页岩储层压裂体积规模监测方法研究进展

黄嘉林，刘德华，商玉锋

（长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100）

近年来国家的能源方面的安全受国外的影响很大，随着我国非常规油气开发取得飞速进展，页岩油气开发变得越来越重要[1]。非常规的页岩油气弥补了石油的缺陷，积极促进了国家能源的开发[2]。在国家的能源储备中，页岩储层作为页岩气的主要位置备受关注[3]。页岩气作为高效、无污染能源，前景良好。中国页岩气开发已取得了不错的成绩，据调查，目前探明页岩气地质储量9.5×1013m3，技术可采资源量 1.63×1013m3，经济可采资源量1.286×1013m3[4]。虽然体积压裂技术已经日趋成熟，如今国内有一些学者是从压裂井理论推导方面[5]、表面活性剂方面[6]以及压裂液伤害机理[7]等方面评价压裂技术产能，但是很少从监测技术角度考虑非常规油气的开发，笔者发现监测中存在一个重要的问题一直尚未解决：压裂之后的地层缝网体积难以确认。目前只有80%的产量来自20%的人造裂缝，浪费了大部分开发成本以及工作量。因此，对页岩储层压裂体积规模的监测刻不容缓。

目前频繁应用的裂缝监测方法种类多，例如微地震、测斜仪以及电位法等，各种监测方法的应用，逐步更精准解决对裂缝体积监测问题。本文对比总结了各种方法在实际中的适应性以及本身的局限性,对不同的区块生产有很好的借鉴意义。

1 间接监测法

刘建中[8]等在水平井压裂裂缝监测研究中认为，间接监测方法主要包括净压力分析、试井和生产分析。他认为此类方法主要局限性通常有多解，需要根据其他裂缝监测结果修正。

2 直接近井筒监测法

2.1 放射性同位素示踪剂法

郭威[9]等研究压裂液返排过程中，应用示踪剂法很好地进行压裂效果评价，实验表明，该方法简单、快捷，对监测页岩储层中卤代烃示踪剂适用。申宝剑[10]等研究评价涪陵页岩气连通性时，采用了示踪剂技术证明了焦页66-Z2HF 井开发的可行性，研究验证了示踪剂方法能简单且方便高效评估页岩气井的连通性状态，应用前景良好。

2.2 基于分布式光纤测温系统（DTS）的温度测井

张会芳[11]等在低渗透油田的研究中认为，温度测井的原理是测量压裂后地层温度的变化，将压裂后的温度与压裂前温度比对，能得出温度升高最多的区域。西涛涛[12]在研究高温测井时，应用了分布式光纤传感器，分析了该测量的需求，基于此基础，比较了该方法与传统方法的差异性，得出了光纤测温的特殊优势，最后通过实际油田结果对比，验证了光纤测温系统的优点和可行性，并且认为光纤测温系统将在未来广泛应用。马富清[13]等利用温度测井技术了解到地质中复杂的变化特征，阐述了对地层中结构的判断、液体流动及其空间分布和钻孔质量问题，给实践生产提供了良好的指导。

光纤安装方式可以是回收式（通过连续油管或钢丝绳输送），也可以是永久式[14]（安装在套管后），同时可以沿光纤安装多个传感器，如图1所示。其中通过光纤测井最主要的技术是DAS 和DTS。

图1 回收式光纤（左）和永久式光纤（右）

2.3 基于分布式光纤声传感系统(DAS)的声波测井

楚泽涵[15]等基于实际测井案例，运用光纤声波测井，不同频率探头测量在不同径向深度获得不同的测量结果，在确保信号缺失为10 dB 左右，从井上到井下采集信号传输速率为1.25 Mbit·s-1，并在辽河油田现场成功试验。朱秀英[16]等在基于FBGF-P的声波测井研究中，采用全光纤声感以及弱反应结构，以提高声压位移精度，研究结果表明，全光纤式传感器在防水和耐压保护后，可以适应高温高压的测井条件。贾利春[17]在研究国外页岩气监测方法进展中提到该技术的主要原理是在传感光纤附近声波的变化由压裂液所引起，声波的变化会使得光信号产生特殊的变化。地面系统可以将光信号的变化转变成声音信号，如图2所示。

图2 分布式光纤声传感示意图

2.4 井筒成像测井

高跃宾[18]等在研究储层改造评估中认为井筒成像测井可以获得天然和诱导裂缝的定向图，这些可以提供有关最小主应力方向的信息。

2.5 井下录像

翟会超[19]等在对复杂采空区的研究中，采用了井下录像方法对顶板岩体进行监测，提到井下录像技术源自于井下电视，能够直接观察复杂变化的裂缝，与常规方法得大不相同。

2.6 小结

这些方法均属于裂缝监测的辅助方法，帮助工程人员更准确地认识井下裂缝的形态及方位。

直接近井筒裂缝监测技术对裂缝的监测不能实时检测。而且多数方法裂缝参数单一，如放射性同位素示踪剂测井，另外对于沿井筒处的裂缝很高则会使仪器无法测量，进而无法得到裂缝扩展变化。

