庆城页岩油泵入式光纤监测技术实践

马 兵 徐创朝 陈 强 李晓燕 张同伍

(中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院；低渗透油气田开发国家工程重点实验室)

0 引 言

近年来，长水平井分段多簇细分切割体积压裂技术成为鄂尔多斯盆地庆城页岩油规模效益开发的核心关键技术，但目前多簇起裂技术的有效性仍不清晰。多簇起裂效率一直是地质工程技术人员争论的焦点问题[1-3]，然而常规测试手段对多簇起裂效率、分簇进液情况无法定量评价[4]。目前国内使用的主流方法为套管外避射式光纤监测技术，可实时解释多簇裂缝流入、流出动态剖面，但其光纤必须在完井阶段随套管下入，压裂前需要定位和避射，作业周期长、施工成本高、实施难度大[5-10]。国外逐渐使用套管内泵入式光纤监测技术，在北美有过多口定向井成功测试案例。为了有效评价多簇起裂有效性，在庆城页岩油水平井首次引入该技术，以探究起裂有效性。

1 庆城页岩油水平井体积改造现状

鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7油藏为典型的页岩油储层，渗透率小于0.3 mD，孔隙度6%～10%[4-8]。主体采用“可溶球座+段内多簇+限流射孔+动态暂堵+高排量大液量”的长水平井细分切割体积压裂2.0工艺改造。单段定面射孔3～8簇，最高达到每段14簇，簇间距5～15 m。进液强度为20～25 m3/m，加砂强度为3.5～5.5 t/m，单个射孔孔眼排量为0.3 m3/min以上。压裂液为多功能纳米驱油变黏滑溜水，支撑剂为20/40+40/70目小粒径组合石英砂。水平井体积改造后，采用井下微地震监测发现，部分射孔簇位置无明显微地震事件点，设计改造区域存在空白带，多簇起裂有效性亟需验证[9-15]，如图1所示。

图1 华H-×井第×段微地震监测结果图Fig.1 Microseismic monitoring results of section X in Well Hua H-X

2 泵入式光纤监测技术

2.1 技术特点

每段压裂前将带有外保护的光纤泵送至套管内预定射孔段位置，实时监测压裂过程中的分布式温度剖面(DTS)和外差分布式振动剖面(hDVS)。感知压裂段内各射孔簇进液(砂)量，观察各射孔簇是否得到均衡改造，为实时决策暂堵转向剂投入最佳时机、判断转向是否成功及优化裂缝展布提供第一手资料。

该技术的最主要特点是不必随套管下入光纤，每段压裂前泵送光纤至射孔位置进行全程监测，工艺灵活，无需避射，具有便捷高效、成本低的相对优势。且可实现压裂可视化、决策实时化，能够为压裂优化设计和现场优化调整提供重要依据。

2.2 测量原理

光纤分布式测量基于时域反射原理。光时域反射是一种将光脉冲发送到光纤电缆中，并测量反射信号的返回时间和性质差异，进而获取光纤状况及其环境信息的方法[16-18]。本项测试主要应用分布式温度传感(DTS)和外差分布式振动传感(hDVS)。光纤测温原理源于后向拉曼散射对温度的敏感性。在光纤介质中，拉曼散射受光纤分子的热振动直接影响，当入射光与光纤介质发生非弹性碰撞时，光纤分子的热振动和光子相互作用将产生能量交换。此时，入射光会放出或吸收一个与光纤介质分子振动相关的高频声子，即Stokes光或Anti-Stokes光。长波一侧为Stokes光，短波一侧为Anti-Stokes光。其中，Anti-Stokes 光散射强度由处于激发态的分子个数决定，温度越高，处于高能激发态的分子越多。因此，Anti-Stokes 光的强度直接受环境温度的影响。然而，Stokes 光与温度无关，所以两者光强的比值只与光纤所处环境的温度有关。因此，将Stokes 光作为拉曼散射参考通道，用来消除光信号噪声，同时还可以有效地消除光源的不稳定和光纤传输过程中存在的损耗影响。通过检测两者光强度的比值，就可以得到光纤所处环境的温度信息，这便是DTS 技术的基本原理，如图2 所示。

外差分布式振动传感(hDVS)原理则是基于光的后向瑞利散射效应，利用窄线宽激光源在光纤中产生的相干瑞利散射对光纤应变变化的高度敏感性，结合光反射原理，可对与分布式光纤相作用的环境振动和声波信息进行长距离、高时空精度的监测。外差是一种信号处理技术，通过组合或混合两个频率来创建新频率。外差用于将一个频率范围转移到另一个新的频率范围。hDVS将2个或多个光信号混合在一起，以创建较低频率的外差或差拍信号。由于光的频率非常高，在太赫兹范围内，检测和转换较低频率的拍频信号并转换为电信号比尝试以它的固有频率处理激光信号要容易得多，而且光纤上的任何应变引起的相位差也保持在较低频率的差拍信号内。

图2 DTS 测温原理示意图Fig.2 Schematic diagram of DTS temperature measurement principle

2.3 关键测试装备

水平井套管内泵入式光纤监测设备主要包括光滑光纤电缆(见图3)、分布式温度传感测试系统(DTS)和外差分布式振动传感测试系统(hDVS)。

图3 光纤电缆结构示意图Fig.3 Schematic structure of optical fiber cable

其中，光滑光纤电缆外部由聚合物外皮封装，内部装入1根多模光纤和2根单模光纤，紧密耦合封装技术保证对井筒内的振动或温度变化更敏感。在保留两芯同轴电缆功能的同时，实现了外差分布式振动剖面(hDVS)和分布式温度剖面(DTS)功能。其具有外皮光滑、摩阻小、耐腐蚀、寿命长、无需注脂密封、环境友好、井口压力设备轻便及操作容易等特点。

