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1、吐哈油田水驱前缘、压裂裂缝监测技术汇报,刘 建 中2 0 0 4 年 9 月,前 言第一章 人工裂缝监测原理第二章 地震波传播理论第三章 裂缝尺度讨论与置信度分析第四章 实际应用领域第五章 应用实例第六章 可靠性检验第七章 吐哈油田注水、压裂监测第八章 结语附 录,目 录,1.1 人工裂缝监测方法 1.2 微地震人工裂缝监测原理 1.3 微地震源定位,第一章 人工裂缝监测原理,2.1 裂缝扩展机制2.2 微地震信号强度预测2.3 微地震信号识别2.4 软件功能,第二章 地震波传播理论,3.1 测试裂缝与进水裂缝比较 3.2 置信度分析,第三章 裂缝尺度讨论与置信度分析,4.1 人工裂缝监测4.
2、2 人工裂缝转向监测4.3 注水前缘监测4.4 采油波及区监测4.5 对井井底连通监测4.6 核废料处理过程中的微地震监测,第四章 实际应用领域,自本系统开发成功以后，我们在不同领域成功地应用了这项技术。,5.1 辽河曙2-3-33井人工裂缝监测结果及分析 5.2 中原油田卫357井压裂转向监测 5.3 华北油田注水监测 5.4 对井井底连通实例 5.5 核废料处理监测 5.6 堵水、调剖前后的微地震监测 5.7 爆破压裂监测5.8 二氧化碳压裂监测,第五章 实例应用,6.1 复测井监测结果6.2 本技术可靠的最直接证明 6.3 对比监测实例,第六章 可靠性检验,附录1 电路原理图 附录2 电
3、路图 附录3 程序使用说明 附录4 设备外观图 附录5 相关的理论文章,附 录,前 言,在现有研发水平上，参照国际先进水平，研发人工裂缝实时监测系统。该系统的研究目标是：参照国际上的最新研究成果，以监测微地震方法，现场即时给出人工裂缝形态(方位，长度，参考性高度，产状)及延伸过程。为油田压裂设计，压裂质量判断，注水前缘分析提供及时依据。该项工作于2001年1月份启动，2001年6月份进入现场，2001年10月份取得第一次成功观测，提出项目的改进目标。2001年10月至2001年12月份根据观测中发现的问题改进硬件，2002年2月份改进后的软件观测成功。之后，完善软件功能，2002年6月分项目完
4、成,2002年8月分项目通过评审验收,整个项目研制历时二十个月(项目验收评委及意见见附录1、2)。,前 言,整个项目包括:深井、深埋式、嵌入式的硬件系统;电路及无线传输系统，计算机分析记录系统；及配套软件(附录3、4、5、6)。该系统可以在井下几百米进行深井监测，也可以在地面监测。在现场实时监测，显示裂缝监测结果的同时，记录下全部原始波形数据。原始波形数据可以由自动识别程序再分析，分析结果可以与实时监测结果对比，检测分析结果的重复性。也可以以不同速度复现监测结果，再分析微地震出现过程。,前 言,经历时二十个月，紧跟国际先进水平的攻关研究，双方认为，该项研究达到了预期目标，完成了自动识别，实时监
5、测和后自动处理压裂和高压注水所形成的人工裂缝的完整硬软件系统。该系统于2001年12月进入现场，经6个月的磨合与改进，通过实时监测与后自动处理对比；同一口高压注水井连续二次监测结果的对比(相隔仅一小时)；监测结果与现场其它资料的对比；监测结果与开发效果的对比。我们认为：该系统监测结果可靠，重复性好。研究达到了国外同类研究的水平。,人工裂缝监测有多种方法：示踪剂方法、电位法、地倾斜方法等等。示踪剂方法滞后，可靠性受监测井的周围分布井所在位置限制；电位法受气候、深度限制，且需较多的测点，测区范围局限；地倾斜方法也受深度限制，且与覆盖层厚度、品质有关，需较多的测点，测区范围局限；只有微地震方法即时，
6、控制范围大，适应面广，近年来在国际上得到广泛的应用。使用微地震方法，近年来取得了一些令人瞩目的成就。我们参照国际上的先进经验，发展了自己独立的观测系统，在不同领域的应用中，也取得了可观的成绩。,第一章 1.1 人工裂缝监测方法,压裂或高压注水时，由于地层压力的升高，根据摩尔-库伦准则，沿着裂缝边缘会发生微地震。实际微地震的频段从几十到几百周，相当于-2至-5级地震。一般来说，震级越小，频率越高。我们仪器的工作频段为50-200周，仅取较大的微地震(-2级)。记录这些微地震，并根据微地震走时进行震源定位，由微地震震源的空间分布可以描述人工裂缝轮廓。微地震震源空间分布在柱坐标系三个坐标面上的投影，
