中国石油供应安全形势严峻,寻找石油资源接替领域、降低石油对外依存度,已经成为保障国家能源安全的迫切需要
[1-3]。中国非常规油气资源丰富,具有较大的产量空间,新疆吉木萨尔、胜利济阳、大庆古龙等页岩油气国家级示范区建设持续推进、新区新领域不断获得重要发现,深部煤层气勘探开发取得重大突破,非常规油气产量持续增长,成为全国油气产量增大的重要支撑
[4-7]。页岩油气、致密油气等非常规油气资源成为储量增长主体和产量重要接替领域
[8],储层改造作为实现非常规油气规模效益开发的“技术利剑”之一,技术需求和作用更加凸显。
裂缝监测技术在水力压裂改造中扮演着至关重要的角色,裂缝监测的精度和可靠性直接影响到油气田开发效果的优劣。然而,非常规储层地质构造复杂、层理与天然裂缝力学各向异性显著等特征,缝网结构往往与设计方案有较大差异
[9-10]。因此,如何对水力压裂裂缝进行精细化的监测与诊断,仍然是水力压裂作业中亟须解决的问题。
裂缝监测方法包括近井裂缝监测方法和远井裂缝监测方法。近井裂缝监测方法主要包含分布式光纤温度传感(distributed temperature sensing,DTS)、分布式光纤声波传感(distributed acoustic sensing,DAS)、鹰眼监测、成像监测、化学示踪剂和井筒听诊等,主要用来评估压裂液和支撑剂的分布、裂缝簇的有效性和完井有效性,还可用于校正裂缝模型,但裂缝几何形态和裂缝走向的诊断较为困难。远井裂缝监测主要包括微地震、电磁监测、低频DAS等技术,能够获取裂缝展布和扩展方向,是当前裂缝监测研究的重点方向。
微地震裂缝监测技术是评估水力压裂的主要方法,是唯一能够对裂缝几何形态进行成像的远场监测技术。中原油田
[11]利用微地震技术对压裂裂缝实时监测获取生产井的裂缝的长度和方位等地质参数,对压裂效果的评估和压裂措施的调整具有重要意义。杨永宇等
[12]利用微地震技术对贵州六盘水地区DC1井组煤层气压裂效果进行评价,成功获悉了压裂施工过程中裂缝的扩展方向、延伸范围及储层改造体积等信息。电磁法监测技术在深度探测、适用范围、非侵入性、实时监测、连续性和多参数测量等方面表现出显著优势。颜晓华等
[13]在川中金秋气田开展了广域电磁应用研究,广域电磁法通过分析压裂液波及面积,实时监测水力裂缝扩展,指导施工方案优化调整和评估压裂改造效果。分布式光纤传感技术(distributed fiber optic sensing,DFOS)作为传感合一新兴技术,能够及时响应并传递外部参量,在中外多个油服公司进入实践阶段。Mestayer等
[14]在Shell公司加拿大和美国两处矿场实验研究探讨了DAS在长距离和高空间分辨率下捕捉地震数据的有效性。Srinivasan等
[15]基于HFTS 2数据集探讨了如何利用低频DAS来量化垂直和水平段的裂缝高度。
水力裂缝形态、空间分布和支撑剂铺置等监测与诊断是指导和优化压裂方案设计重要组成部分与油气生产重要依据。压裂监测与诊断方法百花齐放,机理和应用效果各异且技术发展十分迅速,各种压裂监测技术物理机理和技术特征仍未被业界充分了解。合理的压裂监测组合应用有利于交叉验证,提高对复杂储层条件的监测,为非常规油气田开发提供更加精准的技术指导。现针对微地震、电磁法及DFOS 3种主流技术的研究现状,系统地总结各类压裂监测技术的机理、技术特点和组合应用等并展开综合论述分析,为中国在非常规油气资源勘探与开发中提供理论依据和技术参考。
1 微地震技术
1.1 微地震监测机理
微地震是一种基于声发射学和地震学的监测水力压裂过程的常规技术手段,已经被中外许多油服公司广泛应用。这种水力压裂监测方法是基于在地面或井下布置检波器来监测水力压裂过程中岩石由于高应力作用下导致岩石的剪切破裂形成裂缝
