動態法測定煤層氣井壓裂裂縫方位技術

張金成1 王愛國1 王小劍1 丁娜2

(1.大港油田石油工程研究院 天津 300280 2.青海油田鉆采工藝研究院 敦煌 736002)

摘要:本文介紹壹種應用地球物理方法，即電位法測定壓裂裂縫方位、長度等參數的測試技術，它是針對油(煤)層所固有的特點，進行了大量室內外試驗及理論研究後取得的科研成果。在簡要闡述電位法測試技術的基本原理、測量方法及測量儀器的基礎上，文章重點對山西吉試1井、延長油礦8118井的現場應用效果進行了分析，證明了電位法測試技術的可行性及在油(煤)層氣田勘探與開發領域中所發揮的重要作用。

關鍵詞:電位法 測量儀器 測量工藝 裂縫監測

Dynamic Testing Technology of Orientation by Potentiometry Method for Coalbed Fracturing

ZHANG Jincheng1WANG Aiguo1WANG Xiaojian1DING 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

作者簡介: 張金成，1961 年生，高級工程師; 1990 年畢業於成都地質學院物探系，2002 年畢業於吉林大學地探學院，獲工程碩士學位; 先後在有關刊物發表學術論文十余篇，電位法井間監測技術研究獲大港油田集團壹等獎; 多年來壹直從事井間監測技術的研究工作。聯系電話: 022 25925803 ( 13802162056) E mail: zjc_ 2056@sohu. com

1 研究背景

對煤層氣藏的可采儲量進行經濟評價後，若要經濟的開采煤層氣，煤層中必須發育並廣泛分布裂縫系統(割理面必須與井筒相聯)，這樣才能加速煤層氣的排水降壓，促使煤層氣解吸並流向井底。眾所周知，煤層的主要特征表現在:煤層割理發育、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。鑒於此，人們常把水力壓裂看作是壹種將井筒與割理系統連通的作業過程，但遠離井筒後還仍然是與普通砂巖壹樣，主要以平行於最大主應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(近於非彈性體)，在“九五”期間進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工作，2000年在地面電位法技術的基礎上，又開展了《動態法測定壓裂井壓裂裂縫監測技術》的研究工作，成功的研制出DCT50型動態影像監測系統，該系統可對壓裂全過程實現實時、可視化動態監測，進壹步擴大了方法的應用範圍。在此基礎上，2008年又開展了壹體化精密儀器系統DDPI—EM的研發，並申請相關發明專利兩項，這套系統能提供壹種高測量精度的、抗幹擾的能加載偽隨機編碼的可控信號，其中的可控信號加載有偽隨機編碼，在煤層氣井內深層發射，在地面測試人工電場時，能夠排除幹擾背景，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態法測定煤層氣壓裂裂縫方位技術。

2 測試原理和基本公式

假設地層是壹個無限大的均勻介質，若通過導線及套管以恒定電流向地層供電，在地層中則形成壹人工電場，在供電電極以外任壹點M(x，y，z)觀測電場的電位為:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

對於平面環形測量來說，只與井深h和測量環半徑r有關，上式可改寫為:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

式中:ρ為地層視電阻率(Ω·m);I為供電電流強度(A);h為測試目的層深度(m);r為觀測點M到點源dz之間的距離(m)。

當場源為任意形狀時，計算外電場電位應在場源處劃出壹個面元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M產生的電位dUM仿上式可寫為:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

積分得外電場電位:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

從(3)式看出，當觀測點M相同時，由於場源的幾何形狀不同，所產生的電位值也不相同。

壓裂施工中，如果所用的壓裂液相對於地層為壹個良導體，即液體電阻率與地層介質的電阻率相比差異較大時，利用被測井套管向地層供以高穩定度的電流(被偽隨機碼調制)，這部分壓裂液在地層中即可看作為壹個場源，由於它的存在將使原電場(未進行壓裂施工前的地面電場)的分布形態發生變化，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的地面電位也會發生較大的變化。鑒於此，若在被測壓裂井周圍環形布置多組測點，采用高精度的電位觀測系統，實時監測壓裂施工過程中地面電位變化，並通過壹定的數據處理，就可達到實時解釋裂縫延伸方位等有關參數的目的(圖1)。

圖1 壓裂裂縫監測原理圖

3 測量儀器系統

系統的總體研制方案(圖2):整體儀器設計其主要的設計思想就是采用整體系統思維方法，不再認為發射儀和接受儀是各自獨立的模塊，而是相互***同工作和反饋的統壹體，它們由單片機C8051F236***同管理。單片機與個人電腦進行通訊，最終實現由計算機統壹管理，最終儀器系統主要性能指標如下:

·最大輸出電流:20A;

·最大輸出電壓:500V;

·穩流精度:1%內(在負載變化±20%，輸入變化±20%以內);

·頻率穩定度:0.01%;

·輸入阻抗:80MΩ;

·分辨率:1μV;

·電位測量精度:優於0.5%;

