最新压裂实时监测及解释技术

压裂实时监测及解释
技术
1 目的及意义
水力压裂是改造油气层的有效方法，是油气水井增产增注的重要措施。

我国石油天然气资源的突出特点之一是低渗透油气层分布广、储量大，这种客观存在的资源条件决定了水力压裂作为低渗透油气田增储上产的首选措施和有效方法，在老油气田稳产高产和低渗透新油气田勘探开发中发挥着不可替代的重要作用。

水力压裂的效果取决于压裂工艺技术的完善程度，即对裂缝和地层情况的认识和了解、合理的施工工艺、优良的压裂液和支撑剂等压裂材料、优化的施工设计、施工作业手段及其质量。

目前，水力压裂在理论、设备、工艺等各方面都有了很大发展，但仍存在不少技术难题，例如以下四个问题是制约水力压裂技术应用及取得理想效果的关键性因素：
●现场缺乏经济地测量裂缝的有效手段
诊断水力裂缝的目的是为了测量和评估压裂增产作业期间水力裂缝的延伸情况，诊断结果对于合理安排井位以及选择压裂施工时的施工规模、加砂浓度和用砂量、一次施工的井段数量等，评估现场施工质量，具有十分重要的指导意义。

随着水力压裂技术的发展和应用，现场迫切需要测量和评估地下水力裂缝的方法。

测量和评估地下水力裂缝的方法一般分为水力裂缝直接诊断技术和水力裂缝间接诊断技术，但正如现代增产技术经典之作《油藏增产技术》[1～2]和《水力压裂技术新进展》[3]所综述，一些专门的水力裂缝直接诊断技术，如井下电视[4～5]、微地震测量[6～11]、放射性示踪剂[12]、井温测试[13～15]、地面和井底测斜仪[16～18]等已被应用于推断地下裂缝的几何尺寸，然而这些诊断技术提供的资料往往有限(见表1)，而且费用昂贵，从而限制了其应用。

同时，另一些水力裂缝间接诊断技术，如试井分析[19～43]、生产历史拟合[44]等已被应用于分析裂缝几何尺寸和裂缝导流能力等参数。

但是相对而言，压裂压力分析被公认为是评估压裂过程和水力裂缝的最强有力的、经济可行的技术[1～3]。

●对储层特性缺乏深入的研究和认识
无论是压裂设计的优化，还是施工工艺和压裂材料的优选，最困难而又花费大的工作是得到所需的参数。

一些关键性的岩石特性参数如岩石力学参数和地应力分布，直接影响裂缝几何尺寸、裂缝导流能力和压裂施工效果，但目前还缺乏比较深入的研究。

例如岩石断裂韧性是断裂力学中度量岩石破裂程度并严重影响裂缝形态的一个岩石力学参数，尽管该参数可采用一些室内测量方法[45～47]获得，但大量室内和现场研究[1～3, 48～49]表明，这些室内测量方法获得的岩石断裂韧性比地层情况下的实际值小1～2个数量级，换句话说，岩石断裂韧性这个参数究竟取什么数量级的值，目前尚无统一的结论。

事实上，要获得这些关键性数据一方面非常困难，另一方面往往代价很高，或者兼而有之。

表1 水力裂缝直接诊断技术及其提供的资
料
●压裂设计的局限性
压裂设计需要真实准确的压裂资料，包括储层特性参数、压裂液和支撑剂等压裂材料的资料等，压裂设计的有效性不仅依赖于压裂设计方法及其所采用的模型，更重要的是取决于所需数据的质量。

从理论上讲，尽管压裂设计参数可由电缆测井、室内流体实验和岩心测试等途径而得到，但实际情况是，由这些途径所获得的数据，其可靠性会因测量的量级、地质环境
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的变化、过于简化的反应假设和就地储层条件测试的显著差异等因素而降低。

例如压裂液流变性和滤失程度是影响压裂设计的重要资料，但由于压裂液在井筒、孔眼与裂缝中的剪切降解和热降解，压裂液配料的不适当混合，压裂液成胶剂和交联剂的状况等都独自地或相互地影响压裂液流变性和滤失程度，减少压裂液视粘度，增大液体滤失系数。

