压裂实时监测及解释技术
压裂裂缝监测技术及应用
压裂裂缝监测技术及应用【摘要】目前国内外油气田普遍采用裂缝监测技术了解水力裂缝扩展情况及其复杂性，将裂缝与油藏、地质相结合以评价增产效果，并制定针对性的措施。
目前形成的技术主要分为间接诊断、直接近井诊断、直接远场诊断等三类十多种方法，在B660、F142等区块开展了多口直井现场应用，并在F154-P1井采用多种监测方法对水平井多级分段压裂裂缝进行了监测试验。
通过裂缝监测技术的应用，大大提高了对裂缝复杂形态的认识。
【关键词】水力压裂；裂缝监测；微破裂成像；示踪陶粒；井下微地震裂缝监测技术是指通过一定的仪器和技术手段对压裂全过程进行实时监测和测试评价，通过数据处理，得到裂缝的方向、长、宽、高、导流能力、压裂液的滤失系数、预测产量、计算压裂效益等，从而评价压裂效果。
使用评价的结果可以验证或修正压裂中使用的模型、选择压裂液、确定加砂量、加砂程序、采用的工艺等，保证压裂施工按设计顺利进行并且取得最好的改造效果。
1、压裂裂缝监测技术裂缝监测的主要目的在于了解裂缝真实形态，并利用监测结果评价改造效果、储层产能、指导压裂设计。
目前国内外采用的裂缝监测技术可以分为地震学方法和非地震学方法，主要采用地面微地震、井下微地震、阵列式地面微地震和测斜仪阵列水准观测等技术。
1.1地面微地震技术1.1.1简易地面微地震简易地面微地震技术是采用最多的裂缝监测技术，该技术采用地震学中的震源定位技术，通过3-6个观察点接受的信号来定位震源。
该技术具有原理简单，费用低的特点，但对于埋藏的深油藏，井下微地震信号需要穿越多个性质不同的地层，因此只有震级高的脆性破裂信号可以被从噪音中区分出来，信号采集方面的缺陷降低了该技术的精确度。
目前在使用中多采用贴套管的微地震监测技术，通过在相邻井的套管上放置检波器来收受信号，可以在一定程度上避免这一问题，但是要求井距要小。
1.1.2微破裂成像技术微破裂成像裂缝监测技术采用埋在地表下30cm的20-30台三分量检波器，利用向量扫描技术分析目的层位发生的破裂能量分布，用能量叠加原理，解释出裂缝方位、裂缝动态缝长、裂缝动态缝高。
浅谈低渗油田水力压裂裂缝方位监测技术
浅谈低渗油田水力压裂裂缝方位监测技术引言随着油田开发的不断推进，我国低渗透油藏开发技术已处于世界领先地位，水力压裂技术在低渗透油田开发中得到了广泛的应用，而裂缝监测技术制约着水力压裂技术的突破。
水力压裂技术是目前低渗透油田改造增产最主要的措施之一。
水力压裂产生的裂缝延伸方位，不仅是储层压裂改造效果的衡量标准之一，而且能为其他井水力压裂提供参考与借鉴，并能够为后期调整生产措施提供依据。
本文针对低渗油田水力压裂裂缝方位监测技术进行了较深入的调研，并设计一套低成本、高性能、低功耗的压裂裂缝方位监测系统。
1.几种常见的水力压裂裂缝方位监测技术（1）微地震监测技术天然地震监测技术是微地震压裂的监测技术的起源。
水力压裂施工过程中，压裂能量将沿主裂缝方向不断向四周地层中进行辐射传递，造成主裂缝周围地层内部产生裂张和错动。
这些裂张和错动会引起不同类型和强度的地下弹性波，即横波和纵波。
在压裂时产生的这些不同強度不同类型的横波和纵波将以主裂缝为中心，从各个方位来辐射波及周围地层，通过这类辐射的弹性波地震能量能够向周围相邻的地层源源不断地传波。
通过接收、过滤和分析接收到的地下弹性波信号的强弱、方向及波及面积等参数，便可获得实际压裂施工过程裂缝方位、面积及对地层的影响强度的信息。
