动态法确定煤层气井裂缝方位
(1.大港油田石油工程研究院天津300280 2。青海油田钻采技术研究院敦煌736002)
本文介绍了一种利用地球物理方法的测试技术，即电位法来确定压裂裂缝的方位和长度等参数。它是针对油(煤)层的固有特点，经过大量的室内外试验和理论研究而获得的科研成果。在简要阐述电位测试技术的基本原理、测量方法和测量仪器的基础上，重点分析了吉石1井和延长油矿8118井的现场应用效果，证明了电位测试技术的可行性及其在油(煤)气田勘探开发中的重要作用。
关键词:电位测量仪，过程裂纹监测
煤层压裂电位法定向动态测试技术
张金成1王爱国1王晓健1丁Na2
1.党岗油田公司，天津300280；2.青海油田公司，中国敦煌736002
文摘:本文介绍了一种应用地球物理方法，这是一种利用煤层压裂测试电位进行定向和长度测试的新技术。为了达到科学研究的目的，针对煤层的固有特性，在大量物理模型和室内实验的基础上，进行了大量的野外实验和理论研究。应用评价表明，与其它测量方法相比，该测量技术具有较高的精度，且不破坏产品离子。在阐述了测试的基本原理、测量仪器和测量方法后，重点分析了吉石1井和乌石5 3井的测试资料，结果表明电位法定向测试技术是完全可行的，对煤层压裂更有意义。
关键词:电位分析法；测量仪器；测量技术；煤层压裂方向
作者简介:张锦程，1961出生，高级工程师；1990毕业于成都地质学院物探系，2002年毕业于吉林大学地质勘查学院，获工学硕士学位；在相关期刊发表学术论文十余篇，电位法井间监测技术研究获大港油田集团一等奖。从事井间监测技术研究多年。电话:022 25925803(13802162056)邮箱:zjc _ 2056 @ sohu.com。
1的研究背景
煤层气藏可采储量经济评价后，要经济开采煤层气，必须在煤层中发育并广泛分布裂缝系统(解理面必须与井筒相连)，以加速煤层气的抽采和降压，促进其解吸并流向井底。众所周知，煤层的主要特点是:割理发育，弹性模量低，水力压裂在煤层中形成和支撑长裂缝极其困难。有鉴于此，人们往往把水力压裂看作是一种连接井筒与割理系统的作业过程，但它在远离井筒后仍与普通砂岩一样，主要由锯齿形垂直裂缝和平行于最大主应力方向的水平裂缝组成。
针对煤层的固有特性(接近无弹性)，九五期间开展了地面电位法确定煤层气井裂缝方位的研究和实验工作。2000年，在地面电位法技术的基础上，开展了“动态法确定压裂井裂缝的监测技术”的研究工作，成功开发了DCT50动态图像监测系统，可实现对整个压裂过程的实时、可视化动态监测，进一步扩大了该方法的应用范围。在此基础上，2008年开发了集成精密仪器系统DDPI-EM，并申请了两项相关发明专利。该系统可提供测量精度高、抗干扰能力强的可控信号，并可加载伪随机码，其中可控信号加载伪随机码后向煤层气井深处发射。在地面测试人工电场时，可以排除干扰背景，清晰地区分深部低阻异常。到目前为止，已经形成了一套完整的、各具特色的确定煤层气压裂裂缝方位的动力学方法。
2测试原理和基本公式
假设地层是无限均匀介质，如果通过导线和套管以恒定电流向地层供电，就会在地层中形成一个人工电场。在除电源电极之外的任何点M(x，y，z)处观察到的电场电势如下:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
对于平面环空测量，只与井深h和测量环半径r有关，上述公式可改写为:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
式中:ρ为地层视电阻率(ω·m)；I为电源电流强度(a)；h为测试目标层的深度(m)；r是从观测点m到点源dz的距离(m)。
当场源为任意形状时，应在场源处画一个面元ds来计算外电场势。若ds处的电流密度为J，则从ds流出的电流为jds，其在观测点M处产生的电位dUM可写成:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
综合外部电场电势:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
从等式(3)可以看出，当观测点m相同时，由于场源的几何形状不同，产生的电势值不同。
在压裂施工中，如果使用的压裂液是地层的良导体，即当液体的电阻率与地层介质的电阻率相差较大时，使用测井套管向地层提供高稳定电流(伪随机码调制)，这种压裂液可视为地层中的场源。因为它的存在，原始电场(压裂施工前的地面电场)的分布会发生变化，即大部分电流会集中在低电阻率体区，必然会造成。鉴于此，如果在测试压裂井周围环形布置几组测点，利用高精度电位观测系统，在压裂施工过程中实时监测地面电位的变化，通过一定的数据处理，就可以达到实时解释裂缝延伸方位等相关参数的目的(图1)。
图1压裂裂缝监测示意图
3测量仪器系统
系统总体开发方案(图2):仪器总体设计的主要设计思想是采用整体系统思维方法。发射机和接收机不再被认为是独立的模块，而是相互工作、相互反馈的统一体，由单片机C8051F236***管理。单片机与pc机通信，最终实现计算机统一管理。最终仪表系统的主要性能指标如下:
最大输出电流:20A
最大输出电压:500V
稳流精度:65438±0%以内(负荷变化的20%以内，输入变化的20%以内)；
频率稳定度:0.01%；
输入阻抗:80MΩ
