管外光纖監測壓裂單簇裂縫延伸強度現場試驗

吳寶成，王 佳，張景臣，王明星，王 飛，閆 拓

1中國石油新疆油田分公司工程技術研究院 2中國石油大學(北京)

0 引言

隨著國內外非常規油氣藏的勘探開發，水力壓裂技術得到廣泛應用，裂縫的擴展是影響水力壓裂效果的關鍵因素[1]。新疆油田石炭系火山巖油藏蘊含致密油氣潛力巨大，但儲層非均質極強，前期嘗試暫堵壓裂等儲層改造技術均不能達到很好的效果，分析原因在于采用多種監測手段得出裂縫結果相差較大，無法實時準確的確定裂縫的情況[2]。為保證壓裂效果，需要了解壓裂過程中裂縫的擴展動態，以便針對性的制定二次增產改造方案。現有壓裂監測評價技術包括微地震裂縫監測[3]、非放射性示蹤陶粒[4]、放射性示蹤劑[5]、套管外永久式光纖監測[6]等。2008年陳文強[7]等人利用放射性示蹤劑推導出的多種地層參數，該技術施工簡單、易于操作，但檢測時間過長、取樣復雜、檢測結果重復性差。2014年李明[8]等人采用微地震監測技術對東營致密砂巖油藏進行監測，能獲取裂縫方位，但技術精度較差且價格高昂，不能滿足長期的監測要求。2016年鄭華[9]等人利用非放射性示蹤陶粒監測水力壓裂人工裂縫位置，該方法具有較高的靈敏度，但僅能獲得裂縫的高度且容易受底層元素的干擾。套管外敷光纖監測技術[10]具有監測敏感性高、監測數據可靠的優勢，可同時滿足水平井壓裂及生產實時監測與評價的需求。但水平井套管外敷光纖成功監測在國內暫無應用先例[11]，因此為解決石炭系火山巖油藏壓裂開發監測困難的問題，本文率先進行水平井投球簇式滑套壓裂+管外光纖監測技術的試驗，通過實時的監測各層段的裂縫進液情況，針對性的指導暫堵壓裂施工，從而提高儲層改造效果。

1 管外光纖監測技術原理

管外光纖技術包括分布式光纖測溫系統(DTS)和分布式光纖聲波傳感技術(DAS)。

分布式光纖測溫系統(DTS)主要依靠光時域反射原理，對井筒沿線的溫度進行測量。在對溫度進行測量時，地面激光發射器向光纖中發射脈沖光，脈沖光在傳播過程中一部分會向四周散射，另一部分會沿著光纖返回至入射端，通過測量脈沖光纖返回至地面入射端的時間，從而測量出井底反射信號點與地面發射端的距離。計算公式如式(1)：

L=cft/2

(1)

式中：L—井底反射信號點與地面發射端的距離，m;cf—光在光纖中的傳播速度，m/s；t—回波時間，s。

地面接收系統通過反射信號強度，解析出Stocks光和Anti-Stokes光，其中Stocks光與溫度無關，Anti-Stokes光與溫度有關，通過Anti-Stokes光和Stocks光的光強比值即可獲得反射點的溫度[12]。計算公式如式(2)：

(2)

式中：T—絕對溫度，K；h—普朗克系數，J·s；c—真空光速，m/s；v—拉曼平移量，m-1；k—玻爾茲曼常數，J/K；a—相關溫度系數；las—Anti-Stokes光的光強；ls—Stocks光的光強。

溫度監測時通過公式(1)及公式(2)即可計算出光纖沿線上指定距離點的溫度，即單點溫度。將光纖沿井筒分為多個1 m間距的測試點，將每個測試點的溫度測試出來，即可實現沿整個井筒的溫度監測。

分布式光纖聲波傳感技術(DAS)主要通過測量光信號的強弱反推出聲音或振動強度。圖1(a)所示，振動幅度越大則表明該位置進液強度越大[10]，振動幅度的波峰處表示監測點位置，井段各個監測點的聲波振動幅度均較大，說明各段進液強度均較大，各裂縫均持續進液，此段整體改造較充分。圖1(b)所示左側井段監測點振動幅度較大，右側井段監測點幅度相對較小，表明左側井段進液強度較大，右側井段進液強度較小，整個井段進液不均勻，改造不充分。

