水平井橋塞分段壓裂管外光纖監(jiān)測技術(shù)

董小衛(wèi) 田志華 李一強 汪志 韓光耀 唐家財 劉帥

關(guān)鍵詞：橋塞壓裂；光纖；光纜方位；定向避射；實時監(jiān)測

0 引言

水平井分段多簇體積壓裂已成為非常規(guī)油氣藏開發(fā)的主體技術(shù)，為進一步提高儲層動用程度，段內(nèi)射孔簇間距也呈現(xiàn)逐步縮小的趨勢［1］，國內(nèi)致密油、頁巖油等難動用儲層射孔簇間距已由初期的30m 縮短至現(xiàn)在的最小8 m 左右，此時開展簇間改造效果監(jiān)測尤為重要。目前水力壓裂裂縫監(jiān)測方法主要有井下微地震、測斜儀和可控源電磁法等［2］，可用于解釋整段壓裂裂縫的走向、長度、高度等，但針對簇間改造效果的監(jiān)測方法相對缺乏，主要以放射性同位素示蹤劑［3］為主。其方法是壓裂時示蹤砂隨壓裂液進入地層裂縫，通過能譜測井測量地層中各簇示蹤砂伽馬計數(shù)率來監(jiān)測儲層改造效果，但放射性同位素示蹤劑對環(huán)境與操作人員存在潛在的傷害風(fēng)險。微量物質(zhì)示蹤劑［4］克服了這個缺點，它通過對壓后返排液進行間隔密集取樣得到示蹤劑返排曲線，利用示蹤劑返排曲線進行簇間改造效果評價，但存在解釋周期長的問題。20 世紀(jì)90 年代以來，隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)得到了快速發(fā)展［5］，其具有高靈敏度、高分辨率、抗電磁干擾、定位精度高等技術(shù)優(yōu)勢，可分為分布式光纖溫度傳感（拉曼散射）［6］和分布式光纖聲波傳感（瑞利散射）［7］兩大主體技術(shù)。壓裂液注入地層會引起井筒降溫，但是受地層環(huán)境的影響，井筒降溫響應(yīng)緩慢［8］，此時應(yīng)用分布式光纖溫度傳感技術(shù)無法對井筒各射孔簇進液動態(tài)作出快速、實時響應(yīng)，因此引入了分布式聲波傳感技術(shù)進行油氣井壓裂監(jiān)測［9］，其工作原理是在完井時將光纜外敷捆綁于油層套管入井、固井，壓裂時利用高壓流體通過小直徑射孔簇孔眼所產(chǎn)生的瞬時高頻段聲信號表征整個壓裂事件，由于較強的聲波信號與進液活躍的壓裂簇存在對應(yīng)關(guān)系，同時也代表該位置正在起裂或擴展，現(xiàn)場通過觀測沿井筒各位置聲能隨時間變化生成的能譜圖就可實時監(jiān)測各簇改造效果。

2011 年Shell 公司率先使用光纖聲波傳感技術(shù)進行了水力壓裂監(jiān)測，此后，Halliburton、Schlumberge等油服公司聯(lián)合Fotech、Optasense、Silixa 等專業(yè)分布式光纖傳感供應(yīng)商先后投入開發(fā)套管外敷永久式光纖壓裂監(jiān)測技術(shù)［10］。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2022 年底，該技術(shù)已在Eagle Ford、Baken、Montney 等油田現(xiàn)場應(yīng)用300 余口井，實現(xiàn)了壓裂過程各簇進液動態(tài)信息實時監(jiān)測。國內(nèi)油田在光纖壓裂監(jiān)測技術(shù)方面起步較晚［11］，2019 年吉林油田聯(lián)合英國Tendeka公司在黑頁1-2-2 井實施了分壓4 層17 簇現(xiàn)場監(jiān)測試驗，2020 年新疆油田在石炭系油藏HW62031 井完成了6 段23 簇投球滑套壓裂監(jiān)測攻關(guān)現(xiàn)場試驗，2021 年浙江油田在昭通頁巖氣YS137H1-2 井進行了13 段125 簇橋塞分壓監(jiān)測現(xiàn)場試驗，2022 年長慶油田在鄂爾多斯盆地澗12H3 井開展了28 級可開關(guān)滑套壓裂監(jiān)測現(xiàn)場試驗。與國外相比，國內(nèi)各油田主要以引進為主，尚未形成完整的現(xiàn)場實施方案和技術(shù)難點攻關(guān)措施。

