四川泸州地区大深度页岩气水力压裂电磁监测的应用

曾 波，徐尔斯，杨 扬，宋 毅，陈 珂，王怡亭，徐颖洁，李 宁

(1.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院,四川 成都 610051;2.中国石油西南油气田四川长宁天然气开发有限责任公司,四川 成都 610051;3.中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083)

1 引言

当前页岩气开发利用的关键技术集中在钻井方式和储层压裂改造,储层改造的目的主要是构建相互连通的复杂裂缝网络,增大储层改造体积,提高裂缝导流能力[1]。页岩气井实施压裂改造措施后,需要有效的监测方法来确定压裂作业效果,获取压裂诱导裂缝导流能力、几何形态、复杂性及其方位等诸多信息,改善页岩气藏压裂增产作业效果以及气井产能,并提高页岩气采收率[2-5]。我国水力压裂监测技术不断发展,目前有微震监测、测斜仪监测、分布式光纤监测、示踪剂监测等。微震监测利用检波器监测压裂诱发的微地震事件进行裂缝成像,描述裂缝几何形状和空间展布,但事件点代表力的波及范围,无法描述压裂液和支撑剂的运移位置,得到的储层改造体积远大于压裂液波及的有效改造体积。测斜仪监测通过测量水力裂缝引起的地层倾斜量,反演裂缝参数,实现对裂缝形态的定量表征,但监测精度受深度影响,且地面设备需求量较大,应用较少。分布式光纤监测技术通过接收由压裂过程中产生的温度、声波与应力信号产生的光学信号的变化监测裂缝形态,但该方法难以评估远场裂缝,成本高昂。示踪剂监测技术分为压裂液示踪剂监测和支撑剂示踪剂监测,能够实现裂缝缝高、缝宽等参数表征,但该方法无法描述缝长,且难以实现实时监测。电磁法水力监测技术在评估压裂液范围及裂缝形态发挥着重要作用。水力压裂作业会导致高电阻率储层中缝隙被低电阻率压裂液填充,使得储层的地电结构发生显著变化[5-7];而电磁方法对压裂过程中液体的走向、改造体积变化而引起的电性变化是敏感的,因此将电磁监测技术应用于页岩气储层改造动态监测[8-10],以确定压裂液进液及裂缝发育情况,有助于提高采收率,其应用前景潜力巨大。

针对电磁法在水力压裂监测的适用性论证,国内外学者进行了大量的研究工作。Yan[11]通过岩石物理特性分析、数值模拟及应用试验,论证连续时域电磁法监测在页岩压裂监测中的效果及应用潜力;何展翔等[12]使用井地电阻率法测量水力压裂前后的电阻率变化,圈定了目标储集层边界;王志刚等[13]通过试验证明时频电磁技术能够应用在水力压裂监测中;Wilt等[14]使用井间电磁法测量压裂前后的电阻率变化,结果表明,压裂前后电阻率变化可以高达38 %;Orange等[15]进行了海洋时移可控源电磁法监测油气藏的可行性研究,结果显示,当10 %的油藏被导电流体替换时,电磁响应的变化可以测量;He等[16]通过实验室标本测定、数值模拟及实测数据试验等方法,论证了使用音频大地电磁法进行水力压裂监测是可行的;李洋[17]利用三维有限元法实现大型储层压裂裂缝三维空间接收响应的快速正演模拟,证实了对称压裂裂缝的可探测性;罗卫锋等[18]基于可控源电磁法的数值模拟和现场监测试验,验证了可控源监测水力压裂的可行性和有效性;王新宇等[19]基于涪陵页岩气地质资料建模,模拟研究电性瞬变电磁法对油气藏的动态监测效果,结果表明瞬变电磁法能够满足三维油气藏的动态监测要求;李帝铨等[20]提出了基于差分广域电磁法的三元复合驱监测方法,并应用于大庆油田某区块的三元复合驱监测试验中。综上所述,电磁监测技术在水力压裂监测中应用前景广泛。

电磁法监测信号弱,干扰严重。随着深度的增加,分辨率和准确率降低,时效性差,对压裂液和压裂裂缝的识别准确率有限。本文首先基于电偶极源扩散电磁场理论和充电导体理论进行数值模拟实验,并基于模拟试验分析电磁法监测水力压裂的可行性。通过建立电磁监测的数据处理流程,结合四川泸州某井的监测实例,分析电磁法大深度压裂监测的应用效果,以期实现压裂效果评价与压裂施工参数优化。