圖1 井段進液強度示意圖

2 管外光纖監測主要設備

自主設計了水平井投球簇式固井滑套分壓+管外光纖監測管柱工藝，可實現水平井單段多簇壓裂模式下，對各簇開啟及進液的實時監測與評價。

核心設備包括可穿越光纜滑套、可穿越光纜的分瓣式套管接箍滾輪扶正器、接箍剛性扶正器、套管本體扎帶等外敷監測光纜固定保護裝置、特殊光纜、井口光纜套管頭技套側翼穿越閘閥。為保證光纖監測結果能實時指導壓裂施工，配套研發了DAS+DTS光纖監測解釋處理可視化軟件，結合聲波數據、溫度數據、壓裂數據，實時監測獲取每段各簇的進液量、進砂量和生產時的產液量等參數。

2.1 特殊光纖

為了滿足抗外擠、抗磨損、耐腐蝕的要求，對光纖進行了特殊處理。在光纖的外層安裝金屬鎧裝護套，提高光纖的強度和密封性，在光纖兩測安裝多股柔性鍍鋅加強鋼絲，以增強光纖的抗拉強度。同時，光纖與鋼絲之間進行注塑充填，以提高光纖的耐溫性能。該光纖能達到耐溫100 ℃，耐壓105 MPa，最大破斷拉力8 t，具有良好的耐溫、抗拉性能。

2.2 信號采集器

采用德國APS公司、英國ESM公司進口的DTS和DAS信號采集器，壓裂施工中將實時記錄光纖沿線聲波和溫度的變化數據，并處理成可視化信號空間分辨率為1 m，時間上聲波數據為20 000次/s，溫度數據為1次/30 s。DTS信號采集器用于監測光纖沿線溫度的變化，監測長度大于5 km，監測溫度范圍20～170 ℃，能監測小于0.1 ℃的溫度變化，溫度變化響應時間小于5 s。DAS信號采集器用于監測光纖沿線上振動幅度的變化，監測長度大于5 km，監測聲波頻帶范圍10 Hz～100 00 Hz，響應時間小于5 s。DTS和DAS實現實時監測壓裂過程中溫度變化和聲波振動信號。

2.3 簇式滑套

為了有效保護光纖，設計了可穿越光纖的簇式滑套，如圖2所示。滑套中設計了可穿越光纖的凹槽，光纖卡入凹槽后，用保護護板將光纖固定，防止光纖入井時與井壁接觸。滑套的壓裂噴砂口是單側180°均勻分布的，確保光纖在壓裂過程中得到有效保護。簇式滑套耐溫120 ℃，耐壓70 MPa，鉆后通徑115.4 mm。

圖2 簇式滑套示意圖

3 現場試驗

3.1 A井地質概況

現場選取A井作為試驗井，屬于新疆油田石炭系油藏，構造位于克—烏斷裂帶上盤和西白百斷裂下盤，開發層位為上石炭統和下石炭統，主要巖性為灰色、深灰色熒光凝灰巖(566 m)、深灰色熒光安山巖(92 m)，井深1 620 m，水平段長度670 m，儲層層孔隙度13.4%～18.7%，平均16.8%，滲透率6.23～187.4 mD，平均38.46 mD，地溫梯度為2.2 ℃/100 m。根據現場測試，A井井筒溫度分布如圖3所示，隨著井深的增加，儲層溫度不斷提高，井深為900 m時到達水平段，由于垂深增加緩慢，地層溫度緩慢增加。管外光纖測試的儲層溫度與地溫梯度計算的溫度相差不大，表明管外光纖測溫比較準確。當以12 m3/min排量進行測壓時，管外光纖測試的溫度小于溫度梯度計算的溫度，這主要是大量低溫液體進入儲層，降低了儲層溫度。

圖3 A井井筒溫度分布圖

3.2 光纖校深及原始數據錄取

壓裂前，需要采用井口敲擊和熱風槍加熱的方式分別進行光纖DAS、DTS位置校深，并錄取井下原始溫度與原始噪聲。通過校深可知光纜校深定位與入井深度數據偏差僅為0.8 m。水平段原始溫度為42.1～44.3 ℃，與地質預測偏差小于1.6 ℃。由原始背景噪聲顯示，井下無特殊高頻噪音區域。由以上分析，該井適合管外光纖監測技術。