再借助三维成像技术，采用相应配套的软件对微地震事件分析对比，便可获得压裂裂缝的各种几何参数，从而达到对压裂裂缝的延伸方位的监测目的。
（2）井温测井监测技术水力压裂施工所注入的液体或压后人为注入的液体进入地层往往会带来低温异常，通过监测井温变化情况便可确定压裂裂缝的缝高，这就是井温测井监测技术的理论基础。
水力压裂所注入地层的液体温度通常会低于地层原温度，因此体现在吸液层段井温曲线的是低温异常段，监测这一低温异常段便可获知压裂裂缝的存在以及分布高度等情况。
在压裂前先进一次行井温测井，得到一条井温变化的基准线，对比压裂后井温变化线，可将井温突变段确定为压裂裂缝的高度。
压裂监测技术简介1
•
微地震来自地下介质质点的位移，只要 质点间发生相对移动，就会出现微地震。 微地震发生不仅是破裂过程。微地震信号 强度对我们的仪器水平提出要求，达不到 要求就记不到微地震。
2.微地震发生与强度
• 用微地震波确定油田压裂裂缝走向、形态， 有三个基本假定：(1)裂缝扩展是间歇的、 脉冲式的，可以形成众多的、分立的、分 布在裂缝面上的微震震源。(2)这些微震震 源的定位结果，这些震源的排列趋势可以 反映裂缝的走向、长度和高度。(3)压裂裂 缝优先沿着破裂强度最低的方向。
5.先进的微地震信号识别、定位技术正演网格搜索信号识别、定位技术
把被监测空间切 分成三维网格， 把每个网格节点 模拟为震源，进 行时间偏移、叠 加。叠加后波形 清晰、可见的节 点为震源点。
图8.正演网格搜索识别、定位技术示意图
（1）.技术关键
• 用速度模型计算出各节点至各台站的走时 及彼此间的走时差。 • 用时间偏移对齐来自某一指定节点的地震 信号；叠加这些信号，寻找经叠加信号明 显增强的那些节点，该节点即为震源。 • 网格节点依据压裂控制区设计，来自节点 的的地下信号是压裂形成的微地震。
图1.油田微地震强度、频度示意图
Frequency of Occurrence, log10
2
micro-earthquakes micro-seismicity earthquakes
0
-4
-3
-2
-1
ML
0
1
2பைடு நூலகம்
3
2.记到微地震-微地震信号强度
•
• 发展质量更高的监测系统是微地震技术发展 的必然趋势。记不到微地震，一切分析技术均没 有用武之地。 油田水力压裂形成的微地震分布在-1至-5级， 地下微地震信号的强度可以由下式估计，依据古 登堡的体波震级理论【3】： (3) M lg 3 A。 +Q( H , r ) 可以估算测点微地震幅度： =0.72*10-4 (4) 式中，单位是微米。
压裂实时监测
Any questions
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水力压裂井下实时监测的认识
1、填补了水力压裂工艺井下各种参数录取的空白， 提高了对储层的认识，提供了准确的参数用于压裂技术 分析，对以后的压裂参数的优化具有深远的意义。 2、井下工具简单，不产生节流，可满足大排量施工 ，不影响测井、测试作业，不会增加压裂管柱的复杂性 ，不会造成井下情况复杂化，施工成功率比较高， 3、简化了压裂井作业施工工序，可省去单独测压工 序，提高了作业时效，避免了单独测压井筒压力恢复后 井口产生溢流导致环境污染，处理技术难度大的现象。 4、可以全过程（下压裂管柱、等压力、压裂、管井 恢复、放喷、起压裂管柱）录取井底压力、温度的变化 情况