7、可以给出裂缝的三视图(俯视图、侧视图、前视图)，分别描述人工裂缝的长度、方位、产状及参考性高度。与其它方法相比，该方法即时，方便，适应性强，为国际上的同行广泛使用。,第一章 1.2 微地震人工裂缝监测原理,摩尔-库伦准则可以写为：0+(S1+S2-2 P0)/2+(S1S2)cos(2)/2(1)=(S1S2)sin(2)/2(2)(1)式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，是作用在裂缝面上的剪切应力；0 是岩石的固有无法向应力抗剪断强度，数值由几兆帕到几十兆帕，沿已有裂缝面错断，数值为零；S1，S2 分别是最大，最小主应力；P0是地层压力；是最大主应力与裂缝面法向的夹角。由式(1)可以看出，微
8、震易于沿已有裂缝面发生。这时0为零，左侧易于不小于右侧。P0增大，右侧减小，也会使右侧小于左侧。这为我们观测注水，压裂裂缝提供了依据。,第一章 1.2 微地震人工裂缝监测原理,该监测系统采用6分站，无线传输，主站分析实时定位系统。监测压裂或高压注水时出现的微震点分布，用微震点分布描述裂缝形态。微地震震源以走时方法定位，假定自震源发出的微地震信号以直线传入地震检波器，把弧线传播途径拉直为一条直线，以方便油田使用。这一假设是测试误差的主要来源。由于随深度的减小，波速降低，近地表的地震波传播途径与地面趋于垂直。由于P波的振动方向沿传播途径，S波的振动方向与传播途径垂直。因此，P波的振动方向垂直于地面
9、，S波的振动方向平行于地面。有的油田地层松软，S波不稳定。本系统检波器垂直放置，对沿传播途径振动的P波敏感；垂直于传播途径振动的S波衰减大，只记录分析P波。,第一章 1.2 微地震人工裂缝监测原理,震源定位过程如下：微地震定位采用矩阵分析理论，以下述走时方程为依据去计算微地震震源的空间坐标。,第一章 1.3 微地震源定位,经变换，(3)式可以改写为：,第一章 1.3 微地震源定位,式中，T1-T6是各分站的P波到时，T0是发震时刻；(X1，Y1，0)(X6，Y6，0)是各分站坐标；VP是P波速度；(X0，Y0，Z0)是微震震源的空间坐标。T0，X0，Y0，Z0是待求的未知数。未知数的个数少于方
10、程个数，方程组是可解的。解出四个未知数的最少方程个数是四个，这要求至少有四个分站，若有四个分站有记录信号，便可以进行震源定位。(4)式可以写成标准系数矩阵形式,有很多求解矩阵的方法可以解出T0，X0，Y0；再把T0，X0，Y0代入(3)式中就可以得出Z0，Z0就是相对压裂深度的裂缝高度，由于计算过程的累积作用，高度误差较大。A=KB(5),第一章 1.3 微地震源定位,矩阵A写为：,第一章 1.3 微地震源定位,矩阵B写为：,第一章 1.3 微地震源定位,矩阵K写为：,第一章 1.3 微地震源定位,5)式可改写为：K=AB-1(9)B-1是B的逆矩阵。矩阵求逆和(9)式计算有很多通用的解法，我
11、们可以取得T0，X0，Y0值。,实际采用确定深度的方法是综合考虑各站走时的方法，即对以下一组数据作为走时的函数进行线性回归，回归常数即为相对观测 段的高度：,第一章 1.3 微地震源定位,依据上述过程可以确定微地震点的空间位置。,水力压裂裂缝扩展的力学条件可以写为:,第二章 2.1 裂缝扩展机制,(10)式中R是钻孔半径；a是裂缝半长度；Pf是裂缝中的水压；n是裂缝面的法向应力；kIC是岩石断裂韧性，是岩石的固有强度。由(10)式可以看出，破裂的临界强度由岩石本身的性质决定，与激励条件无关，只在作用达到破裂条件瞬间才会有微地震发生，因此微地震信号的强度也与激励条件无关。而破裂发生的频度是与激励
12、条件有关的，激励强度越大，单位时间发生的微地震也越多。,地震矩张量MPP可以写为：,第二章 2.1 裂缝扩展机制,P=1，2，3 WN=MPP G NP P（12）,由(12)式可以得出5个位移分量:一个近场变形位移,二个近场波动位移，二个远场波动位移。远近场是以地震波长为标准的，在我们的使用频段范围内，波长约为几十米。因此，远场震相是我们观测到的主要震相。P波位移震幅可以写为：A=AD(,)/(4r3)u3(t-r/)S(13)A2D(,)=cos4+2sin4cos4+(+2)2sin4sin4+22cos2sin2cos2+2(+2)sin2cos2sin2+2(+2)2 sin4cos
