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新型光纤传感器为页岩增产布“天眼”

一种新型监测技术可实时定位微地震与应变事件。

编译 | TOM 影子

页岩油气的开采始终吸引着全球能源市场的目光,作业者们纷纷将重点聚焦于优化生产。为了优化增产作业与完井作业设计,并解决颇受关注的井间连通问题,作业者需要更多数据来深入了解油藏。实时评价增产效果与定量测量裂缝发育程度是开发页岩油气面临的最大挑战。

传统技术,例如测斜仪、微地震检波器阵列、化学示踪剂、压力传感器等,仅能提供有限的信息,因为它们受限于自身的覆盖面积。分布式声波传感器(DAS)系统与温度传感器已成功地用于监测水力压裂作业。然而,永久性光纤设备的复杂性与高成本,将会限制全面应用的油井数量。

高分辨率分布式声波传感器

为了克服这些挑战,Silixa公司发布了Carina XwellXpress,这是一种井间低频应变与微地震监测技术,可以利用电缆传输的测量数据实时定位微地震与应变事件,从而使作业者能够实时优化增产作业与完井作业设计。这项技术扫清了阻碍作业者实施诊断服务最具挑战性的障碍:高成本、缺乏实时数据以及作业干扰。

该技术的核心是Silixa公司的Carina分布式声波传感器。Carina传感器系统利用Constellation新一代光纤电缆来收集数据。与其他DAS系统相比,它的信噪比(S/N)提高了100倍,慢应变与微地震的低频范围提高了100倍以上。得益于Carina系统的高灵敏度,它可以检测到裂缝网络发育引起的低频应变变化,同时也可以检测微地震事件以及井间的压裂干扰。

实时压裂监测

井间应变的测量,特别是岩石力学或应变的孔隙弹塑性影响的测量,迄今为止,业内还没有干预电缆能够实现上述测量。这项新技术并不是基于测量的原理,而是利用建模与可视化处理,首次实现了对整个井眼的实时监测。

采用工程光纤的分布式声波传感器的可测量噪声,比标准光纤低100倍(20 dB)。此外,该分布式声波传感器的性能,可与10赫兹左右的地震检波器相媲美,远优于1赫兹以下范围内的地震检波器的响应。高灵敏度的低频应变测量,为储层内井间孔隙弹性构造的监测以及邻井中压裂干扰的检测,提供了有价值的数据。

Carina XwellXpress所使用的干预电缆可以部署到任何未进行增产作业的井中,并将其作为观察井。在水力压裂作业期间,作业者可以选择其中的某一口井来绘制井间应变图,定位微地震事件,并收集关键的地震数据,从而更好地理解完井设计以及实际裂缝形状的有效性。

光纤的现场部署

在多口非常规井中,建立了一套光纤的现场部署方案。其中两口井安装了永久工程光纤电缆,封固在套管外侧。然而业内逐渐认识到,获得更多的井间数据非常有助于深入了解井间干扰。而将新型工程干预电缆泵入至已完井的井中,则可实现上述功能。另外,该电缆还拥有一个单导体,用于井下牵引与/或在泵入过程中监测接箍。

永久电缆与干预电缆中记录的数据被实时地反馈到完井设计中,以优化当前井场的作业与未来的开发计划。

井间应变监测与压裂干扰描绘

利用该电缆采集了井间应变数据(图1)。可以清晰的观察到临界应变效应与作业过程,包括泵启动时间、孔隙弹性效应、压裂干扰、泵停止时间以及裂缝闭合。基于这些新数据,完井工程师即可绘制出裂缝的深度、方位以及速度,并可将该信息反馈到裂缝模型中,以验证与优化下一次作业的设计。

新型光纤传感器为页岩增产布“天眼”

图1. 井间的色图描绘了基于时间与深度的应变(几个小时内,宽600米)。(来源:Silixa公司)

为了进一步验证干预响应,选择一口套管外侧封固有永久光纤电缆的井,然后将该电缆泵入井中。两条电缆的响应具有很强的相似性(图2)。

将压裂液泵入储层后,孔隙弹性效应引起的张拉应变与压缩应变逐渐增大,由此可以观察到多次压裂干扰。

新型光纤传感器为页岩增产布“天眼”

新型光纤传感器为页岩增产布“天眼”

图2. 将该干预电缆(下图)的低频应变数据与同一井(上图)套管外永久安装的电缆的数据(几小时内,宽300米)进行比较。(来源:Silixa公司)

微地震

水力裂缝监测的目的是绘制出作业对象的高度、长度、宽度与方位角。分布式声波传感器能够实现新的监测功能,可以很容易地将光纤电缆配置成为密集的、大孔径声波相控阵。随着最近的发展,该DAS在整个井筒中采集到的数据,已经能够与检波器相媲美。此外,在两口或更多的井中,光纤阵列只需利用到达时间即可确定震源,而不需要偏振建模与测量。沿着这条电缆都可观察到来自微地震的P波与S波到达。凭借测量的高灵敏度,在垂直剖面与水平剖面上都可以看到微地震事件,将之考虑到井眼轨迹的设计中,则能够获得更好的井位。

时移垂直地震剖面

时移垂直地震剖面(VSP)的一个主要功能是研究压裂作业与油藏枯竭对储层变化的影响。在这种情况下,Silixa记录了压裂作业期间每个压裂段获得的VSP数据。利用该技术,可以不断提高压裂设计的有效性与井平台的投资回报率。

得益于更高的信噪比,该技术能够以更少的扫描次数获得更高质量的数据。建立基准值,与压裂后以及投产后扫描到的数值进行对比,从而持续改进压裂作业。利用工程光纤进行DAS测量,意味着可以在各压裂段之间收集高质量的VSP数据,且不会干扰整体作业。

此外,高质量的微地震事件与4维VSP效应相关联,有助于了解裂缝的复杂性。

结论

与标准光纤相比,新一代DAS系统利用工程光纤,灵敏度提高了100倍,并在永久电缆与干预电缆上可提供前所未有的数据质量。

该干预电缆成本低廉,可用于压裂干扰、微地震监测、时移VSP采集的井间应变识别。该电缆的数据可与永久光纤的数据相结合,为压裂监测与完井诊断提供更广的覆盖范围。

将近乎实时的上述数据组合,输入到完井作业流程中,可以更好地了解关键作业决策,从而更具信心的优化完井作业。这些测量结果有助于更好地进行压裂设计、确定压裂顺序以及提高油藏的最终采收率。

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