转向压裂设计应该注意那些问题？ [复制链接]

  转向压裂设计应该注意那些问题？最该考虑的是周围地层应力以及加了暂堵剂后的地层应力吧？

储层的地应力决定压裂裂缝的几何形态及裂缝延伸方向.转向压裂的关键是最大主应力和最小主应力的差值,差值的大小是决定裂缝是否转向的关键:差值越大,越不容易转向;差值小的话,加上加入暂堵剂在一定程度上会产生附加阻力,会使裂缝发生转向.转向的程度还是决定于最大主应力和最小主应力的差值的大小.

最大主应力和最小主应力的差值，用那些方法赖测试或者计算，有文献报道说在注水开发后，二者间的差值就相应减少，理论基础是啥子呢?

由于注水井是高压注水，在注水井周围形成局部高压场，并随着注水时间的延长，而向前逐步推进，改变储层的应力场，使储隔层的应力差变小；而且最大最小主应力也会发生相应变化

注水前缘监测及井周应力状态

注水前缘监测及井周应力状态 -%O,vL`
1.前言 7-6<<
油田注水诱发地震是一个有众多学者广泛讨论的监测课题,由注水压力与地震频度的关系证明了岩石力学的摩尔-库伦准则、有效应力定律的可靠性及水力压裂法测量应力的可行性[1, 2]。随着计算机技术的发展和分析理论的提高，采用微地震监测方法实时监测油田油、水井生产动态再次成为很有前景的研究议题。国际上对此提出了一些切实可行的监测方法,计算机判别标准和实时定位理论,并取得了很好的监测成果，这些理论方法成为了解地层深部结构与变化的重要手段[3]。国内，参照国际上的先进经验，也在油、水井生产动态监测方面取得了长足进展。 MR W{BO&
二.监测技术与发展现状 X? 5Jz
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为了适应油田生产需要,国际上提出了一些现实可行的观测技术和微地震资料录取方法。采用井下，井下与地面结合，地面等多种实时监测手段获取了重要的油、水井生产动态信息（2）（图1）。该监测结果用超过480个微地震给出了油、水井生产的波及范围，该范围与其它检测方法给出的结果相符。 crG,dobLVX
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Clinton Co. We calibrated the site using events with three P and three S arrival times, and at least two hodogram azimuths. Setting a layer boundary at the top of the High Bridge (344 m), the hypocenter-velocity inversion gave P velocities of 6.04 and 6.37 km/s and S velocities of 2.93 and 2.95 km/s. Geophone orientations swung as much as 5from the initial, perforation-shot estimates. The refined geophone orientations were important in aligning locations of events collected before and after deployment of the third geophone. After calibration, we located over 1700 events (Fig. 10). Three fracture planes strike N65E and dip 15to 20to the NW or to the SE. The deepest fracture (group C in Fig. 10) was difficult to see, but stood out because of its unique, S-nodal (large P, small S) waveforms on the upper GT8 geophone. This plane contained over 200 events forming an elongate planar pattern that [e~U,5 [
intersected the main fracture (group B) along its northern, well-defined edge. Composite focal It s``"0
mechanisms have indicated nearly pure reverse faulting along these fractures40. 1+^'=B\K
K~(\0
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图1.奥斯汀区油田生产动态监测实例 E X '_nY
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微地震自动识别一般采用微地震波及其导波的波幅、包络、升起、衰减、拐点、频谱特征及不同地震道间的互相关等十三个判别标准。 @qTc#]V1Q
为了便于计算机操作和减少机时，采用评分方法，即每一个判别标准给定一个分值，重要性不同分值也可能有所不同。完全满足判别标准，总分值为1；完全不满足标准，总分值为零。对一个微地震信号，依据其与各个标准的复合程度进行评分,计算总分。操作人员可以在监测前指定录取门槛，如取为0.6,记录结果有百分之六十的可靠性。也可以认为,录取10个信号有6个是真实的。 #2 Qe<.o3
三.注水前缘监测理论 {hQED,,c\
油田注水是为了补充地下能量,使油田可以持续稳产。注入水流向何处，受沉积走向，裂缝分布，岩石渗透率各向异性，原地应力场特征等多个因素的影响与控制。了解注入水流动前缘，对油田生产、开发有重要意义，也是一个综合性的岩石力学问题。我们采用微地震监测方法，用自己发展的一套实时定位技术，用监测到的微地震分布轮廓反映注水前缘。 D_j\>w

