慶城頁巖油泵入式光纖監(jiān)測技術實踐

馬 兵 徐創(chuàng)朝 陳 強 李曉燕 張同伍

(中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院；低滲透油氣田開發(fā)國家工程重點實驗室)

0 引 言

近年來，長水平井分段多簇細分切割體積壓裂技術成為鄂爾多斯盆地慶城頁巖油規(guī)模效益開發(fā)的核心關鍵技術，但目前多簇起裂技術的有效性仍不清晰。多簇起裂效率一直是地質(zhì)工程技術人員爭論的焦點問題[1-3]，然而常規(guī)測試手段對多簇起裂效率、分簇進液情況無法定量評價[4]。目前國內(nèi)使用的主流方法為套管外避射式光纖監(jiān)測技術，可實時解釋多簇裂縫流入、流出動態(tài)剖面，但其光纖必須在完井階段隨套管下入，壓裂前需要定位和避射，作業(yè)周期長、施工成本高、實施難度大[5-10]。國外逐漸使用套管內(nèi)泵入式光纖監(jiān)測技術，在北美有過多口定向井成功測試案例。為了有效評價多簇起裂有效性，在慶城頁巖油水平井首次引入該技術，以探究起裂有效性。

1 慶城頁巖油水平井體積改造現(xiàn)狀

鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7油藏為典型的頁巖油儲層，滲透率小于0.3 mD，孔隙度6%～10%[4-8]。主體采用“可溶球座+段內(nèi)多簇+限流射孔+動態(tài)暫堵+高排量大液量”的長水平井細分切割體積壓裂2.0工藝改造。單段定面射孔3～8簇，最高達到每段14簇，簇間距5～15 m。進液強度為20～25 m3/m，加砂強度為3.5～5.5 t/m，單個射孔孔眼排量為0.3 m3/min以上。壓裂液為多功能納米驅(qū)油變黏滑溜水，支撐劑為20/40+40/70目小粒徑組合石英砂。水平井體積改造后，采用井下微地震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，部分射孔簇位置無明顯微地震事件點，設計改造區(qū)域存在空白帶，多簇起裂有效性亟需驗證[9-15]，如圖1所示。

圖1 華H-×井第×段微地震監(jiān)測結果圖Fig.1 Microseismic monitoring results of section X in Well Hua H-X

2 泵入式光纖監(jiān)測技術

2.1 技術特點

每段壓裂前將帶有外保護的光纖泵送至套管內(nèi)預定射孔段位置，實時監(jiān)測壓裂過程中的分布式溫度剖面(DTS)和外差分布式振動剖面(hDVS)。感知壓裂段內(nèi)各射孔簇進液(砂)量，觀察各射孔簇是否得到均衡改造，為實時決策暫堵轉(zhuǎn)向劑投入最佳時機、判斷轉(zhuǎn)向是否成功及優(yōu)化裂縫展布提供第一手資料。

該技術的最主要特點是不必隨套管下入光纖，每段壓裂前泵送光纖至射孔位置進行全程監(jiān)測，工藝靈活，無需避射，具有便捷高效、成本低的相對優(yōu)勢。且可實現(xiàn)壓裂可視化、決策實時化，能夠為壓裂優(yōu)化設計和現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整提供重要依據(jù)。

2.2 測量原理

光纖分布式測量基于時域反射原理。光時域反射是一種將光脈沖發(fā)送到光纖電纜中，并測量反射信號的返回時間和性質(zhì)差異，進而獲取光纖狀況及其環(huán)境信息的方法[16-18]。本項測試主要應用分布式溫度傳感(DTS)和外差分布式振動傳感(hDVS)。光纖測溫原理源于后向拉曼散射對溫度的敏感性。在光纖介質(zhì)中，拉曼散射受光纖分子的熱振動直接影響，當入射光與光纖介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞時，光纖分子的熱振動和光子相互作用將產(chǎn)生能量交換。此時，入射光會放出或吸收一個與光纖介質(zhì)分子振動相關的高頻聲子，即Stokes光或Anti-Stokes光。長波一側為Stokes光，短波一側為Anti-Stokes光。其中，Anti-Stokes 光散射強度由處于激發(fā)態(tài)的分子個數(shù)決定，溫度越高，處于高能激發(fā)態(tài)的分子越多。因此，Anti-Stokes 光的強度直接受環(huán)境溫度的影響。然而，Stokes 光與溫度無關，所以兩者光強的比值只與光纖所處環(huán)境的溫度有關。因此，將Stokes 光作為拉曼散射參考通道，用來消除光信號噪聲，同時還可以有效地消除光源的不穩(wěn)定和光纖傳輸過程中存在的損耗影響。通過檢測兩者光強度的比值，就可以得到光纖所處環(huán)境的溫度信息，這便是DTS 技術的基本原理，如圖2 所示。