[16],裂缝扩展引起的地震波,分析地震波的震级和定位等获得裂缝扩展特征。
目前根据微地震资料采集所采用的观测系统布设方式分为微地震监测分为井下监测、地面监测以及两种方法的组合。根据目前业界对微地震技术在水力裂缝监测技术的应用经验,对比了两种监测方式,如
表1所示。
井下微地震监测在高精度定位和实时性方面表现优异,但成本较高且收环境限制;地面微地震监测具有操作简便和成本低的优势,但噪声干扰严重且定位精度较低。
1.2 井下微地震应用现状
井下微地震是在压裂井周围选取一个或多个合适的邻井作为观测井,在接近目的层段的深度布设检波器接收微地震信号,如
图1所示。胡俊杰等
[17]选取长宁区块50 口井井下微地震数据,分析不同地质与压裂工艺下的微地震特征及产能关系,形成了一套适应川南页岩气井的微地震监测压后评估方法,但压后评估产能预测存在局限性,需结合其他监测技术进行综合评估。樊骐铖等
[18]采用井下微地震对长宁地区两口井、42 段的数据实时采集及解释,成功获取各段裂缝的长度、宽度、高度、方位等参数,揭示了裂缝扩展和空间分布特征。相较于地面微地震,由于检波器布设在目的层段附近,获取的数据信噪比更高、信号准确性和可靠性也更强
[19]。
尽管历经数十年技术迭代,井下微地震监测的应用效果仍显著受制于观测井的布局与数量。单井监测受限于三维空间覆盖范围不足,常出现水平分辨率偏低与定位精度不足等问题;而采用多井联合观测虽能提升定位精度,却不可避免地导致施工复杂度攀升与监测成本激增,同时对现场作业流程形成较大干扰。优质观测井选址难度大、监测范围受地质条件制约显著,加之井下设备部署成本高昂,上述因素共同制约了井下微地震监测技术的规模化工程应用。
1.3 地面微地震监测
相较于井下监测,地面检测核心优势是无需观测井,只需在地表布置设备,根据地质条件和监测需求布设检波器阵列,兼具操作便捷性与成本经济性。此外,优化的阵列布设可显著提升水平方向分辨率,而地表大面积覆盖能力则拓展了监测范围,使其在区域尺度压裂监测中具备独特优势。
然而,地震波在地层传播路径上的能量衰减,叠加施工机械噪声及环境干扰,导致地面微地震监测数据信噪比普遍偏低,微地震事件识别率受限,严重影响定位的准确性。因此,有效地监测更多的微小微地震事件,提高微地震信噪比对监测结果影响重大。宋慧娟等
[20]对传统震源扫描叠加法改进,提出了局部组合叠加处理方法,有效地提高微地震地面监测的信噪比。秦亮等
[21]针对微地震监测的低信噪比资料,提出采用同步挤压S变换与
τ-p变换联合的微地震信号降噪方法,可有效压制噪声,提高信噪比。发展高灵敏度信号采集技术与自适应噪声压制算法,提升微弱地震波场的检测能力,是突破地面微地震监测技术瓶颈的关键研究方向。
1.4 微地震发展趋势
梁北援等
[22]根据时间和调研,提出了微地震监测可行的3个必要条件。
(1)原理可靠可行。监测原理需契合压裂破裂特征。但原理正确未必可行,当背景噪声强造成信噪比≤1时传统定位失效;地面监测距井口<1 km 受压裂泵车群振动干扰较大;井中监测若距压裂点过远,小微震定位成功率低。
(2)精度适配需求。当裂缝总长度为百米至数百米时,破裂点空间误差需至少低于总长度一个数量级,追求数米级精度不现实。
(3)适合复杂地貌。复杂地貌对监测影响显著,如山区高差可达数百米,但现有文献多未提及地貌条件,布台与数据处理中常忽视该因素。
当前,地面监测信号衰减与噪声干扰导致事件漏检,井下监测受观测井距离限制使定位误差增大;深度学习模型泛化能力不足,不同区块信号特征差异显著导致模型迁移困难,样本多样性不足影响微弱事件识别;实时监测时效性与工程应用需求矛盾,传统数据处理流程耗时较长,难以满足压裂施工实时调整需求。
