2. 中国石油勘探开发研究院;
3. 中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司非常规技术研究院
2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development;
3. Unconventional Technology Research Institute of Drilling & Production Company, CNOOC Energy Technology & Services Limited
对煤层气藏的可采储量进行经济评价后，若要经济开采煤层气，煤层中必须发育并广泛分布裂缝，这样才能加速煤层气的排水降压，促使煤层气解吸并流向井底[1-2]。众所周知，作为增产主要措施之一的水力压裂改造技术发展很快，已形成了常规压裂、体积压裂和井间干扰压裂等技术系列。为评价压裂效果和求取有效的压裂施工参数，迫切需要开展压裂裂缝参数的测试工作。
目前，经矿场应用并得到地质工程师认可的测试方法主要有井下微地震测试方法[3]和地面电位测试等方法[4]。井下微地震测试方法要求在压裂井周围适当距离处具有地震波信号采集井，这在地貌条件复杂的山区和丘陵地区由于井网的限制难以满足要求; 地面电位测试方法的测试工作全部在地面进行，对井场地貌也有较高的要求，与前者相比优势在于不需要在压裂井周围适当距离处具有地震波信号采集井，但在地貌条件复杂地区开展煤层气井压裂裂缝方位测试也难以实现。为此，在压裂施工过程中，综合研究因煤层岩石破裂而产生的应力场变化[5]，并结合原地面电位测试方法, 提出了一种能在复杂地貌条件下监测煤层气井压裂裂缝方向的测量方法，即“偏心电位法”。该方法具有测量精度高、适应范围广等特点。
1 测试原理假设地层是一个无限大的均匀介质，若通过导线及套管以恒定电流向地层供电，在地层中则形成一个人工电场[6-7]。对于环形测量来说，只与井深和测量环半径有关; 当场源为任意形状时[8-10]，计算外电场电位应首先在场源处(图 1)划出一个面元，在观测点M产生的电位UM可表示为：
| $ U_{\mathrm{M}}=\frac{\rho I}{2 \pi S} \int_{0}^{S} \frac{1}{\sqrt{H^{2}+r^{2}}} \mathrm{~d} S $ | (1) |
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图 1 “偏心电位法”测试原理示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the test principle of "eccentric potential method" |
式中UM——M点电位，mV;
I——供电电流强度，Α;
ρ——地层视电阻率，Ω·m;
H——套管深度，m;
r——观测点M到面元之间距离，m;
S——任意场源的面积，m2。
从公式(1)可看出，当观测点M相同，由于场源的几何形状不同[11-12], 所产生的电位也不相同。
在压裂施工过程中，当注入压力大于地层破裂压力时，将会在煤层中产生一条或多条裂缝。若注入的压裂液相对于压裂层段围岩为一个良导体，即压裂液电阻率与压裂层段围岩的电阻率相比差异较大时，通过压裂井套管向地层输入稳定的电流，这部分压裂液在地层中即可看成一个场源[13]，由于该场源的存在将使原电场(未压裂施工前的地面电场)的分布形态发生改变，即输入地层中的大部分电流汇聚到由低阻性压裂液充满的裂缝带，使裂缝走向的地面电位降低; 同时在煤层产生裂缝时，其应力场变化的显著特征也使沿裂缝走向的地面电位显著降低。鉴于此，在压裂井周围或远离压裂井的某一平坦区域布置多组测点，采用高精度的电位测量系统监测压裂施工进程中地面各测点的电位梯度变化，并通过一定数据处理，可达到解释压裂裂缝方位、裂缝长度等参数的目的。
2 野外工作方法 2.1 测点及测线布置选取距压裂层段中深位置在地面的投影点一定距离处的地貌平坦区域，环形布置内、外呈放射状对应的两环或多环测点，测点间夹角为15°，每环布置测点24个。测点半径和方位角可用GPS卫星定位系统或经纬仪进行测量，同时在测点位置需要具有明显的标志，以保证在不连续测量过程中没有几何误差。
测点布置完成后铺设测网，在有条件的地区，测量电极、测量线及供电线预先埋设或布置，同时要对信号测量导线及供电导线进行接地电阻(电阻为零)和绝缘电阻(大于30MΩ)测量，这是保证测量精度的重要方面[14-15]。
2.2 电流返回井的选择为在压裂井周围形成人工电场，还应再选取一口井或地面供电电极组使之与压裂井形成回路。通常遵循以下原则进行选取：两井或压裂井与电极组之间距离大于或等于1/2压裂层段中深值。
