水力压裂实时监测

172009年秋季刊水力压裂实时监测水力压裂裂缝在延伸过程中通常会发出声响。灵敏的阵列检波器能够检测到这些微地震波，因此能够确定裂缝位置。利用新算法和新程序，分析软件在半分钟内就能完成上述工作。这样，作业人员就能远程修改压裂施工参数，并实时获得修改后效果的反馈信息。在水力压裂作业中，作业人员无法看到裂缝向哪里延伸，但如果仔细“聆听”，他们能“听到”裂缝延伸的声音。随着压裂液被泵入深埋的地层，在形成裂缝的过程中地层发出一连串嘎吱声。应用新技术能够很快识别出此类微震波发生的位置，并通过使用转向剂把裂缝引向特定区域。确定裂缝所在位置并影响其开发的这种能力具有巨大的经济意义，特别是在非常规天然气远景区，如致密含气砂岩和含气页岩。大量非常规天然气储量都被圈闭在致密地层中，这类地层渗透率特别低，如果不实施水力压裂措施通常不能获得经济产量。目前针对含气页岩进行的大部分压裂活动都集中在美国得克萨斯北部的Barnett页岩，另外在美国境内其他地区的含气地层也进行了类似的增产活动，如Fayetteville页岩、Haynesville页岩以及最近开采的Marcellus页岩。目前压裂增产技术的应用也不断扩展到其他国家。业界应用多种方法监测水力压裂措施的效果，如压力分析、温度和生产测井、放射性示踪剂、井眼成像、井下视频、测斜仪绘图以及微震监测等[1]。另外，通过试井和产量分析也能提供反映裂缝特征的间接信息。上述大部分方法都是在压裂措施完成后才应用或进行分析研究的。而利用微震监测（MSM）能够实时观察裂缝延伸情况，因此作业人员能够提前对裂缝进行评估分析，并根据需要改变裂缝形成过程。微震波是岩石微弱运动产生的声波。这种声波能在水力压裂及其他作业如液体开采，水、气或蒸汽驱，或地层压实过程中发生。它们基本上属于微地震。压裂施工中检测到的微震的地震矩规模Mw介于－1和－3之间[2]。DonaldN.BurchAspectAbundantShale,LP美国科罗拉多州丹佛JohnDanielsMattGillardWilliamUnderhill美国得克萨斯州SugarLandVictorArielExler墨西哥韦拉克鲁斯州PozaRicaLucianoFavorettiPluspetrol阿根廷NeuquénJoëlLeCalvez美国得克萨斯州达拉斯BrunoLecerfDmitryPotapenko俄罗斯新西伯利亚LeonardoMaschioJorgeAdrianMoralesPluspetrol阿根廷布宜诺斯艾利斯MichaelSamuelson美国俄克拉何马州俄克拉何马城MauroIvanWeimann阿根廷布宜诺斯艾利斯《油田新技术》2009年秋季刊：21卷，第3期。©2009斯伦贝谢版权所有。在编写本文过程中得到以下人员的帮助，谨表谢意：布宜诺斯艾利斯的NellyanaCharmeloSilva；里约热内卢的MarioGalaguza；SugarLand的RickKlem和JohnLassek；加拿大艾伯塔省卡尔加里的ShawnMaxwell，以及美国阿肯色州小石城阿肯色地质调查局的EdRatchford。ECLIPSE，FracCADE，InterACT，NetMod，Ocean，Petrel，StimMAP，StimMORE和VSI等是斯伦贝谢公司的商标。1.关于水力压裂和水力压裂监测的介绍，请参见：BennettL，LeCalvezJ，SarverDR，TannerK，BirkWS，WatersG，DrewJ，MichaudG，PrimieroP，EisnerL，JonesR，LeslieD，WilliamsMJ，GovenlockJ，KlemRC和TezukaK：“水力压裂监测新方法”，《油田新技术》，17卷，第4期（2005年冬季刊）：42-57。2.地震矩规模是衡量地震强度的一种标准，类似于大家较为熟悉的里氏震级。