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1、郭大立：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
2、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12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45、微地震测量611、放射性示踪剂12、井温测试1315、地面和井底测
3、斜仪1618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1943、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13。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
4、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4547获得，但大量室内和现场研究13, 4849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12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技术裂缝高度裂缝长度裂缝方位对称性井下电视井温测试放射性示踪剂井下微地震测量地面测斜仪地面电位地面微地震测量？注：为成功的技术，？为不成熟的技术。压裂设计的局限性压裂设计需要真实准
5、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
6、系数。正如天然气研究院(GRI)现场流变性测试装置5051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5269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7072, 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
7、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。
8、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Hodges73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
9、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Kern74提出，后经Norgren75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Zheltov76提出，后经Geertsma和Dekerk77，Dane
10、shy78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
11、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Smith79最初提出的，后经Nolte8081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：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；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
12、能是地层内天然微裂隙张开，使得滤失量与注入量持平；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；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模型计算出来的与的直线也是负
13、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a-1/6-1/5KGD模型b-1/6-1/5Radil模型1/61/4PKN模型在基础上下降控制缝高延伸应力敏感裂隙0高度延伸通过尖点裂隙扩张T型裂缝1受限扩展在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
14、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：井底平均缝宽为：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：裂缝长度或裂缝半径和裂缝宽度，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：
15、假设裂缝高度为定值；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；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；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；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Simo
