??看清地下裂縫：分布式光纖傳感器如何讓壓裂監(jiān)測(cè)更精準(zhǔn)、更經(jīng)濟(jì)?

引言

在非常規(guī)儲(chǔ)層中，作業(yè)者的目標(biāo)是理解裂縫幾何形態(tài)和估算增產(chǎn)體積 (SRV)。該行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)一直面臨著如何更好地理解井與完井之間相互作用的挑戰(zhàn)。最大的挑戰(zhàn)之一是如何定量測(cè)量裂縫的延伸范圍。歷史上，各公司已使用多種不同的技術(shù)來(lái)更好地了解他們的完井作業(yè)。傾斜儀、微地震檢波器陣列、化學(xué)示蹤劑和壓力傳感器等只是其中的一些常規(guī)技術(shù)，這些技術(shù)在監(jiān)測(cè)水力壓裂過(guò)程中儲(chǔ)層變化方面覆蓋范圍有限。 

分布式聲波傳感器 (DAS) 和分布式溫度傳感器 (DTS) 用于沿整個(gè)井眼進(jìn)行多種測(cè)量。在水力壓裂處理期間，實(shí)時(shí)記錄聲波能量分布和溫度剖面，以分析每個(gè)簇的流體分配情況，如圖 1 所示。 

該光纖還用于在完井的不同階段獲取地震和微地震數(shù)據(jù)。低頻率井間應(yīng)變也在觀測(cè)井或鄰井中進(jìn)行測(cè)量。具有 0.01°C 精細(xì)分辨率的 DTS 數(shù)據(jù)用于指示任何流體接觸 (Hull 等人, 2017; Jin 和 Roy, 2017)。結(jié)合微地震、井間應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)，可以更好地理解巖石屬性、井間干擾并優(yōu)化井距。 

過(guò)去幾年，分布式光纖測(cè)量的應(yīng)用日益增多。通過(guò)在套管柱外部安裝永久性光纜，可以實(shí)現(xiàn)沿整個(gè)井眼的測(cè)量 (Webster 等人, 2013)。然而，對(duì)光纜方向和定向射孔的要求增加了光纖安裝的額外復(fù)雜性和成本，因此限制了可同時(shí)安裝光纖并進(jìn)行監(jiān)測(cè)的井的數(shù)量。

圖 1： 安裝在套管外部的永久性光纖上實(shí)時(shí)記錄的分布式聲波傳感 (DAS) 和分布式溫度傳感 (DTS) 數(shù)據(jù)，用于分析每個(gè)簇的流體分配情況。

圖 2： 使用永久性和鋼絲作業(yè)干預(yù)纜部署的工程光纖，在多個(gè)井中進(jìn)行實(shí)時(shí)水力壓裂監(jiān)測(cè) (HFM)。

圖 3： 使用標(biāo)準(zhǔn)傳感光纖和工程化傳感光纖的 DAS 系統(tǒng)

圖 4： 使用永久性和干預(yù)型工程化傳感光纜進(jìn)行多井監(jiān)測(cè)。干預(yù)型工程光纖纜為井間監(jiān)測(cè)提供了新的可接入維度。

我們?cè)诖私榻B一種先進(jìn)的分布式聲波傳感器系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng) Carina），它采用了新一代工程化光纖（Constellation），其靈敏度比標(biāo)準(zhǔn)光纖提高了 100 倍（20 dB）。

此外，我們還開(kāi)發(fā)了一種帶工程化光纖的可回收鋼絲作業(yè)纜（wireline cable），可以經(jīng)濟(jì)地部署用于壓裂沖擊的井間應(yīng)變識(shí)別、微地震監(jiān)測(cè)以及時(shí)間推移垂直地震剖面 (VSP) 采集，其數(shù)據(jù)質(zhì)量前所未有。鋼絲作業(yè)數(shù)據(jù)可以與永久安裝的光纖數(shù)據(jù)相結(jié)合，為壓裂監(jiān)測(cè)和完井診斷提供廣闊的覆蓋范圍，如圖 2 所示。

采用工程化光纖的高分辨率 DAS

現(xiàn)有的 DAS 系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖 (Parker 等人, 2014)。然而，通過(guò)改進(jìn) DAS 光電詢(xún)問(wèn)器架構(gòu)的技術(shù)水平，并結(jié)合引入新一代工程化光纖，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量靈敏度的革命性提升。這種光纖沿其長(zhǎng)度方向經(jīng)過(guò)工程化設(shè)計(jì)，具有更明亮的背向散射，以捕獲并向詢(xún)問(wèn)器反射更多光信號(hào)，如圖 3 所示。這是在不會(huì)對(duì)前向傳播的激光脈沖引入顯著損耗的情況下實(shí)現(xiàn)的。 

