于家盛 范秀波 董 鑫 崔新瑞 張武昌 張 博

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

四維向量監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤層氣水平井分支動(dòng)用識(shí)別的應(yīng)用

于家盛 范秀波 董 鑫 崔新瑞 張武昌 張 博

(中國(guó)石油華北油田山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 048000)

煤層氣裸眼多分支水平井由于煤層的地質(zhì)與力學(xué)特征，主支和側(cè)鉆分支容易在鉆井與排采中出現(xiàn)垮塌，降低有效控制面積。由于水平井采用裸眼完井方式，在后期生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法對(duì)分支的垮塌情況進(jìn)行有效識(shí)別。為解決此難題，利用四維向量監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)煤層氣井進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)測(cè)，以樊莊區(qū)塊裸眼多分支水平井的樊11-Y、樊11-Z井為例，有效檢測(cè)出各分支流體流動(dòng)性及控制儲(chǔ)量動(dòng)用的情況。結(jié)果表明，該技術(shù)在研究煤層氣水平井實(shí)時(shí)儲(chǔ)層流體動(dòng)態(tài)具有較好的應(yīng)用效果，對(duì)下步井網(wǎng)優(yōu)化以及增產(chǎn)措施的制定起指導(dǎo)作用。

四維向量監(jiān)測(cè) 多分支水平井 措施增產(chǎn) 儲(chǔ)層流體動(dòng)態(tài)

1 水平井開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

沁水盆地樊莊區(qū)塊裸眼多分支水平井共有46口，動(dòng)用面積51.4km2，地質(zhì)儲(chǔ)量82.3m3，煤層鉆遇率86%～93%，分支個(gè)數(shù)6～10，單井控制面積0.47km2，日產(chǎn)氣500～35000m3,單井日產(chǎn)氣差異大。

多數(shù)多分支水平井受其裸眼完井影響，分支井壁均無(wú)有效支撐。鉆井過(guò)程中，鉆壓及側(cè)鉆震動(dòng)等變化，煤塊掉落，井壁垮塌，致使分支或者主支堵塞；排采過(guò)程中井底流壓的突變，引起有效應(yīng)力的變化，致使井壁煤體破裂，分支堵塞；同時(shí)煤層氣的特點(diǎn)，排采過(guò)程中，低氣液流速下煤粉攜帶能力下降，極易堆積在孔喉、裂隙之中，引起分支堵塞，致使水平井氣量下降，產(chǎn)量無(wú)法釋放，開(kāi)發(fā)效果降低。

因此需要手段描述煤層氣水平井實(shí)時(shí)地下流體動(dòng)態(tài)，客觀反映煤層氣水平井產(chǎn)出差異，依次針對(duì)性調(diào)整井網(wǎng)優(yōu)化、制定增產(chǎn)措施，提高整體區(qū)塊的開(kāi)發(fā)效果。

2 微地震四維向量監(jiān)測(cè)技術(shù)主要技術(shù)方法

2.1 監(jiān)測(cè)原理

氣藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，孔隙流體的采出導(dǎo)致儲(chǔ)層巖體局部收縮，周?chē)鷰r體產(chǎn)生應(yīng)力和變形，并在地層中產(chǎn)生剪切應(yīng)力變化，當(dāng)總剪應(yīng)力超過(guò)摩擦阻力時(shí)，便會(huì)滑動(dòng)產(chǎn)生微破裂并向地層中輻射縱波和橫波。在被監(jiān)測(cè)區(qū)附近地表布置采集儀器接收縱波和橫波信號(hào)，利用相干振幅體向量疊加掃描技術(shù)、三維可視化技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)流體進(jìn)行掃描成像，并通過(guò)儀器內(nèi)置GPS衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)，在時(shí)間域上了解流體動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。

2.2 監(jiān)測(cè)采用的軟硬件

硬件由數(shù)由12套四維數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成。每個(gè)采集站包括三分量檢波器、四維數(shù)據(jù)采集站、GPS接收機(jī)和電源組。檢波器總靈敏度大于100V/m/s。軟件主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件、微破裂能量掃描軟件、微破裂定位及反演物理模型軟件系統(tǒng)。

2.3 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理

在地表觀測(cè)微破裂地震波，由于地層高頻濾波及噪聲干擾，無(wú)法識(shí)別微破裂產(chǎn)生的縱橫波的旅行時(shí)和微破裂高頻有效信號(hào)。而應(yīng)用微破裂矢量疊加網(wǎng)格掃描技術(shù)，在時(shí)空上即可辨別出破裂產(chǎn)生的方位及形態(tài)。