正如天然气研究院(GRI)现场流变性测试装置[50～51]的现场测试结论，使用实验室测量所得的压裂液数据不可能正确地体现现场配制和泵入冻胶的性质。

由此可以看出，压裂设计时不可能获得全面准确的压裂参数，这种不确定性往往导致压裂施工不能达到预期的压裂施工效果。

因此，为尽可能地获得准确的压裂资料，目前广泛采用的方法是在进行正式加砂压裂之前，进行一次小型压裂测试和解释(由于压裂后压力降落分析技术[52～69]需将裂缝高度和裂缝闭合压力作为已知的关键性参数输入，因此通常利用井温测试技术获得裂缝高度，有时利用注入－返排法[70～72, 52]获得裂缝闭合压力)，以取得加砂压裂所需要的部分压裂参数，并及时修改和完善加砂压裂设计。

●落后的压裂监测与施工质量控制
成功的压裂施工取决于完善的计划、充分的准备工作、监督检查与施工质量控制，而压裂监测与施工质量控制一直是压裂工作中的薄弱环节。

近年来，压裂技术的显著进步之一是现场数据采集和监控设备、压裂泵注过程中实时分析和图形显示、现场流变性测试装置及计算机接口。

从目前的实际情况看，压裂施工现场已普遍装备了先进的数据采集和监控设备，但压裂泵注过程中实时分析技术和压裂停泵后压力降落分析技术仍存在不少技术难题，分析解释结果仍不理想。

综上，水力压裂技术的应用及其效果取决于压裂工艺技术的完善程度，而压裂实时监测及解释技术是认识地层，调整施工参数，保证施工成功，提高压裂效果的重要手段。

应用该技术，可诊断和分析压裂施工过程中裂缝的动态延伸和支撑剂的运移分布，认识和研究储层特性，分析和评估现场压裂液性能和实际施工质量，减小施工风险，保证施工按设计要求顺利进行，并根据实际情况进行现场调整。

因此，针对压裂实时监测及解释技术及其亟待解决的技术问题进行深入研究是油气藏勘探与开发的迫切要求，势在必行，意义重大。

2 国内外研究现状
在水力压裂的初期，出于安全的考虑就已经开始了对压力的测量，但压裂压力动态的重要性是由Godbey和Hodges[73]首先认识到的，并断定，“观察压裂过程中的井口和井底压力是全面了解这一过程和提出改进措施的必经之路。

”
压裂压力与裂缝几何形状及其动态延伸密切相关。

压裂分析与模拟的关键问题之一就是确定裂缝的几何形状及其动态延伸规律。

二十世纪八十年代以前，国内外基本上都采用三种二维模型，目前仍然有一部分压裂设计和相当多的压裂分析是依据二维模型来进行。

二维模型包括PKN模型、KGD模型和Radil模型。

PKN模型是由Perkins和Kern[74]提出，后经Norgren[75]加以发展和完善的二维裂缝模型，该模型认为地层岩石变形为线弹性应变，平面应变发生在垂直剖面上，压裂层与上下岩层之间无滑移，裂缝剖面为椭圆形，而且裂缝高度受储层上下遮挡层的控制，始终为常数。

KGD模型是由Khristianovic 和Zheltov[76]提出，后经Geertsma和
Dekerk[77]，Daneshy[78]等加以发展的二维裂缝模型，该模型认为地层岩石变形为线弹性应变，平面应变发生在水平面上，压裂层与上下岩层之间产生相互滑移，裂缝剖面为矩形，而且裂缝高度受储层上下遮挡层的控制，也始终为常数。

Radil模型属于水平裂缝模型，认为水平裂缝以井轴为中心呈圆盘形。

裂缝二维模型的基本特点是假定裂缝的高度不随时间和位置发生变化，裂缝高度总是大于或等于产层的厚度。

虽然大量的室内实验和矿场试验已经表明：水力压裂时，地层中产生的裂缝的高度往往并不是定值而是随着时间和位置的不同发生变化，但是由于
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裂缝二维模型具有理论成熟、要求输入的参数少和计算简便等特点，因此在某些特殊地层条件下(如地应力分布均匀且岩石力学参数变化不大的情况)仍可应用。

