華北油田水力壓裂實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)

余東合　梁海波　余　曦　羅　炯　車　航　劉國華（.華北油田采油工程研究院，河北任丘　0655；.西南石油大學(xué)，四川成都　60500；.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京　000）

華北油田水力壓裂實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)

余東合1梁海波2余曦3羅炯1車航1劉國華1
（1.華北油田采油工程研究院，河北任丘062552；2.西南石油大學(xué)，四川成都610500；3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100011）

砂堵是導(dǎo)致水力壓裂失敗的重要原因之一，為此研發(fā)了一套壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在實(shí)時(shí)監(jiān)測壓裂施工關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過油壓-時(shí)間、套壓-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的斜率進(jìn)行壓裂實(shí)時(shí)預(yù)警。在調(diào)研多口井壓裂數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，分析了壓力-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的3種模式，通過實(shí)時(shí)判斷當(dāng)前壓裂施工狀態(tài)處于何種模型進(jìn)行預(yù)測在該模式下可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)根據(jù)成熟的二維裂縫模型PKN、KGD和Penny徑向模型可以計(jì)算出裂縫的縫長和平均縫寬，并以此來確定裂縫走向是否與設(shè)計(jì)相符；如果發(fā)生偏差可以考慮是否要減小動(dòng)態(tài)參數(shù)，來改變裂縫走向。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)集實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)警于一體，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

水力壓裂；預(yù)警系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測；華北油田

水力壓裂是改造低滲透油氣藏的有效方法，是油氣井增產(chǎn)增注的重要措施。在壓裂過程中應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)分析和評(píng)估壓裂的實(shí)時(shí)狀況，減小施工風(fēng)險(xiǎn)并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況做出調(diào)整，以保證壓裂達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

1　壓裂壓力動(dòng)態(tài)曲線分析及模型計(jì)算

現(xiàn)場施工過程中壓力—時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線一般可歸納為以下3種典型情況。

（1）上升型。上升型一般有2種形態(tài)。第1種是正斜率很小的線段，如圖1中的第Ⅱ段曲線斜率在1/8～1/4，與PKN模型一致，表示裂縫在高度方向延伸受阻，屬于正常施工曲線；第2種是斜率近似為1的線段，即圖1中的Ⅳ，壓力正比于時(shí)間，這說明壓力的增量大于注入液體的增量，裂縫端部受阻，裂縫內(nèi)的壓力急劇上升，當(dāng)斜率大于1，則表示裂縫發(fā)生了堵塞。這種情況下應(yīng)合理控制施工砂比和排量，以保證施工順利進(jìn)行。而對(duì)于縫端脫砂壓裂施工，則希望支撐劑在一定縫長時(shí)形成砂堵，然后通過控制砂比和排量，使裂縫填滿支撐劑。因此對(duì)于正常的施工來說，當(dāng)出現(xiàn)斜率等于或大于1時(shí)，應(yīng)立即采取措施，避免井筒內(nèi)發(fā)生砂卡。

圖1　壓力-時(shí)間雙對(duì)數(shù)

（2）穩(wěn)定型。如圖1中的線段Ⅲ，曲線的斜率為0，對(duì)應(yīng)的壓力為地層的壓力容量，表示縫高增長到應(yīng)力遮擋層，或是地層內(nèi)天然裂縫張開，使得濾失量與注入量持平。一般曲線斜率為0表明裂縫的延伸速度將下降，隨后可能發(fā)生砂堵，應(yīng)采取相應(yīng)措施。

（3）下降型。如圖1中的線段Ⅰ和Ⅴ，曲線斜率為負(fù)值，表示裂縫穿過低應(yīng)力層，縫高發(fā)生不穩(wěn)定增長，直到加入支撐劑或遇到高應(yīng)力層時(shí)才變緩，或是溝通了天然裂縫，濾失量大大增加，可能導(dǎo)致砂堵，壓力很快上升。