1.   监测理论 9ltl){f_j
根据摩尔-库伦准则，岩石破坏或滑动的条件可以写为： %L
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τ》=τ0 +μ(S1+S2-2 P0)/2+μ(S1–S2）COS（2φ）/2   (1) ef07Ro=
τ=（S1 –S2）SIN（2φ）/2             （2） -n[xq\ +
(1)   式左侧不小于右侧时发生微地震。式中，τ是作用在裂缝面上的剪切应 ` qnHSA3
力；τ0 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；φ是最大主应力与裂缝面法向的夹角；μ是岩石内摩擦系数。由式（1）可以看出，微震易于沿已有裂缝面发生， 这时τ0为零，左侧更易大于右侧。P0增大，右侧减小，也会使右侧小于左侧。这为我们观测注水前缘，提供了理论依据。 iYl~z!uv
事实上,水库水位升高几米,水库周边就会有地震发生,这表明地下有些质点 R?G3j1,)
可能处于临界状态。观测结果表明，注水压力稍有增加,井周就会发生微地震，用微地震分布轮廓可以检测注入水的波及范围。 aL9&WG@
2. 信号强度 :[K"bju@
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端分辨率，微地震检波器才可以把信号检测出来。由于注水诱发的微地震有时为张性震源，且同等条件下张性震源的张开位移远小于剪切性震源的剪切位错，信号弱得多，故本文仅分析张性震源的信号强度。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。对张性震源，P波位移震幅可以写为： .e4!D" A2
Aα= （AD（Φ，θ） /（4πρrα3））•u'3（t-r/α）•S   （3） {./[ 7y]C]
A2D（Φ，θ）=λcos4θ+λ2SIN4θCOS4φ+（λ+2μ）2SIN4θSIN4φ C>0 86
+2λ2COS2θSIN2θCOS2φ+2λ（λ+2μ）SIN2θCOS2θSIN2φ uh[8KOSn
+2λ(λ+2μ)2SON4θCOS2φSIN2φ           （4）
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这里：θ，φ分别是观测点相对于震源面的仰角和方位角，α是P波波速，λ，μ是拉梅常数， r是传播途径，ρ是传播介质密度。
DF[4{ Cf
在地面观测时，可以假定θ=0，在观测点的P波位移可以写为： thS{{ pCk(
Aα=（λ/（4πρrα3））•u'3（t-r/α）•S       （5） Tu$3E6EHJG
估算到达仪器前端的电压强度时需考虑非弹性衰减,(5)式需改写为： w0$=&Kk c
A1=λ0ω0 /（4πρ1 r1α1 3）•u'3（t-r/α）•S0 K1 F1 H1     (6)     TG\hq"
式（6）中，下标为“0”的参数是与震源有关的参数，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。A1是地面接收的信号幅值，H是入射衰减，F是路径衰减；u‵(t-r/α)是张开位移u3（t-r/α）的导数，是震源面张开或闭合的速度，ω0是震源的角频率。 SKIuqwON
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/α）是裂缝张开的速度，其平均值可以用u3/T求取，u3是裂缝张开宽度，取为2mm；T为地震周期，取为0.02秒; ω0是震源的角频率,取为ω0=2πf=300,地震频率f取为50赫芝。由于所使用的地震仪是速度型检波器,故分子上要乘以ω0。λ，μ是拉梅常数，本文假定其平均值为λ=μ=1X104Mpa，地面接收时的P 波速度取为α1=1200m/秒；r1 是至地面的P波传播途径，取为3000米；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 是地面检波器的换能系数，我们使用哈尔滨工力所生产的专用检波器，为0.5伏•秒/CM。 H1 是地面接收的入射衰减，是从高速层进入低速层，入射衰减很小，每层入射系数取为0.85,假定有7层,整体入射系数为0.35。F1 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。把上述结果代入公式（6）式，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1）。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。目前到达仪器输入端的电信号大于1微伏,信号就可以被检测出来的。 "@[wY F3Y
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表1.不同人工裂缝监测方法对比 yM`(0M m$
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方法   (R(
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定位依据   "Y*8^Ez 
地质条 件   ~a@)RE i
物理假定   }2p!5VQ
监测环境   <=4|v&XAZ
噪音背景   微地震点相对井口的监测方位误差   检测信号强度   近年来实施井数 ^
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多台地面检 测   走时   分层均匀   同一层速度相同,可沿折线传播   良好   较高,但可预 知   正负15度 wKZvCQ0 
  >5.8微伏   多于100口 {q,BnM K+
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3.监测方法 ]%?0x`a@
监测采用地面六分站,模拟传输,计算机统一采样、处理。采样速度为每秒每 VC|[![-3L
