周 健， 張保平， 李克智， 張旭東， 徐勝強

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京100101；2.中國石化華北分公司，河南鄭州 450006)

基于地面測斜儀的“井工廠”壓裂裂縫監(jiān)測技術

周 健1， 張保平1， 李克智2， 張旭東1， 徐勝強1

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京100101；2.中國石化華北分公司，河南鄭州 450006)

為了更好地認識大牛地氣田“井工廠”壓裂模式中裂縫的形態(tài)和方位，指導該區(qū)塊其他井組合理部署井網(wǎng)及優(yōu)化壓裂設計，采用地面測斜儀對R井組的2口水平井分段壓裂裂縫進行了監(jiān)測，獲得了每條壓裂裂縫的方位與長度，并對監(jiān)測結果進行分析，探索研究了水平井組同步壓裂工藝對裂縫復雜性的影響。研究表明，在R井組2口水平井的同步壓裂過程中，由于誘導應力場的影響，使得部分井段壓裂裂縫的復雜性增加，從而增大了改造體積，改善了壓裂效果。研究結果為今后的壓裂設計優(yōu)化和井網(wǎng)部署提供了理論依據(jù)。

測斜儀 井工廠 裂縫形態(tài) 同步壓裂 裂縫監(jiān)測 大牛地氣田

水力壓裂是低滲透油氣藏增產的主要措施之一，水力裂縫的形態(tài)即裂縫的高度、長度、寬度、方位和傾角等，對于制定合理的開發(fā)方案、確保油氣田開發(fā)的完整性、達到長期高效的油田開發(fā)和增產的目的具有重要意義。目前水力裂縫監(jiān)測的直接方法主要有近井筒方法和遠井方法。地面測斜儀裂縫監(jiān)測技術對“井工廠”模式下的多口水平井分段壓裂具有良好的適用性，能夠一次性監(jiān)測多口井的分段壓裂裂縫的主要參數(shù)。近些年，該技術在國內外進行了廣泛的應用[1-5]，但是基本是在單一直井或者單一水平井分段壓裂監(jiān)測中應用。

大牛地氣田儲層以辮狀河流相沉積為主，縱向上交錯疊合發(fā)育，平面上分片展布，非均質性較強，氣藏內部差別較大，是典型的低壓、低孔、低含氣飽和度致密氣藏。大牛地氣田盒1氣層平均孔隙度9.09%，平均滲透率0.55 mD，地層壓力系數(shù)0.91，采用水平井分段壓裂工藝取得了較好的改造效果[6]。為進一步提高大牛地氣田盒1氣層的儲量動用程度，掌握“井工廠”水平井分段壓裂后的裂縫走向和裂縫幾何參數(shù)，在大牛地氣田R井組的水平井同步壓裂過程中[7-9]，利用地面測斜儀采集傾斜角變化信號，并通過數(shù)據(jù)解釋軟件反演求取裂縫參數(shù)，獲得每一段水力裂縫的方位、長度和復雜性參數(shù)，為優(yōu)化壓裂設計、評價壓裂效果和合理布置注采井網(wǎng)提供了理論依據(jù)。

1 地面測斜儀基本測試原理

水力壓裂可將地層壓開，并最終形成一定寬度的裂縫。壓裂裂縫引起的巖石變形場向各個方向輻射，引起地面及地下地層的變形，這種地面地層變形的量級為微米級，幾乎是不可測量的，但是可以測量變形場的變形梯度(即傾斜場)。因此，可以在地面壓裂井周圍或鄰井井下布設一組測斜儀，測量地面由于壓裂引起巖石變形而導致的地層傾斜，再通過地球物理反演的方法[10]來反演出壓裂裂縫的參數(shù)。測斜儀監(jiān)測垂直裂縫的基本原理如圖1所示。

不同類型的裂縫引起的地層變形在地面的變形場如圖2所示。變形場不受儲層巖石力學特性和原地應力場的影響，比如一條定尺寸的南北向擴展的垂直水力裂縫，不管裂縫位于低模量的硅藻巖、非常硬的碳酸巖還是疏松的砂巖，在地面產生的變形模式將是一樣的，變形的模式是具有南北向趨勢的由周圍對稱隆起環(huán)繞的槽(若裂縫有傾斜，則隆起不對稱)，隆起的大小取決于裂縫的體積和裂縫中心的深度[11]。

在進行壓裂裂縫監(jiān)測之前，基于相關的施工參數(shù)，可以提前計算出壓裂裂縫產生過程中所造成的最大傾斜角：

(1)

