低渗油田水力压裂裂缝方位监测技术研究

李小军　文斌

引言

随着油田开发的不断推进，我国低渗透油藏开发技术已处于世界领先地位，水力压裂技术在低渗透油田开发中得到了广泛的应用，而裂缝监测技术制约着水力压裂技术的突破。

1、几种常见的水力压裂裂缝方位监测技术

（1）微地震监测技术

天然地震监测技术是微地震压裂的监测技术的起源。水力压裂施工过程中，压裂能量将沿主裂缝方向不断向四周地层中进行辐射传递，造成主裂缝周围地层内部产生裂张和错动。这些裂张和错动会引起不同类型和强度的地下弹性波，即横波和纵波。在压裂时产生的这些不同强度不同类型的横波和纵波将以主裂缝为中心，從各个方位来辐射波及周围地层，通过这类辐射的弹性波地震能量能够向周围相邻的地层源源不断地传波。通过接收、过滤和分析接收到的地下弹性波信号的强弱、方向及波及面积等参数，便可获得实际压裂施工过程裂缝方位、面积及对地层的影响强度的信息。再借助三维成像技术，采用相应配套的软件对微地震事件分析对比，便可获得压裂裂缝的各种几何参数，从而达到对压裂裂缝的延伸方位的监测目的。

（2）井温测井监测技术

水力压裂施工所注入的液体或压后人为注入的液体进入地层往往会带来低温异常，通过监测井温变化情况便可确定压裂裂缝的缝高，这就是井温测井监测技术的理论基础。水力压裂所注入地层的液体温度通常会低于地层原温度，因此体现在吸液层段井温曲线的是低温异常段，监测这一低温异常段便可获知压裂裂缝的存在以及分布高度等情况。在压裂前先进一次行井温测井，得到一条井温变化的基准线，对比压裂后井温变化线，可将井温突变段确定为压裂裂缝的高度。

（3）地面电位法测量技术

水力压裂施工过程中，向压裂层位注入高电离性能的液体，该类工作液将造成地面电位梯度发生变化，通过测量地面电位梯度，进而可达到推断、解释水力压裂裂缝方位相关参数的目的，因此，地面电位测量技术依据的是传导类电位勘探的基本理论。通常，在被测压裂井的井口周围布置有多组环形的测点，再借助于高精度的电位监测仪器，对压裂施工过程中地面电位变化进行实时监测，并对所监测得数据进行一定处理，便可实时地获得压裂裂缝方位延伸的相关参数。

（4）四维地震监测技术

四维地震（4Dseimic）亦叫时移地震，是指在三维地震的基础上，引入了时间的维度，借助重复获得的三维地震测量资料来进行油藏动态监测。油田开发中，储层特性变化将引起地震频率变化、振幅异常以及反射同相轴的下拖现象等，这些现象均是四维地震监测的良好识别标志。微破裂四维向量扫描影像监测技术属于油藏地球物理的范畴，是采用无源地震的微地震三分量数据，进行多波振幅的属性分析（横波和纵波），并借助相关体数据处理和计算方法，获得监测期三维空间体地下各时间域的高压流体活动和储层岩石破裂所释放能量的分布情况。通过横波和纵波实时记录，可将不同阶段的裂缝变化反映到三维图谱上，用以表示起裂、扩展、重叠、连接及延伸趋势等情况，这样就能达到监测裂缝方位的目的。

大量的压裂施工实践表明，当前所用的测量方法均存在着一定的自身弊端。例如，地面电位测量需向地层注入导电率高的液体，导致监测成本大幅度提高，并带来操作的极大不便；而井温测量方法虽较简便，但仅能得到裂缝高度的有限参数；微地震技术需要非常高科技含量技术，数据处理过程较复杂，设备仪器价格也是相当之昂贵，并要求高素质技术知识的操作人员等。部分油田目前已安装有压裂裂缝监测系统，但并没有到达想要的监测效果，获取到的数据和信息的可靠性和准确性不高。实际上，该技术指标不单依赖于传感仪器的灵敏度，而且取决于对数据和信息的采集和处理技术。综上所述，油田勘探开发急需一种工作稳定、操作简便的压裂裂缝方位监测技术。

2、一种分布式压裂裂缝方位远程监测系统的设计

分级分布式监测系统具备有监测全面、集中管理等优势，紧密结合油田压裂施工现场的实际情况，本文设计一种分布式的水力压裂裂缝方位远程监测系统。在水力压裂施工现场，在压裂井周围适当范围内选取三口已钻井作为监测井，监测井口安装信号探测仪，计算机和裂缝方位检测器配备于远程工程测试车内，1个裂缝方位检测器、3个信号探测仪和1台计算机便基本构成了整个压裂裂缝方位监测系统。

该系统采用电压式的压力传感器获取地层震动数据，通过数字信号处理来筛选和提取信号，借助计算机软件实现对裂缝方位的实时监测和分析，采用无线传输工作方式来实现信息的有效传递。该系统的工作可靠稳定，操作方式便捷，操作人员可对压裂施工现场进行实时监测，能降低对操作人员的技术要求。压裂施工监测过程，为确保监测系统工作稳定性和可靠性，选取的三口监测井需满足一定的要求。首先，监测井需位于压裂井周围1km范围内，且与压裂属同一地质板块且地层深度相仿，因此，在应用方面会存在一定的局限性，需要有已钻井来保障。选取的三口监测井尽可能去包围压裂井，这利于信号的拾取、传输、处理及分析，为准备监测裂缝方位提供保障。

水力压裂施工过程中，产生的微震动信号是靠微震信号探测器进行拾取的，并将信号强度进行足够的放大，再经频率调制后采用无线方式传输。接收无线电传输的信号的检测仪置于工程测量车，接收数据经处理后生成时差数据，最终传输到计算机。开发专门设计的数字压裂裂缝方位监测软件，计算得到压裂裂缝的延伸方位。

3、结论

（1）本文对目前常见的几种水力压裂裂缝方位监测技术进行了简要介绍，分析了其各自的缺点。

（2）针对目前裂缝方位监测技术的弊端，设计了分布式压裂裂缝方位远程监测系统。

（3）该系统采用“微震信号探测+无线传输”方式，不仅具有低成本、低功耗、高性能的特点，还具有寿命长、操作简单、可靠性高的优点。

（作者单位：1.西安石油大学石油工程学院；2.延长油田股份有限公司子长采油厂）