徐勝強(qiáng)，張旭東，張保平，周 健

（中國石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京100029）

0 引言

我國2019 年原油進(jìn)口量超過5×108t，為世界第一大原油消費(fèi)國，在原油消耗量72%需要進(jìn)口的情況下，拓寬資源種類和獲取途徑非常必要［1］。目前我國地?zé)豳Y源利用量僅占能源消耗總量的0.6%，但世界范圍內(nèi)地?zé)崮艿哪昀迷鲩L率達(dá)7%。我國地?zé)崮苜Y源豐富，每年可采量相當(dāng)于2015 年煤炭消耗量的70%，地?zé)崮芾迷鲩L空間巨大［1-2］。目前我國地?zé)豳Y源利用主要是地?zé)岚l(fā)電、供暖、溫泉、洗浴、醫(yī)療等領(lǐng)域，地?zé)崮荛_發(fā)目前處于探索階段，干熱巖壓裂裂縫發(fā)育特征、改造工藝與造縫關(guān)系尚不明確，壓裂監(jiān)測工藝技術(shù)尚未配套成熟，進(jìn)行壓裂監(jiān)測改造裂縫，對壓裂監(jiān)測技術(shù)發(fā)展和促進(jìn)地?zé)岷侠黹_發(fā)運(yùn)用都十分有益。

我國首次在青海共和盆地發(fā)現(xiàn)大規(guī)?？衫酶蔁釒r資源，X1 井是部署的第一口干熱巖勘探開發(fā)探索井。國內(nèi)首次進(jìn)行了水力壓裂熱儲改造施工。通過室內(nèi)實驗與現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方法，形成了高原干旱地區(qū)測斜儀監(jiān)測現(xiàn)場實施和復(fù)雜裂縫解釋技術(shù)，并成功應(yīng)用于國內(nèi)首口地?zé)峋畨毫咽┕?。該井的成功監(jiān)測為其它區(qū)塊的裂縫監(jiān)測提供了有利的借鑒。

1 測斜儀監(jiān)測原理

測斜儀壓裂裂縫監(jiān)測原理（參見圖1）是利用油氣井施工時產(chǎn)生的地層形變分析監(jiān)測裂縫形態(tài)，是一種高精尖電子儀器，可檢測地層納弧度級形變。儲層改造過程流體高壓注入地層，打破了原始平衡狀態(tài)，會引起地層縫隙壓力變化，地層的壓力變化或巖石破裂改變了地層受力平衡，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，由此產(chǎn)生的彈性形變信息會向各個方向輻射并傳導(dǎo)到地面，靜置在地面監(jiān)測孔中的測斜儀可以接收記錄這些形變信息。

圖1 測斜儀監(jiān)測原理Fig.1 Monitoring schematic diagram of the surface inclinometer

測斜儀測量的是相對于垂直方向傾斜的角度變化，壓裂引起隆起及傾斜信息被測斜儀采集并保存，非規(guī)律地均勻布設(shè)測斜儀測得多點的形變數(shù)據(jù)，集中描繪即可得出隨時間變化的地面形變場，該地面形變場可以反映地下裂縫動態(tài)發(fā)育及流體運(yùn)移方向，由此獲得壓裂改造裂縫信息。

該技術(shù)產(chǎn)生以來，已經(jīng)在全球各地得到應(yīng)用，無論是山地、平原、叢林、沙漠和黃土溝壑地區(qū)，都有成功應(yīng)用的實例，具有廣譜的適用性，已成為一種成熟的壓裂監(jiān)測技術(shù)［3-7］。

2 X1 井基本情況及施工參數(shù)

2.1 監(jiān)測井基本情況

X1 井位于青海省共和縣，地形以高原山地為主，海拔2910.08 m，完鉆層位為印支期花崗巖，完鉆深度3705 m，完井套管深度3361.12 m，裸眼段長度343.88 m。該井自1341.00～3705.42 m 鉆遇花崗巖地層，巖性以灰白色花崗巖為主，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖石主要成分為斜長石、鉀長石、石英等。X1 井巖心孔隙度和滲透率都很低，孔隙度＜4%，滲透率＜0.4 mD，地層滲透率低，巖石致密堅硬，楊氏模量及泊松比見表1，儲層上覆巖石力學(xué)參數(shù)對地下形變的傳輸具有重要影響，是進(jìn)行監(jiān)測解釋的關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。經(jīng)分析測試，X1 井的巖石力學(xué)性質(zhì)能較好滿足監(jiān)測要求。

表1 巖心力學(xué)性質(zhì)測試Table 1 Test parameters for the mechanical properties of cores

2.2 X1 井施工參數(shù)

通過水力壓裂將干熱巖壓裂形成相互連通裂縫網(wǎng)絡(luò)，地面注入液體至相互連通的裂隙系統(tǒng)中經(jīng)高溫巖體加熱后采出的熱能以高溫蒸汽的方式通過地上發(fā)電裝置轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，實現(xiàn)干熱巖熱能利用，是目前地?zé)峤?jīng)濟(jì)開發(fā)的主要方式。美國、英國、法國、德國、瑞士、日本、澳大利亞等國已經(jīng)開展了多年的研究和試驗，但終因技術(shù)問題或經(jīng)濟(jì)效益不佳而終止，未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)開發(fā)利用［8-12］。

