水力裂缝形态室内试验与现场监测

摘要本文对目前国内外了解裂缝形态的技术进行了总结，分为室内实验和现场监测两部分，分别对其技术原理进行了阐述，并对几种现场监测技术进行了对比，加深了对裂缝监测技术的认识。

在此基础上，提出面对复杂地层，应该结合不同监测技术进行优化设计，以更好指导生产。

关键词：室内试验；裂缝监测；水力压裂一、前言当今石油储量日渐消耗，需求却逐日增长，这对石油产量提出了更高的要求。

而每年产量的提高除通过探测新油气储存区外，低渗透储层或者老旧油区的剩油、稠油、重油等也开始受到重视，而其中低渗油藏的油气资源是现今利用最多的一种，成为能源主要的供应来源之一。

但是对低渗透储层中油气的开采，需要通过特别的处理手段，才能够实现经济开采，水力压裂是目前各大油田中常用的增产手段。

水力压裂形成的人工裂缝的形态是压裂施工是否成功的关键之一，对不同条件下压裂裂缝形态的研究具有重要意义。

由于实际上压裂施工是在井下进行操作，压裂效果只能通过压裂工人的经验以及压裂井压后的生产数据进行分析判断，或通过压裂施工的破裂压力等数据进行粗略判断。

这些方法存在如下问题：（1）经验性。

即解释结果受操作者的经验限制较大，对于比较陌生的地层，其结果与实际条件存在较大差距。

（2）精度较低。

没法准确判断人工裂缝的走向和方位，裂缝参数的计算。

（3）施工复杂，周期长，成本高。

（4）推广困难。

一个地区的经验很难用到地层条件有差异的地区。

因此，本文通过调研，对目前室内和现场常用的裂缝形态研究和监测手段进行了综述。

一、室内实验目前，水力裂缝形态的室内研究主要是通过裂缝模拟实验系统进行。

最早进行室内实验的是Abbas Ali Dane shy[1]，通过自行研制的实验系统对地层存在弱面条件下裂缝的延伸规律进行了研究。

此后国外又有众多学者[2][3][4]通过裂缝模拟实验系统对不同地层条件下的裂缝形态进行了研究。

而目前国内只有石油大学(北京)岩石力学实验室[5]拥有一套自行设计组建的大尺寸真三轴模拟试验系统。

近些年，随着水平井重要性的不断上升，对水平井裂缝形态的研究也显得尤为重要。

国外，代表性的研究工作是W.El Rabaa对水平井起裂裂缝的几何形状的试验研究。

国内，史明义等[6]对中国石油大学(北京)岩石力学试验室组建的一套大尺寸真三轴模拟试验系统进行了改造和完善，使这套系统也能够对水平井裂缝形态问题进行研究。

1.1实验系统组成室内裂缝模拟实验系统主要组成部分有试验架、伺服增压泵、声发射仪、稳压源、油水隔离器及其他辅助装置等，其整体结构如下图[6]所示。

图1.1大尺寸真三维裂缝模拟实验系统1.2实验流程将试样放入压机后，安装声发射探头，接出信号线，然后安装压力板和压机的其它部件。

试样安装完毕后，由液压稳压源施加三向围压。

再根据选定的泵排量向模拟井筒泵注压裂液，直到试样破裂。

在开始泵注压裂液的同时，启动声发射仪监测泵注过程中的声发射信号，启动与伺服控制器连接的数据采集系统，记录泵注压力和排量等参数。

试样破裂后，观察形成的裂缝形态。

1.3技术评价1.3.1主要应用方向根据文献[5]，目前实验系统的主要研究方向在于：（1）裂缝形态的直观试验。

方法是用有机玻璃等透明材料做为试样，便于直接观察裂缝扩展的过程和形态。

（2）非固结表面对裂缝垂向扩展的影响。

主要研究界面性质的影响。

（3）层状介质对裂缝垂向扩展的影响。

主要研究压裂层与隔层间水平地应力差、弹性模量差、断裂韧性差等因素对裂缝垂向扩展的影响。

（4）多裂缝扩展的模拟研究。

1.3.2特点根据调研，本文认为目前室内物理模拟实验存在的问题有（1）对水平井进行物理模拟难度较大。

室内实验与现场实际条件的相似性还有差距。