基于二维裂缝模型的压裂压力分析技术是由Nolte和Smith[79]最初提出的，后经Nolte[80～81]和Ayoub等[82]发展和完善成为压裂泵注过程中的经典分析技术。

这种分析技
术采用的是净压力(井底压力与裂缝闭合压力之差)，利用双对数坐标系下净压力曲线的斜率推断裂缝延伸类型，即根据图1和表2判断裂缝延伸方式和类型(PKN模型、KGD模型和Radil模型)。

对于施工压力曲线，一般可归纳为四种典型情况，解释如下：①正斜率很小的线段：与PKN模型一致，表示裂缝在高度方向延伸受阻，这是正常的施工曲线；②斜率为0的线段：对应的压力为地层的压力容量，表示缝高稳定增长到应力遮挡层内，还有可能是地层内天然微裂隙张开，使得滤失量与注入量持平；③斜率为1的线段：表示裂缝端部受阻，缝内压力急剧上升；如果斜率大于1则表示裂缝内发生堵塞，这种情况下应合理控制施工砂比和排量，以保证施工顺利进行，而对于缝端脱砂压裂施工，则希望支撑剂在一定缝长时形成砂堵，然后通过控制排量和砂比，使裂缝满填满，对于常规的加砂压裂，出现斜率为1或大于1时，应立即采取措施，以免井筒内发生砂卡；④斜率为负的线段：表示裂缝穿过低应力层，缝高发生不稳定增长，直到遇到高应力层或加入支撑剂后压力曲线才变缓，另一种可能是沟通了天然裂缝，使滤失量大大增加，此结果会导致裂缝内砂堵，压力又将很快上升(使用KGD模型计算出来的p
lg与t
lg的直线也是负斜率)。

需要说明的是，对压裂施工压力的分析，需要了解压裂层段及相邻层的地应力大小分布，以及改造层的物性参数等，在压力曲线分析时，一般对0斜率段的出现比较关注，因为它说明裂缝的延伸速度将下降，随后有可能出现砂堵，所以应采取相应措施。

图1 不同裂缝延伸模型下双对数解释图
表2 双对数图中压裂压力斜率的解释
延伸类型双对数斜率解释结果Ⅰa -1/6～-1/5 KGD模型
Ⅰb -1/6～-1/5 Radil模型
Ⅱ1/6～1/4 PKN模型
Ⅲ在Ⅱ基础上下降
控制缝高延伸
应力敏感裂隙Ⅳ0
高度延伸通过尖点
裂隙扩张
T型裂缝Ⅴ≥1 受限扩展
Ⅵ在Ⅳ段后变为负值缝高延伸失控
在推断出裂缝延伸方式和类型，并定性地认识和了解裂缝高度延伸情况基础上，可进而确定裂缝长度和裂缝宽度。

对于三种裂缝模型(PKN模型、KGD模型和Radil模型)，井底净压力(即实测的井底压力与预先必需知道的裂缝闭合压力之差)为：
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
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⎪
⎭
⎫
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⎪
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π
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井底平均缝宽为：
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H t L E Q K t W n n f n n n n n f n n n n n f n n n f 2
222212************
2211221221)(316)(2)(2)(απαπαπ
在上述公式中，由于井底压力(实测)和裂缝闭
合压力(预先通过其它途径得到)已知，即井底净压力已知，则只有两个未知数：裂缝长度)(t L f 或裂缝半径)(t R f 和裂缝宽度)(t W f ，从而可联立解得。

需要特别指出的是，上述压力方程和缝宽方程是在假设液体不滤失的条件下导出的，所以计算的裂缝长度和宽度都偏大，严格地讲，应该结合连续性方程对裂缝面积和滤失进行综合考虑，以确定裂缝参数。