通過壓裂技術(shù)實現(xiàn)地下裂縫網(wǎng)絡(luò)貫通是干熱巖有效開發(fā)技術(shù)的關(guān)鍵途徑，在室內(nèi)試驗和研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合X1 井地質(zhì)特征，壓裂過程分為3個階段：（1）地層吸水能力、熱破裂及可壓性試驗階段；（2）縫網(wǎng)主控因素試驗階段；（3）壓后效果評價試驗階段。

采用4? in（1 in=25.4 mm，下同）光套管注入壓裂施工，于2019 年8 月27-29 日，完成了地層吸水試驗、熱破裂試驗、可壓性試驗、恒定排量試驗（一）、恒定排量試驗（二）等壓裂施工階段。2019 年9 月5 日進(jìn)行壓后地層吸水試驗注入施工，各階段主要施工參數(shù)如表2 所示。

2.3 地面測斜儀裂縫監(jiān)測施工準(zhǔn)備及現(xiàn)場實施

測斜儀對方位角和傾斜角敏感，裂縫方位和形態(tài)對后期井位調(diào)整和施工方案確定指導(dǎo)意義重大［13-16］。X1 井是我國花崗巖地?zé)峋M(jìn)行壓裂的首次施工，施工難度大，風(fēng)險高，施工不確定性多。作為首口井壓裂施工試驗，用測斜儀進(jìn)行地?zé)峋O(jiān)測也是全球第一次，無經(jīng)驗可以借鑒，而監(jiān)測施工要求務(wù)必成功。

2.4 測斜儀信號強(qiáng)度測算

監(jiān)測施工前應(yīng)對信號強(qiáng)度進(jìn)行測算以評估施工可行性，測斜儀地面信號強(qiáng)度與施工時注入液體的量和目的層深度相關(guān)。調(diào)研目標(biāo)區(qū)內(nèi)的施工規(guī)模及地層條件，依據(jù)測斜儀形變計算公式：

表2 各階段施工參數(shù)Table 2 Operation parameters for each stage

式中：n——形變弧度，μR；V——液體總量，m3；H——目的層垂深，m。

參照設(shè)計施工規(guī)模和X1 井施工目的層位，計算地?zé)峋畨毫研盘枏?qiáng)度為（6～7）×103nR，測斜儀監(jiān)測精度為1 nR，信號強(qiáng)度足夠滿足監(jiān)測要求。

2.5 儀器準(zhǔn)備

測斜儀地面監(jiān)測系統(tǒng)有檢波儀60 支，每支儀器獨立進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢波儀有專用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和儀器運(yùn)行狀態(tài)檢查，現(xiàn)場施工過程中對檢波儀及配套附件進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢查和維護(hù)（參見圖2）。

2.6 監(jiān)測孔設(shè)計及要求

依據(jù)施工目的層位深度、施工規(guī)模和測斜儀檢波儀探測能力可確定需要監(jiān)測孔數(shù)，信號越強(qiáng)，需要的監(jiān)測孔個數(shù)越少，反之則越多。

地面布孔需在井眼四周垂深25%～75%形變最佳范圍內(nèi)盡可能地均勻布設(shè)，并且避免鉆孔多點連成直線；考慮地面噪聲對監(jiān)測質(zhì)量的影響和增加數(shù)據(jù)處理工作量，在兼顧鉆孔施工條件的同時還要遠(yuǎn)離交通干道、人口密集區(qū)以減少干擾；每個監(jiān)測孔深度要達(dá)到12 m，井眼需進(jìn)行防水處理并與地層膠結(jié)良好。

2.7 現(xiàn)場查勘

監(jiān)測施工必須提前進(jìn)行現(xiàn)場查勘，了解施工區(qū)域的交通條件、自然環(huán)境、社會依托、土地關(guān)系、民風(fēng)民俗等基本情況。X1 井場地處牧民的公共草場，但是井場東部及南部1 km 外就是礫石溝壑地區(qū)，高度落差大，交通困難。實地查勘發(fā)現(xiàn)溝壑底部干涸河床能夠行進(jìn)工程車輛，查當(dāng)?shù)貫榉茄雌冢瑸楸O(jiān)測孔布設(shè)提供了有利條件。溝壑底部有淤積平原、有農(nóng)田和村莊，需要調(diào)整和規(guī)避的井位比較多。大部分區(qū)域地表土層下有1～3 m 的礫石層，鉆孔過程中容易垮塌，高原干旱地帶施工及生活用水比較困難。施工現(xiàn)場地形見圖3。

圖2 測斜儀數(shù)據(jù)傳輸界面Fig.2 Data transmission interface of the surface inclinometer

