井下压裂实时监测技术及其应用

井下压裂实时监测技术及其应用

王杰

新疆西部钻探井下作业公司（储层改造研究中心）准备六队 新疆 834000

摘要：在煤矿井下水力压裂过程中，高压水促使煤岩体原生裂隙张开，并产生大量的新生裂隙，高压水随即充满这类裂隙，同时造成煤层中瓦斯运移并重新分布。水力压裂前后煤储层中的压裂水和瓦斯重新分布规律是判断有效压裂范围的主要途径之一。但目前缺乏行之有效的水力压裂范围监测技术，导致压裂空白带的存在，严重威胁着煤矿安全生产；同时，有效压裂范围的监测也有助于实现压裂效果的准确评价和瓦斯抽采钻孔的优化布置。

关键词：井下压裂；实时监测技术；应用

引言

无论是从油气井的增产的角度还是从油水井增注的角度，水力压裂都是一项非常关键的技术措施，压裂的效果直接影响着油气开发的成本以及增产数量。而想要保证良好的压裂效果，就必须做好压裂参数的实时监测和分析。针对传统压裂监测中存在的问题和缺陷，井下压裂实时监测技术得到了研发和应用，能够实现对于整个压裂过程的实时监测，对压裂作业的实际效果进行反映。

1瞬变电磁监测原理

瞬变电磁法是一种脉冲感应类电法，属于时间域电磁法。它通过不接地回线向勘探目标发送一次磁场，测量一次场关断后一段时间内的二次磁场变化，通过二次磁场衰减变化信号特征来解释和反演勘探目标区介质结构的性状。

矿井瞬变电磁监测与地面瞬变电磁监测有所不同，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，电磁场呈全空间分布，全空间效应成为矿井瞬变电磁监测不可避免的问题。煤层一般为高阻介质，电磁波易于通过，所以煤层对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定。

2监测系统硬件设计

2.1监测管柱

监测管柱这个方法在压裂施工过程中扮演了非常重要的角色。在压裂施工进行的过程之中，它可以对于井下的状况进行精确的测量和反映。因为它可以深入到井的下层，如果在这之前对相关的频率进行设计，并且伴随一定的遥控功能，就可以对井下的压力、温度等各方面的问题都进行储存，压裂过程结束之后将监测管柱从中取出，便可以提炼出相关的数据，将这些数据反馈到技术的成果之中进行更细致化的了解。这项技术有几个非常拔尖的优点：一是在它的凹槽设计方面，两侧的设计使得它可以放入两个检测的仪器，这样通过对比，可以确保数据的真实性；二是它的环环相扣设计，它可以与管柱一起形成一个同心圆，使得测量工作得以顺利开展，并且这项技术也可以在更大的范围之内应用；三是加固设计，由于它的凹槽设计，可以使管柱得以牢靠固定，即使管柱剧烈震动它也不会脱落，为测量工作提供了一定的便捷。

2.2监测仪器

此监测仪器也包括很多部分，比如说，信号处理和存储部分、监测部分、电源部分等，它的破裂压力可以达到100MPa，精确度也精确到了0.1%。同时，它相关的电子传感器范围也非常广，但精度也尤其的高，达到了A级。从压力传感器和温度传感器这两个角度来说，监测仪可以从各方面来保证他们同时受热，从而确保最终测量数值的精确性。在能量消耗方面它也有效减小了功耗，24位高精度AD单片机系统可以保证工作顺利进行的同时，也可以尽可能地减小能量的消耗。

3监测系统软件设计

3.1系统结构

压裂实时解释软件系统包括了主菜单、数据输入、图形显示、报表查看以及打印模块等构成，可以结合监测设备采集到的数据信息以及井位基础数据，对破裂压力、闭合压裂以及压裂过程中的压力变化进行分析，计算裂缝参数。该软件系统采用的模型非常精确，而且操作便利，能够为压裂设计的优化提供非常可靠的依据。压裂实时解释系统软件的程序为：