外差分布式振動傳感(hDVS)原理則是基于光的后向瑞利散射效應，利用窄線寬激光源在光纖中產(chǎn)生的相干瑞利散射對光纖應變變化的高度敏感性，結合光反射原理，可對與分布式光纖相作用的環(huán)境振動和聲波信息進行長距離、高時空精度的監(jiān)測。外差是一種信號處理技術，通過組合或混合兩個頻率來創(chuàng)建新頻率。外差用于將一個頻率范圍轉(zhuǎn)移到另一個新的頻率范圍。hDVS將2個或多個光信號混合在一起，以創(chuàng)建較低頻率的外差或差拍信號。由于光的頻率非常高，在太赫茲范圍內(nèi)，檢測和轉(zhuǎn)換較低頻率的拍頻信號并轉(zhuǎn)換為電信號比嘗試以它的固有頻率處理激光信號要容易得多，而且光纖上的任何應變引起的相位差也保持在較低頻率的差拍信號內(nèi)。

圖2 DTS 測溫原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of DTS temperature measurement principle

2.3 關鍵測試裝備

水平井套管內(nèi)泵入式光纖監(jiān)測設備主要包括光滑光纖電纜(見圖3)、分布式溫度傳感測試系統(tǒng)(DTS)和外差分布式振動傳感測試系統(tǒng)(hDVS)。

圖3 光纖電纜結構示意圖Fig.3 Schematic structure of optical fiber cable

其中，光滑光纖電纜外部由聚合物外皮封裝，內(nèi)部裝入1根多模光纖和2根單模光纖，緊密耦合封裝技術保證對井筒內(nèi)的振動或溫度變化更敏感。在保留兩芯同軸電纜功能的同時，實現(xiàn)了外差分布式振動剖面(hDVS)和分布式溫度剖面(DTS)功能。其具有外皮光滑、摩阻小、耐腐蝕、壽命長、無需注脂密封、環(huán)境友好、井口壓力設備輕便及操作容易等特點。

2.4 主要測試流程

從水平井第2壓裂段開始，首先泵送可溶球座和多簇射孔工具串至射孔位置，完成球座坐封丟手和多簇射孔作業(yè)后起出工具串。然后在井口切換光滑電纜防噴器，泵入光滑光纖電纜。其底部工具串(攜帶與可溶球大小一致的模擬球)與球座密封后，啟動該段的壓裂作業(yè)，如圖4所示。壓裂過程中實時測量外差分布式振動剖面(hDVS)和分布式溫度剖面(DTS)，通過實時瀑布圖顯示壓段內(nèi)各射孔簇進液(砂)情況，幫助實時決策暫堵轉(zhuǎn)向劑投入最佳時機。壓裂結束，提出光滑光纖電纜及井下工具串，切換橋射井口防噴器，開始下一段的橋射作業(yè)，泵入光滑光纖電纜和壓裂。如此重復，直至完成全井的壓裂和測試作業(yè)。

圖4 主要測試流程圖Fig.4 Flow chart of main test

3 現(xiàn)場先導性試驗

3.1 試驗井基本概況

華H-A井位于鄂爾多斯盆地隴東慶城頁巖油示范區(qū)，水平段長1 799 m，鉆遇率88.3%，設計壓裂24段，單井液量3 5525 m3，砂量3 725 m3，單段射孔4～10簇。該井設計采用射孔限流+顆粒暫堵的方式提高多簇起裂有效性，并選取第3、4段開展泵入式光纖先導性測試。其中第3段設計采用定面射孔8簇，每簇0.4 m，每簇4孔，共32孔；入地液量1 460 m3，加砂量154.6 m3，排量10 m3/min；采用一級暫堵，顆粒型堵劑40 kg。第4段采用定面射孔7簇，每簇0.4 m，每簇4孔，共28孔；入地液量1 318 m3，加砂量137.9 m3，排量10 m3/min；采用一級暫堵，顆粒型堵劑40 kg。