尽管上述基于二维裂缝模型的压裂压力分析技术至今仍作为压裂泵注过程中压力分析的经典方法，但存在的问题十分突出：①假设裂缝高度为定值；②采用净压力进行分析，需预先输入裂缝闭合压力，但该参数往往难以获得，同时随着裂缝的扩展延伸，裂缝闭合压力事实上是变化的；③只能刻画和分析施工过程中压力变化的某一阶段，不能完整准确地解释整个施工过程中压力的变化；④解释的参数少，只能定性地认识和了解裂缝高度延伸情况，定量地解释裂缝长度和裂缝宽度；⑤分析解释的前提条件十分苛刻，要求施工排量恒定，压裂液流变参数和滤失系数已知而且保持恒定。

压裂施工过程中裂缝在长度、宽度和高度三个方向上同时扩展延伸，裂缝高度既随施工时间又沿着裂缝长度方向变化。

大量的室内实验和矿场试验表明：水力压裂时，地层中产生的裂缝的高度往往并不是定值而是随着时间和位置的不同发生变化，特别在井底附近“穿层现象”尤为突出。

因此尽管裂缝二维模型在某些地层条件下能用于一般规模的压裂设计与分析，但对于大多数的地层，尤其是对那些最小地应力有突变的、复杂的层状地层以及要进行大型水力压裂时，需要根据三维模型作出压裂设计与分析。

自1978年Simonson 等[83]研究了压裂压力、岩石性质和应力对裂缝垂向增长的影响及其对产状的影响以来，国内外提出了四种拟三维裂缝模型和两种全三维裂缝模型。

Van Eekelen [84]提出了一种拟三维裂缝模型，该模型认为在垂直方向上流压不变，并由KGD 二维模型控制裂缝的垂向延伸。

Advani [85～87]也提出了一种拟三维裂缝模型，该模型研究了层状地层中垂直剖面的延伸，产层和上下边界层的最小主应力不相等，但两边界层的地应力一致，并假设各层的地应力呈均匀分布。

Cleary 与
Settari [88～
91]经不断改进，建立了一个较完整的拟三维裂缝模型，该模型考虑了地层流体的流动、热交换以及支撑剂的输送情况，描述了地应力和地层不连续条件下的三维裂缝几何形态。

Palmer 等[92～95]一直研究拟三维裂缝模型，于1985年提出了一个较完善的拟三维裂缝模型，该模型考虑了地层垂直方向上的最小主应力的差异，压裂液只沿缝长方向流动。

郭大立等[96～98]在研究Palmer 拟三维裂缝模型的基础上提出了一套新的裂缝三维延伸模型及其解法，该模型形态完整，考虑了压裂层、上下遮挡层之间的地应力和岩石力学参数变化的影响，能模拟各种地应力分布模式以及裂缝穿层前后的延伸情况，随后又定量分析和研究了控制裂缝的技术[99～100]。

对全三维裂缝延伸模型，Clifton 和Abou-sayed [101～102]首次提出了一个全三维裂缝模型，用以描述更一般的裂缝延伸和二维流动问题；Cleary 等[103]也提出了一个与Clifton 和Abou-sayed 相似的全三维裂缝模型。

两模型的主要区别在于对裂缝边缘区的处理方法不同，裂缝表面上积分方程的离散化或内插方法也不同。

但由于全三维裂缝模型的复杂性，计算工作量很大，不适用于矿场上应用，因此它主要用于检验各种拟三维模型的精度和研究压裂参数对压裂施工结果的影响。

基于三维裂缝模型压裂压力分析的开拓性工作是由Crockett 和Cleary 等[104～105]完成的，包括压裂施工过程中用于实时模拟和分析的集总综合裂缝模型和用于解释压裂参数的压力历史拟合方法。

压裂施工过程中的实时分析要求裂缝模型必须具有：①运行时间
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大大快于施工时间；②将实际的施工数据作为输入，能重复运行进行历史拟合，以确定一些关键性的压裂特征和有关参数；③根据实时确定的参数，对当前的状态进行诊断和评估，对未来进行预测。