1 管外光纖監(jiān)測完井管柱

水平井橋塞分段壓裂管外光纖監(jiān)測完井管柱結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由浮鞋、浮箍、特種光纜、可穿越光纜扶正器、橋塞等組成，位于套管接箍處的可穿越光纜扶正器起到保護光纜的作用。其工作原理：采用橋塞+定向射孔技術(shù)對儲層進行分段多簇改造，當(dāng)壓裂液通過射孔簇孔眼進入地層時將產(chǎn)生強振動信號，利用光纖既是傳感元件又是傳輸介質(zhì)的特性，通過地面聲波采集設(shè)備獲取光纖沿程各簇的聲波場，并可視化輸出，直觀實時展現(xiàn)各簇進液情況。該管柱適用于?139.7 mm 套管完井井況，分布式光纖聲波監(jiān)測系統(tǒng)空間分辨率1 m、聲波靈敏度50～80dB、聲波頻帶范圍0.01～10 kHz。

1.1 特種光纜

如圖2 所示，特種光纜［12］主要由纖芯、油膏、不銹鋼護管等組成，采用聚丙烯注塑成纜加工，耐磨損、抗沖擊、耐酸堿腐蝕。光纜技術(shù)指標(biāo)：截面尺寸22 mm×11 mm，耐溫150 ℃，耐壓130 MPa，破斷拉力80 kN，光纖信號衰減＜0.40 dB/km（1 310 nm）。

1.2 可穿越光纜扶正器

油層套管接箍處采用分瓣鏤空式可穿越光纜扶正器［13］對光纜進行保護（圖3）。扶正器由上本體、下本體、滾珠等組成，上、下本體通過螺栓連接，上本體、下本體設(shè)計有多排滾珠陣列，減小了管柱下入摩阻，光纜穿越下本體內(nèi)鋪置凹槽，同時，扶正器與套管本體接觸部分采用滾花處理，可最大限度防止因扶正器轉(zhuǎn)動而引起的光纜周向旋轉(zhuǎn)、斷裂發(fā)生。扶正器技術(shù)指標(biāo)：外徑209 mm，長度315 mm，通徑139.7 mm，光纜凹槽尺寸22.5 mm×11.5 mm。

2 配套技術(shù)

2.1 井口光纜穿越

芯軸式套管懸掛器傳統(tǒng)開孔光纜穿越工藝存在懸掛器定制加工難、選型受限、穿越耗時長等問題，現(xiàn)場主要采用卡瓦式懸掛器，并進行了技術(shù)套管閘閥井口光纜穿越工藝設(shè)計（圖4）。操作工序：（1） 計算最后一根套管入井后與技術(shù)套管閘閥的對應(yīng)位置，并在套管本體進行標(biāo)識；（2） 在套管標(biāo)識位置附近進行光纜纏繞捆綁；（3） 光纜隨套管入井；（4） 固井，候凝；（5） 上提防噴器，倒出適當(dāng)長度的光纜，并將光纜從技術(shù)套管閘閥通道孔穿出；（6） 井口安裝卡瓦式油層套管懸掛器；（7） 進行出口光纜與地面光纜熔纖接續(xù)和密封。主要的光纜穿越和光纜密封操作在固井結(jié)束后完成，井控安全性高，現(xiàn)場易實施。

2.2 光纜方位探測

因水平裸眼段井眼軌跡、井徑不規(guī)則，光纜下入過程中將發(fā)生扭轉(zhuǎn)［14］，射孔作業(yè)前需利用磁通量探測儀對井下光纜方位進行探測，防止光纜被射斷。其測量原理：對接箍位置可穿越光纜扶正器進行360°磁場掃描，基于外部金屬含量影響磁場分布的原理［15］，獲取磁通量變化及對應(yīng)方位曲線［16］，如圖5 所示，由于扶正器光纜凹槽為高金屬含量設(shè)計，磁通量最大值處即光纜所處位置，通過對不同深度接箍進行測量，可明確井下光纜實際鋪設(shè)情況，為后期定向射孔提供依據(jù)。

對不同方位光纜進行了地面探測試驗，結(jié)果表明：磁通量探測值不小于1 060 Wb、光纜定位誤差不大于3°，見表1。

2.3 光纜定向避射

如圖6 所示，通過探測套管上、下端接箍處的光纜方位，以套管下端光纜方位順時針轉(zhuǎn)至套管上端光纜方位所形成的覆蓋范圍作為危險區(qū)域，在危險區(qū)域?qū)?cè)進行線性定向射孔［17］。為兼顧射孔階段光纜避射和壓裂階段射孔簇裂縫起裂，布孔方式采用雙線性、方位夾角60°，在確保光纜避射的同時，與單線性射布孔方式相比，雙線性射孔增大了裂縫起裂幾率，有利于降低壓裂施工泵壓。

