丛式水平井组整体压裂裂缝监测方案优选及应用

李 国 锋

(中国石化华北分公司， 郑州 450006)

中石化华北分公司大牛地气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部，面积2 003 km2，上古生界砂岩气藏埋深2 500～2 900 m，水平井开发目的层主要为太2、山1及盒1气层，是一个典型的低压、低孔、低含气饱和度的致密气藏。前期华北分公司在盒1气层采用水平井多级分段压裂工艺获得较好的改造效果，为了进一步提高盒1气层的储量动用程度，加快天然气利用水平井组进行开发的步伐，评价水平井组开发的经济技术可行性，开展了水平井组工程工艺试验。大牛地气田DP43井组是中石化第一个实施的水平井井组。

开展丛式水平井组压裂裂缝监测的目的主要是：(1)验证米字型井网丛式井组的裂缝形态；(2)实时监测压裂过程，确定裂缝实际几何学特征，同步优化调整施工参数。

1 裂缝监测方案优选

DP43H丛式水平井组全部完钻后，统一进行压裂施工，确定采用多级管外封隔器分段压裂工艺，确定压裂顺序为：2H井 → 1H井 → 4H井、6H井 → 3H井、5H井。

结合DP43丛式水平井组井场情况，对国内外常用的5种裂缝监测方法展开优化研究(表1)，根据监测对象的裂缝缝长及方位，优选出适合于丛式水平井组压裂的裂缝监测工艺。

表1 裂缝监测评价能力对比表

1.1 井下测斜仪法

根据水力裂缝引起的地层岩石形变而反演裂缝的信息。井下测斜仪距离裂缝比地面测斜仪近,因此井下测斜仪对裂缝几何尺寸更敏感,测得的变形可用于确定裂缝随时间变化的高度、长度和宽度。

要求：(1)观察井：井距300～500 m，最大斜度不能超过15°；(2)仪器放置深度：与压裂目的层段相同；(3)放置数量与长度：下井测斜仪仪器之间的连接长度要能包容压裂目的层的厚度，测斜仪底部距井底不能小于9 m，DP43井组井下仪器串长度30～35 m。

出监测结果时间：5～10 d。

优点：与裂缝发育部位距离近，对裂缝的高度、长度及宽度变化敏感，测量准确。

缺点：(1)监测井与被监测裂缝的相对位置对监测结果影响大；(2)需打6口监测井，成本较高。

该方法因监测需打6口监测井，费用高，且需5～10 d才出监测结果，因此排除此方法。

1.2 大地电位法

在被测压裂井周围(100～150 m)环形布置多组测点,采用高精度的电位(梯度)观测系统,通过实时监测注入到目的层的高电离能量的工作液所引起的地面电场形态的变化，并通过数据处理，解释推断裂缝延伸的方位和长度。

出监测结果时间：2 d。

优点：(1)地面进行，与压裂过程同步；(2)测试时间短，成本低；(3)测试资料易于解释,见效快。

缺点：(1)要求压裂液和地层水矿化度差别大；(2)对液体性能要求较高；静态监测不可能大量注入液体，而且很难找到与所有裂缝连通的注入孔，在静态原生裂缝监测中，电位法没有用武之地；(3)精度低；(4)不能监测所有压裂段(需移动接收站)。

该方法不能监测所有压裂段，且监测精度较低，因此排除此方法。

1.3 井下微地震法

压裂施工时，在邻井下入一组检波器，对压裂过程中裂缝张开形成的微地震事件进行接收，然后对数据进行处理来确定微地震的震源在空间的分布，用震源分布图解释水力压裂的缝高、缝长和方位。

出监测结果时间：可即时出结果。

优点：(1)测量速度快，精确度高；(2)微地震事件位置能够实时确定;(3)确定裂缝的长度、高度和方位；(4)具有噪音过滤能力。

缺点：(1)施工成本较高；(2)需要具备监测井的条件；(3)若信号出现相互扰动,难以判断一些微地震点的归属。

需求：(1)需监测井 — 套管固井，空井筒，1 200 m内；(2)需12级检波器，仪器下到目的层上部300～350 m；(3)需震源井 — 套管固井，空井筒，4 km内，压前方位校正。

