動(dòng)態(tài)法測定煤層氣井壓裂裂縫方位技術(shù) 動(dòng)態(tài)法測定煤層氣井壓裂裂縫方位技術(shù)
張金成1 王愛國1 王小劍1 丁娜2
作者簡介:張金成,1961年生,高級工程師;1990年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院物探系,2002年畢業(yè)于吉林大學(xué)地探學(xué)院,獲工程碩士學(xué)位;先后在有關(guān)刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇,電位法井間監(jiān)測技術(shù)研究獲大港油田集團(tuán)一等獎(jiǎng);多年來一直從事井間監(jiān)測技術(shù)的研究工作。聯(lián)系電話:022-25925803(13802162056)E-mail:zjc_2056@sohu.com.
(1.大港油田石油工程研究院 天津 3002802.青海油田鉆采工藝研究院 敦煌 736002)
摘要:本文介紹一種應(yīng)用地球物理方法,即電位法測定壓裂裂縫方位、長度等參數(shù)的測試技術(shù),它是針對油(煤)層所固有的特點(diǎn),進(jìn)行了大量室內(nèi)外試驗(yàn)及理論研究后取得的科研成果。在簡要闡述電位法測試技術(shù)的基本原理、測量方法及測量儀器的基礎(chǔ)上,文章重點(diǎn)對山西吉試1井、延長油礦8118井的現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行了分析,證明了電位法測試技術(shù)的可行性及在油(煤)層氣田勘探與開發(fā)領(lǐng)域中所發(fā)揮的重要作用。
關(guān)鍵詞:電位法 測量儀器 測量工藝 裂縫監(jiān)測
Dynamic Testing Technology of Orientation by Potentiometry Method for Coalbed Fracturing
ZHANG Jincheng1 WANG Aiguo1 WANG Xiaojian1 DING Na2
1.Dang Gang Oil Field Co, Tianjin 300280, China; 2.Qing Hai Oil Field Co, Dunhuang 736002, China
Abstract: An applied geophysics method is introduced in this paper and this is a new testing technology of o- rientation and length by testing potentiometry of coal-bed fracturing.For attaining the scientific research, substan- tial field experiment and the theory study was carried out based on a large number of physical model and indoor ex- periments against the inherent characteristics of coal-bed seams.The measurement technology was assessed in ap- plication that it had high accuracy and not any break to production compared with other measurement meth- ods.After showed the fundamental principles of testing、 measuring instruments and measuring methods, the tes- ting data of well JiShi 1 and well WuShi 5-3 was focusly analyzed and the result indicated the testing technology of orientation by potentiometry method was entirely feasible and had more significance for coal-bed fracturing.