未来应基于深度学习的自动拾取算法通过神经网络模型直接从数据中提取特征,构建输入数据和输出结果之间的非线性映射关系,从而实现高效、高精度和高准确率的微地震事件检测和震相拾取。同时,发挥深度学习在预处理和降噪的独特优势,实现海量实时数据处理与实时高效数据采集到微地震定位分析结果云端展示的全过程。
但是不同区块采集的微地震信号具有较大的差异性和复杂性,较难构建通用的深度学习准确模型,而且当前采集微地震数据不能很好地构建样本库,使得在训练网络模型时有效样本数量较少,这些都是深度学习未大规模应用在微地震数据去噪中的主要原因,目前也是许多研究人员正在研究的主要问题。
2 电磁技术
2.1 电磁监测机理
在水力压裂过程中,大量含有酸、表面活性剂等低阻的压裂溶液进入相对高阻的储层,改变了储层的电性特征。电磁法基于电磁感应原理和电导率变化原理,通过在地下传播的电磁波与裂缝相互作用,捕捉电磁信号的变化,从而推断裂缝的位置和特性
[23]。电磁法监测示意图如
图2所示。
2.2 电磁应用现状
近年来,中国可控源电磁法技术已被逐渐应用到水力压裂检测中。可控源电磁法作为一种非侵入性、无污染的检测方法,在环境保护和可持续发展中具有明显优势。余胜红等
[24]提出了基于 2.5 维频率域可控源电磁法,发现视电阻率相对差异曲线极值可辅助裂缝初步定位。裂缝的电阻率越小,压裂前后电阻率差异越大,裂缝越容易识别,当接收水平电场分量相对振幅绝值对大于5%时,监测结果与裂缝展布基本一致
[25-26]。电磁信号在低电阻率储层传播时信号衰减严重,传输距离和精度受限。孟晋等
[27]采用导电支撑剂支撑裂缝,产生导电缝网,有效提升电磁参数的对比度和裂缝形态监测。
尽管电磁法在水力压裂监测领域已得到广泛应用
[28-29],但其数据处理目前仍以常规反演方法为主
[30-31],在反演过程中高度依赖初始模型及约束条件,受限于反演精度,致使压裂裂缝参数的准确性、时效性及精度难以保障。基于此,李帝铨等
[32]提出了基于改进海洋捕食者优化算法的电磁监测裂缝参数识别方法,裂缝参数反演效果更稳定、精确度更高。曾波等
[33]提出基于海洋扑食者-密度聚类混合优化算法用于电磁监测裂缝参数识别,完善了反演中初始模型以来及随机性导致的参数识别不足问题。
Yang等
[34]通过测量水平井电阻率量化三维水力裂缝发现发射-接收间距对裂缝检测尺度具有显著影响,长间距配置可识别大尺度裂缝,而短间距配置更适用于微裂缝检测。其中,长间距可区分较大裂缝但对小裂缝检测能力有限,且需较高的裂缝有效电导率;短间距虽能检测小裂缝,却难以分辨大尺度裂缝。何继善提出了广域电磁法这一全新高效的人工源频率域电磁测深法,解决了传统电磁法在探测深度、精度和准确度方面的不足,实现了从平面波到曲面波的理论跨越,将探测深度从1.5 km 提升至8 km,频率数据密度提高7倍以上,实现较小的收发距便可获得更多深度信息
[35-36]。广域电磁法在油气勘探领域已得到广泛应用
[37-39],然而其在压裂监测领域的应用仍处于探索阶段,配套的实时数据处理等监测技术处于起步阶段,理论方法研究中仍存在诸多亟待攻克的问题,实际应用技术经验也亟需总结。胡志方等
[40]基于广域电磁压力监测原理,给出了广域电磁法压裂检测数据处理流程,如
图3所示。
2.3 电磁发展趋势
目前,电磁压裂监测技术还存在着监测数据失真与缺失、压裂液分簇三维成像速度慢、密集台阵式监测成本高等问题