式中：Tmax為最大傾斜角，μrad；V為裂縫內流體的體積，m3；D為射孔垂直深度，m。

某一口頁巖氣直井壓裂施工時射孔位置垂深為2 400 m，壓裂液用量為2 000 m3，通過式(1)可計算得到壓裂過程中所產生的最大的傾斜角為24.1μrad。測斜儀的最高測量精度為1μrad，滿足工程施工精度要求，因此可以采用測斜儀進行裂縫監(jiān)測。

2 壓裂裂縫監(jiān)測方案優(yōu)化及現(xiàn)場監(jiān)測

大牛地氣田R井組是一“米”字形水平井組，水平段平均垂深2 540.00 m左右。應用測斜儀對 R-1H井、R-3H 井和 R-5H 井進行壓裂裂縫監(jiān)測(井位分布見圖3)。其中，R-5H 井和 R-3H 井采用水平井同步壓裂工藝， R-1H 井采用水平井單井分段壓裂。

一般來說，布置單一水平井測點時，依據(jù)射孔深度、水平段長度和施工規(guī)模確定測斜儀支數(shù)和布置范圍。對于叢式水平井組，測點的布置范圍要根據(jù)3口井水平段的位置進行優(yōu)化設計，因此測點布置范圍要遠大于單一水平井的范圍，測點數(shù)量也比單一水平井要多。

根據(jù)R井組實際情況及目前已完鉆水平井的水平段長度和壓裂施工參數(shù)情況，監(jiān)測單井單段壓裂需布置36支地面測斜儀。根據(jù)3口水平井多段壓裂需要，統(tǒng)籌考慮井深允許的測斜儀布放機動余量，設計55支測斜儀可以滿足監(jiān)測要求。在水平井射孔位置，以深度的25%～75%為半徑的環(huán)形范圍內隨機布孔。3口井的垂直深度為2 540 m，因此測斜儀地面觀測點布置在以措施段中心位置為圓點、以635和1 905 m為半徑的環(huán)形范圍內，在井的東、西、南、北大致相同數(shù)目的井眼內隨機布置。依次壓裂 R-1H井、R-3H 井和 R-5H 井，3口井監(jiān)測時以中間井為基準進行布放，左右適當增加。圖3是根據(jù)這3口井的壓裂監(jiān)測任務設計的測點布置優(yōu)化方案。

結合設計方案和現(xiàn)場地表實際條件，在井組地面4 km2范圍內布置了54支地面測斜儀(見圖4)。

圖4中，3口井的井口用紅旗代表，各井水平段的兩端用綠旗代表，測斜儀測點用藍旗代表。每一個藍色測點都是通過GPS現(xiàn)場定位確定的。在現(xiàn)場布置完地面測斜儀后，由于現(xiàn)場壓裂作業(yè)制度的臨時調整，只對 R-3H 井和 R-5H 井進行壓裂裂縫監(jiān)測。

3 壓裂裂縫監(jiān)測結果

在現(xiàn)場壓裂作業(yè)過程中，R-3H井因投球滑套提前打開，放棄了前3段施工，實際采用地面測斜儀對R井組的 R-5H 井和 R-3H 井這2口水平井進行了同步壓裂裂縫監(jiān)測。這2口井共壓裂15段，得到15個裂縫監(jiān)測結果，其中包括裂縫方位、裂縫半場、裂縫的水平分量和垂直分量，以及壓裂裂縫擴展而引起地表變形的趨勢面及其矢量場。

圖5為2口水平井的裂縫方位示意圖，清晰地反映了2口水平井的位置、每一段裂縫的方位、地面測斜儀測點的分布和井口的位置等參數(shù),其中沿著水平井段的彩色短線分別代表了每一段壓裂裂縫和方位。這2口井的裂縫參數(shù)匯總結果見表1和表2。

表1 R-3H 井分段壓裂測斜儀裂縫監(jiān)測結果

Table 1 Results of fracture monitoring of the surface tiltmeter for Well R-3H during multistage fracturing

表2 R-5H 井分段壓裂測斜儀裂縫監(jiān)測結果

Table 2 Results of fracture monitoring of the surface tiltmeter for Well R-5H during multistage fracturing

裂縫監(jiān)測結果表明，R-3H 井水平井分段壓裂裂縫的方位為北偏東53°～71°，裂縫半長112～149 m；R-5H 井水平井分段壓裂裂縫的方位為北偏東67°～76°，裂縫半長107～142 m。