使用工程化光纖的 DAS 噪聲比使用標(biāo)準(zhǔn)光纖時(shí)低 100 倍 (20 dB)。此外，在 10 Hz 附近，DAS 性能與檢波器相當(dāng)，但在低于 1 Hz 的范圍內(nèi)，其性能遠(yuǎn)超檢波器。高靈敏度的低頻應(yīng)變測(cè)量為監(jiān)測(cè)儲(chǔ)層內(nèi)的井間孔隙彈性壓力累積以及探測(cè)鄰井中的壓裂沖擊提供了寶貴的數(shù)據(jù)。 

工程化光纖的高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍，其寬帶和大孔徑響應(yīng)能力，可提供前所未有的數(shù)據(jù)質(zhì)量，無(wú)論對(duì)于永久安裝還是干預(yù)纜，均可用于多口井的壓裂監(jiān)測(cè)和完井診斷。

光纖現(xiàn)場(chǎng)部署

圖 4 展示了非常規(guī)多井光纖現(xiàn)場(chǎng)部署設(shè)置的一個(gè)示例。其中兩口井在套管后永久性固井安裝了工程化光纜。然而，認(rèn)識(shí)到在兩井之間獲取額外數(shù)據(jù)對(duì)于理解井間干擾具有重要價(jià)值。這是通過(guò)在已完井中泵入一種新型工程化干預(yù)型鋼絲作業(yè)纜實(shí)現(xiàn)的。該鋼絲作業(yè)纜還配備單導(dǎo)線(xiàn)（mono-conductor），以便用于下放牽引設(shè)備。 隨著干預(yù)型鋼絲作業(yè)纜的引入，我們?cè)谠O(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案時(shí)增加了靈活性。通過(guò)使用可回收光纜，我們現(xiàn)在可以消除鉆井風(fēng)險(xiǎn)并降低總成本。 無(wú)論是在永久光纜還是干預(yù)光纜上記錄的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，都可以近乎實(shí)時(shí)地輸入到完井設(shè)計(jì)中，以?xún)?yōu)化當(dāng)前井場(chǎng)（well pad）的作業(yè)以及未來(lái)的開(kāi)發(fā)計(jì)劃。

井間應(yīng)變監(jiān)測(cè)與壓裂沖擊表征

圖 5 所示的井間應(yīng)變數(shù)據(jù)是在干預(yù)型鋼絲作業(yè)纜上采集的，利用的工程化光纖比標(biāo)準(zhǔn)光纖提供了高 100 倍 (20 dB) 的靈敏度。如圖所示，首次能夠在此類(lèi)干預(yù)部署中以前所未有的清晰度輕松識(shí)別關(guān)鍵應(yīng)變效應(yīng)和處理過(guò)程，包括：泵啟動(dòng)時(shí)間、孔隙彈性效應(yīng)、壓裂沖擊、泵停止時(shí)間和裂縫閉合。這些新數(shù)據(jù)使完井工程師能夠繪制裂縫的深度、方位角和速度，并將該信息反饋到裂縫模型中，以驗(yàn)證和優(yōu)化下一次作業(yè)的設(shè)計(jì)。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證干預(yù)型纜的響應(yīng)，將鋼絲作業(yè)纜泵入到同一口井中，該井套管后方已安裝了永久光纖。如圖 6 所示，可以觀察到兩條光纜響應(yīng)的強(qiáng)烈相似性。
結(jié)果表明，在鋼絲作業(yè)纜與套管內(nèi)壁之間存在充分的摩擦耦合。此外，我們可以看到施加到光纜外部的應(yīng)變速率（數(shù)量級(jí)為數(shù)十納應(yīng)變/秒）在兩種情況下都傳遞到光纜內(nèi)部的光纖上。
沿著兩條光纜也記錄了分布式溫度數(shù)據(jù)，分辨率精細(xì)至 0.01°C。結(jié)果證實(shí)了在此時(shí)間間隔內(nèi)，低頻應(yīng)變數(shù)據(jù)不受任何可觀測(cè)溫度變化的影響。
隨著流體被泵入儲(chǔ)層，由于孔隙彈性效應(yīng)，拉張和壓縮應(yīng)變逐漸累積，隨后可以觀察到多次壓裂沖擊。

圖 5： 深度時(shí)間域井間應(yīng)變彩色圖（600 米寬，跨度數(shù)小時(shí)）。

圖 6： 鋼絲作業(yè)干預(yù)型纜（右）的低頻應(yīng)變數(shù)據(jù)與同一口井中套管后方固井的永久安裝纜（左）的對(duì)比（300 米寬，跨度數(shù)小時(shí)）。