3.美国能源部：“MicroseismicMonitoring：RevealingWhatIsGoingonDeepUnderground”，（2009年8月3日浏览）。有关早期测试结果的实例，请参见：PowerDV，SchusterCL，HayR和TwomblyJ：“DetectionofHydraulicFractureOrientationandDimensionsinCasedWells”，JournalofPetroleumTechnology，28卷，第9期（1976年9月）：1116-1124；也可参加SPE5626。4.可从得克萨斯铁路委员会网站页岩和其他得克萨斯州油气田的批准统计数据。18油田新技术目前在非常规气田应用的MSM技术由美国能源部资助的研究项目发展而来，这些研究先后在位于新墨西哥州的LosAlamos国家实验室和Sandia国家实验室进行[3]。二十世纪90年代后期，非常规气田的声波监测活动开始明显活跃起来。因为Barnett页岩需要压裂，所以一直以来Barnett页岩也成为微震作业的试验台。在Barnett页岩中钻直井于2002年达到高峰，同时水平井和定向井的数量也从此不断攀升（右图）[4]。许多5－7年前投产的直井如今因为产量下降而正在进行二次压裂作业[5]。07:43时间，时:分08:2909:1510:0110:4611:32300自然伽马，gAPI1002520040220100160横波，μs/ft4,0003,0002,0001,0000许可数量年份200020012002200320042005200620072008水平井和定向井直井^得克萨斯州铁路委员会备案的Barnett页岩远景区钻井许可数量。直井的许可数量在2002年达到高峰，而水平井和定向井的许可数量截至2008年还在继续攀升。192009年秋季刊一些作业者在初次实施压裂措施时使用了MSM，二次压裂过程中获得的新微震图补充完善了老的MSM资料。补充资料有助于作业人员确定二次压裂的效力，特别是当用StimMapLive诊断工具这种新方法进行资料处理时。收到实时数据后半分钟内就能把有用信息提取出来，使得作业人员能够及时调整施工参数，以实现地层接触最大化，避免压裂裂缝偏出地层，或进入地质灾害层。水平井钻进日益普遍，因此针对水平井钻进的其他技术应运而生。水平井压裂一般都分阶段进行。对部分井段进行射孔、水力压裂，然后封闭起来，再对另一井段进行射孔和压裂。MSM与实时绘图相结合，可帮助作业人员确定每一井段都恰当实施了增产措施后才进入下一阶段。当与定向或重新定向压裂进程的手段有机结合起来时，这种快速信息反馈就变得尤其有用。StimMORE技术利用转向剂改变裂缝方向，连续StimMAPLive监测技术给出裂缝延伸方向改变后的效果。本文对非常规含气层实施水力压裂措施时的实时监测和转向服务进行了介绍，并讨论了转向剂的实验室评价结果，以指导油田应用。文中的实例包括阿根廷致密含气砂岩和美国阿肯色州某页岩水力压裂实时监测，以及得克萨斯州利用转向技术控制水平井压裂的效果。微震监测技术潜力评价通过检测裂缝形成过程中发出的声波，监测裂缝形成情况，对诊断处理措施是否成功非常有效，但也具有一定的局限性。目前不可能从处理井监测裂缝的形成情况，因为井筒环境噪音大，因此都把监测传感器部署在邻井中[6]。而且，由于声波在地层中传播时信号会不断衰减，因此处理井和监测井都必须在一定的距离范围内，该距离与地层特征和设备限制有^微震信号和传播损失。微震能量发射与方向有关。例如，沿平面裂缝发生的微小滑动就会造成最大的水平剪切能量（SH），沿裂缝平面传播，并与裂缝平面垂直（极性相反），而产生的纵波能量瓣偏移45°（上）。微震能量随传播距离的增加而不断衰减，这里表示的是P波。另一方面，随着地震波的传播，能量也会不断减弱，因为地层本身就是一个有损耗的介质。