(1)選定需監(jiān)測(cè)的空間三維立方體范圍(如距井中心X1000m*Y1000m*Z3000m)，其頂面為地表最高點(diǎn)海拔的平面,監(jiān)測(cè)的目的層為對(duì)應(yīng)Z坐標(biāo)距頂面的深度值。空間體以多個(gè)掃描單元形式存在。

(2)根據(jù)聲波測(cè)井資料計(jì)算出空間體的各掃描單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的地震波(縱、橫波)速度。

(3)對(duì)地震波傳播路徑進(jìn)行射線追蹤，計(jì)算出各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)到地面各檢波器點(diǎn)的入射角方位與傾角和最小旅行時(shí)值。

(4)地面每個(gè)檢波器接收的全體體波地震信號(hào)相當(dāng)于地下所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)該地面點(diǎn)的波動(dòng)集合。將地面每個(gè)檢波器三分量地震信號(hào)旋轉(zhuǎn)到某個(gè)掃描單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)K入射矢量方向，形成矢量場(chǎng)波動(dòng)方程。取特定時(shí)間窗口w，矢量迭加K點(diǎn)到所有采集站記錄的信號(hào)振幅的平方f，并使用歸一化因子F,即得出k點(diǎn)的破裂輻射能量S(k)。矢量波場(chǎng)疊加后，隨機(jī)噪音將被消弱。有用信號(hào)將被增強(qiáng)，從而“提取”出k點(diǎn)的破裂能量。

3 微地震四維向量監(jiān)測(cè)技術(shù)在水平井上的應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

樊11-Y井、樊11-Z井是沁水盆地東南緣向西北傾的斜坡帶構(gòu)造上的3號(hào)煤為目的層的兩口水平井。兩井緊鄰，完鉆井深分別為374m/350m，鉆遇煤層井段：302.6～307.75m/279.93～285.68m，純煤進(jìn)尺3266m/3347m，同為主支2個(gè)，分支8個(gè)，控制面積0.41km2/0.43 km2，同為分支下傾。

樊11-Y井與樊11-Z井，在同一構(gòu)造位置、相同鉆完井工藝、相同排采控制管理下，生產(chǎn)情況差距較大(圖1、2)。樊11-Y井投產(chǎn)后一年后氣量升至4000m3，但是由于設(shè)備故障導(dǎo)致頻繁的啟停，導(dǎo)致井底流壓和套壓短時(shí)間內(nèi)反復(fù)波動(dòng)，井壁煤體破裂、煤粉堵塞通道，日產(chǎn)氣量快速下降至0，檢泵后恢復(fù)緩慢，依然無(wú)法解決主支垮塌分支堵塞的問(wèn)題，后期產(chǎn)氣只有400m3，低產(chǎn)低效。樊11-Z井投產(chǎn)后氣量平穩(wěn)上升至6300m3，突然的無(wú)液檢泵作業(yè)，使得氣量、水量持續(xù)下降，加大排采強(qiáng)度也無(wú)法遏制趨勢(shì)，后期產(chǎn)氣只有2700m3。

圖1 樊11-Y井綜合生產(chǎn)曲線

圖2 樊11-Z井綜合生產(chǎn)曲線

針對(duì)此生產(chǎn)狀況，2015年對(duì)這兩口水平井進(jìn)行了四維向量監(jiān)測(cè)(能量色標(biāo)柱：頂和底分別表切片圖區(qū)域內(nèi)的能量最大和最小值，切片圖中能量的梯度邊界代表地下運(yùn)動(dòng)流體的壓降邊界)。監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖3、4、5、6。

圖3 樊11-Y井四維向量監(jiān)測(cè)能譜圖1

圖4 樊11-Y井四維向量監(jiān)測(cè)能譜圖2

圖5 樊11-Z井四維向量監(jiān)測(cè)能譜圖

圖6 樊11-Z井四維向量監(jiān)測(cè)主滲區(qū)示意圖

從樊11-Y井能量切片圖得出以下結(jié)論：

①區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)：西北-東南向，方向角為北偏西40°。②主要產(chǎn)氣分支：主要分布在井區(qū)的西北部的M2、L4、L6、L8，能量域較強(qiáng)，有明顯的氣水流動(dòng)的表現(xiàn)。③相對(duì)低產(chǎn)氣分支：主要分布在井區(qū)的西南部的M1、L1、L2、L3、L7，能量域較弱、基本無(wú)氣水流動(dòng)，產(chǎn)能動(dòng)用較低。因此，可以看出樊11-Y井整體有效動(dòng)用儲(chǔ)量較小，大部分主支和分支的垮塌較為嚴(yán)重，水平井排采效果較差。