3.2 測試結果分析

3.2.1 多簇起裂效率分析

第3段光纖測試結果如圖5所示。

圖5 第3段光纖測試結果Fig.5 Optical fiber test for Stage 3

由圖5可知，該段提排量過程中各簇先后起裂進液：在排量為0.5～2.0 m3/min階段，第1、2簇率先起裂；排量提至10.0 m3/min過程中，其他各簇相繼起裂開始進液，多簇起裂效率達到100%。

第4段光纖測試結果如圖6所示。由圖6可知：在排量提至1.8 m3/min過程中，第1、2簇率先起裂；繼續(xù)提排量至6 m3/min階段，第2、3、4、5簇起裂進液；排量提至設計10 m3/min后，第6、7簇也起裂，全段開始進液，多簇起裂效率達到100%。

圖6 第4段光纖測試結果Fig.6 Optical fiber test for Stage 4

3.2.2 暫堵轉(zhuǎn)向效果分析

通過反演各簇進液量來看：第3段暫堵前，第1、6、7簇進液略多(見圖7)；暫堵劑進入地層后以第1～4簇進液為主，第5～8簇停止進液(見圖8)，暫堵效果明顯。

圖7 第3段暫堵前各簇進液(砂)量比例圖Fig.7 Proppant/liquid ratio for each cluster before temporary blocking of Stage 3

圖8 第3段暫堵后各簇進液(砂)砂量比例圖Fig.8 Proppant/liquid ratio for each cluster after temporary blocking of Stage 3

第4段暫堵前以第4～7簇進液為主(見圖9)，第1簇少量進液；暫堵后第2～5簇停止進液，第6、7簇為主進液通道，第1簇進液增加(見圖10)。該段雖然通過暫堵改變了簇間液量分配，但暫堵前后第2、3簇進液量都較少，改造不夠充分，而第7簇受到過度改造。

圖9 第4段暫堵前各簇進液(砂)砂量比例圖Fig.9 Proppant/liquid ratio for each cluster before temporary blocking of Stage 4

圖10 第4段暫堵后各簇進液(砂)砂量比例圖Fig.10 Proppant/liquid ratio for each cluster after temporary blocking of Stage 4

3.2.3 多簇延伸均衡性分析

從第3、4段各簇進砂(液)總量對比來看，各簇間差異較明顯(見圖11和圖12)。

圖11 第3段總計各簇進液(砂)砂量比例圖Fig.11 Proppant/liquid ratio for each cluster of Stage 3

第3段各簇間進液量及進砂量的差異最大分別達到10.2%和14.0%；第4段各簇間進液量及進砂量的差異最大分別達到12.7%和17.5%。各簇所進的砂液量差異明顯，表明各簇裂縫雖然起裂，但延伸并不均衡，其中第3段的第1～4簇以及第4段的第7簇延伸距離較遠。

圖12 第4段總計各簇進液(砂)砂量比例圖Fig.12 Proppant/liquid ratio for each cluster of Stage 4

3.2.4 多簇起裂順序相關性分析

通過測井曲線數(shù)據(jù)測算了2段各簇位置最小水平地應力(見圖13和圖14)。對照光纖監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，各簇起裂順序與最小水平地應力有較好的正相關性，最小水平地應力越小的簇越容易起裂。以第4段為例，該段第1、2簇處最小水平地應力較小最先起裂，在后續(xù)提排量過程中第3、4、5簇相繼起裂，第6、7簇最小水平地應力較大最后起裂。

圖13 第3段各簇位置最小水平地應力Fig.13 Minimum horizontal principal stress at each cluster in Stage 3

圖14 第4段各簇位置最小水平地應力Fig.14 Minimum horizontal principal stress at each cluster in Stage 4

4 結 論

(1)慶城頁巖油水平井分段多簇細分切割體積壓裂通過射孔限流+顆粒暫堵方式能夠?qū)崿F(xiàn)多簇100%完全起裂，但各簇進液和進砂量差異明顯，表明各簇裂縫延伸并不均衡。

(2)分段多簇壓裂過程中各簇裂縫起裂主要受最小水平地應力影響，各簇起裂順序與最小水平地應力正相關，最小水平地應力越小，越容易起裂。

(3)水平井套管內(nèi)泵入式光纖監(jiān)測技術能夠全過程實時監(jiān)測壓裂過程中各簇起裂及進液(砂)砂情況，工藝便捷高效，適應性較強，應用前景較好。