在實(shí)際壓裂曲線中，還會(huì)出現(xiàn)壓力上下波動(dòng)現(xiàn)象，曲線斜率忽正忽負(fù)，而裂縫也在不斷延伸。研究分析認(rèn)為，同一地層物性的嚴(yán)重非均質(zhì)性是造成此類曲線特點(diǎn)的主要原因。此類曲線呈周波跳躍也屬正常施工曲線。

在推斷出水力壓裂裂縫延伸的方式和類型，并且定性認(rèn)識(shí)和了解裂縫高度延伸情況的基礎(chǔ)上，可以確定裂縫的長度和寬度。三種成熟的二維計(jì)算模型PKN模型、KGD模型和Penny徑向模型，相應(yīng)的井底凈壓力（井底壓力和裂縫閉合壓力之差）為

井底裂縫平均縫寬為

其中

式中，L為裂縫長度，m；rf為井眼到裂縫端部距離，m；n為壓裂液流性指數(shù)；E'為平面應(yīng)變彈性模量，MPa；Hf為裂縫高度，m；K為稠度系數(shù)，mPa·sn；w為井底凈壓力，MPa；q為裂縫內(nèi)流量，m3/s； Wf為裂縫的平均縫寬，m。

在式（1）和（2）中由于井底壓力（實(shí)測）和裂縫閉合壓力（預(yù)先通過其他途徑得到）已知，則可求出井底凈壓力，并可求出裂縫長度L（t）或裂縫半徑rf（t）和裂縫平均寬度Wf（t）。利用上述公式進(jìn)行軟件編程，則可得到裂縫的縫長和裂縫寬度（圖2）。

圖2　軟件計(jì)算界面

2　預(yù)警模型的建立

在壓裂過程中，砂堵是導(dǎo)致水力壓裂失敗的最直接原因。為了保證壓裂過程的順利實(shí)現(xiàn)，預(yù)警砂堵是很必要的。通過研究壓裂曲線的不同類型，建立了2個(gè)模型。

2.1實(shí)時(shí)曲線提示模型

由于壓裂曲線可能出現(xiàn)3種情況（上升型、穩(wěn)定性、下降型），因此根據(jù)實(shí)時(shí)壓力-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線，通過聯(lián)系相近點(diǎn)的斜率來判斷當(dāng)前壓裂狀態(tài)所處的階段，并通過上文所述各狀態(tài)可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行預(yù)警。

2.2油壓-時(shí)間、套壓-時(shí)間雙對(duì)數(shù)預(yù)警模型

實(shí)時(shí)監(jiān)測水力壓裂過程中的各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，可以設(shè)置壓力-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線的斜率，這樣可以根據(jù)不同地層特性設(shè)置不同的斜率來進(jìn)行預(yù)警。設(shè)置了正常壓裂階段、異常壓裂階段、危險(xiǎn)壓裂階段等3個(gè)階段，當(dāng)處于異常和危險(xiǎn)壓裂階段時(shí)分別進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警。

3　軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

根據(jù)上述理論，基于C#開發(fā)了一套水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測壓裂過程中的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)，并做出油壓-時(shí)間、套壓-時(shí)間雙對(duì)數(shù)圖，在油壓、套壓過大時(shí)進(jìn)行預(yù)警。油壓預(yù)警流程圖如圖3所示，套壓預(yù)警與其原理相同。其中，a1、a2為常數(shù)，在軟件中可以設(shè)置其大小，不同地區(qū)斜率有差別。

圖3　油壓預(yù)警流程

表1為華北油田岔51-1井在3 596～3 626 m井段的壓裂數(shù)據(jù)。

表1　壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測過程數(shù)據(jù)