壓裂沖擊識(shí)別

如前所述，部署在鋼絲作業(yè)上的工程化光纖使我們能夠在井間獲取高質(zhì)量的分布式數(shù)據(jù)。如圖 7 所示，通過(guò)沿位于三個(gè)不同井中的每條光纜同時(shí)記錄，我們能夠繪制出裂縫方位通過(guò)地層以及經(jīng)過(guò)每個(gè)光纖位置的傳播情況。為了說(shuō)明，也展示了一個(gè)裂縫半長(zhǎng)的示例 (Viegas 等人, 2018)。我們可以看到，距離壓裂井較近的井承受的應(yīng)變事件強(qiáng)度更高，而最遠(yuǎn)的井實(shí)際上并未經(jīng)歷壓裂沖擊。

圖 8 顯示了交互式軟件的儀表板界面，在該軟件中應(yīng)變數(shù)據(jù)被處理，壓裂沖擊在現(xiàn)場(chǎng)（wellsite）實(shí)時(shí)識(shí)別，包括方向、幅度，該信息立即交互式地反饋到完井設(shè)計(jì)計(jì)劃中。

微地震

水力壓裂監(jiān)測(cè) (HFM) 的目標(biāo)是測(cè)繪處理體積的高度、長(zhǎng)度、寬度和方位角。我們假設(shè)該體積可以由一個(gè)事件位置或震源位置構(gòu)成的微地震云近似。直到最近，只有檢波器才具有足夠高的信噪比來(lái)檢測(cè)和定位足夠數(shù)量的事件震源以測(cè)繪裂縫。由于光纖工程技術(shù)的最近進(jìn)展，單根光纖即可采集等同于 5000 多個(gè) Z 分量檢波器的數(shù)據(jù)。
如果只有一口監(jiān)測(cè)井可用，則只能確定每個(gè)事件的發(fā)震時(shí)間、測(cè)量深度和與光纖的距離。將事件時(shí)間和測(cè)量深度繪制在應(yīng)變瀑布圖上，可以顯示出應(yīng)變與微地震之間極強(qiáng)的相關(guān)性，增強(qiáng)了對(duì)兩者可靠性的支撐。雖然單個(gè)水平或垂直監(jiān)測(cè)井中的陣列無(wú)法完全定位微震，但兩個(gè)或更多此類(lèi)陣列肯定可以。協(xié)同定位（Colocation）可以找到在所有監(jiān)測(cè)井同時(shí)記錄到的最佳擬合到時(shí)信息的震源位置。因此，強(qiáng)烈推薦通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)井進(jìn)行協(xié)同定位。
井下檢波器是三分量?jī)x器，測(cè)量 X、Y 和 Z 方向的地面運(yùn)動(dòng)。這種偏振有助于約束震源方向，但比簡(jiǎn)單的到時(shí)更難測(cè)量和預(yù)測(cè)。在地層界面的折射以及 SH 和 SV 橫波的干擾使得這個(gè)問(wèn)題更加復(fù)雜。部署在兩口或多口井中的光纖陣列僅需到時(shí)信息即可確定震源位置，無(wú)需進(jìn)行偏振建模和測(cè)量。

圖 7： 監(jiān)測(cè)通過(guò)三個(gè)光纖位置的孔隙彈性效應(yīng)和壓裂沖擊。

圖 8： 用于應(yīng)變數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)識(shí)別壓裂沖擊的交互式軟件儀表板。

圖 9： 永久工程化光纖與鋼絲作業(yè)工程化光纖在野外微地震事件探測(cè)方面的比較。

圖 10： 使用干預(yù)纜在大斜度井中采集的原始 VSP 掃描信號(hào)。

圖 11： 永久安裝光纖（左）與鋼絲作業(yè)干預(yù)纜光纖（右）在相同層段、同一震源位置采集的 VSP 數(shù)據(jù)對(duì)比。

實(shí)時(shí)水力壓裂測(cè)繪的最初動(dòng)力是能夠在壓裂作業(yè)過(guò)程中實(shí)時(shí)修改處理方案。例如，停止一個(gè)向含水層延伸的壓裂段（stage），或者繼續(xù)一個(gè)尚未達(dá)到預(yù)期長(zhǎng)度的壓裂作業(yè)。此類(lèi)事件確實(shí)發(fā)生過(guò)，但更常見(jiàn)的情況是，實(shí)時(shí) HFM 的價(jià)值僅在于質(zhì)量控制。作業(yè)者可以確保為每個(gè)層段都記錄了高質(zhì)量有效的壓裂診斷數(shù)據(jù)。如今，關(guān)鍵的壓裂參數(shù)，例如每層的簇?cái)?shù)、簇間距和層間距，可以在同一壓裂作業(yè)的后續(xù)層段中進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化。

