黃嘉林，劉德華，商玉鋒

（長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

近年來(lái)國(guó)家的能源方面的安全受國(guó)外的影響很大，隨著我國(guó)非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)取得飛速進(jìn)展，頁(yè)巖油氣開(kāi)發(fā)變得越來(lái)越重要[1]。非常規(guī)的頁(yè)巖油氣彌補(bǔ)了石油的缺陷，積極促進(jìn)了國(guó)家能源的開(kāi)發(fā)[2]。在國(guó)家的能源儲(chǔ)備中，頁(yè)巖儲(chǔ)層作為頁(yè)巖氣的主要位置備受關(guān)注[3]。頁(yè)巖氣作為高效、無(wú)污染能源，前景良好。中國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)已取得了不錯(cuò)的成績(jī)，據(jù)調(diào)查，目前探明頁(yè)巖氣地質(zhì)儲(chǔ)量9.5×1013m3，技術(shù)可采資源量 1.63×1013m3，經(jīng)濟(jì)可采資源量1.286×1013m3[4]。雖然體積壓裂技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，如今國(guó)內(nèi)有一些學(xué)者是從壓裂井理論推導(dǎo)方面[5]、表面活性劑方面[6]以及壓裂液傷害機(jī)理[7]等方面評(píng)價(jià)壓裂技術(shù)產(chǎn)能，但是很少?gòu)谋O(jiān)測(cè)技術(shù)角度考慮非常規(guī)油氣的開(kāi)發(fā)，筆者發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中存在一個(gè)重要的問(wèn)題一直尚未解決：壓裂之后的地層縫網(wǎng)體積難以確認(rèn)。目前只有80%的產(chǎn)量來(lái)自20%的人造裂縫，浪費(fèi)了大部分開(kāi)發(fā)成本以及工作量。因此，對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層壓裂體積規(guī)模的監(jiān)測(cè)刻不容緩。

目前頻繁應(yīng)用的裂縫監(jiān)測(cè)方法種類多，例如微地震、測(cè)斜儀以及電位法等，各種監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用，逐步更精準(zhǔn)解決對(duì)裂縫體積監(jiān)測(cè)問(wèn)題。本文對(duì)比總結(jié)了各種方法在實(shí)際中的適應(yīng)性以及本身的局限性,對(duì)不同的區(qū)塊生產(chǎn)有很好的借鑒意義。

1 間接監(jiān)測(cè)法

劉建中[8]等在水平井壓裂裂縫監(jiān)測(cè)研究中認(rèn)為，間接監(jiān)測(cè)方法主要包括凈壓力分析、試井和生產(chǎn)分析。他認(rèn)為此類方法主要局限性通常有多解，需要根據(jù)其他裂縫監(jiān)測(cè)結(jié)果修正。

2 直接近井筒監(jiān)測(cè)法

2.1 放射性同位素示蹤劑法

郭威[9]等研究壓裂液返排過(guò)程中，應(yīng)用示蹤劑法很好地進(jìn)行壓裂效果評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)單、快捷，對(duì)監(jiān)測(cè)頁(yè)巖儲(chǔ)層中鹵代烴示蹤劑適用。申寶劍[10]等研究評(píng)價(jià)涪陵頁(yè)巖氣連通性時(shí)，采用了示蹤劑技術(shù)證明了焦頁(yè)66-Z2HF 井開(kāi)發(fā)的可行性，研究驗(yàn)證了示蹤劑方法能簡(jiǎn)單且方便高效評(píng)估頁(yè)巖氣井的連通性狀態(tài)，應(yīng)用前景良好。

2.2 基于分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)（DTS）的溫度測(cè)井

張會(huì)芳[11]等在低滲透油田的研究中認(rèn)為，溫度測(cè)井的原理是測(cè)量壓裂后地層溫度的變化，將壓裂后的溫度與壓裂前溫度比對(duì)，能得出溫度升高最多的區(qū)域。西濤濤[12]在研究高溫測(cè)井時(shí)，應(yīng)用了分布式光纖傳感器，分析了該測(cè)量的需求，基于此基礎(chǔ)，比較了該方法與傳統(tǒng)方法的差異性，得出了光纖測(cè)溫的特殊優(yōu)勢(shì)，最后通過(guò)實(shí)際油田結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了光纖測(cè)溫系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和可行性，并且認(rèn)為光纖測(cè)溫系統(tǒng)將在未來(lái)廣泛應(yīng)用。馬富清[13]等利用溫度測(cè)井技術(shù)了解到地質(zhì)中復(fù)雜的變化特征，闡述了對(duì)地層中結(jié)構(gòu)的判斷、液體流動(dòng)及其空間分布和鉆孔質(zhì)量問(wèn)題，給實(shí)踐生產(chǎn)提供了良好的指導(dǎo)。

光纖安裝方式可以是回收式（通過(guò)連續(xù)油管或鋼絲繩輸送），也可以是永久式[14]（安裝在套管后），同時(shí)可以沿光纖安裝多個(gè)傳感器，如圖1所示。其中通過(guò)光纖測(cè)井最主要的技術(shù)是DAS 和DTS。