從樊11-Z井能量切片圖得出以下結(jié)論：

①區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)：東北-西南向，方向角為北偏東約40°。②主要產(chǎn)氣分支：主要分布在井區(qū)的西南部的M1、L1、L3、L5、M2、L7、L8、L9,能量域較強(qiáng)，有明顯的氣水流動(dòng)的表現(xiàn)。③相對(duì)低產(chǎn)氣分支：主要分布在井區(qū)的東部的L2、L4、L6，能量域較弱、基本無(wú)氣水流動(dòng)，產(chǎn)能動(dòng)用較低。因此，可以看出樊11-Z井整體有效動(dòng)用儲(chǔ)量較好，大部分主支和分支的連通性較好，但是存在3個(gè)以上的分支堵塞嚴(yán)重的情況，導(dǎo)致水平井排采效果逐漸較差。

3.2 措施增產(chǎn)情況

通過(guò)研究分析，依據(jù)四維向量監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)合排采過(guò)程中煤層堵塞、分支小型垮塌的生產(chǎn)狀況，明確了分支動(dòng)用情況及堵塞位置，采取針對(duì)性的氮?dú)馀菽舛麓胧Ｍㄟ^(guò)向水平井井眼里注入液氮泡沫混合液體，利用泵車(chē)注入高壓流體沖刷分支通道，將裂縫中堵塞煤粉沖開(kāi)；再利用液氮泡沫液體的高返排性能，將多余的煤塊、煤粉攜帶出通道，疏通目標(biāo)堵塞分支，擴(kuò)大有效控制面積。

針對(duì)性實(shí)施的氮?dú)馀菽舛麓胧?1-Y井與樊11-Z使得均有效的提高了單井產(chǎn)量(圖7、8)。樊11-Y井措施前流壓0.03MPa，日產(chǎn)氣200m3，措施后流壓0.13MPa，日產(chǎn)氣4100m3，日增產(chǎn)3900m3；樊11-Y井措施前流壓0.03MPa，日產(chǎn)氣4000m3，措施后流壓0.22MPa，日產(chǎn)氣11000m3，日增產(chǎn)7100m3。

圖7 樊11-Y井措施后綜合生產(chǎn)曲線

圖8 樊11-Z井措施后綜合生產(chǎn)曲線

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

針對(duì)四維向量監(jiān)測(cè)結(jié)果，兩個(gè)水平井未動(dòng)用分支附近，2014年在該區(qū)塊部署了2口加密井，從加密井的壓裂施工曲線，可以清楚看出施工壓力較高，隨著砂比的增加施工壓力平穩(wěn)，說(shuō)明了分支垮塌嚴(yán)重、無(wú)有效動(dòng)用，儲(chǔ)層流體流動(dòng)性較差。印證了四維向量監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1] 李文陽(yáng), 馬新華, 趙慶波, 等.中國(guó)煤層氣地質(zhì)評(píng)價(jià)與勘探技術(shù)新進(jìn)展[M].徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2001.

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(責(zé)任編輯 劉 馨)

Application on the Technologyof Four-dimensional Vector Monitoring in Distinguish of CBM Multi-Lateral Horizontal Well Branches

YU Jiasheng,FAN Xiubo,DONGXin,CUI Xinrui,ZHANG Wuchang,ZHANG Bo

(Shanxi CBM Exploration and Development Branch，PetroChina Huabei Oilfield Company，Shanxi 048000)

Because of the geological and mechanical characteristics of the coal seam, the main branch and the sidetrack of CBM open hole multi-lateral horizontal wells are prone to collapse in the drilling and drainage, which will reduce the effective control area. As the horizontal wells adopt open hole completion, in the latter part of the production process, the collapse of branches can not be effectively identified. In order to solve this problem, the production monitoring of CBM wells is carried out by using the four-dimensional vector monitoring technology. Taking Fan11-Y and Fan11-Z wells in the multi-lateral horizontal wells of Fanzhuang Block as an example, the fluidity of each branch fluid and controlling the use of reserves are effectively detected. The results show that this technique has good application effect in studying the real - time reservoir fluid dynamics of CBM horizontal well, and it can guide the future optimization of well pattern and the formulation of stimulation measures.

Four-dimensional vector monitoring; CBM multi-lateral horizontal well; stimulation measures; reservoir fluid dynamics

于家盛，男，工程師，主要從事煤層氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)管理與研究工作。