启动→输入相应的基础参数→对传感器传输的实时监测数据进行接收→对实时监测数据进行加载→做好数据分析工作→判断数据是否存在问题，如果存在，发出报警信息，如果不存在，输出数据结果。输出的结果可以有两种不同的形式，一是报告，包括裂缝尺寸（长、宽、高）、裂缝闭合压力和闭合时间、地层渗透率、裂缝导流能力以及平均铺砂浓度；二是图形，包括施工全过程曲线图、注液压力温度图、关井压力温度变化图、注液静压力曲线图以及起下管柱压力温度图等。

3.2软件技术

3.2.1基本原理

对压裂过程之中的变化进行解释所包含的原理是要结合岩石中相关液体流动压力的变化来对地层深处的一些现象进行数据的录入和分析。并且通过构建裂缝的尺寸和压力之间的关系，可以得出相应的数学模型，并且对这期间具有的流体压力变化情况进行分析，就可以对压力之后的状况进行一定的预估。

3.2.2裂缝模型的判断

（1）在这项技术之中，所构建的裂缝模型是利用前置阶段的压力和时间的关系来构建的一个对数曲线，根据压力和注入时间的数据，可以使得此曲线产生一种直线关系，这条直线的斜率就是他们各自的指数，从而再对裂缝的形态进行分析。

（2）采取综合法判断。通过综合判断的方法，也就是将地应力判断方法和双对数判断方法结合起来，就可以对裂缝类型进行确定。首先，根据地应力判断出裂缝的类型，即垂直裂缝或水平裂缝，再根据斜率判断出是KGD模型还是Radil模型。对裂缝时间进行精确后，就可以根据相关的数据来对裂缝的延伸情况进行解释，同时，还要对施工过程进行一定程度的监控。

4实际应用

4.1闭合前

压裂施工中，改造层属于3353.8-3370.1m，每一层的高度在15m，配合油管注入以及合层压裂技术开展压裂改造工作。结合相应的压裂导数曲线分析，伴随则采样时间的延长，压力导数曲线呈现出直线攀升的趋势，表明裂缝的在闭合的过程中表现为普通滤失，由此判断油藏属于均质油藏，而结合压力导数曲线与直线的分离点，可以判断出油气储层的闭合压力在40.52MPa。

4.2闭合后

结合软件得到闭合后线性流曲线以及径向流曲线，可以计算出地层压力为26.04MPa，参考红色切线的纵截距，可以计算出地层压力为26.51MPa。可以得出地层的渗透率在7.42mD，地层系数则为110.50mD·m，这也表明压裂效果良好，能够对地层的渗流条件进行改善。对照参数拟合曲线可以发现，拟合有效裂缝的半长在54.6m，相比较设计裂缝的长度少了5.4m，裂缝本身的导流能力达到了58.2mD·m，缝面污染系数为0.13，属于轻度污染。

结语

结合上述分析，可以得到如下结论：

（1）运用井下压裂实时监测技术，可以在保证压裂施工正常开展的前提下，实现对于压裂作业全过程地层压力和温度数值的实时测量和分析，在石油行业压裂作业中有着良好的适用性，不仅对传统压裂监测中存在的问题进行了解决，而且配合信息技术，能够实现井下压裂实时监测数据解释的智能化和自动化。

（2）通过压裂实时监测软件，能够对压裂作业环节液体滤失的类型、裂隙闭合的压力、裂隙闭合的时间以及瞬时关井的压力等进行准确判断，从而为类型相同或相近的压力系统及地层系统的压裂设计和施工提供完善的数据支撑，确保各项工作的顺利展开。

参考文献

[1]周东平,李栋.煤矿井下水力压裂裂缝监测技术研究[J].煤炭技术，2017，36(11):151-154.

[2]张秀梅.井下压裂实时监测技术的实际应用[J].化学工程与装备，2017，(10):47-49.

[3]刘旭礼.井下微地震监测技术在页岩气“井工厂”压裂中的应用[J].石油钻探技术,2016,44(4):102-107.