2.3 降低压裂液电阻率压裂液电阻率与压裂层段围岩电阻率的差异越大，就越有利于异常显示。为了达到这个目的, 必须在压裂液中加入有利于导电的金属盐类，如加入2%~3%比例的KCl或NaCl，即能达到导电差异的要求，这对小型压裂尤为重要[16-17]。
2.4 施工工序施工工序依次为：布置测点、测线及供电线; 调试仪器(设置发送与接收系统参数，如供电电压、伪码宽度和码长等); 基准测量; 异常场测量[18-19]。压裂施工开始即进行，直至压裂施工结束。
2.5 数据处理采用“标准视纯异常方法”进行数据处理，即每个测点测得的电位差值与其测量时的供电电流值进行标准化处理[20]：
| $ {U_{\rm{S}}} = {U_{{\rm{HMN}}}}/{I_{\rm{H}}} - {U_{{\rm{QMN}}}}/{I_{\rm{Q}}} $ | (2) |
式中US——标准视纯异常，mV/A;
UHMN——压裂后测得的电位差，mV;
IH——压裂后观测UHMN电位差时的供电电流，A;
UQMN——压裂前测得的电位差，mV;
IQ——压裂前观测UQMN电位差时的供电电流，A。
标准化处理后，根据各点电位梯度反演得到裂缝长度，并绘制裂缝长度实时变化的环形图。图中圆心为压裂层段中深在地面的投影点，半径代表各点压裂裂缝的实时长度值，环外标出测点方位角; 正北方向(N)为0°，按顺时针方向旋转，90°为正东(E)方向、180°为正南(S)方向、270°为正西(W)方向。
3 测量仪器现场测量仪器系统是根据煤层压裂裂缝方位、裂缝长度等参数测试需求而专门研制的仪器系统，主要由3部分组成，其主要性能指标如下。
(1) EF6600型(雅马哈)发电机。输出220V、50~60Hz交流电压，为发送机提供动力，输出功率要求大于6kw。
(2) DJS-0681发送机。将输入的交流电压转换成可调制的方波电流信号输出，最大输出电流为20A，最大输出电压为550V，稳流精度低于1%(在负载变化±20%，输入变化±20%以内)，频率稳定度为0.01%。
(3) GMDY-0681接收机。接收与发送机输出信号相对应的地面各测点电位信号。分辨率为1μV，电位测量精度为0.16%，输入阻抗为80MΩ，测量范围为0~1000mV，工作温度范围为-20~80℃。
4 现场应用实例截至目前，应用“偏心电位法”在贵州织金煤层气区块(12井次)和四川盆地川东彭水页岩气区块(16井次)现场测试28井次，测试成功率达100%;测定的压裂裂缝方位与现代区域主应力场方向吻合。为评价压裂效果、求取压裂施工参数和制定上述区块的整体开发方案提供了重要依据。下面仅就贵州织金煤层气区块织2-18-60井和织2-16-54井的测试成果分析，证明首次提出并应用的“偏心电位法”测定煤层气井裂缝参数是可行的。
4.1 工区地质概况织金区块在大地构造位置上位于扬子地块西段，一级构造单元属黔中隆起。区块内各含煤构造整体宽缓、变形相对较弱; 区块东部断裂发育程度高，但地层相对平缓。织2-18-60井和织2-16-54井分别是黔中隆起岩脚向斜珠藏次向斜北西翼部署的一口定向井和一口水平井。完钻层位为二叠系龙潭组23号煤层，前者完钻井深为698m;后者完钻井深为1105m(垂深为578.04m)，水平井段长500m。钻井过程中未钻遇断层，且三维地震表明两口井周围500m内未见其他断层。共钻遇二叠系龙潭组39段煤层，累计厚度为447.5m，其中1号—22号煤，累计视厚度为44.6m，垂直厚度为36.29m，23号目的煤层垂直厚度为2.02m，发育稳定。
综合分析该区4口井地层倾角和四臂井径测井资料，认为23号目的煤层最大水平主应力方向约为北西30°，并且与现代区域主应力场方向(北北西)一致。
4.2 实例1：织2-18-60井该井是Z67平台上的一口定向井，压裂层段中深在地面上的投影点位于半山腰上，因山沟和悬崖等地形影响，常规方法不能开展测试工作。踏勘过程中发现织2-20-60井井底在地面投影点处的地貌平坦，满足测网布置要求，故应用“偏心电位法”对织2-18-60井进行了压裂裂缝方位、裂缝长度等现场测试。
4.2.1 压裂井段及施工参数该井根据煤层岩石矿物组成、油气显示、电性特征，并结合岩石力学参数、层内跨度，同时兼顾压裂成本，考虑各层均衡改造，分3段实施，但本次只对第二压裂段(578.5~613.0m)进行压裂裂缝方位、裂缝长度等测试。压裂施工中，注入压裂液1817.5m3、加砂120m3。
4.2.2 测点布置及测试简况以织2-20-60井井底在地面的投影点为中心，环形布置测网(内环半径为50m、外环半径为100m)，测网中心与织2-18-60井井底最大距离为300m(图 2)。
