管外光纤监测压裂单簇裂缝延伸强度现场试验

吴宝成，王 佳，张景臣，王明星，王 飞，闫 拓

1中国石油新疆油田分公司工程技术研究院 2中国石油大学(北京)

0 引言

随着国内外非常规油气藏的勘探开发，水力压裂技术得到广泛应用，裂缝的扩展是影响水力压裂效果的关键因素[1]。新疆油田石炭系火山岩油藏蕴含致密油气潜力巨大，但储层非均质极强，前期尝试暂堵压裂等储层改造技术均不能达到很好的效果，分析原因在于采用多种监测手段得出裂缝结果相差较大，无法实时准确的确定裂缝的情况[2]。为保证压裂效果，需要了解压裂过程中裂缝的扩展动态，以便针对性的制定二次增产改造方案。现有压裂监测评价技术包括微地震裂缝监测[3]、非放射性示踪陶粒[4]、放射性示踪剂[5]、套管外永久式光纤监测[6]等。2008年陈文强[7]等人利用放射性示踪剂推导出的多种地层参数，该技术施工简单、易于操作，但检测时间过长、取样复杂、检测结果重复性差。2014年李明[8]等人采用微地震监测技术对东营致密砂岩油藏进行监测，能获取裂缝方位，但技术精度较差且价格高昂，不能满足长期的监测要求。2016年郑华[9]等人利用非放射性示踪陶粒监测水力压裂人工裂缝位置，该方法具有较高的灵敏度，但仅能获得裂缝的高度且容易受底层元素的干扰。套管外敷光纤监测技术[10]具有监测敏感性高、监测数据可靠的优势，可同时满足水平井压裂及生产实时监测与评价的需求。但水平井套管外敷光纤成功监测在国内暂无应用先例[11]，因此为解决石炭系火山岩油藏压裂开发监测困难的问题，本文率先进行水平井投球簇式滑套压裂+管外光纤监测技术的试验，通过实时的监测各层段的裂缝进液情况，针对性的指导暂堵压裂施工，从而提高储层改造效果。

1 管外光纤监测技术原理

管外光纤技术包括分布式光纤测温系统(DTS)和分布式光纤声波传感技术(DAS)。

分布式光纤测温系统(DTS)主要依靠光时域反射原理，对井筒沿线的温度进行测量。在对温度进行测量时，地面激光发射器向光纤中发射脉冲光，脉冲光在传播过程中一部分会向四周散射，另一部分会沿着光纤返回至入射端，通过测量脉冲光纤返回至地面入射端的时间，从而测量出井底反射信号点与地面发射端的距离。计算公式如式(1)：

L=cft/2

(1)

式中：L—井底反射信号点与地面发射端的距离，m;cf—光在光纤中的传播速度，m/s；t—回波时间，s。

地面接收系统通过反射信号强度，解析出Stocks光和Anti-Stokes光，其中Stocks光与温度无关，Anti-Stokes光与温度有关，通过Anti-Stokes光和Stocks光的光强比值即可获得反射点的温度[12]。计算公式如式(2)：

(2)

式中：T—绝对温度，K；h—普朗克系数，J·s；c—真空光速，m/s；v—拉曼平移量，m-1；k—玻尔兹曼常数，J/K；a—相关温度系数；las—Anti-Stokes光的光强；ls—Stocks光的光强。

温度监测时通过公式(1)及公式(2)即可计算出光纤沿线上指定距离点的温度，即单点温度。将光纤沿井筒分为多个1 m间距的测试点，将每个测试点的温度测试出来，即可实现沿整个井筒的温度监测。

分布式光纤声波传感技术(DAS)主要通过测量光信号的强弱反推出声音或振动强度。图1(a)所示，振动幅度越大则表明该位置进液强度越大[10]，振动幅度的波峰处表示监测点位置，井段各个监测点的声波振动幅度均较大，说明各段进液强度均较大，各裂缝均持续进液，此段整体改造较充分。图1(b)所示左侧井段监测点振动幅度较大，右侧井段监测点幅度相对较小，表明左侧井段进液强度较大，右侧井段进液强度较小，整个井段进液不均匀，改造不充分。

