頁巖儲層壓裂體積規模監測方法研究進展

黃嘉林，劉德華，商玉鋒

（長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100）

近年來國家的能源方面的安全受國外的影響很大，隨著我國非常規油氣開發取得飛速進展，頁巖油氣開發變得越來越重要[1]。非常規的頁巖油氣彌補了石油的缺陷，積極促進了國家能源的開發[2]。在國家的能源儲備中，頁巖儲層作為頁巖氣的主要位置備受關注[3]。頁巖氣作為高效、無污染能源，前景良好。中國頁巖氣開發已取得了不錯的成績，據調查，目前探明頁巖氣地質儲量9.5×1013m3，技術可采資源量 1.63×1013m3，經濟可采資源量1.286×1013m3[4]。雖然體積壓裂技術已經日趨成熟，如今國內有一些學者是從壓裂井理論推導方面[5]、表面活性劑方面[6]以及壓裂液傷害機理[7]等方面評價壓裂技術產能，但是很少從監測技術角度考慮非常規油氣的開發，筆者發現監測中存在一個重要的問題一直尚未解決：壓裂之后的地層縫網體積難以確認。目前只有80%的產量來自20%的人造裂縫，浪費了大部分開發成本以及工作量。因此，對頁巖儲層壓裂體積規模的監測刻不容緩。

目前頻繁應用的裂縫監測方法種類多，例如微地震、測斜儀以及電位法等，各種監測方法的應用，逐步更精準解決對裂縫體積監測問題。本文對比總結了各種方法在實際中的適應性以及本身的局限性,對不同的區塊生產有很好的借鑒意義。

1 間接監測法

劉建中[8]等在水平井壓裂裂縫監測研究中認為，間接監測方法主要包括凈壓力分析、試井和生產分析。他認為此類方法主要局限性通常有多解，需要根據其他裂縫監測結果修正。

2 直接近井筒監測法

2.1 放射性同位素示蹤劑法

郭威[9]等研究壓裂液返排過程中，應用示蹤劑法很好地進行壓裂效果評價，實驗表明，該方法簡單、快捷，對監測頁巖儲層中鹵代烴示蹤劑適用。申寶劍[10]等研究評價涪陵頁巖氣連通性時，采用了示蹤劑技術證明了焦頁66-Z2HF 井開發的可行性，研究驗證了示蹤劑方法能簡單且方便高效評估頁巖氣井的連通性狀態，應用前景良好。

2.2 基于分布式光纖測溫系統（DTS）的溫度測井

張會芳[11]等在低滲透油田的研究中認為，溫度測井的原理是測量壓裂后地層溫度的變化，將壓裂后的溫度與壓裂前溫度比對，能得出溫度升高最多的區域。西濤濤[12]在研究高溫測井時，應用了分布式光纖傳感器，分析了該測量的需求，基于此基礎，比較了該方法與傳統方法的差異性，得出了光纖測溫的特殊優勢，最后通過實際油田結果對比，驗證了光纖測溫系統的優點和可行性，并且認為光纖測溫系統將在未來廣泛應用。馬富清[13]等利用溫度測井技術了解到地質中復雜的變化特征，闡述了對地層中結構的判斷、液體流動及其空間分布和鉆孔質量問題，給實踐生產提供了良好的指導。

光纖安裝方式可以是回收式（通過連續油管或鋼絲繩輸送），也可以是永久式[14]（安裝在套管后），同時可以沿光纖安裝多個傳感器，如圖1所示。其中通過光纖測井最主要的技術是DAS 和DTS。

圖1 回收式光纖（左）和永久式光纖（右）

2.3 基于分布式光纖聲傳感系統(DAS)的聲波測井

楚澤涵[15]等基于實際測井案例，運用光纖聲波測井，不同頻率探頭測量在不同徑向深度獲得不同的測量結果，在確保信號缺失為10 dB 左右，從井上到井下采集信號傳輸速率為1.25 Mbit·s-1，并在遼河油田現場成功試驗。朱秀英[16]等在基于FBGF-P的聲波測井研究中，采用全光纖聲感以及弱反應結構，以提高聲壓位移精度，研究結果表明，全光纖式傳感器在防水和耐壓保護后，可以適應高溫高壓的測井條件。賈利春[17]在研究國外頁巖氣監測方法進展中提到該技術的主要原理是在傳感光纖附近聲波的變化由壓裂液所引起，聲波的變化會使得光信號產生特殊的變化。地面系統可以將光信號的變化轉變成聲音信號，如圖2所示。

圖2 分布式光纖聲傳感示意圖

2.4 井筒成像測井

高躍賓[18]等在研究儲層改造評估中認為井筒成像測井可以獲得天然和誘導裂縫的定向圖，這些可以提供有關最小主應力方向的信息。

2.5 井下錄像

翟會超[19]等在對復雜采空區的研究中，采用了井下錄像方法對頂板巖體進行監測，提到井下錄像技術源自于井下電視，能夠直接觀察復雜變化的裂縫，與常規方法得大不相同。

2.6 小結

這些方法均屬于裂縫監測的輔助方法，幫助工程人員更準確地認識井下裂縫的形態及方位。

直接近井筒裂縫監測技術對裂縫的監測不能實時檢測。而且多數方法裂縫參數單一，如放射性同位素示蹤劑測井，另外對于沿井筒處的裂縫很高則會使儀器無法測量，進而無法得到裂縫擴展變化。

