余東合　梁海波　余　曦　羅　炯　車　航　劉國華（.華北油田采油工程研究院，河北任丘　0655；.西南石油大學，四川成都　60500；.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京　000）

華北油田水力壓裂實時預警系統(tǒng)

余東合1梁海波2余曦3羅炯1車航1劉國華1
（1.華北油田采油工程研究院，河北任丘062552；2.西南石油大學，四川成都610500；3.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京100011）

砂堵是導致水力壓裂失敗的重要原因之一，為此研發(fā)了一套壓裂實時監(jiān)測及預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實時監(jiān)測壓裂施工關鍵參數(shù)的基礎上，通過油壓-時間、套壓-時間雙對數(shù)曲線的斜率進行壓裂實時預警。在調研多口井壓裂數(shù)據(jù)資料的基礎上，分析了壓力-時間雙對數(shù)曲線的3種模式，通過實時判斷當前壓裂施工狀態(tài)處于何種模型進行預測在該模式下可能出現(xiàn)的風險；同時根據(jù)成熟的二維裂縫模型PKN、KGD和Penny徑向模型可以計算出裂縫的縫長和平均縫寬，并以此來確定裂縫走向是否與設計相符；如果發(fā)生偏差可以考慮是否要減小動態(tài)參數(shù)，來改變裂縫走向?，F(xiàn)場應用結果表明，該系統(tǒng)集實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、預警于一體，具有較好的應用價值。

水力壓裂；預警系統(tǒng)；實時監(jiān)測；華北油田

水力壓裂是改造低滲透油氣藏的有效方法，是油氣井增產增注的重要措施。在壓裂過程中應用實時監(jiān)測及預警系統(tǒng)，可以實時分析和評估壓裂的實時狀況，減小施工風險并根據(jù)現(xiàn)場實際情況做出調整，以保證壓裂達到預期的目標。

1　壓裂壓力動態(tài)曲線分析及模型計算

現(xiàn)場施工過程中壓力—時間雙對數(shù)曲線一般可歸納為以下3種典型情況。

（1）上升型。上升型一般有2種形態(tài)。第1種是正斜率很小的線段，如圖1中的第Ⅱ段曲線斜率在1/8～1/4，與PKN模型一致，表示裂縫在高度方向延伸受阻，屬于正常施工曲線；第2種是斜率近似為1的線段，即圖1中的Ⅳ，壓力正比于時間，這說明壓力的增量大于注入液體的增量，裂縫端部受阻，裂縫內的壓力急劇上升，當斜率大于1，則表示裂縫發(fā)生了堵塞。這種情況下應合理控制施工砂比和排量，以保證施工順利進行。而對于縫端脫砂壓裂施工，則希望支撐劑在一定縫長時形成砂堵，然后通過控制砂比和排量，使裂縫填滿支撐劑。因此對于正常的施工來說，當出現(xiàn)斜率等于或大于1時，應立即采取措施，避免井筒內發(fā)生砂卡。

圖1　壓力-時間雙對數(shù)

（2）穩(wěn)定型。如圖1中的線段Ⅲ，曲線的斜率為0，對應的壓力為地層的壓力容量，表示縫高增長到應力遮擋層，或是地層內天然裂縫張開，使得濾失量與注入量持平。一般曲線斜率為0表明裂縫的延伸速度將下降，隨后可能發(fā)生砂堵，應采取相應措施。

（3）下降型。如圖1中的線段Ⅰ和Ⅴ，曲線斜率為負值，表示裂縫穿過低應力層，縫高發(fā)生不穩(wěn)定增長，直到加入支撐劑或遇到高應力層時才變緩，或是溝通了天然裂縫，濾失量大大增加，可能導致砂堵，壓力很快上升。

在實際壓裂曲線中，還會出現(xiàn)壓力上下波動現(xiàn)象，曲線斜率忽正忽負，而裂縫也在不斷延伸。研究分析認為，同一地層物性的嚴重非均質性是造成此類曲線特點的主要原因。此類曲線呈周波跳躍也屬正常施工曲線。

在推斷出水力壓裂裂縫延伸的方式和類型，并且定性認識和了解裂縫高度延伸情況的基礎上，可以確定裂縫的長度和寬度。三種成熟的二維計算模型PKN模型、KGD模型和Penny徑向模型，相應的井底凈壓力（井底壓力和裂縫閉合壓力之差）為

井底裂縫平均縫寬為

其中

式中，L為裂縫長度，m；rf為井眼到裂縫端部距離，m；n為壓裂液流性指數(shù)；E'為平面應變彈性模量，MPa；Hf為裂縫高度，m；K為稠度系數(shù)，mPa·sn；w為井底凈壓力，MPa；q為裂縫內流量，m3/s； Wf為裂縫的平均縫寬，m。

在式（1）和（2）中由于井底壓力（實測）和裂縫閉合壓力（預先通過其他途徑得到）已知，則可求出井底凈壓力，并可求出裂縫長度L（t）或裂縫半徑rf（t）和裂縫平均寬度Wf（t）。利用上述公式進行軟件編程，則可得到裂縫的縫長和裂縫寬度（圖2）。

圖2　軟件計算界面

2　預警模型的建立

在壓裂過程中，砂堵是導致水力壓裂失敗的最直接原因。為了保證壓裂過程的順利實現(xiàn)，預警砂堵是很必要的。通過研究壓裂曲線的不同類型，建立了2個模型。

2.1實時曲線提示模型

由于壓裂曲線可能出現(xiàn)3種情況（上升型、穩(wěn)定性、下降型），因此根據(jù)實時壓力-時間雙對數(shù)曲線，通過聯(lián)系相近點的斜率來判斷當前壓裂狀態(tài)所處的階段，并通過上文所述各狀態(tài)可能出現(xiàn)的異常情況進行預警。