（2）难以模拟复杂的地层条件。

而室内物理模拟实验具有如下的优点：（1）有利于研究人员直观的了解和观察裂缝的形态，这在现场施工时是不可能办到的。

（2）有利于对某个的影响因素进行单独研究，受其余因素干扰小。

（3）研究周期短，费用低。

二、现场监测室内实验只能够模拟较为简单的井底条件，在实际地层条件下，裂缝的形态往往更为复杂，这个时候，要对裂缝形态进行研究，就需要借助现场的监测方法，主要包括4种方法：微地震监测技术（地面与邻井），电位法裂缝测试技术，地面测斜仪裂缝监测技术，压后测井检测。

2.1微地震裂缝监测技术微地震压裂监测技术的主要依据是在水力压裂过程中，裂缝周围的薄弱层面的稳定性受到影响，发生剪切滑动，产生了类似于沿断层发生的“微地震”，微地震辐射出弹性波的频率相当高，一般处在声波的频率范围内。

这些弹性波信号可以用精密的传感器在地面井和邻井探测，并通过数据处理分析出有关震源的信息。

记录这些微地震，并进行微地震震源定位，由微地震震源的空间分布可以描述人工裂缝的轮廓。

对于4D微地震监测方法，引入了时差变量，通过不同微地震事件到达的时间来区分不同裂缝产生的事件[7]。

微地震监测技术又可细分为两种，地面监测和邻井井下监测。

2.1.1地面监测通过在压裂井周边地表布置适当的检波器采集地震信号，根据微地震震源的空间分布在柱坐标系三个坐标面上的投影，可给出裂缝的三视图，分别描述裂缝的长度、方位、产状、及参考性高度。

目前地面微地震监测的主要缺点[8]：地面监测所得到的资料存在微震事件少；信噪比低、反演可靠性差。

它具有的优点是：能够对较大范围内的地震信号进行监测；可以确定一个区域人工裂缝与天然裂缝的连通情况。

2.1.2邻井井下监测压裂施工时，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，将数据传输到地面，然后对数据进行处理来确定微地震的震源在空间的分布，用震源分布图就可以解释水力压裂的缝高、缝长和方位（如图2.1[9]）。

图2.1 井下微地震监测示意图与其他裂缝监测技术相比，井下微地震技术的优点包括[10]：测量速度快；微地震事件位置能够实时确定；能同时确定裂缝的长度、高度和方位；具有噪音过滤能力；现场应用方便。

不过其缺点是压裂井周围必须要有相应可供下检波器的邻井，否则无法实施监测；井下监测相比于地面监测，更加昂贵；远离监测井的施工井监测得到的数据有限。

在未来的研究中，可以考虑地面与井下微地震监测协同进行，以提高解释精度，目前已有研究者对此问题展开了研究和实验[11]。

此外，对于井下微地震监测，未来主要考虑克服需要邻井的问题，研究如何在施工井直接监测。

2.2电位法裂缝测试技术压裂施工中，由于注入的工作液电阻率与地层介质的电阻率差异很大，这势必造成地面电流密度的改变，相应的地面电位也会发生较大的变化。

鉴于此，以压裂井套管为电极A，以无穷远为另一电极B，通过压裂井钢套管往地下进行大功率充电时，在井的周围必然形成一个很强的人工直流电场(如图2.2[12]）。

以压裂井井口为中心在其周围布置几个环形测网，充分利用压裂液与地层之间的电性差异所产生的电位差，采集高精度电场数据，经精细处理和对比压裂前后的电位变化，解释压裂裂缝的方向和长度。

图2.2 电位法裂缝方位监测示意图电位法测量的优点在于成本较低，但要求压裂液和地层水矿化度差别大，对液体要求较高。

电位法目前只能解释缝长和方位，无法解释缝宽，缝高等参数。

2.3地面测斜仪裂缝监测技术地面测斜仪监测法，是通过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，经过地球物理反演确定造成大地变形场压裂参数的一种裂缝测试方法。