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图 2 织2-18-60井和织2-16-54井测点分布图 Fig. 2 Distribution map of measuring points for Well Zhi 2-18-60 and Well Zhi 2-16-54 |
测试工作于2019年8月29日12:54:32开始至17:29:26结束，该段共录取4080个异常场数据，测量误差为0.16%，录取的数据质量优良。
4.2.3 测试成果由图 3可知：压裂施工过程中，环形测网在360°范围内出现了两个异常区域，其中心方位角分别为150°、330°。随着注入砂液的增加两翼裂缝不断延伸，施工结束时330°方位测点测得的压裂裂缝长度为177.51m，150°方位测点测得的压裂裂缝长度为150.70m，最终解释该井第二压裂段在150°方位形成了长164.11m的垂直裂缝。
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图 3 织2-18-60井第二压裂段不同时刻压裂裂缝测试成果图 Fig. 3 Fracture test results at different times of the second fracturing section of Well Zhi 2-18-60 图中圆圈标注中0~200代表各测点压裂裂缝的实时长度值 |
该井是Z65平台上的一口水平井，井眼轨迹在地面的投影是沿山脉而行，在压裂段上方无法布置测网开展测试工作。踏勘过程中发现Z64平台上的织2-18-56井井底在地面投影点处的周围地形比较平坦，经查阅井斜数据恰为第四压裂段的对应区域，故以该投影点为中心环形布置测网，应用“偏心电位法”对织2-16-54井第四压裂段进行了压裂裂缝方位、裂缝长度等现场测试。
4.3.1 压裂井段及施工参数根据该水平井的钻探情况及断层发育特征，确定对500m水平段(龙潭组23号煤层)分6段实施套管分段压裂改造，但本次只对第四压裂段(测深为1115~1215m，水平段长度为100m)进行压裂裂缝方位、裂缝长度等测试。压裂施工注入压裂液720m3、加砂14.4m3。
4.3.2 测点布置及测试简况以织2-18-56井井底在地面投影点为中心环形布置测网(内环半径为50m、外环半径为100m)，测网中心与织2-16-54井第四压裂段最大距离为320m (图 2)。
测试工作于2019年9月10日9:33:53开始至11:08:54结束，该段共录取1680个异常场数据，测量误差为0.16%，录取的数据质量优良。
4.3.3 测试成果由图 4可知：压裂施工过程中，环形测网在360°范围内出现了两个异常区域，其中心方位角分别为135°、315°。随着注入砂液的增加两翼裂缝不断延伸，施工结束时315°方位测点测得的压裂裂缝长度为114.20m，135°方位测点测得的压裂裂缝长度为104.08m，最终解释该井第四压裂段在135°方位形成了长109.14m的垂直裂缝。
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图 4 织2-16-54井第四压裂段不同时刻压裂裂缝测试成果图 Fig. 4 Fracture test results at different times of the fourth fracturing section of Well Zhi 2-16-54 图中圆圈标注中0~120代表各测点压裂裂缝的实时长度值 |
(1)“偏心电位法”可在远离压裂井的某一平坦区域布置测网进行现场测试，解决了复杂地貌条件下，无法开展压裂裂缝方位、裂缝长度等测试工作的生产难题。
(2) 通过对织2-18-60井和织2-16-54井现场测试，认为该区块压裂裂缝方位与区域现代主应力场方向吻合，同时证明了“偏心电位法”测定煤层气井压裂裂缝参数的测量方法是可行的。
(3) 现场实际工作中，“偏心电位法”采用环形测网，得到放射状对应两测点的裂缝方位和裂缝长度等参数，经过数据处理后得到该井裂缝方位和裂缝长度等参数。放射状对应两测点的裂缝方位和裂缝长度参数可以互相验证。
(4)“偏心电位法”在远离压裂井的区域测量，必须在具有一定施工规模且形成长裂缝的条件下才可实现，因此适应于高水平应力差(差异系数大于0.25)的区域使用。因为水平应力差的加大会增加水力压裂裂缝的穿透能力，形成长裂缝。
该方法与其他测量方法相比，具有不影响生产、测试精度高、成本低等特点，具有广阔的应用前景。
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