水力裂縫形態(tài)室內(nèi)試驗與現(xiàn)場監(jiān)測

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1、摘要本文對目前國內(nèi)外了解裂縫形態(tài)的技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，分為室內(nèi)實驗和現(xiàn)場監(jiān)測兩部分，分別對其技術(shù)原理進(jìn)行了闡述，并對幾種現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了對比，加深了對裂縫監(jiān)測技術(shù)的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，提出面對復(fù)雜地層，應(yīng)該結(jié)合不同監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以更好指導(dǎo)生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：室內(nèi)試驗；裂縫監(jiān)測；水力壓裂10一、前言當(dāng)今石油儲量日漸消耗，需求卻逐日增長，這對石油產(chǎn)量提出了更高的要求。而每年產(chǎn)量的提高除通過探測新油氣儲存區(qū)外，低滲透儲層或者老舊油區(qū)的剩油、稠油、重油等也開始受到重視，而其中低滲油藏的油氣資源是現(xiàn)今利用最多的一種，成為能源主要的供應(yīng)來源之一。但是對低滲透儲層中油氣的開采，需要通過特別的處理手段，才能夠?qū)?/p>

2、現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開采，水力壓裂是目前各大油田中常用的增產(chǎn)手段。水力壓裂形成的人工裂縫的形態(tài)是壓裂施工是否成功的關(guān)鍵之一，對不同條件下壓裂裂縫形態(tài)的研究具有重要意義。由于實際上壓裂施工是在井下進(jìn)行操作，壓裂效果只能通過壓裂工人的經(jīng)驗以及壓裂井壓后的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，或通過壓裂施工的破裂壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行粗略判斷。這些方法存在如下問題：（1）經(jīng)驗性。即解釋結(jié)果受操作者的經(jīng)驗限制較大，對于比較陌生的地層，其結(jié)果與實際條件存在較大差距。（2）精度較低。沒法準(zhǔn)確判斷人工裂縫的走向和方位，裂縫參數(shù)的計算。（3）施工復(fù)雜，周期長，成本高。（4）推廣困難。一個地區(qū)的經(jīng)驗很難用到地層條件有差異的地區(qū)。因此，本文通過調(diào)研，

3、對目前室內(nèi)和現(xiàn)場常用的裂縫形態(tài)研究和監(jiān)測手段進(jìn)行了綜述。一、室內(nèi)實驗?zāi)壳?，水力裂縫形態(tài)的室內(nèi)研究主要是通過裂縫模擬實驗系統(tǒng)進(jìn)行。最早進(jìn)行室內(nèi)實驗的是AbbasAliDaneshy[1]，通過自行研制的實驗系統(tǒng)對地層存在弱面條件下裂縫的延伸規(guī)律進(jìn)行了研究。此后國外又有眾多學(xué)者[2][3][4]通過裂縫模擬實驗系統(tǒng)對不同地層條件下的裂縫形態(tài)進(jìn)行了研究。而目前國內(nèi)只有石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)實驗室[5]擁有一套自行設(shè)計組建的大尺寸真三軸模擬試驗系統(tǒng)。近些年，隨著水平井重要性的不斷上升，對水平井裂縫形態(tài)的研究也顯得尤為重要。國外，代表性的研究工作是W.ElRabaa對水平井起裂裂縫的幾何形狀的試驗研究

4、。國內(nèi)，史明義等[6]對中國石油大學(xué)(北京)巖石力學(xué)試驗室組建的一套大尺寸真三軸模擬試驗系統(tǒng)進(jìn)行了改造和完善，使這套系統(tǒng)也能夠?qū)λ骄芽p形態(tài)問題進(jìn)行研究。101.1實驗系統(tǒng)組成室內(nèi)裂縫模擬實驗系統(tǒng)主要組成部分有試驗架、伺服增壓泵、聲發(fā)射儀、穩(wěn)壓源、油水隔離器及其他輔助裝置等，其整體結(jié)構(gòu)如下圖[6]所示。圖1.1大尺寸真三維裂縫模擬實驗系統(tǒng)1.2實驗流程將試樣放入壓機(jī)后，安裝聲發(fā)射探頭，接出信號線，然后安裝壓力板和壓機(jī)的其它部件。試樣安裝完畢后，由液壓穩(wěn)壓源施加三向圍壓。再根據(jù)選定的泵排量向模擬井筒泵注壓裂液，直到試樣破裂。在開始泵注壓裂液的同時，啟動聲發(fā)射儀監(jiān)測泵注過程中的聲發(fā)射信號，啟動與

5、伺服控制器連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄泵注壓力和排量等參數(shù)。試樣破裂后，觀察形成的裂縫形態(tài)。1.3技術(shù)評價1.3.1主要應(yīng)用方向根據(jù)文獻(xiàn)[5]，目前實驗系統(tǒng)的主要研究方向在于：（1）裂縫形態(tài)的直觀試驗。方法是用有機(jī)玻璃等透明材料做為試樣，便于直接觀察裂縫擴(kuò)展的過程和形態(tài)。（2）非固結(jié)表面對裂縫垂向擴(kuò)展的影響。主要研究界面性質(zhì)的影響。（3）層狀介質(zhì)對裂縫垂向擴(kuò)展的影響。主要研究壓裂層與隔層間水平地應(yīng)力差、彈性模量差、斷裂韌性差等因素對裂縫垂向擴(kuò)展的影響。（4）多裂縫擴(kuò)展的模擬研究。101.3.2特點根據(jù)調(diào)研，本文認(rèn)為目前室內(nèi)物理模擬實驗存在的問題有（1）對水平井進(jìn)行物理模擬難度較大。室內(nèi)實驗與現(xiàn)場實

6、際條件的相似性還有差距。（2）難以模擬復(fù)雜的地層條件。而室內(nèi)物理模擬實驗具有如下的優(yōu)點：（1）有利于研究人員直觀的了解和觀察裂縫的形態(tài)，這在現(xiàn)場施工時是不可能辦到的。（2）有利于對某個的影響因素進(jìn)行單獨研究，受其余因素干擾小。（3）研究周期短，費(fèi)用低。二、現(xiàn)場監(jiān)測室內(nèi)實驗只能夠模擬較為簡單的井底條件，在實際地層條件下，裂縫的形態(tài)往往更為復(fù)雜，這個時候，要對裂縫形態(tài)進(jìn)行研究，就需要借助現(xiàn)場的監(jiān)測方法，主要包括4種方法：微地震監(jiān)測技術(shù)（地面與鄰井），電位法裂縫測試技術(shù)，地面測斜儀裂縫監(jiān)測技術(shù)，壓后測井檢測。2.1微地震裂縫監(jiān)測技術(shù)微地震壓裂監(jiān)測技術(shù)的主要依據(jù)是在水力壓裂過程中，裂縫周圍的薄弱層面的

7、穩(wěn)定性受到影響，發(fā)生剪切滑動，產(chǎn)生了類似于沿斷層發(fā)生的“微地震”，微地震輻射出彈性波的頻率相當(dāng)高，一般處在聲波的頻率范圍內(nèi)。這些彈性波信號可以用精密的傳感器在地面井和鄰井探測，并通過數(shù)據(jù)處理分析出有關(guān)震源的信息。記錄這些微地震，并進(jìn)行微地震震源定位，由微地震震源的空間分布可以描述人工裂縫的輪廓。對于4D微地震監(jiān)測方法，引入了時差變量，通過不同微地震事件到達(dá)的時間來區(qū)分不同裂縫產(chǎn)生的事件[7]。微地