[41]。低阻储层监测精度瓶颈,电磁信号在低电阻率压裂层中传播时能量衰减严重,导致缝高、缝宽等参数的反演误差较大。三维成像计算复杂,压裂液动态分布的实时三维成像受限于电磁求解器效率,难以满足现场施工的即时调整需求。阵列监测成本控制,高密度电磁台阵的部署与维护成本较高,制约了该技术在偏远地区或海上平台的规模化应用。
未来发展应以提升数据采集与成像精度的效率和精度为目标,与机器学习相结合开展电磁监测数据的自动去噪、缺失值填充技术研究,提高数据采集精度。其次,攻关计算机视觉轻量化深度学习模型在压裂液分簇快速成像的技术,实现压裂液边界追踪的实时化与高精度化,降低密集台阵式监测的硬件成本,将广域电磁法与智能化控制算法结合,提升复杂环境下的数据采集效率。最后,推动多技术融合应用,电磁法需与微地震、分布式光纤等技术协同,构建复合型监测方案,通过电磁法获取压裂液分布范围,结合微地震的裂缝形态成像,实现储层改造效果的多维度评估。
3 分布式光纤传感技术(DFOS)
3.1 DFOS监测机理
从中外发展趋势来看,DFOS因其高分辨率、高灵敏度、耐酸碱腐蚀、耐高温高压和抗电磁干扰等优点,已经成为水力压裂和生产监测技术的重要发展趋势。DFOS的基本原理是激光脉冲在光纤前向传输过程中,光纤周围应变、温度、压力和振动等外部因素的变化导致光幅度、相位、频率和偏振等参量的变化
[42],引起光波产生散射,实现对外部参量的连续分布式测量,定量解析水力压裂相关的信息,如
图4所示。与传统点式传感器不同,DFOS能够沿整个光纤路径进行连续分布式测量,提供高分辨率的空间分布数据,在复杂井下环境中具有显著的优势。DFOS在水力压裂过程中提供实时数据,包括温度变化、裂缝扩展信息、流动情况等
[43],这些数据对评估压裂效果和调整压裂参数重要。
DFOS主要利用3种后向散射波段:瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射,如
图5所示。
DTS是基于光学时域反射与拉曼散射原理进行监测,系统从激光发射器中发射脉冲光,通过耦合器进入光纤,部分光子与光纤分子发生非弹性拉曼散射,生斯托克斯和反斯托克斯光,反向散射信号被探测器接收,信号处理器分析反斯托克斯散射和斯托克斯散射的强度比,计算出光纤周围的温度信息
[44-45]。
DAS基于瑞利弹性散射现象,即散射光的频率与入射光的频率相同,瑞利散射光会沿光纤原路返回传感器,通过软件分析因光纤周围环境的变化导致瑞利散射信号相位和幅度改变,从而推断出振动源的位置和强度。
3.2 DTS技术应用现状
温度日志一直是生产测井的重要组成部分,DTS能够提供在压裂、关井和生产过程中的连续性井下温度测量获取流体分布与裂缝扩展等信息。在水平井的多级压裂处理过程中,DTS对井下温度对流体的注入和关闭有明显的响应,如
图6所示为陇东地区某H2井第1级压裂光纤瀑布图,从光纤解释来看,第1滑套进液顺利,随着加砂进液进行,DTS响应迅速,井下温度明显降低低且不同深度温度阶梯明显,温度响应异常较大,但无明显串层、漏液异常现象。
Holley等
[46]通过在生产套管外侧附着光纤 DTS 电缆,监测压裂井筒温度变化并耦合压裂响应与裸眼测井数据,确定近井裂缝启裂点及压裂液分布,量化流体窜流速率和体积。Li等
[47]通过构建耦合井筒 - 裂缝 - 储层的热流集成模型,实现了水平井多段压裂过程中温度分布的动态模拟。但复杂压裂场景下计算耗时较长,缺乏与微地震等远场监测的联合验证,远场裂缝形态刻画能力有限。Sierra等
[48]将DTS与井下热示踪剂结合,实现裂缝启裂深度、垂直覆盖范围及数量的确定。需要注意的是,地层复杂热耦合场景使得温度信号解读困难,易误判流体分布。
3.3 DAS技术应用现状