5、特别对封上压下、CO2 泡沫、增能压裂井 ，能了解真实的井底温度、压力变化。 6、用井底压力进行小型压裂测试解释，解释 结果更可信。 7、可对下压裂管、起压裂管、压裂施工、放 喷的作业施工进行监督，准确的分析作业时效。 8、分析不同的储层、不同的季节，特别是冬 天压裂施工井底的温度变化情况，在压裂工艺制 定措施时，采取合理的、必要的预防原油结蜡措 施和破胶措施。 9、利用大量的现场数据可对压裂软件温度场 的分析进行修正。 10、遗憾的是该技术目前不能实现真正的实时 监测，实时数据传输，仅能进行事后分析。
泵压、环空、井底压力对比
井底压力、“净压力”曲线
分析：
1、“净压力”破裂16.1---前置13.1，下降3.0。加砂结束 为17.19，上升4.09。
2、裂缝延伸：开启－高度增加－宽度增加－饱填砂
3、缝高控制在一定范围
压裂实时监测及解释技术
由Van Eekelen、Advani、Cleary、Palmer提出的四种模型
●全三维裂缝模型
由Clifton、Cleary提出的两种模型
2
国内外研究现状
基于二维裂缝模型的压裂压力分析技术是由 Nolte和Smith提出的，后经发展和完善已成为 压裂泵注过程中的经典分析技术。这种分析技 术采用净压力进行分析，利用双对数坐标系下 净压力曲线的斜率推断裂缝延伸类型，进而确 定裂缝长度和裂缝宽度，并定性地认识和了解 裂缝高度延伸情况。但这种分析存在的问题十 分突出。
内
容
目的及意义 国内外研究现状 最新研究成果 压裂实时分析模型 压裂实时解释方法 软件与应用
2
国内外研究现状
压裂压力与裂缝几何形状及其动态延伸密切 相关，压裂分析与模拟的关键问题之一就是确 定裂缝的几何形状及其动态延伸规律。 ●二维裂缝模型
PKN模型、KGD模型和Radil模型
●拟三维裂缝模型
2
国内外研究现状
三维压裂压力分析： Crockett等提出了集总综合裂缝模型：
模型的最大特点是将复杂的数值分析问题通过模型 中大量的伽马系数或积分参数，简化为确定函数或数 据库的积分参数。 应用该模型，基于流体流变性主宰压力变化的基本 思想，初步研究了压裂施工过程中的压力历史拟合， 以确定液体的流变性和滤失程度。
PKN
KGD
Radil
2
国内外研究现状
二维压裂压力分析存在的问题： ●假设裂缝高度为定值； ●采用净压力进行分析，需预先输入裂缝闭合压力， 但该参数往往难以获得，同时随着裂缝扩展延伸， 裂缝闭合压力事实上是变化的； ●只能刻画和分析施工过程中压力变化的某一阶段， 不能完整准确地解释整个施工过程中压力的变化； ●解释的参数少，只能定性地认识和了解裂缝高度延 伸情况，定量地解释裂缝长度和裂缝宽度； ●分析解释的前提条件苛刻，要求施工排量恒定，压 裂液流变参数和滤失系数已知而且保持恒定。
HAL压裂裂缝监测技术说明
哈里伯顿压裂裂缝微地震监测说明2015年4月1.微地震数据采集方式井下微地震裂缝监测理论源于研究天然地震的地震学，主要为利用在水力压裂过程中储层岩石被破坏会产生岩石的错动（微地震）来监测裂缝形态的技术。
井下微地震监测法将三分量地震检波器（图1）,以大级距的排列方式，多级布放在压裂井旁的一个或多个邻井的井底中（图2）。