對15條裂縫所造成的地面變形場的形態(tài)和變形數(shù)值分別進行了數(shù)值模擬。 R-5H 井第4級裂縫的地表變形形態(tài)如圖6所示，圖中顏色越深表示地表的變形越大，即垂向位移越大，由于垂直裂縫為主體，造成地表的變形具有一大一小2個峰值。 R-5H 井第9級裂縫的地表變形形態(tài)如圖7所示，由于水平裂縫為主體，造成地表的變形僅有一個峰值(單一隆起)。

4 同步壓裂造成的復雜裂縫及其對單井產量的影響分析

對不同級數(shù)裂縫的垂直分量和水平分量對比研究發(fā)現(xiàn)，水平井同步壓裂對裂縫形態(tài)的影響顯著。由于這2口井相對應的壓裂級數(shù)基本屬于同步壓裂(泵車開泵時間前后不超過20 min)，因此會產生局部誘導應力場的變化，使得產生的裂縫之間相互干擾，在一定程度上增加了裂縫的復雜性。從表1可以看出，從第7級裂縫到第9級裂縫，其水平分量逐漸增加；從表2可以看出，從第5級裂縫到第9級裂縫，其水平分量顯著增加。從第1級裂縫到第9級裂縫之間，2口井水平段之間的距離是逐步減小的，因此隨著水平段之間距離的減小，同步壓裂所造成的應力干擾程度逐漸升高，造成裂縫的水平分量顯著增大，增加了裂縫的復雜性。產量對比發(fā)現(xiàn)(見表3)，由于 R-3H 井和 R-5H 井同步壓裂中產生的復雜裂縫較多，這2口井的無阻流量分別是20.41×104m3/d和27.51×104m3/d，分別在該井組單井產量中排名第一和第二。

表3 R井組分段壓裂參數(shù)及測試產量

Table 3 Parameters of multistage fracturing and testing production for Cluster R

以上研究表明，同步壓裂中產生的復雜裂縫，在一定程度上增大了有效改造體積，進而提高了壓裂后的單井產量。在今后的水平井“井工廠”鉆井設計和壓裂設計中，綜合考慮水平井水平段之間的距離和壓裂設計中的裂縫規(guī)模(縫長)，既要在水平井的水平段之間充分地造長縫，提高壓裂裂縫的有效改造體積，又要適度控制裂縫規(guī)模和裂縫的復雜性，以有效提高壓裂后的產量。

5 結 論

1) 基于地面測斜儀的裂縫監(jiān)測技術在水平井井組“井工廠”壓裂模式中的成功應用表明，地面測斜儀可以為水平井組的壓裂后評估及壓裂設計方案優(yōu)化提供依據(jù)，具有較好的推廣前景。

2) R井組的2口水平井采用的是水平井組同步壓裂工藝，說明地面測斜儀裂縫監(jiān)測技術適用于水平井同步壓裂監(jiān)測。

3) 測斜儀裂縫監(jiān)測技術不僅可以監(jiān)測水平井同步壓裂的裂縫參數(shù)，而且可以判斷壓裂裂縫的復雜性。

4) 水平井同步壓裂工藝對裂縫形態(tài)的影響顯著。對測斜儀監(jiān)測結果的初步研究發(fā)現(xiàn)，在靠近2井井口的水平段部分的多條裂縫的水平分量顯著增大，說明隨著水平段之間距離的減小，同步壓裂所造成的應力干擾程度逐漸升高，造成裂縫的水平分量顯著增大，增加了裂縫的復雜性。

References

[1] 唐梅榮，張礦生，樊鳳玲.地面測斜儀在長慶油田裂縫測試中的應用[J].石油鉆采工藝，2009，31(3)：107-110. Tang Meirong，Zhang Kuangsheng，F(xiàn)an Fengling.Application of surface tiltmeter fracture mapping in Changqing Oilfield[J].Oil Drilling & Production Technology，2009，31(3):107-110.

[2] 修乃嶺，王欣，梁天成，等.地面測斜儀在煤層氣井組壓裂裂縫監(jiān)測中的應用[J].特種油氣藏，2013，20(4)：147-150. Xiu Nailing，Wang Xin，Liang Tiancheng，et al.Application of surface tiltmeter in fracturing fractures surveillance for CBM well group[J].Special Oil & Gas Reservoirs，2013，20(4)：147-150.