低频DAS对裂缝扩展引起的应变变化十分敏感,能够有效监测裂缝扩展以及扩展发生前的能量累积前兆和扩展后裂缝位置等信息。2017年Jin等
[49]发现水平井某一级进行压裂时,可在邻井监测到 DAS 应变信号。邻井中对应施工井压裂级位置的光纤,因裂缝起裂扩展产生的局部拉伸作用呈现张应变;相邻层段及对应光纤位置受压缩作用,表现为压应变
[50]。Ugueto等
[51]对同一口井不同时期的DAS监测数据对比发现,大部分射孔簇对应位置的应变信号位置稳定,正应变峰与簇位置匹配,非刺激区间无明显应变响应,但生产 7 个月后,部分射孔簇的应变量出现显著应变衰减。现象表明随生产进行,近井裂缝区域的几何特征发生演变,裂缝宽度因储层压力枯竭而减小。
Liu等
[52-53]、Srinivasan等
[54]建立裂缝扩展模型与现场监测数据对比分析发现裂缝扩展尖端与监测井光纤位置相交汇发生压裂冲击时,由于应变率极性反转产生“心型区”。“心型区”作为井间应变监测中记录的裂缝撞击伸展前兆,在估算水力裂缝尖端至监测井距离方面具有重要价值。Li等
[55]通过系统研究裂缝几何形态与监测井偏移对心型信号特征的影响,发现该信号的空间分布范围与裂缝尖端距离之间存在显著的线性相关性。陈铭等
[56]通过构建平面三维多裂缝扩展模型及光纤应变与应变率计算模型,结合数值模拟与现场数据验证,发现光纤监测井水平段位于裂缝高度范围内时可有效识别裂缝延伸时刻,多段压裂中后续段光纤应变受应力干扰可能无张应变区域,但应变率仍可反映各段裂缝扩展动态。
Wang等
[57]利用低频DAS来研究水力压裂过程中裂缝高度的增长,通过光纤应变数据分析和研究裂缝向上和向下的扩展行为。如
图7所示为不同时刻沿
X=237.5 ft(1 ft =0.304 8 m)平面的裂缝展布情况,裂缝尖端约50 min到达该平面。如
图7(a)和
图7(b)所示为裂缝向该平面的扩展情况,垂直应变场在12 min、裂缝尖端前缘约115 ft远时,显示了裂缝扩展的明显响应,并向该平面靠近。从
图7(a)和
图7(b)可以看出,裂缝前方存在一个椭圆形的压缩区,压缩区的上、下和测方可以观察到三个向外辐射到储层的扩张区,这3个扩张区被两个压缩区隔开,这一垂直应变分布特征与裂缝击穿该平面后仍保持一致。如
图7(c)~
图7(f)所示,裂缝尖端周围压缩区和扩张区都发生了应变集中,在
图7(d)中突出显示为例。在180 min时刻,裂缝周围的压缩区在深度为10 800~11 100 ft处被一侧的扩展区击穿,这可能是由于少数具有高模量和高泊松比的局部层。
3.4 DFOS发展趋势
DFOS能够实时、精细化诊断产液剖面、簇开启情况、裂缝扩展等问题,在未来业内发展中有广泛的应用前景和市场潜力。目前,中国在DFOS监测技术的理论研究领域存在显著短板,同井监测受限于光纤仅能布设于井筒周边区域,压裂过程中多簇裂缝的扩展形态难以实现精细刻画,套管外侧布设光纤也面临诸多风险
[58]。同时,邻井监测因监测尺度较大且精度不足,对于复杂的水力压裂裂缝只能进行定性描述。
未来亟需以提升深井避射精准度和光纤监测解释精度为核心目标,开展铠装光缆保护器研发与安置间隔优化设计,形成集光缆完整性保障与避射功能于一体的综合解决方案。同时,攻关物理模型与数值模型耦合的数据处理及解释技术,开发基于预训练与迁移学习的智能解释算法,以提高解释的精度和时效性,最终构建起涵盖光纤监测数据采集、处理到解释的一体化服务能力。
此外,DFOS不仅仅局限于监测单一参数(如温度、应变),而是向融合型DOFS发展,利用不同散射光的机理实现多参数传感,开展不同散射光的分离、不同功能的性能优化的研究