3 現(xiàn)場試驗

2022 年4 月在新疆瑪湖礫巖油藏JLHW2039井進行了水平井橋塞分段壓裂管外光纖監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)場試驗。該井完鉆井深5 132 m，水平段長1 066 m，最大井斜92.46°，最大狗腿度7.66 （°）/30 m。該井共完成14 段59 簇定向射孔及壓裂光纖監(jiān)測。

3.1 光纜探測及定向射孔

采用連續(xù)油管輸送井下磁通量探測儀，自下而上探測水平段87 個接箍位置光纜方位。由圖7 可看出，相鄰測點光纜方位差異主體介于0～45°之間，井下光纜無明顯扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。該井采用雙線性定向射孔，方位夾角60°，孔密10 孔/ m，如圖8 所示。

3.2 效果分析

以JLHW2039 井第14 段4 簇改造為例進行監(jiān)測效果分析。

3.2.1 分簇射孔

泵送橋塞坐封后進行分簇定向射孔作業(yè)，在射孔槍點火成功瞬間，光纖聲波信號將沿著井筒分別朝上、下兩個方向傳播，可用于判斷光纖通斷，也可以根據(jù)光纖信號拐點進行射孔深度校驗。如圖9 所示，通過光纖聲波能譜可看出4 道明顯的強振動信號，光纖監(jiān)測射孔位置分別為4 103、4 091、4 080、4 069 m，與設(shè)計位置誤差小于0.5 m。

3.2.2 各簇進液

如圖10 所示，可以看出前置液和加砂液階段S14-1 和S14-4 均持續(xù)保持強聲波信號，而S14-2 和S14-3 未發(fā)現(xiàn)任何聲波信號，表明中間2 簇基本不進液，改造不均衡。結(jié)合光纖聲波振幅強度進行各簇進液占比分析，S14-1、S14-2、S14-3、S14-4 簇進液占比分別為51.7%、1.5%、1.2%、45.6%；同時，通過光纖聲波能譜未發(fā)現(xiàn)第14 段橋塞坐封位置（4 136 m）下部存在異常振動信號，說明橋塞密封良好。

各簇非均衡進液影響因素分析結(jié)果見表2，提取第14 段各簇測錄井綜合解釋結(jié)果和光纖監(jiān)測進液數(shù)據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)法［18］進行變量間關(guān)聯(lián)度計算，如圖11 所示，影響各簇進液量最為關(guān)鍵的因素依次為孔隙度、脆性指數(shù)、最小水平主應(yīng)力，各簇進液量與孔隙度、脆性指數(shù)呈正向關(guān)，與最小水平主應(yīng)力呈負相關(guān)。

3.2.3 暫堵轉(zhuǎn)向

針對第14 段S14-2 和S14-3 未改造， 現(xiàn)場對S14-1 和S14-4 采取暫堵措施，泵送繩結(jié)狀暫堵劑到位后，可以看出S14-2、S14-3 開始出現(xiàn)強信號，原優(yōu)勢簇S14-1 信號逐漸減弱直至消失，原次優(yōu)勢簇S14-4信號基本保持不變，如圖12 所示。結(jié)合聲波振幅強度進行各簇進液占比分析，暫堵后S14-1、S14-2、S14-3、S14-4 簇進液占比分別為5.3%、38.2%、26.8%、29.7%，原優(yōu)勢進液簇得到抑制，各簇進液均衡性有效提升。

4 結(jié)論

（1） 設(shè)計了橋塞分段壓裂套管外光纖監(jiān)測完井管柱，可利用高壓流體通過小直徑射孔簇孔眼所產(chǎn)生的高頻段聲信號對整個壓裂事件進行表征，該技術(shù)可實現(xiàn)分簇射孔、各簇進液、暫堵轉(zhuǎn)向、橋塞密封等井下動態(tài)信息有效實時監(jiān)測。

（2） 設(shè)計了鎧裝特種光纜、可穿越光纜扶正器，形成了井口光纜技術(shù)套管閘閥穿越、管外光纜方位精準(zhǔn)探測及光纜定向避射配套技術(shù)，有效解決了光纜入井和射孔安全難題。

（3） 下一步應(yīng)加快推進適用于高壓壓裂工況下的光纖壓力計研發(fā)工作，利用套管外敷光纖作為信號傳輸系統(tǒng)，完善水平井體積壓裂管外多點光纖測壓技術(shù)，擴大其應(yīng)用范圍。