从理论上来说，水力压裂是将地下岩石分开，伴随着岩石裂缝两个面的变形，最终形成一定宽度的裂缝。

压裂裂缝引起的岩石变形场向各个方向辐射，引起地面及井下地层变形(如图2.3[13])。

图2.3 地面测斜仪监测示意图裂缝引起的地面地层变形典型的量级为万分之一英寸，几乎不可测量。

但是测量变形场的变形梯度即倾斜场相对容易，裂缝引起的地层变形场在地面是裂缝方位、裂缝中心深度和裂缝体积的函数。

变形场几乎不受储层岩石力学特性和就地应力场的影响。

图2.4 典型测斜仪阵位布置压裂造缝过程中，用放置在压裂井附近6-12m地下的测斜仪可测量地层倾角的微小变化。

利用这些数据可以绘制出地面变形图，由此估算压裂裂缝的方位、倾角、深度、缝宽、缝高等参数（典型布置如图2.4[13]）。

地面测斜仪测试方法是目前国际上公认的最为先进的裂缝监测技术之一，与同类方法相比，地面测斜仪能准确测量裂缝的方位和产状。

但是，地面测斜仪测试方法虽然准确性高，但施工过于繁琐，对地貌要求较高，制约了其推广应用。

2.4压后测井检测测井检测的手段包括：放射性示踪剂测井技术、温度测井、生产测井、井眼成像测井、井径测井等几种方法。

这些测量方法的主要缺点是仅能了解井眼中产生了裂缝，但是在裂缝离井眼距离较远的时候，这些测量方法不能提供任何资料。

如果裂缝与井眼不成一条线，那么测量结果只能对裂缝的高度提供一个下限。

近井眼压裂诊断技术的主要用途是识别进入井内的压裂液、支撑剂或验证多层开采的油井每一层的产量[10]。

2.5几种现场监测技术对比上述的几种裂缝监测技术是目前国内外常用的裂缝测试技术，每种技术都有各自的特点，如井下测斜仪可以较准确评价裂缝的长度、高度、对称性、容积，一定程度上获得宽度和方位，示踪剂测试和井温测井、偶极子声波测井等测井技术可以获得裂缝的高度，实际应用中都是通过这些方法的综合利用和互相校对，得出裂缝的产状，这些方法有各自的特点和局限性，也有各自的技术适用性。

现将其总结对比如表2.1。

表2.1 监测技术对比（符号注释：√√能够；√可能；×不能）类别诊断方法局限性评价能力缝长缝高对称性缝宽方位倾角容积导流能力压前延伸模型预测1.结果取决于模型的假设条件和储层描述结果2.需要利用直接观测数据进行“校正”3、对复杂地层的裂缝形态进行的预测难度大√√×√××√√压裂过程微地震（地面和邻井）1.受监测井可用性等条件的限制，取决于速度模型是否正确2.不能完整提供支撑剂分布以及有效裂缝形状信息3、成本较高√√√×√√√××电位法1、对液体要求较高，需要压裂液和地层水矿化度差别大2、只能解释缝长和方位，无法解释缝宽，缝高等参数√√×××√√×××地面测斜仪1、监测复杂裂缝时精度较低2、施工复杂，并且受一定的地貌限制√√√×√√√√√√×压后测井方法只能提供近井筒裂缝形态的信息×√×√√√×√2.6监测技术的应用目前国内外使用最多的监测手段是微地震监测和测斜仪监测。

相比其它方法，这两种方法能够更加准确的获得井下裂缝的信息。

并且同时采用两种方法进行监测还能够互相印证和补充。

通过这些监测手段，在油田开发过程中，有助于开发人员完成以下任务[14][15]：（1）修正压裂设计模型；（2）判断断层或者隔层位置；（3）进一步了解原地应力场分布；（4）评估井网密度和压裂施工规模（5）评估裂缝形态，了解隔夹层性质，有利于压裂施工的优化。