13、2sin2(14),第二章 2.1 裂缝扩展机制,这里：,分别是观测点相对于震源的仰角和方位角，是P波波速，、是拉梅常数，u3(t-r/)是考虑时间延迟的震源介质振动的速度幅度，r是传播途径，是传播介质密度。地面观测时，可以假定=0，在观测点的P波位移可以写为：A=/(4r3)u(t-r/)S(15)井下观测时，可以假定=/2，在观测点的P波位移可以写为：A=(2cos4+(+2)2 sin4+2(+2)2cos2sin2)u(t-r/)S/(4r3)(16)地震波传播理论为地震信号分析提供了依据。,第二章 2.1 裂缝扩展机制,检波器可以记到微地震信号是方法是否可行的关键，只有信号大于仪器前
14、端分辨率，微地震检波器才可以把信号检测出来。由于人工裂缝形成以张裂为主，加之地层条件，辐射出的P波较为稳定。仪器设置及分析识别理论以记录分析P波为依据。不记录也不分析S波震相。故仅使用(15)，(16)式估算到达仪器前端的电压强度。在实际计算中需把(15)，(16)式改写为：A1=00/(41 r11 3)u(t-r/)S0 K1 F1 H1(17)A2=(02 cos4+(0+20)2sin4+20(0+20)2cos2sin2)0/(42 r22 3)u(t-r/)S0 K2 F2 H2(18),第二章 2.2 微地震信号强度预测,式(17)，(18)中，下标为“0”的参数是与震源有关的参
15、数，与传播路径无关；下标为“1”的参数是地面接收的路径参数，与震源无关；下标为“2”的参数是井下接收的路径参数，与震源无关。A1是地面接收的信号幅值，A2是井下接收的信号幅值，H是入射衰减，F是路径衰减，0是震源的角频率。为了判断信号的强度量级，我们根据理论及野外实际条件，对一些参数进行粗略的定量：u(t-r/)是裂缝张开的平均速度，可以用u3/T求取，u3是裂缝张开宽度，取为2mm；T为地震周期，取为0.02s;0是震源的角频率,取为0=2f=300，地震频率f取为50Hz，由于所使用的地震仪是速度型检波器，故分子上要乘以0。,是拉梅常数，本文假定其平均值为=1X104 Mpa，井下接收时的
16、P波速度取为2=2000m/s，地面接收时的P 波速度取为1=1200m/s；r1,r2分别是地面，井下的P波传播途径，取为3000m，500m；S0是震源面积，假定每次破裂仅有很小的面积，取为1平方米；K1,K2是地面，井下的检波器的换能系数，我们使用中国地震局哈尔滨工程力学研究所研制的专用检波器，分别取为0.5 vs/cm，0.2 vs/cm。,第二章 2.2 微地震信号强度预测,H1,H2分别是地面接收，井下接收的入射衰减。前者是从高速层进入低速层，入射衰减很小，每层入射系数为0.85，假定有7层，整体入射系数为0.35；后者是从地层进入水泥环和钢套管，是从低速层进入高速层，速度差别可达
17、2倍以上，每层入射系数仅为0.3，整体入射系数小于0.1。F1，F2是路径衰减，也称为非弹性衰减。由于地面接收路途远，覆盖层非弹性强烈，通过系数取为0.1；井下接收,路途近，非弹性衰减小,通过系数取为0.5。把上述结果代入公式(17)，(18)，并考虑辐射图形因子的影响，计算出在观测点的检波器上可形成的电压值(表2)。可以看出，地面接收所获得的电压值是5.8微伏，这已超过现有技术的检测水平，目前的检测水平是1-2微伏，信号是可以被检测出来的。井下接收信号要强得多，可达26.8微伏，这主要是震源距比较小，辐射图形因子较大的结果。从技术上，井下观测效果最好。表2-1中列出了其它一些对比，特别是油田
18、的欢迎程度一项对方法的采用有至关重要的影响。目前，地面微地震监测方法在油田得到广泛的应用。,第二章 2.2 微地震信号强度预测,表2-1.不同人工裂缝监测方法对比,第二章 2.2 微地震信号强度预测,微地震信号识别技术是本技术成败的关键，识别不出可用的信号，自动识别，实时监测就是一句空话。只有微地震信号大于折算到仪器前端的仪器噪音,信号才是可以检测的。由于低噪音运算器件的广泛使用，及我们对仪器电路结构的独到改进，目前，折算到仪器前端的仪器噪音可以低于2微伏。微地震信号是可以被检测到。微地震信号是与大地噪音同时进入检波器的。在噪音背景中检测出信号是软件编制的主要内容。我们根据计算机智能理论，编制
19、了计算机自学习软件，输入多年人工裂缝观测结果，由计算机进行训练，提取出压裂或注水时的普遍信号特征。这些特征包括:幅度谱，频率谱，信号段的频谱分布，包络前递增及后递减特征，包络的拐点特征，导波特征，信号的升起特征，尾波特征等13个特征。,第二章 2.3 微地震信号识别,在现场识别前训练5分钟，可以与计算机中已有的信号特征对比，对监测地点的噪音及信号特征予以鉴别及留存，提取频率谱，幅度谱，导波，包络特征，拐点特征等标志去区分当地的信号与噪音。正式工作时，逐路、逐段的予以识别。经严格检测，在其中任一路上检测出可用信号后，与其它路做互相关。在由台站分布所限定的时段内，其它路也有可用信号互相关存在，则信