2.8 監(jiān)測孔布孔

根據(jù)現(xiàn)場查勘的初步情況，室內(nèi)進(jìn)行理論布孔，理論布孔只能確定監(jiān)測的大概位置，考慮實施條件和鉆孔要求，現(xiàn)場查勘時幾乎全部的理論監(jiān)測點位置需要微調(diào)或者大幅度調(diào)整。室內(nèi)設(shè)計與現(xiàn)場查勘兩者相結(jié)合并不斷調(diào)整和反復(fù)優(yōu)化，最終提供首次鉆孔位置選點。在實際鉆孔過程中遇到異常也會導(dǎo)致個別井位調(diào)整，從而引起其它井位關(guān)聯(lián)性調(diào)整，如此反復(fù)形成最終的井眼位置（參見圖 4）。

圖3 現(xiàn)場查勘地形Fig.3 Site inspection

本次監(jiān)測總共鉆孔47 個，因底部鉆遇礫石流動層，無法下PVC 管調(diào)整位置1 口井，井眼透水重新鉆井1 口，井眼斜度過大重鉆3 口，最終實際交付合格監(jiān)測孔眼42 口，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。

2.9 數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測結(jié)果

施工提前3 天，測斜儀全部入井靜置，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，記錄監(jiān)測區(qū)域背景數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集覆蓋整個施工過程，施工監(jiān)測期間需對儀器進(jìn)行巡護(hù)和采集狀態(tài)檢查。

在施工全部結(jié)束后進(jìn)行了全部下載，42 個監(jiān)測孔中的檢波儀獲取了整個施工過程地面形變數(shù)據(jù)，形成了地面形變場，利用蒙特卡羅統(tǒng)計分析方法，擬合形變場以達(dá)到最佳解釋結(jié)果。

第一階段為地層吸水能力、熱破裂及可壓性試驗階段，階段注入清水壓裂液357.5 m3。第二階段為可壓性實驗和恒定排量壓裂試驗，主要是為了測試地層持續(xù)吸液能力和裂縫破裂延伸狀況，階段注入排量最大達(dá)到3.5 m3/min，累計注入壓裂液976.3 m（3含膠液壓裂液100 m3）。第三階段為吸水試驗階 段 ，施 工 排 量 0.5～3.0 m3/min，累 計 注 入132.6 m3。

每一泵注階段都進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，去除干擾信號或異常數(shù)據(jù)。采用“三段分析法”進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即壓前和壓后的背景數(shù)據(jù)與壓裂時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和數(shù)學(xué)反演，最后得出解釋結(jié)果。地面測斜儀的解釋結(jié)果包括每一段的裂縫方位、裂縫半長、裂縫傾角、復(fù)雜裂縫。

形變矢量圖及裂縫模擬見圖5，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解釋后獲得數(shù)據(jù)見表3。

從分析結(jié)果看，不同階段裂縫的方位有所變化，隨著液體注入地應(yīng)力場的改變，裂縫發(fā)生偏轉(zhuǎn)，注入膠液后，隨著液體粘度的增加，縫高也有明顯的增加。

圖4 實際成孔GPS 投影Fig.4 Borehole positions from GPS projection

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)矢量及裂縫投影Fig.5 Monitoring data vector and fracture projection

2.10 地震事件分析

測斜儀不但能夠精確記錄地層的形變，對于能夠?qū)е碌孛嫫鸱▌拥钠渌盘栆材軌驕?zhǔn)確記錄。根據(jù)地震臺網(wǎng)測定，2019 年 8 月 27 日 18 時 55 分 02秒監(jiān)測到震級2.7 級的地震事件，震源位于北緯36.265°、東經(jīng) 100.656°，深度 9000 m，測斜儀檢波儀監(jiān)測到典型信號如圖6 所示。測斜儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)捕捉到了異常信號，記錄了地震發(fā)生的時間和強(qiáng)弱，具有對區(qū)域重大地質(zhì)事件的記錄及監(jiān)測作用。

表3 階段裂縫結(jié)果解釋匯總Table 3 Summary of interpretation of stage fracture results

3 結(jié)論及認(rèn)識

通過X1 井壓裂施工測斜儀地面監(jiān)測，探索和驗證了該技術(shù)在干熱巖壓裂監(jiān)測方面的可行性，獲得了裂縫的發(fā)育方位等重要參數(shù)。該井同時進(jìn)行的微地震、廣域電磁法等監(jiān)測結(jié)論也得到了相互印證。

（1）監(jiān)測結(jié)果顯示，在完成地層吸水試驗、熱破裂試驗、可壓性試驗、恒定排量試驗等壓裂施工階段，地層產(chǎn)生了壓裂裂縫，裂縫以垂直縫為主，具有一定的復(fù)雜性，裂縫方位在北偏東22.3°～43.5°之間，傾斜角 60°。

圖6 檢波儀監(jiān)測數(shù)據(jù)波形圖Fig.6 Waveform chart from the surface inclinometer

（2）測斜儀壓裂監(jiān)測記錄的地層形變資料與壓裂液注入關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，對地震等引起地面波動的異常信號也能及時采集和記錄。

（3）測斜儀監(jiān)測可用于干熱巖熱儲改造時的裂縫監(jiān)測。