂缝监测技术通常作为选择应用技术的补充,主要包括放射性同位素示踪剂法、温度测井、声波测井、井筒成像测井、井下录像和多井径测井技术。放射性同位素示踪剂法是在压裂过程中将放射性示踪剂加入压裂液和支撑剂,压裂之后进行光谱伽马射线测井;温度测井用于测量由于压裂液注入导致地层温度的下降,将压裂后测井和基线测量进行比较,可以分析得到吸收压裂液最多的层段;声波测井利用压裂液进入井筒的声音变化情况能够确定压裂液流动的差异,从而得到井筒裂缝的大致高度;井筒成像测井可以获得天然和诱导裂缝的定向图,这些可以提供有关最小主应力方向的信息;井下录像可以直接观察不同射孔方向的压裂液流情况,从而确定井筒附近裂缝的扩展情况;多井径测井(又称为椭圆度测井)可以提供井筒崩落的方向和椭圆率,这可以解释最大主应力方向,由于裂缝的延伸方位与最大主应力方向一致,可获得裂缝的延伸方位。直接近井筒裂缝监测技术需要在压裂后马上测量,不具备实时监测的功能。而且很多方法仅能获得近井筒范围内的裂缝参数,如放射性同位素示踪剂测井,另外如果沿井筒方向的裂缝高度很高或者不完全沿井筒方向扩展则会造成仪器测不到,无法获得裂缝扩展更细节的信息。1.4声传感裂缝监测系统分布式声传感裂缝监测(DAS)方法是利用标准电信单模传感光纤作为声音信息的传感和传输介质,可以实时测量、识别和定位光纤沿线的声音分布情况。壳牌加拿大分公司于2009年2月首次将该技术应用于裂缝监测和诊断的现场试验,结果表明该技术可以有效地优化水力压裂的设计和施工,从而降低完井成本及提高井筒导流能力和最终采收率。分布式声传感裂缝监测(DAS)系统将传感光纤沿井筒布置,采用相干光时域反射测定法(C-OTDR),对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的信息进行监测。该技术的主要原理是,在传感光纤附近由于压裂液流的变化会引起声音的扰动,这些声音扰动信号会使光纤内瑞利背向散射光信号产生独特、可判断的变化。地面的数据处理系统通过分析这些光信号的变化,产生一系列沿着光纤单独、同步的声信号。图3是分布式声传感系统裂缝监测示意图。每个声信号相应于光纤上1~10m长的信道,比如5000m长的井下光纤按5m长信道可以产生1000个信道。将所收集的原始声音信号数据传送到处理系统,对这些信号进行解释处理和可视化输出。通过实时分析DAS地面系统所采集的数据,可以获得压裂液和支撑剂的作用位置,实现优化压裂液和支撑剂作用位置,通过诊断压裂设计的效果,在施工过程中和后续施工中实现成本优化。2裂缝延伸及裂缝监测技术上述几种裂缝监测技术是目前页岩气井水力压裂过程中常用的裂缝监测技术,还有一些其他监测裂缝参数的方法,如采用电位法观测压裂施工前后地面电位变化推算裂缝延伸方位和缝长。在实际应用中,通过这些方法的综合利用和相互比较,得出水力压裂裂缝的参数,如成像测井和微地震监测相结合的监测技术,测斜仪监测和微地震监测相结合的综合裂缝监测技术。表1给出了上述裂缝监测技术各自的监测能力和局限性。3下微地震裂缝监测a)水力压裂是页岩气藏储层改造的重要手段,也是目前页岩气开发的核心技术之一,认识压裂过程产生的裂缝产状参数,对于提高压裂效果和优化压裂设计是非常重要的,而裂缝监测技术为评价页岩气藏储层压裂效果提供了可能性。b)井下微地震裂缝监测是判断压裂裂缝最精确的方法之一,也是最常用的裂缝监测方法,通过实时确定微地震的位置,能够显示详细的裂缝扩展信息,但是该技术要求地层必须可以产生和传输可分析的微地震事件。c)测斜仪裂缝监测可以确定裂缝方位、倾角和裂缝中心的大致位置,充分利用地面测斜仪和井下测斜仪的优势,可以快速