在地层界面处，一些能量发生反射，一些能量发生透射。因为速度不同，P波和S波的反射波传播角度是不同的。在给定检波器网的位置和地层模型条件下，利用NetMod软件可以预测地震波位置的不确定性（左下），和检测地震矩规模为－1.5的地震波的能力（右下）。ࠦᆶປ३–+–+++––SࢅPPհSHհݒพࢅཪพ໦฿ॠհഗSP–0.5–3.5MW=–1.50100փඓۨႠLj௝႑ࡽޗ܈关。成功概率可通过作业前模拟确定。进行测量设计和评估时有两个关键因素要考虑。一个是地震波强度是否足以被检测出，这与环境和信号源有关，取决于地层和裂缝属性，并受泵压和泵速的影响。第二点是检波器几何排列在给定弹性参数（影响信号传播）下是否合适。这由检测能力确定，而检测能力的设计和可控制程度相比第一个因素要大。建立速度模型对测量设计进行评估。速度模型使用NetMod模拟软件，它是一款用于Petrel软件的Ocean插件（请参见“多功能开放式软件设计”，第45页）。利用井下声波测井仪记录的纵波和横波速度能够建立地下速度模型。该速度模型对检波器网的性能提供了一种定量预测，包括检测指定裂缝区地震波的能力和在转换地震波方位时的不确定程度。可对不同检波器网的位置进行评估分析，尽可能提高地震波检测能力，并降低地震波发生位置的不确定性。该模型随后用于压裂作业中，帮助进行地震波解释。20油田新技术裂缝或断层移动引起的微震信号并非沿各方向均匀传播。纵波和横波具有不同的方向依赖性，某些方向上两种信号都很强，而另一些方向上几乎不存在。这种瓣状能量传播与产生信号的具体移动类型有关。如果移动类型和移动方向已知，用建模软件就能结合具体能量传播模式模拟检波器网的响应；如果移动类型和移动方向未知，就采用球形平均模式。利用NetMod软件能够分析能量的传播损失和地层对信号的影响（前一页，下图）。根据指定接收器网络得出一个典型3D预测结果，预测对象是那些能被检测且震源位置不确定性最大的最小地震矩规模的地震波。此类3D预测图有助于确定检波器网的最佳布置方式，并可用来挑选最佳MSM候选井。检波器网到微震震源的距离是决定所接受信号频率的的一个重要因素。这种影响来自两种互补的孕震性200m0.25ms0.5ms1.0ms2,0001,0000拐角频率，HzMW=–0.1MW=–2MW=–410–7频率，Hz10–910–11102104100频谱密度，m/Hz^频率相关图。频谱密度图（插图）表示弱、一般、强三种微震源的频率成份（分别是Mw=－4，－2和－0.1）。在频率高于某个被称为拐角频率的点处，频谱密度迅速降低。强地震波的拐角频率比弱地震波的拐角频率低。而且，高频信号衰减较快，因此震源到检波器的距离是一个非常关键的因素。利用NetMod软件能够预测检波器检测给定拐角频率的能力。图中的椭圆表示采样率分别为0.25ms、0.5ms和1ms检波器的外部极限值。质。第一个是高频信号比低频信号衰减更快。因此，对于已知震源-检波器距离，更多原始低频成份能够传播到检波器处。第二种性质是震源的频谱密度。大震级地震波产生的低频成份比小震级地震波产生的低频成份多。两种性质共同作用，结果就限制了探测深度。对高频信号敏感的检波器对附近地震波有效，但这种优势随着地震波的距离渐远而衰退。实施压裂措施前，可用NetMod软件预测检波器网对地震信号频率的限制（上图）。斯伦贝谢软件能够利用生产数据和全油田地质资料筛选措施井。过去7年来Barnett页岩气田很多老井都实施了压裂增产措施，对新井的压裂施工也在继续。随着时间的推移，部分通过压裂才被开采的气藏产量不断递减，因为渗透率低，来自气藏其他部分的液流不足以维持一定的产量。3－5年内，天然气产量下降到高峰期产量的20%－30%[7]。这些井成为重新压裂的候选井，目的是从现有井眼打通气藏未开采部分。实时监测压裂情况在压裂作业过程中，检测微震波和确定其位置两个时间点之间的滞后时间非常关键。数据处理延迟1