道一千次，十二位采样，自动判别，实时显示。 /aGI~_
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四.监测结果 0@wTK?3D4
在华北油田，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，观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。 W[ ![Sa
京430井位于京11-2断块上,注水深度为1545.8米。图2是实时监测结果；图3是实时监测的拟合结果，拟合的唯一依据是微地震点的密度。从图2、图3可以看出:京18计,京367井处于水流区（蓝色区）,京367井本来就是水井;京425井,京415井,京627井处于注入水波及区（绿色区）;京628井,京625井,京418井,京420井处于注水无效区。波及区产液是无效区产液的3.56倍,产油是2.6倍,产水是5.0倍。这表明了监测结果的可靠性。监测图上的一格为100米，上方为正北方向。 V+b\GJ;
监测结果的一个合理解释是：由于油田采用高压注水，近井地区形成了一个沿最大水平主应力方向的张性裂缝条带，注入水以流动方式出现，处于此条带内的油井可能发生水淹；在裂缝带前端，由于注入水压的降低，不会形成新裂缝，注入水以渗透方式呈散状扩散，处于此区内的井为注水见效井；在微地震台网控制范围内而又记录不到微地震点的区为注水无效区（无色区）。 =Qc{qZp)
监测结果表明，华北油田京11断块的最大水平主应力方向为北东东向，四口井的观测结果有很好的一致性，均支持这一结论。该区存在一个近北北西走向的高渗透率条带。该井的正常井口注水压力为10兆帕，仅增加了二个兆帕的井口注入压力，就有大量的微地震发生，表明该区注水压力已近临界状态，再提高注水压力可能会诱发套管变形。 ^4u1!j+0'D
如果认为微地震是沿已有裂缝发生的,从(1)、(2)式可以得到(2) : (Rc!Qg
  (s1-s2)/(s1+s2-2p0)=μ/sqr(1+μ2)       (7) V*Y%M($SE
临界注水压力p0取为12兆帕,内摩擦系数μ可以取为0.6,假定s1 、s2 中有一个是垂向主应力,则可以估算出另外一个水平主应力值的界限,由此估算出的井周最大水平主应力不大于44兆帕,最小水平主应力不小于29兆帕。以此可以作为讨论钻孔稳定性的依据，实际上，该区已偶有套管变形发生。 VU|+UA 0D
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表2.涉及各井所处位置及产液量 MT
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表3.京430井变压注水效益对比 <.L6_LZ;
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图2. 京430井注水实时监测结果 =W\EUq5Hz
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          图3.注水前缘分析结果 Su|o#Yof)=
        注:蓝色区为水流区,绿色区是波及区 ifA5f 3'
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五. 结语 WL?Xj"E\>
用微地震方法实时监测油田油、水井生产动态是国内外同行广泛关注的前沿课题,对油田生产开发有重要意义。国外在该研究领域已取得了令人瞩目的进展。我们参照国外同行的先进理论与技术方法，也发展了一套可实用的技术，在大庆油田，华北油田，中原油田进行了实际应用，经近百口井的实际观测，为油田解决了一些亟待解决的问题。结果表明，观测结果是可靠的，方法、技术是可行的。 T&ces]
我们认为，只要稍加改进，比如把单分向地震仪改为三分向地震仪，该技术也可用于水库、矿山等由人类活动诱发的微地震的其它实时监测领域。依据微地震频度与地层压力的关系及震源机制成果，用（1）、（2）式进行极值分析，也可以获得监测区的应力界限，从而对区域稳定性进行预测和讨论。 ooMl=T]F
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            参考文献 wyUZF2jzY
(1). Haimson, B. C., The hydrofracturing stress measuring method and recent field results, Int. J. Rock Mech. Sci. and Geomech. Abstr. 15,167-178,1978. 6R{6M}9O
(2). 刘建中等,对扶余油田套管变形的几点看法,地震学报,第9卷,第二期,1987 9\l0JM&
(3). W.S.Philips，J. T. Rutledge，SPE，and T. D. Faibanks，Nambe Geophisical Inc，T. L. Gardner SPE and M. E. Miller，Exxon USA and B. K. Schuessler,，Los Alamos National Laboratory，Reservoir Fracture Mapping using Microearthquakes，SPE 36651 !^c;jpSv<s
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摘要 油田生产波及区的微地震法实时监测是目前国内外方兴未艾的研究课题。近年来，国际上提出了一些现实可行的微地震信号识别标准和识别方法，并取得了成功的观测成果及分析地下深部结构的实例。我们参照国际上的先进经验，识别方法，判别标准研制了独立的观测系统与软件，在国内的大庆、华北、中原等油田进行了现场实验，并取得了令人满意的结果。文中以华北油田京11断块京430井的注水前缘监测实例，证明了方法的可靠性。全面介绍了观测理论，判别依据，观测方法及可获得的深部应力状态及地层结构方面的结论 CFw%0z,L
关键词 油田注水 微地震监测 井周应力