·動態監測範圍±2V。

圖2 系統總體研制方案

4 野外工作的方法技術

4.1 測點及測線布置

測點的布置是以A井為圓心環形設置內(N)、中(COM)、外(M)呈放射狀對應的多環測點，測點間夾角為15°，測環半徑可用經緯儀或紅外測距儀測定，同時測點位置要有明顯的標誌，以保證兩次測量沒有幾何誤差;在測點布置完後敷設測網，在有條件的地區，測量電極、測量線及供電線預先埋設或布置，這是保證測量精度的重要方面(圖3)。

圖3 測點及測線布置

4.2 B井的選擇

在壓裂井A周圍形成人工電場，還應在A周圍再選壹口井B使之與壓裂井A形成閉合回路，AB兩井之間距離壹般應大於A井的壓裂層段深度，而不應太小，這樣做改善了AB間表層電流密度大的情況，有利於提高充電異常的分辨力，通常遵循以下原則進行選擇:(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電阻率的差異越大，就越有利於異常顯示。為了達到這個目的。壓裂施工中必須在壓裂液中加入有利於導電的金屬鹽類，通常可按3%比例在壓裂液中加入食鹽即能達到導電性差異的要求。

4.4 施工工序

主要施工步驟如下:①按施工設計布置測點(夾角壹般為15°，測環數隨地質任務而定)、測線及供電線;②選擇發送與接收系統參數(如碼寬度和碼長)，進行調試使之滿足設計要求的測量精度;③註液施工，同時測試工作也開始進行，直至註液施工結束。

4.5 數據處理

在實際數據處理工作中，我們選用了“視純異常法”進行數據處理，考慮供電電流的變化，需要對註入工作液前、後測得的電位差數據進行了歸壹處理。即:

中國煤層氣技術進展: 2011 年煤層氣學術研討會論文集

式中:US為標準視純異常(mV/A);UQMN、UHMN分別為註入工作液前、後測得的電位差數據(mV);IQ、IH分別為註入工作液前、後時的供電電流(A)。

數據處理後，給出了視純異常曲線圖和環形圖。在視純異常曲線圖中橫坐標表示測點的方位角，縱坐標表示視純異常值;在視純異常環形圖中，圓點為被測井，環外標出測試點方位角，正北方向(N)為0°並順時針旋轉，90°為正東(E)方向、180°為正南(S)方向、270°為正西(W)方向。

5 現場應用實例

5.1 吉試1井測試

吉試1井是煤層氣項目經理部在山西大寧吉縣地區部署的壹口煤層氣勘探評價井，其地理位置在山西省蒲縣皮條溝村西200m，構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，煤層氣項目經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行測試，由圖4至圖6可以看出:Us視純異常曲線在360°範圍內出現了近兩個周期的變化，極小值分別對應了No.16(N45°E)和No.4(S45°W)，且兩者的異常幅度差很大。認為壓裂施工所形成的裂縫為壹對稱不等長裂縫，根據反演計算，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)。

5.2 武試5-3井測試

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

武試5井組的各井位置見圖7所示，本次現場實施壓裂裂縫測試的是武試53井，試驗井組所在區塊以往探井的施工資料表明該區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0.044MPa/m，在前置液階段甚至高達0.05MPa/m，壹方面反映了區域煤層的非均質性，另壹方面反應煤層裂縫非常復雜，延伸困難。總體評價是:特低孔、特低滲，目的層上下隔層有壹定的應力遮擋效果;延伸壓力梯度變化較大，部分井延伸壓力梯度較高，煤層多裂縫發育程度高，裂縫延伸困難。

圖6 吉試1井8#煤測試成果圖

圖7 武試5井組位置圖

現場測試資料數據處理後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°範圍內出現了近兩個周期的變化，認為壓裂施工中，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°方向為長裂縫(圖8，9);②經模擬計算，30°方向裂縫長度為79.96m，210°方向裂縫長度為60.97m(見圖10)。

圖8 武試5—3井視純異常曲線

6 結論

應用地球物理方法來研究和確定油(煤)層水力壓裂裂縫方位，在生產與科研中具有實際應用的意義，同時該研究成果也為電位法開辟了新的領域。它是以充電法的基本理論為依據，通過對結合實際所給數學模型的合理分析和比較系統的物理模擬試驗取得的，如按所提供的壹套野外工作方法與技術並采用研制的動態觀測系統在所論的條件下，可較成功的用來確定埋藏深度在3000m以內壓裂裂縫的主導方位和該基礎上所進行的裂縫長度的預測研究，這不僅對研究壓裂工藝效果，合理的經濟的制定開發方案有壹定的指導意義，而且對解決其他類似工程問題也有壹定的參考價值，故具有廣闊的應用前景。

圖9 武試5—3井視純異常環形圖

圖10 武試5-3井裂縫長度等值線圖

參 考 文 獻

傅良魁主編 . 1983. 電法勘探教程 . 地質出版社，5，( 1) 16 ～17

江漢石油學院測井教研室編 . 1981. 測井資料解釋 . 石油工業出版社

張金成 . 2001. 電位法井間監測技術 . 地震地質 Vol. 23 ( 2) 292 ～300

Bartel L C，McCann R P and KecK L J. 1976. SPE 6090. Presented at the SPE 51st Annual Fall Meeting in New Orleans， Louisiana，Oct. 4 ～ 6.

McCann R P and KecK L J. 1976. SAND 76 0379，Sandia Laboratories，Aug.