Keywords: Potentiometry method; Measuring instruments; Measuring technique; Orientation of coal-bed fracturing
1 研究背景
對煤層氣藏的可采儲(chǔ)量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價(jià)后,若要經(jīng)濟(jì)的開采煤層氣,煤層中必須發(fā)育并廣泛分布裂縫系統(tǒng)(割理面必須與井筒相聯(lián)),這樣才能加速煤層氣的排水降壓,促使煤層氣解吸并流向井底。眾所周知,煤層的主要特征表現(xiàn)在:煤層割理發(fā)育、彈性模量低,這樣水力壓裂在煤層中形成和支撐長裂縫是極其困難的。鑒于此,人們常把水力壓裂看作是一種將井筒與割理系統(tǒng)連通的作業(yè)過程,但遠(yuǎn)離井筒后還仍然是與普通砂巖一樣,主要以平行于最大主應(yīng)力方向的彎彎曲曲的垂直裂縫和水平裂縫為主。
針對煤層固有的特點(diǎn)(近于非彈性體),在“九五”期間進(jìn)行了地面電位法測定煤層氣井壓裂裂縫方位的研究與試驗(yàn)工作,2000年在地面電位法技術(shù)的基礎(chǔ)上,又開展了《動(dòng)態(tài)法測定壓裂井壓裂裂縫監(jiān)測技術(shù)》的研究工作,成功的研制出DCT-50型動(dòng)態(tài)影像監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)可對壓裂全過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測,進(jìn)一步擴(kuò)大了方法的應(yīng)用范圍。在此基礎(chǔ)上,2008年又開展了一體化精密儀器系統(tǒng)DDPI—EM的研發(fā),并申請相關(guān)發(fā)明專利兩項(xiàng),這套系統(tǒng)能提供一種高測量精度的、抗干擾的能加載偽隨機(jī)編碼的可控信號(hào),其中的可控信號(hào)加載有偽隨機(jī)編碼,在煤層氣井內(nèi)深層發(fā)射,在地面測試人工電場時(shí),能夠排除干擾背景,可清晰地分辨深層低阻異常體。至此,形成了完整的具有鮮明特色的動(dòng)態(tài)法測定煤層氣壓裂裂縫方位技術(shù)。
2 測試原理和基本公式
假設(shè)地層是一個(gè)無限大的均勻介質(zhì),若通過導(dǎo)線及套管以恒定電流向地層供電,在地層中則形成一人工電場,在供電電極以外任一點(diǎn)M(x,y,z)觀測電場的電位為:
中國煤層氣技術(shù)進(jìn)展:2011年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集
對于平面環(huán)形測量來說,只與井深h和測量環(huán)半徑r有關(guān),上式可改寫為:
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式中:ρ為地層視電阻率(Ω·m);I為供電電流強(qiáng)度(A);h為測試目的層深度(m);r為觀測點(diǎn)M到點(diǎn)源dz之間的距離(m)。
當(dāng)場源為任意形狀時(shí),計(jì)算外電場電位應(yīng)在場源處劃出一個(gè)面元ds,如果ds處的電流密度為j,則從ds處流出的電流為jds,它在觀測點(diǎn)M產(chǎn)生的電位dUM仿上式可寫為:
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積分得外電場電位:
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從(3)式看出,當(dāng)觀測點(diǎn)M相同時(shí),由于場源的幾何形狀不同,所產(chǎn)生的電位值也不相同。
壓裂施工中,如果所用的壓裂液相對于地層為一個(gè)良導(dǎo)體,即液體電阻率與地層介質(zhì)的電阻率相比差異較大時(shí),利用被測井套管向地層供以高穩(wěn)定度的電流(被偽隨機(jī)碼調(diào)制),這部分壓裂液在地層中即可看作為一個(gè)場源,由于它的存在將使原電場(未進(jìn)行壓裂施工前的地面電場)的分布形態(tài)發(fā)生變化,即大部分電流集中到低阻體帶,這樣勢必造成地面的電流密度減小,地面電流密度減小相應(yīng)的地面電位也會(huì)發(fā)生較大的變化。鑒于此,若在被測壓裂井周圍環(huán)形布置多組測點(diǎn),采用高精度的電位觀測系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測壓裂施工過程中地面電位變化,并通過一定的數(shù)據(jù)處理,就可達(dá)到實(shí)時(shí)解釋裂縫延伸方位等有關(guān)參數(shù)的目的(圖1)。