20、号为真，否则为假；这一功能避免了压裂、注水、过车等作业的干扰，只要不是各台同时记录到的噪音，即使它很象信号，也可以被剔除掉。如果震源间过近，彼此间可能形成干扰；实时监测时会扔掉一些过密的信号，避免干扰。后分析时会自动加大处理时间，拉大时间间距，以避免干扰。后分析时会获得更多的微地震信号。以地震波走时判定微地震震源位置。实际采样率为每秒一千次，理论走时分辨率为一毫秒。,第二章 2.3 微地震信号识别,图2-1.微地震波到时 确定方法示意图,第二章 2.3 微地震信号识别,实际确定微地震波到时时，采用包络反向延伸法，时间分辨精度为0.2毫秒，这提高了定位精度。包络反向延伸法提高到时精度的理论依据如
21、图2-1所示：提取出包络的各个极大值点，用一个高次方程拟合包络，再给定包络反向延伸线与时间轴的交点，该交点就是微地震的初至到时。此交点是个数学点，有足够的分辨精度，可以分辨出万分之一秒的到时，考虑到微地震信号的噪音背景和失真，实际上认定的微地震到时的分辨率为0.2毫秒。具体分析过程如下:,采用线性方程拟合地震波的到时，在有些条件下难以满足精度要求，故我们采用二次曲线拟合微地震波到时:t=ay2+by+c(19)在微地震波形上选出三组(t、y)值，代入(19)式中，有：,第二章 2.3 微地震信号识别,式(20)中:y1、y2、y3是微地震波的极大值点，t1、t2、t3是相应的到时，a、b、c是
22、待求的系数。,第二章 2.3 微地震信号识别,由矩阵求逆可以得到a、b、c：,把(20)写成矩阵形式：,把(22)式中的a、b、c代入(19)式中，再令 y=0，得t=c。t就是微地震波的初至到时。式中-1是 的逆矩阵。,理论上，我们可以用更高次方程去拟合微地震波包络，使到时更精确。事实上，我们不可能无限提高到时精度。出于实时定位的目的，我们必须计算、分配好各个环节所需要的机时。在二次采样的时间间隔内，必须完成数据存储，分析，识别，定位，屏幕显示。如果在下一次采样开始时，不能完成分析，识别，定位，屏幕显示等全部工作，就要占掉计算机缓存，连续发生这样的情况，就会出现死机。合理分配计算机机时，是实
23、现人工裂缝实时定位的关键技术，也是计算机技术高度发展的产物，只是在近几年，国际上才实现人工裂缝的实时监测。由于上述原因，我们尽量采用了一些简明，可操做，节省机时的算法。依据微地震波的到时，我们可以确定微地震震源。提高微地震波到时精度，就可以提高微地震源定位精度。,第二章 2.3 微地震信号识别,该程序是人工裂缝监测系统配套程序，具有完备的功能：12通道微震信号实时分析、连续采集；井口压力数据采集；井口流量数据采集；实时微地震事件监测，裂缝面上的震源点定位在线裂缝拟合，长度、宽度、高度、方位估计，并输出参数数据表；现场观测直接显示三维观测结果,结果是真三维图形，在三维空间可任意旋转的坐标内,从任
24、意角度观测人工裂缝和注水、汽驱前缘轮廓；包括现场显示后自动处理，用不同速度复现人工裂缝分析结果等先进功能；,第二章 2.4 软件功能,8)后自动识别，以现场实际采样数据记录为依据，自动识别微地震信号，给出独立于实时监测的结果，既可以检验检测结果的可重复性，又在现场门槛值选择不合适时，弥补现场监测结果的缺陷。如现场门槛值选得过高，微地震点数过于稀疏,就会影响到观测分析结果的直观性。我们可以调低门槛值进行后自动识别，以提高微地震点数，改善直观效果。我们在新开展观测的现场，由于对地层、裂缝方面的特征的不了解，常常使用这一技术；9)选定图形可粘贴到画图下进行编辑，也可以直接打印分析出的图形 10)为了
25、实时定位，显示观测结果，在观测前需输入相关坐标、井斜，波速参数；11)优选监测方式，压裂注水的诱发微地震可能有不同的分布特征，应该选用不同的定位模式和微地震发生的区间，以节省计算机机时；12)后处理拟合注水、汽前缘分布，给出以微地震点密度为依据的拟合结果，并可以在图上添加井位，也可以把多个井的观测结果合成到一张图上，探讨注水波及区，理论上的未波及区可能是剩余油的分布区。,第二章 2.4 软件功能,由于岩石的破坏强度和出现微位移的强度存在差别，后者远小于前者，有时仅达到岩石破坏强度的一半时，就会有微位移出现，以致于观测裂缝尺度远大于进水裂缝尺度。进水裂缝可以表示为：P-L1*f=T1+Sn（23
