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，