由于现有的四种拟三维裂缝模型和两种全三维裂缝模型均不能满足上述条件，因此Crockett 等提出了集总综合裂缝模型。

该模型是在高度简化水力压裂的基本物理现象基础上，由三个一阶微分方程组成，并控制裂缝长度1L 、裂缝上高2L 和裂缝下高3L 。

当考虑裂缝高度对称(即裂缝上高2L 与裂缝下高3L 相等)时，模型表达为：
i i i N
i A L B L dt
d =+ 其中
n
n N 63+=
n
i n k i u F L
n i i i i l L L L W W E N A 12
341222⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛-=+γρμγγγγ
L
L i u i i W W W N
B 2235-=γγγ 可以看出，该模型的最大特点是为满足实时分析的三个条件，将复杂的数值分析问题通过模型中大量的伽马(γ)系数或积分参数，简化为确定函数或数据库的积分参数，但正是源于这点，造成该模型及其计算结果令人费解。

在此基础上，Crockett 等应用集总综合裂缝模型，基于流体流变性主宰压力变化的基本思想，初步研究了压裂施工过程中的压力历史拟合，以确定裂缝包容量的程度、液体的流变性和滤失程度。

尽管集总综合裂缝模型相对粗糙而且模型及其计算结果不易理解，同时压力历史反演方法也具有重大缺陷，但是由Cleary 等提出的集总综合裂缝模型和三维压裂压力分析法开创了压裂压力分析技术的新局面，大量相关理论研究和施工现场试验[106～118]相继展开，其中最具代表性的是天然气研究院(GRI)的现场试验[112]、Meyer 等[113～114]发展和完善的三维裂缝模型及其算法、Gulrajani 等[115～117]
对压力历史反演唯一性的讨论和现场应用实例、Piggott 等[118]利用压力历史反演获得地层特征(上、下隔层与压裂层的地应力差)的方法。

正是以这些研究成果为基础，一些国际性的研究机构和著名石油公司，如GRI 、BJ 、Meyer 、西方石油公司等相继推出了压裂施工过程中实时分析和图形显示的软件系统。

国内对压裂施工过程中实时监测及解释技术的研究较为落后。

二十世纪九十年代，西南石油学院和石油大学分别研制了二维压裂压力分析软件。

至于对三维压裂压力分析技术的研究，国内还是空白。

近年来，国内各油田相继引进了三维压裂压力分析的软件系统(如FracproPT 等)，但软件的运行情况及解释结果均不理想。

综上所述，压裂施工过程中实时监测及解释技术是认识和了解裂缝和地层情况、分析和评估压裂液性能和现场施工质量、减小施工风险、保证施工按设计要求顺利、确保压裂施工取得理想效果的关键性手段，也是压裂技术进步的显著标志之一。

但这种技术经发展和应用至今，仍面临一些亟待解决的技术难题，主要体现在：
●裂缝模型相对粗糙，应用困难 从形式上看，集总综合裂缝模型相似于全三维裂缝模型，考虑了缝中流体的二维流动，但二维流动的规律(假定沿某一方向的压降梯度与净压力成正比、与该方向的裂缝尺寸即长度或高度成反比)却相对简单和粗糙，同时也忽略参数随缝中位置的变化，因此该模型的精确度事实上还远不如普通的拟三维裂缝模型。

同时，如前所述，该模型将复杂的数值分析问题通过模型中大量的伽马(γ)系数或积分参数，简化为确定函数或数据库的积分参数，从而造成该模型及其计算结果不易理解，应用困难。

●解释参数少，且反演方法有重大缺陷 压裂压力分析的实质是压力历史反演。

反演是一种从系统响应到系统输入来描述系统特征及其相关参数的方法。

对于水力压裂来讲，这个系统就是压裂层、隔层、井筒及相关的一些参数；输入是液体泵入，响应是
施工过程中记录的压力，通过对记录压力的分析，提取地层和液体特征，从而确定裂缝的几何形状。

但这种反演方法的突出问题是结果的多解性，还有裂缝模型和反演算法的复杂性以及计算速度等大量复杂问题。

因此，无论是Crockett等解释液体的流变性和滤失程度，还是Piggott等解释地层特征(上、下隔层与压裂层的地应力差)，解释参数少的关键性制约因素是反演结果的多解性。