图1 井段进液强度示意图

2 管外光纤监测主要设备

自主设计了水平井投球簇式固井滑套分压+管外光纤监测管柱工艺，可实现水平井单段多簇压裂模式下，对各簇开启及进液的实时监测与评价。

核心设备包括可穿越光缆滑套、可穿越光缆的分瓣式套管接箍滚轮扶正器、接箍刚性扶正器、套管本体扎带等外敷监测光缆固定保护装置、特殊光缆、井口光缆套管头技套侧翼穿越闸阀。为保证光纤监测结果能实时指导压裂施工，配套研发了DAS+DTS光纤监测解释处理可视化软件，结合声波数据、温度数据、压裂数据，实时监测获取每段各簇的进液量、进砂量和生产时的产液量等参数。

2.1 特殊光纤

为了满足抗外挤、抗磨损、耐腐蚀的要求，对光纤进行了特殊处理。在光纤的外层安装金属铠装护套，提高光纤的强度和密封性，在光纤两测安装多股柔性镀锌加强钢丝，以增强光纤的抗拉强度。同时，光纤与钢丝之间进行注塑充填，以提高光纤的耐温性能。该光纤能达到耐温100 ℃，耐压105 MPa，最大破断拉力8 t，具有良好的耐温、抗拉性能。

2.2 信号采集器

采用德国APS公司、英国ESM公司进口的DTS和DAS信号采集器，压裂施工中将实时记录光纤沿线声波和温度的变化数据，并处理成可视化信号空间分辨率为1 m，时间上声波数据为20 000次/s，温度数据为1次/30 s。DTS信号采集器用于监测光纤沿线温度的变化，监测长度大于5 km，监测温度范围20～170 ℃，能监测小于0.1 ℃的温度变化，温度变化响应时间小于5 s。DAS信号采集器用于监测光纤沿线上振动幅度的变化，监测长度大于5 km，监测声波频带范围10 Hz～100 00 Hz，响应时间小于5 s。DTS和DAS实现实时监测压裂过程中温度变化和声波振动信号。

2.3 簇式滑套

为了有效保护光纤，设计了可穿越光纤的簇式滑套，如图2所示。滑套中设计了可穿越光纤的凹槽，光纤卡入凹槽后，用保护护板将光纤固定，防止光纤入井时与井壁接触。滑套的压裂喷砂口是单侧180°均匀分布的，确保光纤在压裂过程中得到有效保护。簇式滑套耐温120 ℃，耐压70 MPa，钻后通径115.4 mm。

图2 簇式滑套示意图

3 现场试验

3.1 A井地质概况

现场选取A井作为试验井，属于新疆油田石炭系油藏，构造位于克—乌断裂带上盘和西白百断裂下盘，开发层位为上石炭统和下石炭统，主要岩性为灰色、深灰色荧光凝灰岩(566 m)、深灰色荧光安山岩(92 m)，井深1 620 m，水平段长度670 m，储层层孔隙度13.4%～18.7%，平均16.8%，渗透率6.23～187.4 mD，平均38.46 mD，地温梯度为2.2 ℃/100 m。根据现场测试，A井井筒温度分布如图3所示，随着井深的增加，储层温度不断提高，井深为900 m时到达水平段，由于垂深增加缓慢，地层温度缓慢增加。管外光纤测试的储层温度与地温梯度计算的温度相差不大，表明管外光纤测温比较准确。当以12 m3/min排量进行测压时，管外光纤测试的温度小于温度梯度计算的温度，这主要是大量低温液体进入储层，降低了储层温度。

图3 A井井筒温度分布图

3.2 光纤校深及原始数据录取

压裂前，需要采用井口敲击和热风枪加热的方式分别进行光纤DAS、DTS位置校深，并录取井下原始温度与原始噪声。通过校深可知光缆校深定位与入井深度数据偏差仅为0.8 m。水平段原始温度为42.1～44.3 ℃，与地质预测偏差小于1.6 ℃。由原始背景噪声显示，井下无特殊高频噪音区域。由以上分析，该井适合管外光纤监测技术。