圖1 壓裂裂縫監(jiān)測原理圖
3 測量儀器系統(tǒng)
系統(tǒng)的總體研制方案(圖2):整體儀器設(shè)計(jì)其主要的設(shè)計(jì)思想就是采用整體系統(tǒng)思維方法,不再認(rèn)為發(fā)射儀和接受儀是各自獨(dú)立的模塊,而是相互共同工作和反饋的統(tǒng)一體,它們由單片機(jī)C8051F236共同管理。單片機(jī)與個(gè)人電腦進(jìn)行通訊,最終實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理,最終儀器系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下:
·最大輸出電流:20A;
·最大輸出電壓:500V;
·穩(wěn)流精度:1%內(nèi)(在負(fù)載變化±20%,輸入變化±20%以內(nèi));
·頻率穩(wěn)定度:0.01%;
·輸入阻抗:80MΩ;
·分辨率:1μV;
·電位測量精度:優(yōu)于0.5%;
·動(dòng)態(tài)監(jiān)測范圍±2V。
圖2 系統(tǒng)總體研制方案
4 野外工作的方法技術(shù)
4.1 測點(diǎn)及測線布置
測點(diǎn)的布置是以A井為圓心環(huán)形設(shè)置內(nèi)(N)、中(COM)、外(M)呈放射狀對應(yīng)的多環(huán)測點(diǎn),測點(diǎn)間夾角為15°,測環(huán)半徑可用經(jīng)緯儀或紅外測距儀測定,同時(shí)測點(diǎn)位置要有明顯的標(biāo)志,以保證兩次測量沒有幾何誤差;在測點(diǎn)布置完后敷設(shè)測網(wǎng),在有條件的地區(qū),測量電極、測量線及供電線預(yù)先埋設(shè)或布置,這是保證測量精度的重要方面(圖3)。
圖3 測點(diǎn)及測線布置
4.2 B井的選擇
在壓裂井A周圍形成人工電場,還應(yīng)在A周圍再選一口井B使之與壓裂井A形成閉合回路,AB兩井之間距離一般應(yīng)大于A井的壓裂層段深度,而不應(yīng)太小,這樣做改善了AB間表層電流密度大的情況,有利于提高充電異常的分辨力,通常遵循以下原則進(jìn)行選擇:(1)AB之間距離D>壓裂層位的深度H(m),(2)B井深度HB≥A井壓裂層位的深度H(m)。
4.3 降低壓裂液電阻率
壓裂液電阻率與壓裂層段圍巖介質(zhì)電阻率的差異越大,就越有利于異常顯示。為了達(dá)到這個(gè)目的。壓裂施工中必須在壓裂液中加入有利于導(dǎo)電的金屬鹽類,通常可按3%比例在壓裂液中加入食鹽即能達(dá)到導(dǎo)電性差異的要求。
4.4 施工工序
主要施工步驟如下:(1)按施工設(shè)計(jì)布置測點(diǎn)(夾角一般為15°,測環(huán)數(shù)隨地質(zhì)任務(wù)而定)、測線及供電線;(2)選擇發(fā)送與接收系統(tǒng)參數(shù)(如碼寬度和碼長),進(jìn)行調(diào)試使之滿足設(shè)計(jì)要求的測量精度;(3)注液施工,同時(shí)測試工作也開始進(jìn)行,直至注液施工結(jié)束。
4.5 數(shù)據(jù)處理
在實(shí)際數(shù)據(jù)處理工作中,我們選用了“視純異常法”進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,考慮供電電流的變化,需要對注入工作液前、后測得的電位差數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一處理。即:
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式中:US為標(biāo)準(zhǔn)視純異常(mV/A);UQMN、UHMN分別為注入工作液前、后測得的電位差數(shù)據(jù)(mV);IQ、IH分別為注入工作液前、后時(shí)的供電電流(A)。