3 遠場監測法

3.1 微地震監測

朱興會[20]和石嘉棟[21]等基于煤礦中的微地震監測方法的應用，概括了微地震系統監測方案的布置以及數據處理方面的問題，這給煤礦生產提供了預測依據，同時對頁巖氣的開發也有著很好的借鑒意義。劉洪壯[22]以鄂爾多斯盆地中的某區塊為例，分析了該油藏的開發特點，為了使壓裂效果精準，綜合多方面的考慮，對油井采用微地震監測方法，通過對該區塊水平井的壓裂程度進行評價，并結合后續的生產資料，對生產井做出適時調整，提高了流體在地層中流動能力，最終將采收率提高，這為該區塊后續的開發提供了理論支持。鄒清騰[23]等在昭通頁巖氣開發應用中，提到兩種有效評價壓裂效果的方法，井中微地震和散點式微地震方法，結論證明該方法對頁巖氣開發方面的監測可行性，這為未來微地震監測方法在昭通頁巖氣區的長期應用奠定了技術依據。

段銀鹿[24]等在研究水力壓裂時，應用井中或地面設檢波器來檢測壓裂液引起地層壓力變化所產生系列的微震波，進而定位裂縫，如圖3所示。巫芙蓉[25]等認為微地震壓裂監測能實時監測裂縫信息，更好地為以后油田管理提供幫助。

圖3 微地震監測示意圖

3.2 測斜儀監測

測斜儀裂縫監測技術包括地面監測和井下監測。表面測斜儀可以用來確定裂縫的方位、傾角和復雜程度。井下傾斜儀可用于確定裂縫尺寸，其原理如圖4所示。

圖4 測斜儀監測原理示意圖

水力壓裂后巖石破裂，產生的裂縫使地層發生變形。通過在壓裂井地面或臨井布置多組測斜儀對變形梯度進行記錄[26]。通過在多點測量這種變形梯度，可以生成地層變形的圖片，并與各種類型和尺寸的裂縫所預期的變形進行比較，如圖5所示。

圖5 不同方位裂縫產生的變形示意圖

修乃嶺[27]等利用測斜儀監測方法對長寧頁巖氣進行壓裂評估，用該方法監測裂縫長度、體積以及形態等，并對比分析監測結果，結果表明，天然裂縫對水力裂縫有很大影響。徐勝強[28]在共和盆地干熱巖井項目中開展水力壓裂工作，利用了測斜儀監測技術監測到裂縫的發育狀態、延伸方向等，該技術的應用解決了巖石致密堅硬、施工排量小等難點，測斜儀監測方法將壓裂改造的過程成功監測出來，并且將該種方法的監測范圍拓寬了一些，這為井組施工提供了有利的依據。

3.3 電位法裂縫監測

壓裂井與鄰井充電形成大地電場，并以壓裂井為圓心，圓形布置監測點，當壓裂施工時，高含鹽量的水基壓裂液在裂縫中流動，由于高含鹽量的水基壓裂液具有導電能力[29]，所用的壓裂液相對于地層為良導體，目標射孔層內的電阻率將降低。所以形成的水力裂縫將引起相應的地面電位的變化，通過監測壓裂前后地面電位的變化，即可判斷裂縫方位[30]，如圖6所示。

圖6 大地電位法原理示意圖

柴燕軍[31]等使用電位法探討裂縫形態，主要是研究裂縫發育模糊的問題，結果表明，該方法在開發中具有很多優點，包括方便簡易、成本低以及對生產幾乎無影響。吳柏志[32]等考慮到特低滲油藏的井網部署，結合現場情況，應用電位法實時監測壓裂時裂縫的大小以及方位，研究表明，應用電位法檢測方法可以給壓裂效果評價以及井網部署奠定重要基礎，同時說明該方法的實用性可以進一步推廣。焦鵬帥[33]以山西某礦區氣井作為基礎研究，研究煤層氣井開發中電位法對壓裂過程監測的效果，研究表明，電位法所測得裂縫結果與實際巖石的裂縫程度幾乎相同，對實際的生產具有良好的借鑒意義。

3.4 小結

表1是目前裂縫監測方法的局限性和裂縫監測能力的對比，總結出各自的優缺點以及不同的方法的適用性，監測裂縫能力的參數有縫長、縫高、對稱性、縫寬、裂縫方位、裂縫傾角、體積、裂縫導流能力。從表1中可以看出：不同的監測方法對裂縫的監測能力有著明顯的差異性；監測裂縫體積和裂縫導流能力的大小幾乎是所有監測方法共同的局限性；目前的所有方法中，沒有哪一種方法能夠監測所有的參數，例如，微地震監測、測斜儀監測以及電位法監測是目前最常用的一些方法，但也50%左右的參數不能得到監測，相比較而言，微地震監測方法具有更好的監測能力，備受關注，可以研究 它的其他監測能力。

表1 目前裂縫監測方法的能力與局限性

4 結 論

1）微地震監測方法在過去10年取得明顯進步，也是對壓裂工作實時監測的有效手段，應用領域廣泛，未來發展前景較好。

2）現有的監測方法都無法做到對已支撐裂縫的體積進行監測，并且受到很多因素的限制，在頁巖儲層水平井裂縫監測中表現不好。

3）預計未來10年對頁巖儲層的開采活動將大幅增長。盡管迄今為止進行的體積壓裂已經日益成熟，但業內對于儲層真實裂縫幾何形狀與體積仍然了解不足。因此迫切需要一種更簡單、更準確的方法來對頁巖儲層中的裂縫進行監測。