3.3 A井施工概況

遵循地質甜點為前提、段內優選應力差異小及低地應力區域、滿足投球簇式滑套+管外光纖監測試驗需求的分段分簇原則，A井水平段長670 m，經研究共分為6段23簇，簇間距28.86～30.24 m，平均25.5 m，井身結構示意見圖4。設計施工排量12～14 m3/min，支撐劑選取40/70目與30/50目石英砂，平均砂比15%，最高砂比27%。采用管外光纖技術對A井的施工情況進行實時監測，對于改造不均勻的層段，采用暫堵劑進行轉向壓裂改造，暫堵劑采用耐溫40 ℃、保持硬度時間達16 h以上、耐壓50 MPa的暫堵球。

圖4 A井井身結構示意圖

3.4 實時監測及壓裂指導

以具有代表性的第3級壓裂為研究對象，該級共4簇,為S3-1、S3-2、S3-3、S3-4。設計施工排量12～14 m3/min，第一次壓裂的DAS測試結果如圖5所示，通過實時監測，壓裂過程中S3-1簇、S3-2簇聲波振動幅度最為明顯，S3-3簇、S3-4簇聲波振動幅度非常弱，表明第一次壓裂階段S3-1簇、S3-2簇是主要的進液段，進液占比分別為23%、56%，由此可知第一次壓裂階段S3-1簇、S3-2簇得到了充分的改造。按照S3-3和S3-4兩簇未完全改造的情況進行暫堵設計，先后進行不同材料組合的3次暫堵作業,暫堵后各簇振動幅度如圖6所示。暫堵前后各簇進液量對比變化如圖7所示，暫堵后S3-1簇進液量從23%降到15%，S3-2仍是主進液段,S3-3簇進液量從20%上升到30%，S3-4自始至終基本未變。暫堵起到了一定的效果，但暫堵前后主要進液仍然集中在S3-2主力簇，出現“強者恒強”現象。

圖5 A井第3級暫堵前DAS測試結果圖

圖6 A井第3級暫堵后DAS測試結果圖

圖7 A井第3級多次暫堵前后各簇進液量對比變化圖

通過DAS數據分析發現，投球入座每級的最后一個滑套球座后，實現了每級各簇滑套的破裂盤的開啟，證實簇式滑套開啟節流壓差設計合理，工具可靠。“強者恒強”現象的可能原因是暫堵球無法順利到底封堵口或者嵌入不牢，并且石炭系儲層天然裂縫發育，縫口寬，暫堵劑封堵縫口難；低閉合應力下，暫堵劑封堵縫口后，隨著壓力升高，裂縫持續張開，封堵效果變差。

A井第3級壓裂監測結果顯示光纖振動和溫度信號清晰準確，直觀準確實時地展示了各簇簇式滑套投球入座、滑套開啟、不同泵注階段各簇進液量變化及暫堵轉向效果等實時動態信息，監測結果有效。基于該現場試驗形成了一套實時調整封堵材料、改進壓裂方案的方法。

3.5 生產效果

DAS監測技術能實時了解改造層段的動態變化，根據改造不充分的情況，實時制定出二次或多次改造的方案，從而最大限度的提高儲層改造效果。2021年段內多簇+極限限流+暫堵壓裂技術在西北緣石炭系水平井推廣應用32井次，與連續油管水力噴射拖動壓裂工藝對比，一年期產量由1.67 t/m提高至1.89 t/m，產量提高13%。

4 結論

本文針對石炭系油藏在水力壓裂時不能充分了解裂縫擴展情況，一般監測技術具有局限性，在現場實驗應用了管外光纖檢測技術，實現對地下裂縫延伸的實時監測，分析現場監測結果，得出以下結論：

(1)管外光纖監測可以實時監測井筒沿線溫度變化、各簇進液量變化及暫堵轉向效果的動態信息。

(2)根據管外光纖監測現場試驗結果，優選段內多簇+極限限流+暫堵壓裂技術，在西北緣石炭系推廣應用32井次，壓裂后單井平均產量提高13%，取得了良好的應用效果。