[3] 修乃嶺，嚴玉忠，駱禹，等.地面測斜儀壓裂裂縫監(jiān)測技術及應用[J].鉆采工藝，2013，36(1)：50-52. Xiu Nailing，Yan Yuzhong，Luo Yu，et al.Induced fracture monitoring technology and its application of surface tiltmeter[J].Drilling & Production Technology，2013，36(1)：50-52.

[4] Yoshimitsu Okada.Internal deformation due to shear and tensile faults in a half-space[J].Bulletin of the Seismological Society of America，1992，82(2)：1018-1040.

[5] Wright C A，Davis E J，Golich G M，et al.Downhole tiltmeter fracture mapping: finally measuring hydraulic fracture dimensions [R].SPE 46194，1998.

[6] 秦玉英，楊同玉.華北分公司致密低滲油氣藏水平井分段壓裂技術進展[C]//中國石化油氣開采技術論壇論文集：2012.北京：中國石化出版社， 2012：69-75. Qin Yuying，Yang Tongyu.Horizontal wells staged fracturing technology progress in low permeability tight oil and gas of Huabei Branch，Sinopec[C]//Proceedings of the technical forum of oil gas exploitation，Sinopec：2012.Beijing：China Petrochemical Press，2012:69-75.

[7] 李克智，何清，秦玉英，等.“井工廠”壓裂模式在大牛地氣田的應用[J].石油鉆采工藝，2013，35(1)：68-71. Li Kezhi，He Qing，Qin Yuying，et al.Application of “well plant” fracturing mode in Daniudi Gas Field[J].Oil Drilling & Production Technology，2013，35(1):68-71.

[8] 陳作，何青，王寶峰，等.大牛地氣田長水平段水平井分段壓裂優(yōu)化設計技術[J].石油鉆探技術，2013，41(6)：82-85. Chen Zuo，He Qing，Wang Baofeng，et al.Design optimization of staged fracturing for long lateral horizontal wells in Daniudi Gas Field[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(6)：82-85.

[9] 常興浩.富縣區(qū)塊淺層致密油藏壓裂裂縫擴展形態(tài)研究[J].石油鉆探技術，2013，41(3)：109-113. Chang Xinghao.Fracture propogation in shallow tight reservoirs of Fuxian Block[J].Petroleum Drilling Techniques，2013，41(3)：109-113.

[10] Sun R J.Theoretical size of hydraulically induced horizontal fractures and corresponding surface uplift in an idealized medium[J].Journal of Geophysical Research，1969，74(25)：5995-6011.

[11] Wright C A， Davis E J， Minner W A， et al.Surface tiltmeter fracture mapping reaches new depths:10 000 feet and beyond?[R].SPE 39919，1998.

[編輯 滕春鳴]

Fracture Monitoring Technology Based on Surface Tiltmeter in “Well Factory” Fracturing

Zhou Jian1, Zhang Baoping1, Li Kezhi2, Zhang Xudong1, Xu Shengqiang1

(1.SinopecResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing, 100101,China; 2.SinopecHuabeiCompany,Zhengzhou,Henan, 450006,China)

To obtain fracture geometry and azimuth in the “well factory” fracturing in the Daniudi Gas Field in order to guide the well pattern deployment and fracturing design, surface tiltmeters were used to monitor fractures induced in multistage horizontal well fracturing of two wells in Cluster R. Monitoring results were analyzed to understand fracture complexity using Simufrac. The research results demonstrated that complex fracture networks were developed due to induced stress which would lead to improved stimulation volume and performance in the simufrac of the two wells in Cluster R.This research will provide a theoretical basis forwell placement and fracturing design optimization in the near future.

surface tiltmeter; well factory; fracture geometry; simufrac; fracture monitoring; Daniudi Gas Field

2014-10-27；改回日期：2015-04-28。

周健(1979—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，2003年畢業(yè)于江蘇工業(yè)學院過程裝備與控制工程專業(yè)， 2008年獲中國石油大學(北京)油氣井工程專業(yè)博士學位，高級工程師，主要從事石油工程巖石力學及水力壓裂、裂縫監(jiān)測等方面的研究。

國家科技重大專項“超深井酸壓監(jiān)測新技術應用研究”(編號：2011ZX05014-006-006)和中國石油化工股份有限公司項目“鄂南中淺層水平井裂縫監(jiān)測技術”(編號：JSG12018)部分研究內容。

?鉆井完井?

10.11911/syztjs.201503014

TE357.1+4

A

1001-0890(2015)03-0071-05

聯(lián)系方式：(010)84988550，zhouj.sripe@sinopec.com。