以岔51-1井為例，對(duì)水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試。該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的井下數(shù)據(jù)及相應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)，畫出相應(yīng)的壓力-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線，并計(jì)算出其斜率，通過斜率判斷出當(dāng)前壓裂所處的階段并在斜率絕對(duì)值過大時(shí)進(jìn)行預(yù)警。通過結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，確定油壓-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率|k1|在0～0.47時(shí)屬于正常壓裂過程，0.47～0.7時(shí)屬于異常壓裂過程，大于0.7時(shí)屬于危險(xiǎn)壓裂過程；套壓-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線斜率|k2|在0～0.36時(shí)屬于正常壓裂過程，0.36～0.58時(shí)屬于異常壓裂過程，大于0.58時(shí)屬于危險(xiǎn)壓裂過程。

4　結(jié)論

（1）通過對(duì)多口井的壓裂壓力—時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線進(jìn)行精確分析，歸納出曲線可能存在的3種典型類型。在軟件中通過綜合判斷動(dòng)態(tài)參數(shù)來確定壓裂施工處于的各個(gè)階段，以及潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）利用成熟的二維模型PKN、KGD和Penny來計(jì)算裂縫的動(dòng)態(tài)縫長和平均縫寬，從而準(zhǔn)確掌握井底裂縫走向。

（3）建立了油壓-時(shí)間雙對(duì)數(shù)模型和套壓-時(shí)間雙對(duì)數(shù)預(yù)警模型，在油壓、套壓超過一定數(shù)值進(jìn)行預(yù)警、報(bào)警，來預(yù)測可能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

（4）開發(fā)了一套基于C#的商品化應(yīng)用軟件。現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用表明，該軟件能對(duì)壓裂施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)測并預(yù)警，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

［1］李穎川.采油工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2009.

［2］孫樹強(qiáng).井下作業(yè)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［3］王正茂，李治平，雷婉，等.水力裂縫模型及計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2003，25（4）：45-48.

［4］黃月明.水力壓裂加砂施工曲線形態(tài)剖析［J］.河南石油，2002，16（5）：51-53.

［5］曹學(xué)軍，李暉，郭淑芬，等.加砂壓裂壓力分析及應(yīng)用［J］.油氣井測試，2001，10（1，2）：56-59.

［6］劉先靈.水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測及解釋技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.成都：西南石油學(xué)院，2003.

（修改稿收到日期2015-02-05）

〔編輯朱偉〕

Real-time warning system for hydraulic fracturing in Huabei Oilfield

YU Donghe1, LIANG Haibo2, YU Xi3, LUO Jiong1, CHE Hang1, LIU Guohua1
（1. Research Institute of Petroleum Production Engineering, Huabei Oilfield Company, Renqiu 062552, China; 2. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;3. China United Coalbed Methane Co. Ltd., Beijing 100011, China）

Sand plug is one of the important reasons for failure of hydraulic fracturing, and for this purpose, a set of real-time monitoring and warning system for hydraulic fracturing has been developed. Based on real-time monitoring of key fracturing parameters, this system realizes real-time warning for hydraulic fracturing through double-log slopes of tubing pressure-time and casing pressure–time curves. Based on the analysis of fracturing data from a number of wells, three modes of pressure-time double-log curves were analyzed, so by real-time determining which mode the current fracturing status is in, then the risk which may occur in such mode can be forecasted. Also, according to matured 2D fracture models PKN and KGD as well as Penny radial model, the fracture length and average width can be calculated, which can be used to determine whether the fracture orientation is in compliance with the design. In case of deviation, then dynamic parameters may be reduced to change the fracture orientation. The field application result shows that this system integrates real-time monitoring of data and early warning and is of good application value.

hydraulic fracturing; warning system; real-time monitoring; Huabei Oilfield

TE357.1

B

1000 – 7393（ 2015 ） 02 – 0085 – 03

10.13639/j.odpt.2015.02.023

余東合，1966年生。1987年畢業(yè)于西南石油學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)，一直從事油氣田開發(fā)技術(shù)研究和管理工作，高級(jí)工程師。電話：0317-2728443。E-mail：pjb_ydh@petrochina.com.cn。

引用格式：余東合，梁海波，余曦，等.華北油田水力壓裂實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（2）：85-87.