2 方法原理

本文基于电偶极源扩散电磁场理论和充电导体理论,将长度为L的线源等效为N个电偶极源线性叠加[21-22],获得均匀各向同性介质空间任意点电位U(M)如式(1)所示,单位为V。

从而可得测量电极MN之间的电位差ΔU(单位：V)为

ΔU=U(M)-U(N)

(4)

3 数值模拟实验

图1 单缝模型Fig.1 Single fracture model

本文采用了简化模型,将复杂的改造裂缝网络简化为单缝,当压裂液为极低阻时,井和充填压裂液的裂缝可作为线电流源处理。基于此,本文针对不同长度裂缝类型进行数值模拟与分析,研究地面电位异常响应规律,为储层改造压裂裂缝监测提供解释量板。构建的压裂模型如图1所示,模型中,裂缝埋深4 000 m,频率选用1 Hz,电流10 A,裂缝为对称单缝,半缝长为50～300 m。

图2展示了不同裂缝缝长引起的地面电位异常Ua分布特征。由图2可知,随着裂缝缝长的增大,其异常值也在增大,当裂缝增长至300 m时,异常可达1 000 μV,异常幅度达5 %以上。当裂缝增长至100 m时,异常也有100 μV以上,异常幅度达大于1 %。为此,监测充填压裂液的导体裂缝产生的地面电位异常具有一定的可行性。

图2 不同缝长引起的地面电位异常Fig.2 Ground potential anomalies caused by different fracture lengths

4 数据处理解释流程概述

本次压裂电磁监测数据处理与解释总体按照“定性—定量—综合解释”的基本原则。首先对原始数据进行归一化处理获得历史监测曲线,进一步作时间差分处理得到导数曲线,圈定压裂进程中的电位异常,并结合压裂工程曲线对异常事件进行标定;其次,异常方位图可在平面上定性分析压裂异常方位和展布情况;然后,通过模型反演获得压裂液波及范围及裂缝参数;最后结合已知地质、测井、地球物理等资料对压裂电磁监测效果进行解释,综合评价压裂改造效果(图3)。压裂电磁监测数据处理解释流程已成功应用于四川、重庆、宁夏等地区百余口井[23-24]。

图3 压裂监测数据处理解释流程Fig.3 Flow of data processing and interpretation for fracture monitoring

5 实例分析

5.1 地质背景

我国的页岩气勘探开发主要集中在四川盆地、鄂尔多斯盆地、滇黔北及西北等地区。在四川盆地涪陵焦石坝、长宁-威远、富顺-永川等区块发现了工业气流,探明了我国首个千亿方大型页岩气田-涪陵页岩气田,建立了多个页岩气产业化发展示范区。本文研究区位于四川省泸州市长宁区块,地貌较为复杂,有低山深丘、中丘中窄谷、浅丘宽谷、河谷阶地四种形态,地势呈现东北高、西南低,最高点海拔757.7 m,最低点海拔218 m,高低相差539.7 m。区域构造位于川南低褶带阳高寺构造群,研究区位于福集向斜,福集向斜属于川东南中隆高陡构造区的阳高寺构造群的西北部,位于螺观山构造南端与古佛山构造之间,南接梯子崖构造,西南与云顶场构造相接。

本次压裂监测主要目的层为龙马溪组及五峰组地层,压裂井(图4)及周边已知几口页岩气井目的层龙马溪组一段及五峰组的电阻率参数如表1所示。

图4 井身结构Fig.4 Well structure

表1 龙马溪组电阻率值

续表1

5.2 测线布设

测线布设示意图如图5所示。采用井筒供电地面接收的测量方式,其中供电电压不超过36 V,发射电流8.0 A,频率1 Hz,供电电极AB极距2.5 km,在水平段两侧布置4条测线,与水平段距离分别为150 m和200 m,点距5 m,共1 440个物理点,测区面积为1.80×0.4 km2。参考电极N位于井口。经过前期现场地形踏勘情况表明,测线经过的地形基本为丘陵,大体不影响测线布设,仅在局部地方经过水塘,需要进行测点偏移,最大偏移量为20 m。