使用檢波器的經(jīng)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)質(zhì)量取決于檢波器與周?chē)鷰r石的耦合程度。磁鐵、弓形彈簧，甚至是強(qiáng)力鎖緊臂都不能提供理想的耦合，這是因?yàn)橛涗泝x器的質(zhì)量過(guò)大以及它與套管的接觸面積非常有限（通常只有三個(gè)點(diǎn)）。
一根安裝在典型水平井內(nèi)部的工程化光纖在 5 公里或更長(zhǎng)的范圍內(nèi)與套管接觸，并且每米井眼的質(zhì)量遠(yuǎn)低于井下檢波器記錄儀器。直接比較表明，這種耦合實(shí)現(xiàn)了與永久安裝在套管外水泥中的光纖一樣好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

如圖 9 所示，在整個(gè)光纜長(zhǎng)度上都能看到微地震事件的 P 波和 S 波初至。憑借測(cè)量的高靈敏度，我們可以在垂直段和水平段都看到事件，從而能夠通過(guò)考慮井眼軌跡來(lái)更好地定位震源。
值得注意的是，光纖 HFM 具有：

時(shí)間推移垂直地震剖面 (VSP)

時(shí)間推移 VSP 的一個(gè)重要方面是努力表征儲(chǔ)層的變化。在此案例中，我們記錄了壓裂活動(dòng)期間的變化，在項(xiàng)目過(guò)程中每個(gè)壓裂段后采集 VSP 數(shù)據(jù)。使用該技術(shù)，可以持續(xù)改進(jìn)壓裂設(shè)計(jì)的有效性和最終井場(chǎng)的投資回報(bào)率（ROI）。

信噪比的提高使得只需采集更少的掃描信號(hào)（sweeps），從而提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量，改善了 VSP 數(shù)據(jù)集的可重復(fù)性。圖 10 顯示了從干預(yù)鋼絲作業(yè)纜采集的原始掃描信號(hào)。最近在利用工程化光纖進(jìn)行 DAS 測(cè)量方面的改進(jìn)意味著我們可以在各壓裂段之間采集高質(zhì)量 VSP 數(shù)據(jù)，且不會(huì)干擾整體作業(yè)。

圖 11 顯示了同一壓裂段使用永久光纜和干預(yù)鋼絲作業(yè)纜測(cè)量的對(duì)比情況。此外，高質(zhì)量的微地震事件可以與 4D-VSP 效應(yīng)相關(guān)聯(lián)，有助于理解裂縫復(fù)雜性。

憑借新型工程化 DAS 系統(tǒng)改進(jìn)的靈敏度和更寬的帶寬，我們現(xiàn)在可以輕松測(cè)量鄰近井在壓裂段前后儲(chǔ)層的變化，以了解裂縫半長(zhǎng)和對(duì)某口井的壓裂沖擊（Byerley 等人, 2018）。這是通過(guò)一個(gè)大型“天線(xiàn)”（指VSP震源，如可控震源車(chē)）實(shí)現(xiàn)的，該天線(xiàn)可以在少量可控震源掃描信號(hào)下覆蓋整口井。此外，我們還可以精確測(cè)量沿井筒的時(shí)間和深度對(duì)以及速度，以及由于壓裂活動(dòng)引起的速度變化。在一個(gè)項(xiàng)目中擁有多條光纜的能力有助于更好地理解儲(chǔ)層中的動(dòng)態(tài)變化。

結(jié)論

新一代采用工程化光纖的 DAS 系統(tǒng)，其靈敏度比標(biāo)準(zhǔn)光纖提高了 100 倍，在永久光纜和鋼絲作業(yè)干預(yù)光纜上均提供了前所未有的數(shù)據(jù)質(zhì)量。
干預(yù)鋼絲作業(yè)纜可以經(jīng)濟(jì)地部署用于壓裂沖擊的井間應(yīng)變識(shí)別、微地震監(jiān)測(cè)以及時(shí)間推移垂直地震剖面 (VSP) 采集。鋼絲作業(yè)數(shù)據(jù)可以與永久安裝的光纖相結(jié)合，為壓裂監(jiān)測(cè)和完井診斷提供廣闊的覆蓋范圍。
大部分?jǐn)?shù)據(jù)是實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的，因此組合數(shù)據(jù)集可以在完井工作流程中使用，從而更高置信度地理解關(guān)鍵作業(yè)決策。

致謝

我們要感謝所有合作者與我們分享經(jīng)驗(yàn)、貢獻(xiàn)以及允許使用相關(guān)數(shù)據(jù)。我們要感謝同事們專(zhuān)注的工作和貢獻(xiàn)，特別是 Craig Milne, Arran Gillies 和 Sergey Shatalin 在開(kāi)發(fā)和實(shí)施工程化光纖 DAS 系統(tǒng)方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。