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1977年以来，哈理伯顿、斯伦贝谢、壳牌、雪孚龙、BP、戴佛特(DELFT)大学等国外研究机构开展过射孔方位对水力压裂人工裂缝形态的影响的物理模拟实验研究。取得了以下研究成果：
1）固井质量的影响会导致裂缝形态出现两个极端情况
A、如果固井质量不好的话，那么，将沿着水泥环第二界面出现破裂， 裂缝方位始终垂直于最小地应力方向；
B、如果固井质量好的话，那么，射孔方位对裂缝形态有直接影响。如果射孔方位与水平最小地应力平行的话，那么，初始裂缝形态将垂直于水平最大地应力，之后出现转向；
2）压裂裂缝的转向半径与排量和压裂液粘度（的乘积）存在正相关关系。

压裂液的视粘度对水力压裂人工裂缝的转向存在影响，瓜胶交联压裂液产生的人工裂缝的转向半径大于清水压裂液的人工裂缝的转向半径

根据对国内外重复压裂增产机制、新裂缝重定向机理及影响因素等研究资料、成果的分析研究、室内实验研究结果和百口泉、彩南油田22口井的现场试验，可得出以下一些结论和认识：
1)    油藏开发过程中的多种因素会导致油井附近的应力场发生变化，在此基础上，通过使用暂堵剂改变裂缝起裂方位，可在重复压裂中实现开新缝和使裂缝发生转向，但无法人工控制裂缝转向角度和方位；
2)    在一定的物质基础（剩余储量和地层能量) 条件下，相对于常规重复压裂而言，由于人工暂堵转向压裂开启了新缝而不是对原有裂缝的再充填和延伸，不同程度地改变了油层渗流驱替规律，增添了新的泄油面积，具有较好的增产效果；
3)    相当一部分重复压裂油井由于注水不受效，地层亏空严重，需要更大的压裂规模使新裂缝穿透原泻油范围，才能达到增产增油的目的；
4)    水淹井经暂堵压裂并建立高导流能力的渗流通道后，虽然产液能力明显提高，但由于原水淹区域并未被封堵，且较之剩余油富集区域有更强的能量补充和较好的物性条件，故除了有明显的增液效果外，几乎没有增油效果；
5.2 建议
1)    堵老缝压新裂缝的基础是应力分析，但由于技术条件限制，目前不能了解和掌握油井地应力场的变化情况及程度，选井带有一定的盲目性，进而影响了裂缝转向程度和增产效果，今后需加强相关研究以增强措施针对性，提高增油效果；
2)    由于缺乏施工前后的产液剖面和试井资料，无法进行更进一步的效果评价分析。建议今后选择部分井录取相关资料，为进一步优化措施设计和施工提供依据；
3)    由于设计和施工前未能掌握油井亏空情况，对亏空严重井施工时的滤失增加程度估计不足，由于出现了缝内脱砂现象、逢宽增加而导致支撑裂缝未能穿透原泻油区，未能取得理想的增油效果。且由于缝宽超过了极限，使得缝内支撑剂在闭合压力作用下出现结构失衡而导致出砂。今后设计前应详尽了解、掌握油井亏空情况，对亏空严重井进一步提高暂堵剂用量、压裂规模和施工排量，优化支撑剂铺置设计，以使新裂缝穿透原泻油范围，达到增产增油的目的；
4)    建议对已经水淹的井根据其油井水淹原因、类型等特点，采取相应的封堵措施后，利用适当的技术手段进行改造。

采用地应力剖面分析软件可以获得最小水平主应力的差值，首先将测井曲线生成地应力剖面分析的专用软件，不同地区可能不一样，然后可以计算各个层段的最小水平主应力，其实在生成的地应力剖面图上就可以直接看地应力的相对大小，从而决定采取转层的方向。