2.2油壓-時間、套壓-時間雙對數(shù)預警模型

實時監(jiān)測水力壓裂過程中的各項參數(shù)時，可以設置壓力-時間雙對數(shù)曲線的斜率，這樣可以根據(jù)不同地層特性設置不同的斜率來進行預警。設置了正常壓裂階段、異常壓裂階段、危險壓裂階段等3個階段，當處于異常和危險壓裂階段時分別進行預警、報警。

3　軟件設計及應用分析

根據(jù)上述理論，基于C#開發(fā)了一套水力壓裂實時監(jiān)測預警系統(tǒng)，實時監(jiān)測壓裂過程中的各項動態(tài)參數(shù)，并做出油壓-時間、套壓-時間雙對數(shù)圖，在油壓、套壓過大時進行預警。油壓預警流程圖如圖3所示，套壓預警與其原理相同。其中，a1、a2為常數(shù)，在軟件中可以設置其大小，不同地區(qū)斜率有差別。

圖3　油壓預警流程

表1為華北油田岔51-1井在3 596～3 626 m井段的壓裂數(shù)據(jù)。

表1　壓裂實時監(jiān)測過程數(shù)據(jù)

以岔51-1井為例，對水力壓裂實時監(jiān)測預警系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試。該系統(tǒng)根據(jù)實時采集到的井下數(shù)據(jù)及相應的監(jiān)測參數(shù)，畫出相應的壓力-時間雙對數(shù)曲線，并計算出其斜率，通過斜率判斷出當前壓裂所處的階段并在斜率絕對值過大時進行預警。通過結合現(xiàn)場實際，確定油壓-時間雙對數(shù)曲線斜率|k1|在0～0.47時屬于正常壓裂過程，0.47～0.7時屬于異常壓裂過程，大于0.7時屬于危險壓裂過程；套壓-時間雙對數(shù)曲線斜率|k2|在0～0.36時屬于正常壓裂過程，0.36～0.58時屬于異常壓裂過程，大于0.58時屬于危險壓裂過程。

4　結論

（1）通過對多口井的壓裂壓力—時間雙對數(shù)曲線進行精確分析，歸納出曲線可能存在的3種典型類型。在軟件中通過綜合判斷動態(tài)參數(shù)來確定壓裂施工處于的各個階段，以及潛在的風險。

（2）利用成熟的二維模型PKN、KGD和Penny來計算裂縫的動態(tài)縫長和平均縫寬，從而準確掌握井底裂縫走向。

（3）建立了油壓-時間雙對數(shù)模型和套壓-時間雙對數(shù)預警模型，在油壓、套壓超過一定數(shù)值進行預警、報警，來預測可能發(fā)生風險。

（4）開發(fā)了一套基于C#的商品化應用軟件。現(xiàn)場實際應用表明，該軟件能對壓裂施工過程實時監(jiān)測并預警，具有較好的應用價值。

［1］李穎川.采油工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［2］孫樹強.井下作業(yè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［3］王正茂，李治平，雷婉，等.水力裂縫模型及計算機自動識別技術［J］.石油鉆采工藝，2003，25（4）：45-48.

［4］黃月明.水力壓裂加砂施工曲線形態(tài)剖析［J］.河南石油，2002，16（5）：51-53.

［5］曹學軍，李暉，郭淑芬，等.加砂壓裂壓力分析及應用［J］.油氣井測試，2001，10（1，2）：56-59.

［6］劉先靈.水力壓裂實時監(jiān)測及解釋技術研究與應用［D］.成都：西南石油學院，2003.

（修改稿收到日期2015-02-05）

〔編輯朱偉〕

Real-time warning system for hydraulic fracturing in Huabei Oilfield

YU Donghe1, LIANG Haibo2, YU Xi3, LUO Jiong1, CHE Hang1, LIU Guohua1
（1. Research Institute of Petroleum Production Engineering, Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, China; 2. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;3. China United Coalbed Methane Co. Ltd., Beijing 100011, China）

Sand plug is one of the important reasons for failure of hydraulic fracturing, and for this purpose, a set of real-time monitoring and warning system for hydraulic fracturing has been developed. Based on real-time monitoring of key fracturing parameters, this system realizes real-time warning for hydraulic fracturing through double-log slopes of tubing pressure-time and casing pressure–time curves. Based on the analysis of fracturing data from a number of wells, three modes of pressure-time double-log curves were analyzed, so by real-time determining which mode the current fracturing status is in, then the risk which may occur in such mode can be forecasted. Also, according to matured 2D fracture models PKN and KGD as well as Penny radial model, the fracture length and average width can be calculated, which can be used to determine whether the fracture orientation is in compliance with the design. In case of deviation, then dynamic parameters may be reduced to change the fracture orientation. The field application result shows that this system integrates real-time monitoring of data and early warning and is of good application value.

hydraulic fracturing; warning system; real-time monitoring; Huabei Oilfield

TE357.1

B

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0085 – 03

10.13639/j.odpt.2015.02.023

余東合，1966年生。1987年畢業(yè)于西南石油學院石油地質專業(yè)，一直從事油氣田開發(fā)技術研究和管理工作，高級工程師。電話：0317-2728443。E-mail：pjb_ydh@petrochina.com.cn。

引用格式：余東合，梁海波，余曦，等.華北油田水力壓裂實時預警系統(tǒng)［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（2）：85-87.