2.4 主要测试流程

从水平井第2压裂段开始，首先泵送可溶球座和多簇射孔工具串至射孔位置，完成球座坐封丢手和多簇射孔作业后起出工具串。然后在井口切换光滑电缆防喷器，泵入光滑光纤电缆。其底部工具串(携带与可溶球大小一致的模拟球)与球座密封后，启动该段的压裂作业，如图4所示。压裂过程中实时测量外差分布式振动剖面(hDVS)和分布式温度剖面(DTS)，通过实时瀑布图显示压段内各射孔簇进液(砂)情况，帮助实时决策暂堵转向剂投入最佳时机。压裂结束，提出光滑光纤电缆及井下工具串，切换桥射井口防喷器，开始下一段的桥射作业，泵入光滑光纤电缆和压裂。如此重复，直至完成全井的压裂和测试作业。

图4 主要测试流程图Fig.4 Flow chart of main test

3 现场先导性试验

3.1 试验井基本概况

华H-A井位于鄂尔多斯盆地陇东庆城页岩油示范区，水平段长1 799 m，钻遇率88.3%，设计压裂24段，单井液量3 5525 m3，砂量3 725 m3，单段射孔4～10簇。该井设计采用射孔限流+颗粒暂堵的方式提高多簇起裂有效性，并选取第3、4段开展泵入式光纤先导性测试。其中第3段设计采用定面射孔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；采用一级暂堵，颗粒型堵剂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；采用一级暂堵，颗粒型堵剂40 kg。

3.2 测试结果分析

3.2.1 多簇起裂效率分析

第3段光纤测试结果如图5所示。

图5 第3段光纤测试结果Fig.5 Optical fiber test for Stage 3

由图5可知，该段提排量过程中各簇先后起裂进液：在排量为0.5～2.0 m3/min阶段，第1、2簇率先起裂；排量提至10.0 m3/min过程中，其他各簇相继起裂开始进液，多簇起裂效率达到100%。

第4段光纤测试结果如图6所示。由图6可知：在排量提至1.8 m3/min过程中，第1、2簇率先起裂；继续提排量至6 m3/min阶段，第2、3、4、5簇起裂进液；排量提至设计10 m3/min后，第6、7簇也起裂，全段开始进液，多簇起裂效率达到100%。

图6 第4段光纤测试结果Fig.6 Optical fiber test for Stage 4

3.2.2 暂堵转向效果分析

通过反演各簇进液量来看：第3段暂堵前，第1、6、7簇进液略多(见图7)；暂堵剂进入地层后以第1～4簇进液为主，第5～8簇停止进液(见图8)，暂堵效果明显。

图7 第3段暂堵前各簇进液(砂)量比例图Fig.7 Proppant/liquid ratio for each cluster before temporary blocking of Stage 3

图8 第3段暂堵后各簇进液(砂)砂量比例图Fig.8 Proppant/liquid ratio for each cluster after temporary blocking of Stage 3

第4段暂堵前以第4～7簇进液为主(见图9)，第1簇少量进液；暂堵后第2～5簇停止进液，第6、7簇为主进液通道，第1簇进液增加(见图10)。该段虽然通过暂堵改变了簇间液量分配，但暂堵前后第2、3簇进液量都较少，改造不够充分，而第7簇受到过度改造。

图9 第4段暂堵前各簇进液(砂)砂量比例图Fig.9 Proppant/liquid ratio for each cluster before temporary blocking of Stage 4

图10 第4段暂堵后各簇进液(砂)砂量比例图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

从第3、4段各簇进砂(液)总量对比来看，各簇间差异较明显(见图11和图12)。

图11 第3段总计各簇进液(砂)砂量比例图Fig.11 Proppant/liquid ratio for each cluster of Stage 3

第3段各簇间进液量及进砂量的差异最大分别达到10.2%和14.0%；第4段各簇间进液量及进砂量的差异最大分别达到12.7%和17.5%。各簇所进的砂液量差异明显，表明各簇裂缝虽然起裂，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簇延伸距离较远。

图12 第4段总计各簇进液(砂)砂量比例图Fig.12 Proppant/liquid ratio for each cluster of Stage 4

3.2.4 多簇起裂顺序相关性分析

通过测井曲线数据测算了2段各簇位置最小水平地应力(见图13和图14)。对照光纤监测结果发现，各簇起裂顺序与最小水平地应力有较好的正相关性，最小水平地应力越小的簇越容易起裂。以第4段为例，该段第1、2簇处最小水平地应力较小最先起裂，在后续提排量过程中第3、4、5簇相继起裂，第6、7簇最小水平地应力较大最后起裂。

图13 第3段各簇位置最小水平地应力Fig.13 Minimum horizontal principal stress at each cluster in Stage 3

图14 第4段各簇位置最小水平地应力Fig.14 Minimum horizontal principal stress at each cluster in Stage 4

4 结 论

(1)庆城页岩油水平井分段多簇细分切割体积压裂通过射孔限流+颗粒暂堵方式能够实现多簇100%完全起裂，但各簇进液和进砂量差异明显，表明各簇裂缝延伸并不均衡。

(2)分段多簇压裂过程中各簇裂缝起裂主要受最小水平地应力影响，各簇起裂顺序与最小水平地应力正相关，最小水平地应力越小，越容易起裂。

(3)水平井套管内泵入式光纤监测技术能够全过程实时监测压裂过程中各簇起裂及进液(砂)砂情况，工艺便捷高效，适应性较强，应用前景较好。