數(shù)據(jù)處理后,給出了視純異常曲線圖和環(huán)形圖。在視純異常曲線圖中橫坐標(biāo)表示測點(diǎn)的方位角,縱坐標(biāo)表示視純異常值;在視純異常環(huán)形圖中,圓點(diǎn)為被測井,環(huán)外標(biāo)出測試點(diǎn)方位角,正北方向(N)為0°并順時(shí)針旋轉(zhuǎn),90°為正東(E)方向、180°為正南(S)方向、270°為正西(W)方向。
5 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例
5.1 吉試1井測試
吉試1井是煤層氣項(xiàng)目經(jīng)理部在山西大寧-吉縣地區(qū)部署的一口煤層氣勘探評價(jià)井,其地理位置在山西省蒲縣皮條溝村西200m,構(gòu)造位置為鄂爾多斯盆地東部晉西饒褶帶古驛背斜。為了確定吉試1井煤層壓裂裂縫的延伸方向,煤層氣項(xiàng)目經(jīng)理部委托大港油田鉆采院,對該井的8#煤的壓裂裂縫方向進(jìn)行測試,由圖4至圖6可以看出:Us視純異常曲線在360°范圍內(nèi)出現(xiàn)了近兩個(gè)周期的變化,極小值分別對應(yīng)了No.16(N45°E)和No.4(S45°W),且兩者的異常幅度差很大。認(rèn)為壓裂施工所形成的裂縫為一對稱不等長裂縫,根據(jù)反演計(jì)算,NO.16(N45°E)方向的裂縫長度為89m,NO.4(S45°W)方向的裂縫長度為66m(圖6)。
圖4 吉試1井8#煤80100視純異常曲線
圖5 吉試1井8#煤100120米視純異常曲線
5.2 武試5-3井測試
武試5井組的各井位置見圖7所示,本次現(xiàn)場實(shí)施壓裂裂縫測試的是武試5-3井,試驗(yàn)井組所在區(qū)塊以往探井的施工資料表明該區(qū)塊延伸壓力梯度變化很大,部分井延伸壓力梯度很高,尤其是中心井武試5井,延伸壓力梯度高達(dá)0.044MPa/m,在前置液階段甚至高達(dá)0.05MPa/m,一方面反映了區(qū)域煤層的非均質(zhì)性,另一方面反應(yīng)煤層裂縫非常復(fù)雜,延伸困難。總體評價(jià)是:特低孔、特低滲,目的層上下隔層有一定的應(yīng)力遮擋效果;延伸壓力梯度變化較大,部分井延伸壓力梯度較高,煤層多裂縫發(fā)育程度高,裂縫延伸困難。
現(xiàn)場測試資料數(shù)據(jù)處理后所得到的視純異常曲線見圖8至圖10,(1)視純異常曲線在360°范圍內(nèi)出現(xiàn)了近兩個(gè)周期的變化,認(rèn)為壓裂施工中,形成了兩翼對稱不等長裂縫,裂縫中心方位角為30°和210°方向,其中60°方向?yàn)殚L裂縫(圖8,9);(2)經(jīng)模擬計(jì)算,30°方向裂縫長度為79.96m,210°方向裂縫長度為60.97m(見圖10)。
圖6 吉試1井8#煤測試成果圖
圖7 武試5井組位置圖
圖8 武試5-3井視純異常曲線
6 結(jié)論
應(yīng)用地球物理方法來研究和確定油(煤)層水力壓裂裂縫方位,在生產(chǎn)與科研中具有實(shí)際應(yīng)用的意義,同時(shí)該研究成果也為電位法開辟了新的領(lǐng)域。它是以充電法的基本理論為依據(jù),通過對結(jié)合實(shí)際所給數(shù)學(xué)模型的合理分析和比較系統(tǒng)的物理模擬試驗(yàn)取得的,如按所提供的一套野外工作方法與技術(shù)并采用研制的動(dòng)態(tài)觀測系統(tǒng)在所論的條件下,可較成功的用來確定埋藏深度在3000m以內(nèi)壓裂裂縫的主導(dǎo)方位和該基礎(chǔ)上所進(jìn)行的裂縫長度的預(yù)測研究,這不僅對研究壓裂工藝效果,合理的經(jīng)濟(jì)的制定開發(fā)方案有一定的指導(dǎo)意義,而且對解決其他類似工程問題也有一定的參考價(jià)值,故具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖9 武試5-3井視純異常環(huán)形圖
圖10 武試5-3井裂縫長度等值線圖
參考文獻(xiàn)
傅良魁主編.1983.電法勘探教程.地質(zhì)出版社,5,(1)16~17
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張金成.2001.電位法井間監(jiān)測技術(shù).地震地質(zhì)Vol.23(2)292~300
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McCann R P and KecK L J.1976.SAND 76-0379, Sandia Laboratories, Aug.
