周 健，曾義金，陳 作，張保平，徐勝強(qiáng)

（中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京102206）

干熱巖（hot dry rock，HDR）是指埋藏于地下3～10km、溫度 150～650℃、不含或微含不流動(dòng)流體的高溫巖體[1]。保守估計(jì)，地殼3～10km深處干熱巖所蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊(yùn)藏能量的30倍[2]。在干熱巖概念基礎(chǔ)上發(fā)展而來的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（enhanced geothermal systems，EGS），是指通過水力壓裂等工程手段，在地下深部低滲透性干熱巖體中形成人工熱儲(chǔ)，進(jìn)而長(zhǎng)期、經(jīng)濟(jì)地采出相當(dāng)數(shù)量地?zé)崮艿娜嗽焖疅嵯到y(tǒng)[3]。

共和盆地目前是我國(guó)干熱巖勘查與開發(fā)的試驗(yàn)田，位于昆侖—秦嶺緯向構(gòu)造帶與河西系構(gòu)造復(fù)合部位，是在新近紀(jì)初形成的斷陷盆地，其北側(cè)是青海南山斷褶隆起帶，南側(cè)是河卡山—貴南南山斷褶隆起帶，西為鄂拉山斷褶隆起帶，東為瓦里貢山斷褶隆起帶。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析、地?zé)岬刭|(zhì)調(diào)查和地球物理（航磁、地震）解譯等的結(jié)果，在共和盆地恰卜恰巖體內(nèi)鉆了 5 口井深為 2927.00～4200.00m的干熱巖勘查井。GR1井位于青海省共和縣恰卜恰鎮(zhèn)恰卜恰河谷內(nèi)，是目前國(guó)內(nèi)完鉆溫度最高的一口干熱巖井，井底溫度 236℃[4-8]。

為了構(gòu)建青海共和盆地干熱巖井的流動(dòng)和傳熱通道，掌握該地區(qū)干熱巖井水力壓裂后的裂縫走向和裂縫參數(shù)，利用地面測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)了X1井3個(gè)壓裂階段的裂縫，采集了傾斜角度的變化信號(hào)，并利用數(shù)據(jù)解釋軟件反演求取了裂縫參數(shù)，獲得了每一壓裂階段的裂縫方位、裂縫長(zhǎng)度與裂縫復(fù)雜性，可以為優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)壓裂效果以及干熱巖注入-采出井的井位部署提供依據(jù)。

1 地面測(cè)斜儀測(cè)試原理

通過水力壓裂將地層壓開，使之形成1條一定寬度的裂縫。壓裂裂縫引起的巖石變形場(chǎng)向各個(gè)方向輻射，引起地面及地下地層變形。地面變形為微米級(jí)，幾乎不可測(cè)量，但變形場(chǎng)的變形梯度（傾斜場(chǎng)）是比較容易測(cè)量的。因此，可以在井下或壓裂井井口周圍布設(shè)一組測(cè)斜儀來測(cè)量由于壓裂引起巖石變形而導(dǎo)致的地面傾斜角度，再用地球物理反演[9]方法反演出壓裂裂縫參數(shù)。圖1所示為測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)垂直裂縫的原理，顯示了從地面測(cè)斜儀和鄰井井下測(cè)斜儀觀察到的水力裂縫造成的地層變形。

圖1 測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)垂直裂縫的原理示意Fig.1 Tilt mapping principle of vertical fractures

在監(jiān)測(cè)壓裂裂縫之前，基于相關(guān)的施工參數(shù)，可以提前計(jì)算出壓裂裂縫產(chǎn)生過程中所造成的地面最大傾斜角，計(jì)算公式為：

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

X1 井目的層埋深約 3650.00m，利用式（1）計(jì)算其每個(gè)壓裂階段（300m3液體）形成垂直裂縫能夠造成的地面最大傾斜角約為1000nrad，而測(cè)斜儀傳感器的測(cè)量精度為1nrad，完全滿足監(jiān)測(cè)的需求。