3.3 A井施工概况

遵循地质甜点为前提、段内优选应力差异小及低地应力区域、满足投球簇式滑套+管外光纤监测试验需求的分段分簇原则，A井水平段长670 m，经研究共分为6段23簇，簇间距28.86～30.24 m，平均25.5 m，井身结构示意见图4。设计施工排量12～14 m3/min，支撑剂选取40/70目与30/50目石英砂，平均砂比15%，最高砂比27%。采用管外光纤技术对A井的施工情况进行实时监测，对于改造不均匀的层段，采用暂堵剂进行转向压裂改造，暂堵剂采用耐温40 ℃、保持硬度时间达16 h以上、耐压50 MPa的暂堵球。

图4 A井井身结构示意图

3.4 实时监测及压裂指导

以具有代表性的第3级压裂为研究对象，该级共4簇,为S3-1、S3-2、S3-3、S3-4。设计施工排量12～14 m3/min，第一次压裂的DAS测试结果如图5所示，通过实时监测，压裂过程中S3-1簇、S3-2簇声波振动幅度最为明显，S3-3簇、S3-4簇声波振动幅度非常弱，表明第一次压裂阶段S3-1簇、S3-2簇是主要的进液段，进液占比分别为23%、56%，由此可知第一次压裂阶段S3-1簇、S3-2簇得到了充分的改造。按照S3-3和S3-4两簇未完全改造的情况进行暂堵设计，先后进行不同材料组合的3次暂堵作业,暂堵后各簇振动幅度如图6所示。暂堵前后各簇进液量对比变化如图7所示，暂堵后S3-1簇进液量从23%降到15%，S3-2仍是主进液段,S3-3簇进液量从20%上升到30%，S3-4自始至终基本未变。暂堵起到了一定的效果，但暂堵前后主要进液仍然集中在S3-2主力簇，出现“强者恒强”现象。

图5 A井第3级暂堵前DAS测试结果图

图6 A井第3级暂堵后DAS测试结果图

图7 A井第3级多次暂堵前后各簇进液量对比变化图

通过DAS数据分析发现，投球入座每级的最后一个滑套球座后，实现了每级各簇滑套的破裂盘的开启，证实簇式滑套开启节流压差设计合理，工具可靠。“强者恒强”现象的可能原因是暂堵球无法顺利到底封堵口或者嵌入不牢，并且石炭系储层天然裂缝发育，缝口宽，暂堵剂封堵缝口难；低闭合应力下，暂堵剂封堵缝口后，随着压力升高，裂缝持续张开，封堵效果变差。

A井第3级压裂监测结果显示光纤振动和温度信号清晰准确，直观准确实时地展示了各簇簇式滑套投球入座、滑套开启、不同泵注阶段各簇进液量变化及暂堵转向效果等实时动态信息，监测结果有效。基于该现场试验形成了一套实时调整封堵材料、改进压裂方案的方法。

3.5 生产效果

DAS监测技术能实时了解改造层段的动态变化，根据改造不充分的情况，实时制定出二次或多次改造的方案，从而最大限度的提高储层改造效果。2021年段内多簇+极限限流+暂堵压裂技术在西北缘石炭系水平井推广应用32井次，与连续油管水力喷射拖动压裂工艺对比，一年期产量由1.67 t/m提高至1.89 t/m，产量提高13%。

4 结论

本文针对石炭系油藏在水力压裂时不能充分了解裂缝扩展情况，一般监测技术具有局限性，在现场实验应用了管外光纤检测技术，实现对地下裂缝延伸的实时监测，分析现场监测结果，得出以下结论：

(1)管外光纤监测可以实时监测井筒沿线温度变化、各簇进液量变化及暂堵转向效果的动态信息。

(2)根据管外光纤监测现场试验结果，优选段内多簇+极限限流+暂堵压裂技术，在西北缘石炭系推广应用32井次，压裂后单井平均产量提高13%，取得了良好的应用效果。