基于煤層壓裂模擬的水飽和煤樣單軸力學(xué)試驗(yàn)研究
因此,目前國內(nèi)的煤層氣井采用最廣泛的完井方法是壓裂完井,煤層和砂巖的巖性特征有很大的區(qū)別,壓裂施工中裂縫在煤層中的擴(kuò)展規(guī)律與在砂巖中的擴(kuò)展規(guī)律也不相同,為了解煤層的壓裂特征和壓裂效果就需要對煤層壓裂進(jìn)行模擬研究,要進(jìn)行模擬研究就需要研究煤巖的力學(xué)性質(zhì)。 通過試驗(yàn)研究煤巖的力學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)煤巖具有尺寸效應(yīng)—...
壓裂液對煤層氣解吸附傷害機(jī)理研究
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煤層氣U型井鉆完井新技術(shù)研究
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煤層氣井完井技術(shù)
上述過程循環(huán)數(shù)次直至形成穩(wěn)定的洞穴，且井筒亦無碎屑。室內(nèi)部分研究數(shù)據(jù)顯示，張性裂縫可由井筒處延伸至30～60m，剪切裂縫可延伸至7.5m左右。洞穴完井是一種有效提高煤層氣井產(chǎn)能的技術(shù)，但不是所有煤層都適合進(jìn)行洞穴完井，在圣胡安盆地甜點(diǎn)區(qū)以外的區(qū)域，洞穴完井增產(chǎn)效果不如常規(guī)壓裂井。依據(jù)美國煤層氣...
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煤層氣井壓裂后憋壓多長時(shí)間開始放噴返排
20分鐘。煤層氣井壓裂停泵后20-30分鐘內(nèi)開始放噴返排為了在壓裂液排出裂縫后，實(shí)現(xiàn)井內(nèi)壓力的釋放和平衡，以恢復(fù)井口的正常工作狀態(tài)。
相關(guān)評說：
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沙縣半圓： ______ 合肥辰工科技有過相關(guān)的研究和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),對您進(jìn)行回答:針對大慶油田大規(guī)模體積壓裂現(xiàn)狀,研究大規(guī)模體積壓裂后試井資料的解釋分析方法,開發(fā)大規(guī)模壓裂井?dāng)?shù)值試井解釋軟件,能對壓力恢復(fù)試井資料及動(dòng)態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋,提供地層...
沙縣半圓： ______ 影響煤層氣井壓裂效果的地質(zhì)因素有: (1)煤的變質(zhì)程度; (2)圍巖和煤層的滲透性; (3)地質(zhì)構(gòu)造; (4)地下水活動(dòng); (5)煤田暴露程度; (6)煤層埋藏深度. 煤層氣是指儲(chǔ)存在煤層中以甲烷為主要成分、以吸附在煤基質(zhì)...
沙縣半圓： ______ .1.因?yàn)槟赣H平時(shí)不太和她說話,也不太有親密的動(dòng)作. 2.母親一直和父親分隔兩地,是為了照顧我和弟弟妹妹的生活和學(xué)習(xí).等到,孩子們都大了,不在本地念書去國外了,不再需要母親照顧了,母親才去探望父親. 3.因?yàn)樽髡邚男〉酱笠驗(yàn)槟赣H的愛藏的太深,而一直懷疑母親對她的愛.因此不和母親太親近.只寄過一張這樣飽含愛的卡片.所以不常有. 4.只有這一張是作者親自寫親自畫的,飽含著對母親濃濃的愛.而其他的都是現(xiàn)成的卡片附上聊聊的幾筆問候.所以,母親一直保存著這一張卡片,因?yàn)檫@張卡片不只是卡片而已,更是女兒對自己的愛.所以尤為珍貴..