根据初步方案，对2H、4H、6H井压裂时，选取大41井为监测井，此时监测井距监测点DP43-6H井A靶点最远距离1 010 m，满足监测要求；对1H、5H井压裂时，选取DP43-3H直井段做监测井，此时监测井距监测点DP43-5H井B靶点最远距离1 329 m，距监测点DP43-1H井B靶点最远距离1 368 m，超出了监测距离1 200 m的要求；3H井作为监测井完成对1H、5H井的监测后，无法再利用其他井进行压裂施工裂缝监测。

该方法可利用大41井做监测井，利用DP43-3H井做震源井对大41井进行方位校正，然后对2H、4H、6H井压裂施工进行裂缝监测。

1.4 地面微地震法

在地面压裂井周围环状布置一组检波器对压裂过程中裂缝张开形成的微地震事件进行接收，通过对信号的处理，进行微地震震源定位，由微地震震源的空间分布描写人工裂缝的轮廓，描述裂缝的长度、方位、产状及参考性高度。

该方法存在水力压裂诱发微地震信号能量太弱，地面检波器接收不到微破裂有效信号。

地面检波器接收的信号中，看不到微破裂有效信号的初至；地面监测不能实时传输、处理和解释数据，现场不能及时提供监测结果等。采取的对策是将地面检波器埋置地下1～3 m,以削弱地面背景噪声；采用星形排列，上千个检波器组合可观测到有效信号的初至；采用分时解释的快速算法，在接收到数据6 h内出结果，达到准实时要求。

将星形排列、浅钻稀疏台网及地表稀疏台网3种布设方案相结合，对丛式水平井组6口井进行裂缝监测。

需求：星形排列需使用具有垂直分量的单分量检波器(4 km内)600个；浅钻稀疏台网使用三分量数字检波器50个；地表稀疏台网使用三分量数字检波器30套。

优点：(1)施工简单,不影响生产；(2)成本比井下监测低。

缺点：(1)与井下监测相比, 所得到的资料微震事件少，信噪比低，反演可靠性差，信号较弱，需特殊处理；(2)不能实时监测。

1.5 地面测斜仪法

在地面压裂井周围布置一组测斜仪来测量地面由于压裂引起岩石变形而导致的地层倾斜形变，经过地球物理反演确定造成大地变形场的压裂裂缝参数。运用直接证据反演压裂裂缝长度、高度、方位及产状。

需求：(1)需地面钻孔。根据措施层位和施工规模，需在相应范围内地面钻取一定数量的孔以安置测斜仪；布孔数量：1H、3H、5H井射孔位置周围635～1 905 m的半径范围内均匀布孔54个；孔眼直径220 mm；孔眼深度10～12 m；(2)需测斜仪。需将测斜仪按一定的规范和要求安置于地面监测井内；(3)需时间。钻孔底部需要固井候凝(75 mm PVC管)；施工前期准备时间较长，正式施工前准备时间不少于20 d。

优点：(1)数据来自地层的“直接”形变，实际而真实；(2)属于远场测量中直接测量方法，测量结果全面可靠；(3)可识别复杂裂缝。

缺点：施工准备时间较长，辅助工作量大。

综合以上5种监测方法，结合井组实际井况，最终优选井组压裂裂缝监测方案为：地面微地震法+井下微地震法+地面测斜仪法，其中地面微地震法监测6口井，井下微地震法监测2H、4H和6H井，地面测斜仪法监测1H、3H和5H井。

2 现场实施

2012年5月20日至6月1日，对井组6口井进行了压裂改造，裂缝监测结果见表2和图6。

表2 裂缝监测结果

图1 地面微地震法、井下微地震法、地面测斜仪法监测的裂缝分布图

3 结 论

(1)裂缝监测结果验证了丛式水平井组米字型井网压裂裂缝形态，形成了交叉裂缝。

(2)裂缝监测结果对现场施工设计优化调整提供了数据。2H、1H井的监测结果，为4H、6H井同步压裂施工参数调整提供依据；4H、6H井的监测结果，为3H、5H井同步压裂施工参数调整提供依据。

(3)各裂缝监测解释结果存在差异，需开展进一步的研究，为今后水平井组压裂设计优化提供技术支撑。

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