3 远场监测法

3.1 微地震监测

朱兴会[20]和石嘉栋[21]等基于煤矿中的微地震监测方法的应用，概括了微地震系统监测方案的布置以及数据处理方面的问题，这给煤矿生产提供了预测依据，同时对页岩气的开发也有着很好的借鉴意义。刘洪壮[22]以鄂尔多斯盆地中的某区块为例，分析了该油藏的开发特点，为了使压裂效果精准，综合多方面的考虑，对油井采用微地震监测方法，通过对该区块水平井的压裂程度进行评价，并结合后续的生产资料，对生产井做出适时调整，提高了流体在地层中流动能力，最终将采收率提高，这为该区块后续的开发提供了理论支持。邹清腾[23]等在昭通页岩气开发应用中，提到两种有效评价压裂效果的方法，井中微地震和散点式微地震方法，结论证明该方法对页岩气开发方面的监测可行性，这为未来微地震监测方法在昭通页岩气区的长期应用奠定了技术依据。

段银鹿[24]等在研究水力压裂时，应用井中或地面设检波器来检测压裂液引起地层压力变化所产生系列的微震波，进而定位裂缝，如图3所示。巫芙蓉[25]等认为微地震压裂监测能实时监测裂缝信息，更好地为以后油田管理提供帮助。

图3 微地震监测示意图

3.2 测斜仪监测

测斜仪裂缝监测技术包括地面监测和井下监测。表面测斜仪可以用来确定裂缝的方位、倾角和复杂程度。井下倾斜仪可用于确定裂缝尺寸，其原理如图4所示。

图4 测斜仪监测原理示意图

水力压裂后岩石破裂，产生的裂缝使地层发生变形。通过在压裂井地面或临井布置多组测斜仪对变形梯度进行记录[26]。通过在多点测量这种变形梯度，可以生成地层变形的图片，并与各种类型和尺寸的裂缝所预期的变形进行比较，如图5所示。

图5 不同方位裂缝产生的变形示意图

修乃岭[27]等利用测斜仪监测方法对长宁页岩气进行压裂评估，用该方法监测裂缝长度、体积以及形态等，并对比分析监测结果，结果表明，天然裂缝对水力裂缝有很大影响。徐胜强[28]在共和盆地干热岩井项目中开展水力压裂工作，利用了测斜仪监测技术监测到裂缝的发育状态、延伸方向等，该技术的应用解决了岩石致密坚硬、施工排量小等难点，测斜仪监测方法将压裂改造的过程成功监测出来，并且将该种方法的监测范围拓宽了一些，这为井组施工提供了有利的依据。

3.3 电位法裂缝监测

压裂井与邻井充电形成大地电场，并以压裂井为圆心，圆形布置监测点，当压裂施工时，高含盐量的水基压裂液在裂缝中流动，由于高含盐量的水基压裂液具有导电能力[29]，所用的压裂液相对于地层为良导体，目标射孔层内的电阻率将降低。所以形成的水力裂缝将引起相应的地面电位的变化，通过监测压裂前后地面电位的变化，即可判断裂缝方位[30]，如图6所示。

图6 大地电位法原理示意图

柴燕军[31]等使用电位法探讨裂缝形态，主要是研究裂缝发育模糊的问题，结果表明，该方法在开发中具有很多优点，包括方便简易、成本低以及对生产几乎无影响。吴柏志[32]等考虑到特低渗油藏的井网部署，结合现场情况，应用电位法实时监测压裂时裂缝的大小以及方位，研究表明，应用电位法检测方法可以给压裂效果评价以及井网部署奠定重要基础，同时说明该方法的实用性可以进一步推广。焦鹏帅[33]以山西某矿区气井作为基础研究，研究煤层气井开发中电位法对压裂过程监测的效果，研究表明，电位法所测得裂缝结果与实际岩石的裂缝程度几乎相同，对实际的生产具有良好的借鉴意义。

3.4 小结

表1是目前裂缝监测方法的局限性和裂缝监测能力的对比，总结出各自的优缺点以及不同的方法的适用性，监测裂缝能力的参数有缝长、缝高、对称性、缝宽、裂缝方位、裂缝倾角、体积、裂缝导流能力。从表1中可以看出：不同的监测方法对裂缝的监测能力有着明显的差异性；监测裂缝体积和裂缝导流能力的大小几乎是所有监测方法共同的局限性；目前的所有方法中，没有哪一种方法能够监测所有的参数，例如，微地震监测、测斜仪监测以及电位法监测是目前最常用的一些方法，但也50%左右的参数不能得到监测，相比较而言，微地震监测方法具有更好的监测能力，备受关注，可以研究 它的其他监测能力。

表1 目前裂缝监测方法的能力与局限性

4 结 论

1）微地震监测方法在过去10年取得明显进步，也是对压裂工作实时监测的有效手段，应用领域广泛，未来发展前景较好。

2）现有的监测方法都无法做到对已支撑裂缝的体积进行监测，并且受到很多因素的限制，在页岩储层水平井裂缝监测中表现不好。

3）预计未来10年对页岩储层的开采活动将大幅增长。尽管迄今为止进行的体积压裂已经日益成熟，但业内对于储层真实裂缝几何形状与体积仍然了解不足。因此迫切需要一种更简单、更准确的方法来对页岩储层中的裂缝进行监测。