利用地面測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)壓裂裂縫的方法在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[10-14]，但都是用于監(jiān)測(cè)含油氣資源沉積巖儲(chǔ)層的壓裂裂縫，筆者首次將其應(yīng)用于監(jiān)測(cè)干熱巖壓裂裂縫。

2 X1 井目的層花崗巖儲(chǔ)層特征

X1 井壓裂層段對(duì)應(yīng)井深 3493.60～3705.00m，巖性主要為黑云母二長(zhǎng)花崗巖，巖層致密且天然裂隙較發(fā)育。為進(jìn)一步了解儲(chǔ)層特性，分別進(jìn)行了巖石力學(xué)和地應(yīng)力試驗(yàn)，獲取了巖石力學(xué)和地應(yīng)力參數(shù)。

對(duì)共和盆地X1井所取儲(chǔ)層巖心進(jìn)行了巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲得了不同圍壓下的楊氏模量和泊松比：?jiǎn)屋S下的楊氏模量為31.00～33.00GPa，泊松比為0.216～0.225；圍壓下的楊氏模量為 47.29～54.14GPa，泊松比為0.319～0.343。40MPa圍壓下的泊松比大于 0.300，楊氏模量高于 40GPa。

X1井地層的各向異性較強(qiáng)，統(tǒng)計(jì)各向異性方向平均為53.5°，可知地層的各向異性方向主要為北東東—南西西，即最大主應(yīng)力方向，與地面考察結(jié)果基本一致。通過地應(yīng)力測(cè)試，獲得X1井井深3226.00m 處的最小水平主應(yīng)力為 68.94MPa，最大水平主應(yīng)力為77.67MPa，折算到壓裂段中部深度最小水平主應(yīng)力為77.0MPa，最大水平主應(yīng)力為86.7MPa，最大與最小水平主應(yīng)力差為9.7MPa。

受構(gòu)造變形影響，X1井部分井段巖心裂隙發(fā)育，出現(xiàn)了完整巖體與裂隙巖體互層現(xiàn)象。X1井部分井段還有斷層發(fā)育跡象，如取自井深2250.00m處的巖心呈角礫狀，無充填物，厚34.10m，推測(cè)為一斷層。X1井井深3000.00m以深地應(yīng)力較高，部分巖心嚴(yán)重餅化（見圖2）。

3 X1 井壓裂裂縫監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

圖2 X1 井巖心柱狀圖[4]Fig.2 Core histogram of Well X1[4]

根據(jù)目的層深度和施工規(guī)模確定直井地面測(cè)斜儀的分布位置和數(shù)量。根據(jù)X1井目的層的實(shí)際井深（3493.60～3705.00m）和壓裂施工參數(shù)，確定該井壓裂需布置42支測(cè)斜儀。結(jié)合設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)場(chǎng)地表實(shí)際條件，在X1井井口3km范圍內(nèi)布置了42支測(cè)斜儀（見圖3）。圖3中間是X1井的井口，黑旗代表分布在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)斜儀，黑點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)斜儀實(shí)際走過的軌跡。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)都是通過GPS定位確定的。

4 X1 井裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在干熱巖增強(qiáng)型地?zé)幔‥GS）開發(fā)過程中，國(guó)際上一般采用對(duì)井進(jìn)行取熱和發(fā)電，換熱井主要依據(jù)地?zé)峋疅醿?chǔ)裂縫的方位、縫長(zhǎng)等部署。相比于微地震監(jiān)測(cè)等其他監(jiān)測(cè)方法，地面測(cè)斜儀能夠明確給出裂縫的方位，據(jù)此可進(jìn)行換熱井井眼軌道設(shè)計(jì)。