[59],如
图8所示,这对复杂储层和不均匀压裂效果的评估至关重要。
随着DFOS在油气田开发中发展与应用,DOFS将成为建设智慧油田的重要组成部分
[60],为油田数字化提供三维感知、测量和动态监测数据,真正实现储层改造的智能精细刻画和描述,为油气田开发提供更为直接、智能化的手段。
4 压裂监测技术现场应用分析
4.1 监测技术对比与分析
常用压裂监测与诊断技术如
表2所示。微地震技术是唯一可实现远场实时成像,提供更多动态信息且适用范围更广的技术。虽然在震源定位、降噪等方面取得了较大进展,但仍存在信噪比较低导致事件表征的体积大于实际改造体积等问题,使储层改造的范围通常被高估。电磁监测工艺相对简单,能实时生成压裂液三维分布图像,但缝长、缝宽通过椭球理论获悉,缝高难以精准描述,且受到水力压裂模型及电磁求解器等因素影响着监测结果的精度。DFOS能够沿光纤进行连续分布式测量,提供高分辨率的空间分布数据,但缺乏相应的反演模型和机理研究支撑,需要不断优化和改进数据处理与分析。
4.2 组合应用思路
现阶段中国已初步搭建起以近井筒裂缝监测、远场裂缝监测及钻井取心为架构的人工裂缝监测评估技术体系,多项技术正处于研发攻坚期,但在硬件性能参数、数据采集精度、解释精准度及技术协同应用等层面与北美存在显著差距,且中国监测技术应用多以单一技术为主导,尚未构建不同的监测技术组合方案
[41]。
各种压裂监测技术组合应用各有优势,监测技术组合应用应聚焦于施工作业条件下压裂井的核心问题。按照监测范围可将近井与远井监测相结合,Holley等
[61]采用微地震了解缝网扩展与DTS实时评估近井流体运动,准确评估水力压裂的裂缝几何形状和近井处的裂缝开启位置,对于实施决策、全面检测、压裂分析和生产分析非常有价值。按照监测时机可将压中监测和压后评估相结合,Palisch等
[62]提出利用电磁法定位远场导电支撑剂分布,通过反演数据创建储层支撑剂体积分布图像,为井间距、段间距、射孔簇间距及缝网设计提供关键信息。按照监测工艺可将井中和地面相结合,武绍江等
[63]提出了一种基于DAS的页岩气储层水平井压裂微振动监测技术,实现了对全井段、宽方位、高密度水力压裂过程微振动的实时监测,提升了震源位置成像的空间分辨率和低信噪比监测数据的震源位置成像精度。
合理的压裂监测组合应用有利于交叉验证,提高对复杂储层条件的监测,为非常规油气田开发提供更加精准的技术指导。刘平等
[64]基于压裂工程的核心应用目标,推荐了5种水力压裂裂缝监测技术的组合应用思路,如
表3所示。
4.3 组合应用实例
4.3.1 微地震与电磁监测组合
陇东地区某H1井11段压裂监测结果如
图9所示,从压裂监测结果可以看出微地震与广域电磁监测裂缝展布基本一致,裂缝长度相当,广域电磁监测平均缝长略大于微地震监测,微地震监测缝宽相比于广域电磁法较大,平均缝宽大9.2 m;然而微地震监测缝高相比于广域电磁法较小,平均缝高小8.5 m,两种监测技术相关性较好。
缝长与缝宽的比值可量化裂缝在延展尺度与张开度的相对关系,为裂缝网络的形态特征提供重要参考
[65]。如
图10所示通过缝长与缝宽的比值获悉微地震与广域电磁法H1井缝网复杂度,电磁表现出的复杂度更高,这是因为电磁监测的缝长更长,缝宽更低。
当比值较大时,通常表明裂缝以单向延伸为主,可能形成较为规则的主裂缝,其发育复杂程度相对较低,多见于储层应力差异显著、天然裂缝欠发育的环境;而比值较小时,往往暗示裂缝在延展过程中伴随较多分支或分叉,形成更复杂的缝网结构,这种情况常见于地应力差异较小、天然裂缝发育的储层,压裂时易诱发多向扩展,促使裂缝形态趋向复杂。在非常规层压裂中,复杂缝网的缝长与缝宽比值常小于常规主裂缝体系,该指标结合微地震监测的破裂点分布及电磁法的流体波及范围,可辅助评估储层改造的有效性及裂缝网络的连通性,为压裂工艺优化提供依据。