圖1 回收式光纖（左）和永久式光纖（右）

2.3 基于分布式光纖聲傳感系統(tǒng)(DAS)的聲波測(cè)井

楚澤涵[15]等基于實(shí)際測(cè)井案例，運(yùn)用光纖聲波測(cè)井，不同頻率探頭測(cè)量在不同徑向深度獲得不同的測(cè)量結(jié)果，在確保信號(hào)缺失為10 dB 左右，從井上到井下采集信號(hào)傳輸速率為1.25 Mbit·s-1，并在遼河油田現(xiàn)場(chǎng)成功試驗(yàn)。朱秀英[16]等在基于FBGF-P的聲波測(cè)井研究中，采用全光纖聲感以及弱反應(yīng)結(jié)構(gòu)，以提高聲壓位移精度，研究結(jié)果表明，全光纖式傳感器在防水和耐壓保護(hù)后，可以適應(yīng)高溫高壓的測(cè)井條件。賈利春[17]在研究國(guó)外頁(yè)巖氣監(jiān)測(cè)方法進(jìn)展中提到該技術(shù)的主要原理是在傳感光纖附近聲波的變化由壓裂液所引起，聲波的變化會(huì)使得光信號(hào)產(chǎn)生特殊的變化。地面系統(tǒng)可以將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變成聲音信號(hào)，如圖2所示。

圖2 分布式光纖聲傳感示意圖

2.4 井筒成像測(cè)井

高躍賓[18]等在研究?jī)?chǔ)層改造評(píng)估中認(rèn)為井筒成像測(cè)井可以獲得天然和誘導(dǎo)裂縫的定向圖，這些可以提供有關(guān)最小主應(yīng)力方向的信息。

2.5 井下錄像

翟會(huì)超[19]等在對(duì)復(fù)雜采空區(qū)的研究中，采用了井下錄像方法對(duì)頂板巖體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提到井下錄像技術(shù)源自于井下電視，能夠直接觀察復(fù)雜變化的裂縫，與常規(guī)方法得大不相同。

2.6 小結(jié)

這些方法均屬于裂縫監(jiān)測(cè)的輔助方法，幫助工程人員更準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)井下裂縫的形態(tài)及方位。

直接近井筒裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)裂縫的監(jiān)測(cè)不能實(shí)時(shí)檢測(cè)。而且多數(shù)方法裂縫參數(shù)單一，如放射性同位素示蹤劑測(cè)井，另外對(duì)于沿井筒處的裂縫很高則會(huì)使儀器無(wú)法測(cè)量，進(jìn)而無(wú)法得到裂縫擴(kuò)展變化。

3 遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法

3.1 微地震監(jiān)測(cè)

朱興會(huì)[20]和石嘉棟[21]等基于煤礦中的微地震監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用，概括了微地震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案的布置以及數(shù)據(jù)處理方面的問(wèn)題，這給煤礦生產(chǎn)提供了預(yù)測(cè)依據(jù)，同時(shí)對(duì)頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)也有著很好的借鑒意義。劉洪壯[22]以鄂爾多斯盆地中的某區(qū)塊為例，分析了該油藏的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，為了使壓裂效果精準(zhǔn)，綜合多方面的考慮，對(duì)油井采用微地震監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)對(duì)該區(qū)塊水平井的壓裂程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合后續(xù)的生產(chǎn)資料，對(duì)生產(chǎn)井做出適時(shí)調(diào)整，提高了流體在地層中流動(dòng)能力，最終將采收率提高，這為該區(qū)塊后續(xù)的開(kāi)發(fā)提供了理論支持。鄒清騰[23]等在昭通頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，提到兩種有效評(píng)價(jià)壓裂效果的方法，井中微地震和散點(diǎn)式微地震方法，結(jié)論證明該方法對(duì)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)方面的監(jiān)測(cè)可行性，這為未來(lái)微地震監(jiān)測(cè)方法在昭通頁(yè)巖氣區(qū)的長(zhǎng)期應(yīng)用奠定了技術(shù)依據(jù)。

段銀鹿[24]等在研究水力壓裂時(shí)，應(yīng)用井中或地面設(shè)檢波器來(lái)檢測(cè)壓裂液引起地層壓力變化所產(chǎn)生系列的微震波，進(jìn)而定位裂縫，如圖3所示。巫芙蓉[25]等認(rèn)為微地震壓裂監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂縫信息，更好地為以后油田管理提供幫助。

圖3 微地震監(jiān)測(cè)示意圖

3.2 測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)

測(cè)斜儀裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)包括地面監(jiān)測(cè)和井下監(jiān)測(cè)。表面測(cè)斜儀可以用來(lái)確定裂縫的方位、傾角和復(fù)雜程度。井下傾斜儀可用于確定裂縫尺寸，其原理如圖4所示。

圖4 測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)原理示意圖

水力壓裂后巖石破裂，產(chǎn)生的裂縫使地層發(fā)生變形。通過(guò)在壓裂井地面或臨井布置多組測(cè)斜儀對(duì)變形梯度進(jìn)行記錄[26]。通過(guò)在多點(diǎn)測(cè)量這種變形梯度，可以生成地層變形的圖片，并與各種類型和尺寸的裂縫所預(yù)期的變形進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 不同方位裂縫產(chǎn)生的變形示意圖