圖3 X1 井地面測(cè)斜儀的實(shí)際分布Fig.3 Distribution of surface tiltmeters of Well X1

青海共和X1井的壓裂經(jīng)歷了吸水性測(cè)試、小型壓裂測(cè)試、變排量注入壓裂和膠液擴(kuò)縫3個(gè)階段，前2個(gè)階段的壓裂液為清水，第3個(gè)階段的壓裂液是膠液和清水。圖4、圖5和圖6分別為3個(gè)壓裂階段測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)到的結(jié)果（左圖均為矢量場(chǎng)圖，右圖均為裂縫放大圖；圖中綠色部分是壓裂形成的垂直裂縫，紅色部分是壓裂形成的水平裂縫，對(duì)應(yīng)了壓裂過程中產(chǎn)生的復(fù)雜裂縫）。從圖4—圖6可看出，X1井3個(gè)壓裂階段形成垂直裂縫的方位都是北偏東方向，與最大水平主應(yīng)力的方位一致，但每次方位略有不同，具體跟地質(zhì)條件和壓裂工藝參數(shù)有關(guān)。

圖4 X1 井壓裂第 1 階段裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Fracture mapping results of Well X1in the first fracturing stage

圖5 X1 井壓裂第 2 階段裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.5 Fracture mapping results of Well X1in the second fracturing stage

圖6 X1 井壓裂第 3 階段裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.6 Fracture mapping results of Well X1in the third fracturing stage

表1為X1井3個(gè)階段形成垂直裂縫的主要參數(shù)及監(jiān)測(cè)結(jié)果。由于X1井的目的層天然裂隙比較發(fā)育，且前2個(gè)階段的壓裂液是清水，不但黏度低（1mPa·s）而且排量低（0.5～1.5m3/min），導(dǎo)致進(jìn)入垂直裂縫壓裂液的占比相對(duì)較低，分別為48%和53%（見表1），其余的清水都進(jìn)入了被激活的水平天然裂隙，形成了一定程度的復(fù)雜裂縫。第3階段采用了較高黏度的壓裂液（膠液+清水），而且排量較高（2.0m3/min），進(jìn)入垂直裂縫壓裂液的占比最高（58%），說明采用高黏膠液（20mPa·s）進(jìn)行初期造縫，造縫效果最好，所以此時(shí)的垂直裂縫縫方位最可靠，為北偏東22.32°，同時(shí)此時(shí)縫高也最高，達(dá)到64.00m。

表1 X1 井 3 個(gè)壓裂階段垂直裂縫的監(jiān)測(cè)結(jié)果Table1 Mapping results of vertical fractures during three fracturing stages of Well X1

青海共和X1井也利用地面微地震監(jiān)測(cè)了裂縫，前2個(gè)階段沒有明確監(jiān)測(cè)到裂縫的方位，第3階段監(jiān)測(cè)到裂縫方位為北偏東28.50°；根據(jù)地面測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解釋第3階段裂縫方位為北偏東22.32°，兩者相差6.18°。該結(jié)果從側(cè)面證明了利用測(cè)斜儀可以監(jiān)測(cè)干熱巖壓裂裂縫方位。

5 結(jié) 論

1）利用地面測(cè)斜儀成功監(jiān)測(cè)了青海共和干熱巖X1井的壓裂裂縫，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，可以利用地面測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)干熱巖井壓裂裂縫的方位，為干熱巖換熱井井位部署和壓裂設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供依據(jù)。

2）X1井3個(gè)壓裂階段形成垂直裂縫的方位都是北偏東方向，但方位略有不同，當(dāng)排量和壓裂液黏度都較大時(shí)，垂直裂縫方位為北偏東22.32°。該結(jié)果與地面微地震解釋結(jié)果基本相同。

3）X1井目的層天然裂隙發(fā)育，對(duì)形成適度的復(fù)雜熱儲(chǔ)裂縫非常有利。X1井3個(gè)壓裂階段都形成了既包含垂直裂縫，又包含被注入壓裂液激活水平天然裂隙的復(fù)雜裂縫。