事实上，即便如此，上述作者的解释结果也不理想，这个结论是他们在其它论文[50～51]中表达的。

●采用净压力进行分析的局限性
无论是现有的二维压裂压力分析技术，还是最新的三维压裂压力分析技术，无一例外地都是采用净压力进行分析。

所谓净压力是指井底压力与裂缝闭合压力之差，而采用净压力进行分析的局限性在于，需预先输入裂缝闭合压力。

但现实的突出问题是，裂缝闭合压力往往难以获得，同时该参数随着裂缝的扩展延伸是不断变化的。

●数据采集与处理不能满足实时要求
压裂监测装置接受来自传感器的输入信号，并将这些信号进行转换，然后由数字在显示屏上显示各种参数。

在压裂施工期间，现场操作和管理人员可以从压裂监测装置上看到有关信息并做出重要决断，而信息和数据的准确性和可靠性不仅取决于传感器的灵敏度，而且还依赖于对这些信息和数据的采集技术和数据处理能力。

事实上，目前的数据采集与数据处理还不能满足实时监测及分析的要求。

在数据采集方面，压裂施工所产生大量的信息和数据受各种随机因素影响，降低了数据的质量；尤为重要的是，在数据处理方面，解释结果不能自动、及时的完成，从而不能有效地应对和控制施工过程中的突发事件和异常情况，降低了施工的安全性。

3 最新研究成果
我们针对压裂实时监测及解释技术目前亟待解决的重大技术问题，通过多年来卓有成效和系统深入的研究工作，现已取得重大技术突破，研究成果不仅填补了国内空白，而且开拓和发展了压裂分析评估技术的现有内涵，代表了该技术的最先进水平和最新研究成果，部分成果属国内外首创，整体居国际领先水平。

主要研究成果包括：
❶全面系统地研究了水力压裂实时监测及解释技术。

建立了新的压裂实时监测与分析的完整模型，提出了切实可行的压力历史反演新方法，研究了施工数据的采集和通信技术，研制了压裂实时监测及解释软件。

❷建立了新的实时裂缝延伸拟三维模型。

该模型主要包括流体体积平衡方程、裂缝长度方程、裂缝宽度方程、裂缝高度方程等，利用方程求根的方法进行数值求解。

❸采用和完善了三维裂缝中支撑剂运移分布模型。

该模型主要包括支撑剂沉降状态的β准则、裂缝壁面的拉拽效应、支撑剂的干扰沉降、支撑剂在三维裂缝中的运移分布，并采用了精细的数值计算方法。

❹建立了井筒不稳定流动模型，提出了支撑剂影响下的混砂液摩阻计算方法。

井筒不稳定流动模型主要包括连续性方程、流体压降方程、状态方程，并考虑了支撑剂的影响。

❺提出了切实可行的压裂施工过程中实时监测与分析的压力历史反演方法。

该方法综合应用了逐步线性最小二乘法与约束变尺度法的最优化方法和地层特性参数与液体特性参数的数据库，直接拟合井口压力，可以解释一些关键性的地层特性参数，如岩石断裂韧性、地应力分布、地层破裂压力等参数，也可以实时解释压裂液流变性和滤失程度及其动态变化，还可以实时解释水力裂缝的三维扩展延伸和支撑剂的运移分布。

❻研制了地层特性参数和液体特性参数的数据库。

该数据库综合利用了国内外现有理论研究成果与室内实验结果，并对一些地层和液体特性参数进行了深入的研究，获得了岩石断裂韧性与围压的关系等新成果。

❼研究了压裂施工数据的采集和通信技术。

不仅研制了专门的便携式压裂酸化监测仪，而且研究了简单经济的数据采集与通信技术(仅仅几元钱的一根连接电缆)，兼容各种压裂监测仪表(如Halliburton、双S、长城等)的施工现场实时数据的传输和压后数据的保存格式，能满足实时监测及分析的要求。

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