四維向量監測技術在煤層氣水平井分支動用識別的應用

于家盛 范秀波 董 鑫 崔新瑞 張武昌 張 博

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

四維向量監測技術在煤層氣水平井分支動用識別的應用

于家盛 范秀波 董 鑫 崔新瑞 張武昌 張 博

(中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048000)

煤層氣裸眼多分支水平井由于煤層的地質與力學特征，主支和側鉆分支容易在鉆井與排采中出現垮塌，降低有效控制面積。由于水平井采用裸眼完井方式，在后期生產過程中無法對分支的垮塌情況進行有效識別。為解決此難題，利用四維向量監測技術對煤層氣井進行生產監測，以樊莊區塊裸眼多分支水平井的樊11-Y、樊11-Z井為例，有效檢測出各分支流體流動性及控制儲量動用的情況。結果表明，該技術在研究煤層氣水平井實時儲層流體動態具有較好的應用效果，對下步井網優化以及增產措施的制定起指導作用。

四維向量監測 多分支水平井 措施增產 儲層流體動態

1 水平井開發現狀

沁水盆地樊莊區塊裸眼多分支水平井共有46口，動用面積51.4km2，地質儲量82.3m3，煤層鉆遇率86%～93%，分支個數6～10，單井控制面積0.47km2，日產氣500～35000m3,單井日產氣差異大。

多數多分支水平井受其裸眼完井影響，分支井壁均無有效支撐。鉆井過程中，鉆壓及側鉆震動等變化，煤塊掉落，井壁垮塌，致使分支或者主支堵塞；排采過程中井底流壓的突變，引起有效應力的變化，致使井壁煤體破裂，分支堵塞；同時煤層氣的特點，排采過程中，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，產量無法釋放，開發效果降低。

因此需要手段描述煤層氣水平井實時地下流體動態，客觀反映煤層氣水平井產出差異，依次針對性調整井網優化、制定增產措施，提高整體區塊的開發效果。

2 微地震四維向量監測技術主要技術方法

2.1 監測原理

氣藏開發過程中，孔隙流體的采出導致儲層巖體局部收縮，周圍巖體產生應力和變形，并在地層中產生剪切應力變化，當總剪應力超過摩擦阻力時，便會滑動產生微破裂并向地層中輻射縱波和橫波。在被監測區附近地表布置采集儀器接收縱波和橫波信號，利用相干振幅體向量疊加掃描技術、三維可視化技術對監測區流體進行掃描成像，并通過儀器內置GPS衛星授時系統，在時間域上了解流體動態演變過程。

2.2 監測采用的軟硬件

硬件由數由12套四維數據采集站構成。每個采集站包括三分量檢波器、四維數據采集站、GPS接收機和電源組。檢波器總靈敏度大于100V/m/s。軟件主要包括數據預處理軟件、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。

2.3 室內數據處理

在地表觀測微破裂地震波，由于地層高頻濾波及噪聲干擾，無法識別微破裂產生的縱橫波的旅行時和微破裂高頻有效信號。而應用微破裂矢量疊加網格掃描技術，在時空上即可辨別出破裂產生的方位及形態。

(1)選定需監測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海拔的平面,監測的目的層為對應Z坐標距頂面的深度值。空間體以多個掃描單元形式存在。

(2)根據聲波測井資料計算出空間體的各掃描單元網格節點的地震波(縱、橫波)速度。

(3)對地震波傳播路徑進行射線追蹤，計算出各網格節點到地面各檢波器點的入射角方位與傾角和最小旅行時值。

(4)地面每個檢波器接收的全體體波地震信號相當于地下所有網格節點對該地面點的波動集合。將地面每個檢波器三分量地震信號旋轉到某個掃描單元網格節點K入射矢量方向，形成矢量場波動方程。取特定時間窗口w，矢量迭加K點到所有采集站記錄的信號振幅的平方f，并使用歸一化因子F,即得出k點的破裂輻射能量S(k)。矢量波場疊加后，隨機噪音將被消弱。有用信號將被增強，從而“提取”出k點的破裂能量。

3 微地震四維向量監測技術在水平井上的應用

3.1 現場應用情況

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造上的3號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，純煤進尺3266m/3347m，同為主支2個，分支8個，控制面積0.41km2/0.43 km2，同為分支下傾。

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

圖1 樊11-Y井綜合生產曲線

圖2 樊11-Z井綜合生產曲線

針對此生產狀況，2015年對這兩口水平井進行了四維向量監測(能量色標柱：頂和底分別表切片圖區域內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動流體的壓降邊界)。監測情況見圖3、4、5、6。

圖3 樊11-Y井四維向量監測能譜圖1

圖4 樊11-Y井四維向量監測能譜圖2

圖5 樊11-Z井四維向量監測能譜圖

圖6 樊11-Z井四維向量監測主滲區示意圖

從樊11-Y井能量切片圖得出以下結論：

①區域應力場：西北-東南向，方向角為北偏西40°。②主要產氣分支：主要分布在井區的西北部的M2、L4、L6、L8，能量域較強，有明顯的氣水流動的表現。③相對低產氣分支：主要分布在井區的西南部的M1、L1、L2、L3、L7，能量域較弱、基本無氣水流動，產能動用較低。因此，可以看出樊11-Y井整體有效動用儲量較小，大部分主支和分支的垮塌較為嚴重，水平井排采效果較差。

從樊11-Z井能量切片圖得出以下結論：

①區域應力場：東北-西南向，方向角為北偏東約40°。②主要產氣分支：主要分布在井區的西南部的M1、L1、L3、L5、M2、L7、L8、L9,能量域較強，有明顯的氣水流動的表現。③相對低產氣分支：主要分布在井區的東部的L2、L4、L6，能量域較弱、基本無氣水流動，產能動用較低。因此，可以看出樊11-Z井整體有效動用儲量較好，大部分主支和分支的連通性較好，但是存在3個以上的分支堵塞嚴重的情況，導致水平井排采效果逐漸較差。

3.2 措施增產情況

通過研究分析，依據四維向量監測結果，結合排采過程中煤層堵塞、分支小型垮塌的生產狀況，明確了分支動用情況及堵塞位置，采取針對性的氮氣泡沫解堵措施。通過向水平井井眼里注入液氮泡沫混合液體，利用泵車注入高壓流體沖刷分支通道，將裂縫中堵塞煤粉沖開；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，疏通目標堵塞分支，擴大有效控制面積。

針對性實施的氮氣泡沫解堵措施，樊11-Y井與樊11-Z使得均有效的提高了單井產量(圖7、8)。樊11-Y井措施前流壓0.03MPa，日產氣200m3，措施后流壓0.13MPa，日產氣4100m3，日增產3900m3；樊11-Y井措施前流壓0.03MPa，日產氣4000m3，措施后流壓0.22MPa，日產氣11000m3，日增產7100m3。

圖7 樊11-Y井措施后綜合生產曲線

圖8 樊11-Z井措施后綜合生產曲線

3.3 監測結果驗證

針對四維向量監測結果，兩個水平井未動用分支附近，2014年在該區塊部署了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，說明了分支垮塌嚴重、無有效動用，儲層流體流動性較差。印證了四維向量監測結果的準確性。

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(責任編輯 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，主要從事煤層氣開發生產管理與研究工作。