修乃嶺[27]等利用測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)方法對(duì)長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣進(jìn)行壓裂評(píng)估，用該方法監(jiān)測(cè)裂縫長(zhǎng)度、體積以及形態(tài)等，并對(duì)比分析監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明，天然裂縫對(duì)水力裂縫有很大影響。徐勝?gòu)?qiáng)[28]在共和盆地干熱巖井項(xiàng)目中開(kāi)展水力壓裂工作，利用了測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)到裂縫的發(fā)育狀態(tài)、延伸方向等，該技術(shù)的應(yīng)用解決了巖石致密堅(jiān)硬、施工排量小等難點(diǎn)，測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)方法將壓裂改造的過(guò)程成功監(jiān)測(cè)出來(lái)，并且將該種方法的監(jiān)測(cè)范圍拓寬了一些，這為井組施工提供了有利的依據(jù)。

3.3 電位法裂縫監(jiān)測(cè)

壓裂井與鄰井充電形成大地電場(chǎng)，并以壓裂井為圓心，圓形布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)壓裂施工時(shí)，高含鹽量的水基壓裂液在裂縫中流動(dòng)，由于高含鹽量的水基壓裂液具有導(dǎo)電能力[29]，所用的壓裂液相對(duì)于地層為良導(dǎo)體，目標(biāo)射孔層內(nèi)的電阻率將降低。所以形成的水力裂縫將引起相應(yīng)的地面電位的變化，通過(guò)監(jiān)測(cè)壓裂前后地面電位的變化，即可判斷裂縫方位[30]，如圖6所示。

圖6 大地電位法原理示意圖

柴燕軍[31]等使用電位法探討裂縫形態(tài)，主要是研究裂縫發(fā)育模糊的問(wèn)題，結(jié)果表明，該方法在開(kāi)發(fā)中具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括方便簡(jiǎn)易、成本低以及對(duì)生產(chǎn)幾乎無(wú)影響。吳柏志[32]等考慮到特低滲油藏的井網(wǎng)部署，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，應(yīng)用電位法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓裂時(shí)裂縫的大小以及方位，研究表明，應(yīng)用電位法檢測(cè)方法可以給壓裂效果評(píng)價(jià)以及井網(wǎng)部署奠定重要基礎(chǔ)，同時(shí)說(shuō)明該方法的實(shí)用性可以進(jìn)一步推廣。焦鵬帥[33]以山西某礦區(qū)氣井作為基礎(chǔ)研究，研究煤層氣井開(kāi)發(fā)中電位法對(duì)壓裂過(guò)程監(jiān)測(cè)的效果，研究表明，電位法所測(cè)得裂縫結(jié)果與實(shí)際巖石的裂縫程度幾乎相同，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)具有良好的借鑒意義。

3.4 小結(jié)

表1是目前裂縫監(jiān)測(cè)方法的局限性和裂縫監(jiān)測(cè)能力的對(duì)比，總結(jié)出各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及不同的方法的適用性，監(jiān)測(cè)裂縫能力的參數(shù)有縫長(zhǎng)、縫高、對(duì)稱性、縫寬、裂縫方位、裂縫傾角、體積、裂縫導(dǎo)流能力。從表1中可以看出：不同的監(jiān)測(cè)方法對(duì)裂縫的監(jiān)測(cè)能力有著明顯的差異性；監(jiān)測(cè)裂縫體積和裂縫導(dǎo)流能力的大小幾乎是所有監(jiān)測(cè)方法共同的局限性；目前的所有方法中，沒(méi)有哪一種方法能夠監(jiān)測(cè)所有的參數(shù)，例如，微地震監(jiān)測(cè)、測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)以及電位法監(jiān)測(cè)是目前最常用的一些方法，但也50%左右的參數(shù)不能得到監(jiān)測(cè)，相比較而言，微地震監(jiān)測(cè)方法具有更好的監(jiān)測(cè)能力，備受關(guān)注，可以研究 它的其他監(jiān)測(cè)能力。

表1 目前裂縫監(jiān)測(cè)方法的能力與局限性

4 結(jié) 論

1）微地震監(jiān)測(cè)方法在過(guò)去10年取得明顯進(jìn)步，也是對(duì)壓裂工作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效手段，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來(lái)發(fā)展前景較好。

2）現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法都無(wú)法做到對(duì)已支撐裂縫的體積進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且受到很多因素的限制，在頁(yè)巖儲(chǔ)層水平井裂縫監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)不好。

3）預(yù)計(jì)未來(lái)10年對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的開(kāi)采活動(dòng)將大幅增長(zhǎng)。盡管迄今為止進(jìn)行的體積壓裂已經(jīng)日益成熟，但業(yè)內(nèi)對(duì)于儲(chǔ)層真實(shí)裂縫幾何形狀與體積仍然了解不足。因此迫切需要一種更簡(jiǎn)單、更準(zhǔn)確的方法來(lái)對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層中的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。