26、）发生微地震的裂缝长度可以表示为：P-L2*f=T2+Sn（24）L1/L2=(P-S1-Sn)/(P-S2-Sn)（25）,第三章 3.1 测试裂缝与进水裂缝比较,式中，P是井底压力，Sn是裂缝面上的法向应力，L1、L2分别是进水裂缝长度、发生微地震的裂缝长度，T1、T2分别是岩石张性破坏强度、发生微地震的强度，f是与裂缝面上的液体漏失及流体流动的摩擦阻力有关的压力损失系数。由于T1远远大于T2，有时可以大一倍以上，所以L1远远小于L2。深度越小，P、Sn也越小，T1、T2的差别影响增大；T1、T2的大小还与岩石性质有关，所以L1/L2也与岩石性质有关，越是脆性的岩石，T1、T2的差别越大，
27、比值L1/L2越小。参考具体数据，一般认为比值L1/L2分布在1/2-5/6之间，鉴于多数压裂是在沉积砂岩地层中进行的，取比值L1/L2的平均值2/3为实际使用的比值。实际确定准确比值，需要通过实验及现场测试，获得P、Sn、T1、T2 的测试值。,第三章 3.1 测试裂缝与进水裂缝比较,测试给出的裂缝尺度是最大尺度，是由所有测得的微地震点中在水平或竖直方向上，距离最大的二个点给出，受个别孤立点的影响较大。为了消除个别远点的影响，采用正态分布理论对测试结果做了置信度分析，给出了置信度75%时的裂缝尺度，结果更可信。,第三章 3.2 置信度分析,检测人工裂缝形态是开发这项技术的直接目的，可以为油田
28、新区布井提供依据。鉴于局部应力场与普遍应力场可能存在差别；有些井的人工裂缝方位不遵循普遍应力场的控制，这个监测是非常必要的。在这个领域中，我们的系统在大庆、胜利、辽河等油田得到广泛的应用。,第四章 4.1 人工裂缝监测,转向压裂，压裂出新缝是目前我国石油系统寄予极大希望的一项技术。我们的技术已在多个油田成功的应用于转向压裂监测，为油田判断转向压裂的成功与否提供重要的判断依据。,第四章 4.2 人工裂缝转向监测,油田稳产，必须注水。注入水的去向是需要了解的。注水前缘监测可以为油田提供水流区、波及区、影响区。如果注水压力可以连续调解，也可以判断合理注水压力。其研究方向是为油田提供注水区的真实应力状
29、态。,第四章 4.3 注水前缘监测,用微地震方法监测油田生产动态区是美国人提出并成功实践的监测领域。我们应用我们的技术在华北油田、中原油田进行了采油井波及区监测。参照油藏评价结论，该监测结果可以用来判断剩余油分布区。,第四章 4.4 采油波及区监测,地下热能及可溶性矿物开采需要实现两井连通，在已有一个井的条件下，通过微地震监测确定裂缝走向，在与已有井连通的裂缝上打出新井。我们在安棚碱矿实现了两对井的千米裂缝连通，为碱矿稳产高产创造了条件。,第四章 4.5 对井井底连通监测,通过微地震监测确定注入液分布，以达到保护环境的目的。我们参与了这项工作。,第四章 4.6 核废料处理过程中的微地震监测,我
30、公司的监测队伍于2004年8月16日下午对辽河油田曙光采油厂的曙2-3-33井的压裂过程进行了监测。监测提供了人工裂缝的方位、长度、倾向、倾角及参考性高度。,第五章 5.1 辽河曙2-3-33井人工裂缝监测结果及分析,图5-1.曙2-3-33井人工裂缝方位、长度(有刻度),第五章 5.1.1 曙2-3-33井人工裂缝监测结果,表5-1.曙2-3-33井人工裂缝监测参数,第五章 5.1.1 曙2-3-33井人工裂缝监测结果,表5-2.曙2-3-33井人工裂缝监测台站坐标,第五章 5.1.1 曙2-3-33井人工裂缝监测结果,图5-2.曙2-3-33井人工裂缝高度,第五章 5.1.1 曙2-3-3
31、3井人工裂缝监测结果,图5-3.曙2-3-33井人工裂缝倾向,第五章 5.1.1 曙2-3-33井人工裂缝监测结果,现场监测给出的裂缝尺度是由同一平面内距离最大的二个点给出的，受个别远点的影响很大，尺度结果并不真实。我们用正态分析方法给出置信度为75%时的裂缝尺度，剔除了个别远点的影响，可以更真实的反映裂缝尺度。,第五章 5.1.2 曙2-3-33井置信度分析,图5-4.曙2-3-33井置信度75%时的裂缝半高度,第五章 5.1.2 曙2-3-33井置信度分析,图5-5.曙2-3-33井置信度75%时的裂缝半长度,第五章 5.1.2 曙2-3-33井置信度分析,图5-6.曙2-3-33井置信度