两种技术组合应用和对比发现,微地震表征的储层改造体积略大于压裂液波及体积。H1 井压裂监测中,微地震与电磁法联合应用通过微地震的破裂能量分布与电磁法的压裂液饱和度叠加分析,识别出传统单一技术难以发现的无效改造区,为后续段的暂堵工艺优化提供了直接依据,使该井的压后产量提升 25%。
4.3.2 DFOS与井下压力计组合
陇东地区某H2井采用连续油管水力喷砂分段压裂工艺,现场采用分布式光纤监测与井下压力计组合优化水力压裂施工方案。如
图11为该第5 段压裂时光纤瀑布与压力计图,光纤监测显示第4段存在进液情况,上提验封正常,初步判断为管外窜,第一次暂堵仍然存在第4、5 段之间进液。第2、3 次暂堵试压超压,表明暂堵有效果,但排量较低,多次试压后光纤进液响应仍在第4、5 段之间,1~3 段微进液。研究结果表明DTS与DAS组合应用能够同时获取地层温度和应变响应,二者数据相互补充能够对各级裂缝进液和扩展情况进行更好地评估分析。DFOS与压力计组合应用可以有效评价暂堵效果,确保暂堵剂在实际应用中的有效性和可靠性,提高石油天然气开采的效率和安全性。
4.4 组合应用发展趋势
单一技术在获取裂缝实时精准信息时存在明显局限,难以契合复杂储层压裂作业的高标准要求,亟需构建创新型监测技术体系
[66]。当前,裂缝监测组合应用正以多技术深度融合、智能化决策及全生命周期管理为发展主线,逐步成为驱动非常规油气高效开发的核心技术支撑。
未来依托DFOS技术,通过在井筒内科学布设光纤,可凭借极高的采样频率与空间分辨率采集海量数据,感知裂缝周边应力、温度等物理场的变化,进而有效捕捉裂缝起裂、扩展及闭合过程中的细微特征。同时,结合微地震、电磁监测阵列的布局优化与信号处理算法的改良,通过电磁法获取压裂液分布范围,结合微地震的裂缝形态成像,实现储层改造效果的多维度评估,从而精确描绘裂缝网络的空间分布形态及其动态演化进程。借助多源数据融合技术,将微地震数据、电磁数据、DFOS数据及其他辅助监测数据有机整合,搭建统一的数据平台,通过数据挖掘与机器学习算法,提取裂缝特征参数间的潜在关联与规律,实现对裂缝复杂行为及压裂效果的深度解析与动态感知,为压裂施工过程中参数的实时优化调整提供可靠依据。
5 结论
(1)水力压裂监测方法众多,各种压裂监测方法的机理和应用思路存在明显差异,单一技术难以满足复杂储层压裂作业的高标准要求,而采用多种方法联合监测、交叉验证,融合各监测技术的解释结果,能够提高压裂监测准确性和可靠性。
(2)微地震技术作为评估水力压裂的常用技术手段,可唯一实现远场实时成像,提供更多动态信息且适用范围更广,但井下部署设备成本高的问题限制了该技术的发展;电磁法工艺简单,但难以精准描述裂缝发育,监测结果存在精度问题;DFOS可提供三维感知、测量和动态监测数据,但理论研究存在显著短板。
(3)监测方法组合应用为评价裂缝动态延展特征、暂堵效果、段间重复改造率和段簇起裂情况等方面提供技术支持,能够精细刻画裂缝改造规模,提高对复杂储层条件的监测、识别能力,为非常规油气田的开发提供更加精准的技术指导,提高油气开采效率,降低环境风险。
(4)监测方法组合应用与人工智能技术的结合成为油气行业未来发展的重要趋势。压裂监测技术组合应用和智能化分析,能够更好地优化压裂设计、提高储层开采效率、降低生产风险,并在全球范围内推动油气行业的数字化转型。
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