图5 测点布设示意图Fig.5 Schematic diagram of measuring point layout

5.3 监测效果

5.3.1 压裂液波及范围分析

压裂监测共计13段,通过监测获取的每段压裂液波及范围如图6所示。由图6中数据可知,监测井各段波及面积在4 798～24 042 m2之间,其中,第1段波及面积最小(4 798 m2),第6段波及面积最大(24 042 m2),平均波及面积为11 544m2;各段波及长度在140～280 m之间,其中,第8段波及长度最小(140 m),第10段波及长度最大(280 m),平均波及长度为207 m;各段波及宽度在36～182 m之间,其中,第1段波及宽度最小(36 m),第6段波及宽度最大(182 m),平均波及宽度为84 m。

图6 第1～13段压裂液波及情况Fig.6 Extent of fracturing fluid propagation in segments 1～13

5.3.2 用液强度分析

各段用液强度在20～40 m3/m之间,对应压裂改造后波及面积强度为100～235 m3/m之间。从图7可以看出,用液强度与波及面积强度呈现一定的正相关特征,一般用液强度越大,波及面积强度越大。但用液强度增加到一定程度后,波及面积强度增加没那么明显,波及非均质性增加,远端区域有效改造比例下降。同时波及面积强度还受裂缝、储层、工程等因素影响。

图7 用液强度与波及面积强度关系Fig.7 Relationship between fracturing fluid strength and spread area strength

5.3.3 加砂强度分析

图8展示了加砂强度与波及长度关系,由图可知,波及长度主要受压裂液影响,加砂量也对波及长度有重要作用,同样的压裂液,未加砂时,波及长度扩展速度变慢。

图9展示了加砂强度与波及面积强度关系,由图可知,加砂量对波及面积也有影响,开始加砂后,造缝能力增加,波及面积增加较快;未加砂或加砂困难时,造缝能力减弱,波及面积增加速度也减缓。

图8 加砂强度与波及长度关系Fig.8 Relationship between sanding strength and spread length strength

图9 加砂强度与波及面积强度关系Fig.9 Relationship between sanding strength and spread area strength

5.3.4 重复改造面积分析

图10绿色部分为压裂重复改造面积,1～13段平均重合波及面积为707 m2,占比5.8 %,天然裂缝发育部位重复面积大,其中第7段和第12段重复面积最大,分别为1 581 m2和2 209 m2,占比分别为15.69 %和16.58 %。

5.3.5 压裂液与波及面积的关系分析

图11展示了各段压裂液与波及面积关系,从各段平均每方液量波及面积随时间的变化曲线可以看出：裂缝起裂阶段,短时间内波及面积增加较快;裂缝扩展阶段初期,随着压裂的进行,平均每方液量波及面积逐渐下降,扩展速度减慢。说明随着压裂时间的增加,裂缝向高度上扩展的比例越大;压裂末期,平均每方液量波及面积逐渐保持稳定。

本次电磁监测数据稳定,信号强且信噪比高。通过对原始数据去飞点等处理后,实时监测电位变化,在压裂成果图上压裂段及附近有异常区出现,对压裂进程响应清晰,能够反应不同时间压裂液波及异常范围,从而对缝网特征及其参数进行推断解释。

图11 各段压裂液与波及面积关系Fig.11 Relationship between fracturing fluid and spread area by section

6 结论与展望

本文基于电偶极源扩散电磁场理论和充电导体理论,数值模拟研究电磁法监测充填压裂液的导体裂缝产生的地面电位异常,分析了电磁法进行水力压裂裂缝监测的有效性。以四川泸州地区某页岩气压裂井为例,通过对电磁监测数据进行处理,具体分析了压裂液波及范围(波及长度与波及面积)、用液强度、加砂强度、重复改造面积等,概述了电磁监测的应用效果。本监测方法具有实时性的特点,通过实际应用验证了电磁法压裂监测技术的可靠性,并在一定程度指导了压裂施工。

目前监测技术利用较多假设条件并简化了压裂模型,构建的模型较为简单。同时通过对监测数据进行处理和分析后,只能获得压裂液平面波及情况,无法得到压裂液波及的高度参数。进行三维波及体分析是实现压裂监测精细化解释的前提,但由于三维计算量庞大,实现现场的实时监测困难,随着通讯技术与计算能力的提升,后期有望进行三维波及体的分析,获得压裂液三维空间展布及预测压裂液波及体积。