32、75%时的人工裂缝倾角,第五章 5.1.2 曙2-3-33井置信度分析,曙2-3-33井人工裂缝方位为北东77.7度，该方向是测点的最大水平主应力方向。人工裂缝直立，仅有1度的倾角，反映垂向应力方向与地面大体垂直，属于正常应力场。测试结果见表5-3。表5-3.曙2-3-33井人工裂缝监测结果,第五章 5.1.3 曙2-3-33井监测结果分析,应吉林省东新石油工程技术有限责任公司的邀请，我公司对中原油田采油二厂卫357井的转向压裂进行微地震监测，以判断该井在压裂转向施工过程中是否出现转向，是否出现新缝。监测于2004年8月12日进行。首先监测了前置压裂，该压裂的目的是打开老缝。加入暂堵剂堵住老缝
33、后，再次压裂，以图压开新缝。我们对再次压裂也进行了监测。比较二次监测结果，以判断压裂是否出现转向、是否出现新缝。压裂分为上下二层，我们分别作出其监测结果。,第五章 5.2 中原油田卫357井压裂转向监测,5.2.1 上层监测结果,第五章 5.2 中原油田卫357井压裂转向监测,图5-7.前置压裂上层监测裂缝方位、长度,第五章 5.2.1.1 上层前置压裂监测结果,图5-8.前置压裂上层人工裂缝倾向,第五章 5.2.1.1 上层前置压裂监测结果,图5-9.前置压裂上层人工裂缝统计倾角,第五章 5.2.1.1 上层前置压裂监测结果,图5-10.上层再次压裂监测人工裂缝方位、长度,第五章 5.2.1
34、.2 上层再次压裂监测结果,图5-11.上层再次压裂监测人工裂缝倾向,第五章 5.2.1.2 上层再次压裂监测结果,图5-12.上层再次压裂监测人工裂缝统计倾角,第五章 5.2.1.2 上层再次压裂监测结果,比较图5-7、图5-10，裂缝在平面上变化很小，可以判断，裂缝没有转向。但由图5-9、图5-12可以看出，裂缝的倾角不同。前置压裂的人工裂缝面与竖直方向的夹角为23度，再次压裂的人工裂缝面与竖直方向的夹角是15度，均倾向东北。二个裂缝面相差8度，转向发生在竖直方向。,第五章 5.2.1.3 上层监测小结,5.2.2 下层监测结果,第五章 5.2 中原油田卫357井压裂转向监测,图5-13.
35、下层前置压裂人工裂缝方位、长度,第五章 5.2.2.1 下层前置压裂监测结果,表5-4.下层前置压裂人工裂缝参数,第五章 5.2.2.1 下层前置压裂监测结果,图5-14.前置压裂下层人工裂缝倾向,第五章 5.2.2.1 下层前置压裂监测结果,图5-15.前置压裂下层人工裂缝统计倾角,第五章 5.2.2.1 下层前置压裂监测结果,图5-16.下层再次压裂监测人工裂缝方位、长度,第五章 5.2.2.2 下层再次压裂监测结果,表5-5.下层再次压裂人工裂缝参数,第五章 5.2.2.2 下层再次压裂监测结果,图5-17.下层再次压裂监测人工裂缝倾向,第五章 5.2.2.2 下层再次压裂监测结果,图5
36、-18.下层再次压裂监测人工裂缝统计倾角,第五章 5.2.2.2 下层再次压裂监测结果,比较图5-13、图5-16，并参照表5-4、表5-5，可以看出二者在方位上相差近30度，转向明显。二者的倾角仅相差1度，在竖直方向上没有发生转向。,第五章 5.2.2.3 下层再次压裂小结,本次转向压裂施工是成功的，二层均发生了转向，上层在竖直方向发生转向,转向角度8度，下层在水平方向发生转向，转向角度30度。监测结果列于表5-6中。由表5-6可以看出，新、老裂缝在尺度上差别不大，上层倾角差别较大，下层方位差别较大。表5-6.卫357井人工裂缝监测结果,第五章 5.2.3 卫357井监测结果分析,在华北油田
37、，出于滚动开发的目的，于2002年5月3日，4日二天，对京11断块进行了四口井变压注水监测。其中二口井在监测后提供了可对比的生产资料。对比结果标明，监测结果与实际生产情况是相符的。与实际生产情况相符是一项观测技术可用的充分条件。,第五章 5.3 华北油田注水监测,京430井位于京11-2断块上，从观测结果可以看出:京18井，京367井处于水淹区，京367本来就是水井；京425，京415，京627处于注水见效区；京628，京625，京418，京420井处于注水无效区。有效区产液是无效区的3.56倍，产油是2.6倍，产水是5.0倍。,第五章 5.3.1 京430井监测,图5-19.京430井注水前