分辨率:1μV；
电位测量的准确度:优于0.5%；
动态监控范围为2V。
图2系统总体开发方案
4野外工作的方法和技巧
4.1测点和测线布置
测点布置是以A井为中心，径向内(N)、中(COM)、外(M)设置一个多环测点，测点之间的夹角为15。测量环的半径可以用经纬仪或红外测距仪测量，测量点的位置要标注清楚，保证两次测量没有几何误差。测点布设完毕后，布设测量网，在有条件的地区提前埋设或铺设测量电极、测量导线、供电导线，这是保证测量精度的重要方面(图3)。
图3测点和测线布置图
4.2井的选择
在压裂井A周围形成人工电场，在A周围选择另一口井B，与压裂井A形成闭合回路，一般两口井AB之间的距离应大于A井压裂层段的深度，但不能过小，改善AB之间表面电流密度高的情况，有利于提高异常充电的分辨率。通常遵循以下原则进行选择:(1)AB D & gt；裂缝层位深度H(m)，(2)B井深度HB≥A井裂缝层位深度H(m)。
4.3降低压裂液的电阻率
压裂液电阻率与压裂井段围岩介质电阻率之差越大，越有利于异常显示。为了实现这个目标。在压裂施工中，需要在压裂液中加入导电金属盐。通常压裂液中可以加入3%的盐，以满足电导率差异的要求。
4.4施工流程
主要施工步骤如下:①根据施工设计布置测点(夹角一般为15，测环数视地质任务而定)、测量线和供电线；(2)选择发送和接收系统的参数(如码宽和码长)并进行调试，以满足设计要求的测量精度；(3)注液施工的同时，试验工作开始，直至注液施工结束。
4.5数据处理
在实际数据处理中，我们选择了“视异常法”来处理数据。考虑到电源电流的变化，需要对注入工作流体前后测得的电位差数据进行归一化处理。即:
中国煤层气技术进展:2011煤层气学术讨论会论文集。
其中:US为标准视在纯异常(mV/A)；UQMN和UHMN是注入工作流体前后测得的电位差数据(mV );IQ和IH是注入工作流体之前和之后的供给电流(A)。
经过数据处理，给出了视异常曲线和环形图。视异常图中，横坐标代表测点方位角，纵坐标代表视异常值；在视异常环形图中，点被记录下来，测试点的方位角被标记在环形之外。正北方向(N)为0，顺时针旋转，90°为正东(E)方向，180为正南(S)方向，270°为正西(W)方向。
5现场应用示例
5.1试井
积石1井是山西省大宁县吉县煤层气项目管理部部署的一口煤层气勘探评价井。其地理位置在山西省蒲县皮条沟村以西200米，构造位置在鄂尔多斯盆地东部饶褶皱带的古驿背斜。为了确定吉石1井煤层压裂裂缝延伸方向，煤层气项目管理部委托大港油田钻采院对该井8#煤压裂裂缝方向进行了测试。从图4到图6可以看出，Us的视纯异常曲线在360°范围内变化了近两期，最小值对应于16号(N45°E)和号，认为压裂施工形成的裂缝是长度不等的对称裂缝。根据反演计算，16号(N45°E)方向的裂缝长度为89m，4号(S45°W)方向的裂缝长度为66m(图6)。
5.2乌石5-3井测试
图4纪氏油田1井8#煤在80100处的视纯异常曲线
图5积石1井8煤100120m视在纯异常曲线。
乌石5井组的井位见图7。该油田对乌石53井进行了压裂裂缝测试。乌石5井组所在区块以往探井的施工资料显示，该区块的延伸压力梯度变化较大，部分井的延伸压力梯度很高，尤其是中心井乌石5井，延伸压力梯度高达0.044MPa/m，甚至在预流体阶段高达0.05MPa/m，这一方面反映了区域煤层的非均质性。 而另一方面，总体评价是:超低孔隙度、超低渗透率，目的层上下夹层有一定的应力屏蔽作用； 延伸压力梯度变化大，部分井延伸压力梯度高，煤层多条裂缝发育程度高，裂缝延伸困难。
图6积石油田1井8#煤测试结果
图7乌石5井组位置图
野外测试数据经数据处理后得到的视异常曲线见图8 ~图10。①视异常曲线在360°范围内变化了近两个旋回，认为压裂施工时形成了对称的两翼不等长裂缝，裂缝中心方位角为30°和210°，其中60°为长裂缝(图8、9)；②通过模拟计算，30°方向裂缝长度为79.96m，210°方向裂缝长度为60.97m(见图10)。
图8乌石5-3井视纯异常曲线
6结论
应用地球物理方法研究和确定油(煤)层水力压裂裂缝的方位，在生产和科研中具有实际意义，研究成果也为潜在方法开辟了新的领域。基于充电法的基本理论，结合实际情况对给出的数学模型进行合理分析，并进行系统的物理模拟试验得出。例如，根据一套现场工作方法和技术以及开发的动态观测系统，可以成功地用于确定埋深小于3000m的压裂裂缝的优势方位，并据此预测裂缝长度，这不仅对研究压裂技术效果、制定合理经济的开发方案具有重要的指导意义，而且对解决其他类似工程问题也具有一定的参考价值，具有广阔的应用前景。
图9乌石5-3井视纯异常环形图。
图10乌石5-3井裂缝长度等值线图
参加考试，贡献力量
付良奎主编。1983.电法勘探课程。地质出版社，5，(1) 16 ~ 17。
江汉石油学院测井教研室。1981.测井数据解释。石油工业出版社。
张锦程。2001.电位法井间监测技术。地震地质学第23卷(2) 292 ~300页
Bartel L C，McCann R P和KecK L J. 1976。SPE 6090。发表于10月4日至6日在路易斯安那州新奥尔良举行的SPE 51st秋季年会。
麦肯R P和凯克L j 1976。SAND 76 0379，桑迪亚实验室，2010年8月