38、缘实时监测结果,第五章 5.3.1 京430井监测,表5-7.有效区、无效区效益对比,第五章 5.3.1 京430井监测,表5-8.京430井涉及采油井产量对比,第五章 5.3.1 京430井监测,图5-20.京430井注水效益分布图註:绿色区是注水波及区，是见效区，蓝色区是水流区,第五章 5.3.1 京430井监测,可以看出，在注水井的近井地区，注入水呈定向流动；流动两侧，可能注水不见效；水流前端注入水展开，形成注水波及区。这一注水分布趋势与理论预计相符。水流方向受优势渗流方向影响，优势渗流方向可能是最大水平主应力方向，也可能是历史形成的原生裂缝方向或沉积时的水流方向(古河道方向)。京430
39、井的水流方向应该是该区原地应力作用的结果，该区最大水平主应力方向约为北东向。由实际监测结果用软件划分的有效区与无效区有很好的一致性。这说明监测结果是可信的。,第五章 5.3.1 京430井监测,华北油田变压注水监测取得了很好的效果，以监测结果用软件划分的各类区与油田的实际生产状况完全相符，受到油田的好评。生产实践证明了该方法理论，技术的可行性和可靠性。增加观测时间，可以对注水井监测结果进行粗略的分层，大体上分为三层。我们在华北油田进行了注水分层观测，油田认为该结果是符合实际的。油田在京383井注水，我们监测其注水前缘、分层及与相邻油井的连通情况(图5-21-图5-26)。,第五章 5.3.1
40、京430井监测,图5-21.京383井注水前缘监测微震点空间分布图,第五章 5.3.1 京430井监测,图5-22.京383井注水前缘监测微震点水平三切片图,第五章 5.3.1 京430井监测,图5-23.京383井注水前缘观测微震点沿X轴剖面图,第五章 5.3.1 京430井监测,图5-24.京383井注水前缘观测微震点沿Y轴剖面图,第五章 5.3.1 京430井监测,图5-25.京383井注水前缘观测微震点连井剖面图,第五章 5.3.1 京430井监测,图5-26.京383井注水前缘观测微震点分布与相邻井,第五章 5.3.1 京430井监测,京383井与京702、京703井的连线方向与注水
41、前缘方向夹角较大，连井剖面显示，井间连通性较差。,第五章 5.3.1 京430井监测,(井下裂缝连通技术在安棚碱矿的应用)安棚碱矿是较大型的股份制，集开采与加工于一体的制碱企业，设计日产碱800吨。采用湿法采碱，即把清水注入地下，溶碱后汲出，经蒸发浓缩处理提取出碱(NaHCO3，Na2CO3)。初期曾试用单井对流技术，自中管注入清水，从环套空间汲取碱液；由于注入的清水在地下停留时间过短，虽经二次循环，碱液仍低于合格浓度(73.5 g/L)，该技术被放弃。以后曾试用单井吞吐技术，注入清水后，焖井，再把碱液汲出；采用注水5小时，焖井4小时，返卤3小时的工作制度,碱液浓度可以满足生产需要(110-1
42、20g/L)，但生产过程间断。由于注入清水接触面积小，碱液含碱浓度递减快，也很难完成设计产量。如何连续、高效的汲出合格碱液，成为安棚碱矿的生产瓶颈。实现注入井与采出井长距离井底裂缝连通是解决这一问题的关键技术。,第五章 5.4 对井井底连通实例,为此，安棚碱矿与我公司合作，采用井底裂缝连通技术，请多年从事油田人工裂缝监测工作的北京科若思技术开发有限公司负责现场监测。由监测确定与注水井连通的裂缝，把采液井打在裂缝上，以实现井底裂缝连通(1)。该项研究于2001年1月启动，4月初监测队伍进入现场，5月初结束。设计井底距离1000米，分二段进行连通。即在S31井注水，用微地震监测方法测定裂缝后打出S
43、32井；再在S32井注水，检测出裂缝后打出S33井；S31井与S33井间的井底距离大于一千米。目前已实现二条千米裂缝带连通，一条自S31井、经S32井、到S33井，另一条自S41井、经S42井、到S43井。井底裂缝连通的实现，使碱矿日产碱达900吨，已超额完成设计产量，经济效益也大幅提高。,第五章 5.4 对井井底连通实例,鉴于人工压裂裂缝展宽很小，通常在毫米量级；目前的裂缝方位监测精度在15,钻井水平中靶偏差30米；实现人工压裂裂缝连通的可能性很小。矿区岩性为泥质白云岩，岩心观测表明，矿区存在有规律的原生裂隙条带，原生裂隙条带展宽较大，可达数米到数十米，由裂隙带实现井底连通的可能性较大，我们
44、把裂隙带井底连通称为亚连通,采用了井底亚连通理论。为此，我们不是监测压裂过程，而是监测高压注水过程。,第五章 5.4.1 井底裂缝连通理论及监测技术,以往在油田监测高压注水裂缝，是以注水井为监测目标，监测自注水井出发的裂缝，以给出裂缝方位、长度、及注水前缘。本次监测的目的是精确给出裂缝经过的位置，给出可以打在裂缝上的井位。监测注水井，精确给出离注水井500m外的裂缝位置是很难办到的。实际监测过程是根据应力与裂缝的有关理论，认为在2000m深度，有效原生裂缝的走向与最大水平主应力方向的夹角一般不大于45。在预计打新井的距离上，布置了一条与最大水平主应力方向垂直的高精度水准测线，测点按顺序由西北向
45、东南排列，测试使用德国产NI002型水准仪，测试精度为0.1mm，水准测线如图5-36所示。期待给出裂缝过测线的大体位置，以便直接监测裂缝到达的位置，提高给出井位的可靠性。,第五章 5.4.2 监测过程,图5-27.矿区井位与水准测线分布,水准测试结果表明，在5号点，注水时与汲水时相比，地面降低0.91mm；其二侧均表现为升高(表5-9)。注水时，地面注水泵压为18.5Mpa。表5-9中测线高差是同样条件下相邻测点间的高度变化，累积高差是测点相对于不动点B00的高差，相对高差是累积高差减去累积高差的平均值。不动点B00选在矿区以外。相对高差凸显了地面的相对起伏，可以看出5号点异常明显，大于水准
46、测试精度。应力场测试和地质研究表明，碱矿区的原生裂缝是直立的。裂缝张开理论假定:裂缝的截面是一直立椭圆，椭圆长轴与地面垂直，裂缝张开时，短轴伸长，长轴缩短，裂缝的正上方应发生沉降，二侧则应表现为隆升。由表5-11可以看出，5号点沉降明显，与其相邻的6号点也有沉降，其二側表现为隆升，判断受注水影响的裂缝经过5号点附近。,第五章 5.4.2 监测过程,表5-9.水准测试结果,第五章 5.4.2 监测过程,我们以5号点为中心，布置了微地震台网，进行微地震监测，监测时的地面注水压力是18.5Mpa。用微地震震源分布表示的实时监测结果如图5-28所示，图中原点即是5号点。以微地震点分布为唯一依据给出的监
47、测拟合结果如图5-29所示。由图5-28、图5-29可以看出，有一条裂缝带自S32井经过5号点东侧，这与水准测量结果一致，5号点及东侧的6号点均表现为沉降。我们选择了沿裂缝与S32井相距约500m的位置部署了S33井井位，由图5-29可以看出，S33井在与S32井相连的水流区上。由此方法，我们提供了两口井的井底坐标(表5-10)。碱矿据此打了S33、S43二口井。,第五章 5.4.3 微地震监测结果,图5-28.人工裂缝实时监测结果,第五章 5.4.3 微地震监测结果,图5-29.人工裂缝实时监测拟合结果,第五章 5.4.3 微地震监测结果,表5-10.建议的新井井底坐标,第五章 5.4.3
48、微地震监测结果,S33和S43井于2002年 8月投产。S43井投产 2个月后，即达到月产 液近20000方，卤水浓 度为141.20克/升，但 在11月份，因井底塌 陷而停产。井底塌陷也从反面证实了该井确实打在裂隙带上，该矿区为强度较大的泥质白云岩，通常是不会垮塌的。S31井-S32井-S33井正常生产，S31井注水，S32井、S33井采液，S31井长期注水压力不升高，S33、S32井长期连续采液压力不降低，表明3井确实已经连通。生产状况如表5-11所示：,表5-11.S32、S33井生产状况,表5-11.S32、S33井生产状况,由表5-11可以看出，S33、S32井产液量大，浓度高，体现
49、出井底裂缝连通生产的优越性。井底裂缝连通生产，初期产量会随投产时间变长而增大，2004年产量又上了一个新台阶，目前碱矿月产量为3万吨。,第五章 5.4.3 微地震监测结果,在安棚碱矿，我们用目前国际上广泛使用的微地震监测方法，在高压注水的条件下，测试与注水井相连的原生裂隙带，以便把采液井打在裂隙带上，实现连续注、采。生产实践表明，监测理论、方法、技术是成功的，实现了二组井的井下千米裂隙带连通，极大的提高了碱矿生产水平及效益。预计该技术、方法在其它生产领域也会有广泛的应用。,第五章 5.4.4 对井井底连通监测的小结,2004年6月，使用该项技术成功的参加了核废料处理监测，该项目属于国防科委项目
50、，直至2006年。因为涉及保密，具体情况不再叙述。,第五章 5.5 核废料处理监测,应华北油田委托，在京617井调堵前、调堵中、调堵后进行了观测，以比较调堵作业对注水前缘、水流方向的作用和影响。此项观测分三次，分别在2003年9月24日、11月4日、11月22日实施。分析给出现场实时观测图，注水前缘拟合图，三次观测的合成图。理论上，注水会使进水区的地层压力发生微小变化，这个微小变化，会使裂缝面形成相应的位移，位移将以地震波的形式传播。通过我们布置的地震检波器，接收地震波、并对震源定位，就可以确定压力波动区的范围和轮廓。油田注水是为了保持地层能量。但由于渗透率、裂缝、地应力等因素的各向异性，使注