三分量微地震检波器在压裂井的邻井有两种放置方式：一种是放置在邻井中的压裂目的层以上，用于邻井压裂目的层已射孔生产情况，由于收集微地震信号的检波器非常灵敏；为防止监测井内的液体流动对监测造成井内噪音，必须在射孔段之上下入桥塞封隔储层，然后将检波器仪器串下入到桥塞之上的位置。
另一种方法是将检波器放置在邻井中的压裂目的层位置上，这种情况检波器和水力裂缝都位于相同的深度和储层，此时声波传播距离最近、需要穿过的储层最少，属于最佳的观测位置，这种方式用于邻井的目的层未实施射孔生产的情况。
图1 三分量地震检波器图2 三分量地震检波器下井施工现场图3显示一个由5级检波器组成的仪器串在压裂井的邻井下入的两种布局方式：图中左边表示邻井已射孔的情况下，射孔段以上经过桥塞封堵，检波器仪器串放置在该井的目的层以上；图中右边表示邻井为新井的情况下，目的层未实施射孔，检波器仪器串放置在该井的压裂目的层位置上。
井下微地震压裂测试使用的三分量检波器系统检波器以多级、变级距的方式，通过普通7-芯铠装电缆或铠装光缆放置在压裂井的邻井中。
哈里伯顿使用采样速率为0.25ms的光缆检波器采集系统采集和传输数据。
常规的电缆一方面数据传输速率低，另一方面对于低频震动信号易受电磁波的干扰大。
采用铠装光纤进行数据传输不但传输速度快，并且允许连续记录高频事件，提高了对微小微地震事件的探测能力同时对微地震事件的定位更加准确，监测到的裂缝形态数据最为可靠。
图3 多级检波器系统在邻井的两种放置方式另外，由于检波器非常灵敏，井筒中的油气流动会很大程度的影响监测微地震事件的信噪比，如果监测井为已经射孔的生产井，需要在射孔段以上20米的位置下入桥塞，检波器仪器串底部下入到距离桥塞10米的位置。
广域电磁法压裂监测技术
壹伍叁零柒叁壹贰肆贰伍广域电磁法压裂监测技术简介技术背景：该技术由何继善院士团队研发，背靠中南大学，通过自主研发的软硬件监测压裂液的到达位置，来表征裂缝几何参数，实时展示监测成果并指导压裂施工。
在全国多区域内得到成功应用，目前完成合同额近6000万元。
技术原理：通过井筒供入特定频率的交流电，井筒和压裂液形成一体化的地下导体，在地表部署测点，通过监测压裂液入地后产生的电性变化引起的电磁响应，获取电磁时间域差分异常，反映压裂液波及范围，进而评价改造效果。
压裂前背景场：时间域差分：直井电磁监测示意图压裂过程中电场：水平井电磁监测示意图广域电磁法压裂监测技术特点与应用价值2、压裂监测结果评价3、影响压裂地质因素评估4、压裂工艺合理性评估5、开发方案合理性评估6、压后产量跟踪井网——井距——水平段方位——水平段长度压后实际产量与预测产量进行对比分析，验证压裂改造效果，指导开发技术政策的制定与调整。
应用价值：1、成果实时展示裂缝参数实时显示，为现场工艺调整提供数据支持技术特点：施工电压不超过36V。
可同时监测数百个测点。
2n序列伪随机信号，有效规避现场电磁干扰。
接收机采集分辨率1uV。
原始数据无线传输至服务器，返回成果至现场。
广域电磁法压裂监测对比微地震类别监测技术原理监测的是岩石破裂产生的能量震动信号，又叫无源地震监测的是压裂液入地产生的电性差异，通过连接井筒，人工源主动激发，近场接收监测目标岩石破裂事件，主要监测破裂范围，与压裂液没有直接关系压裂液波及到的位置，因此更接近有效改造范围，即保持连通的有效裂缝。
适用范围在井埋深较大时或者疏松黄土层，地震波衰减厉害，信号较弱，效果大打折扣。
电磁波的传播取决于介质的电性性质，也就是介质电阻率的高低，而且疏松的地层电阻率一般中等，电磁波在黄土层传播衰减甚小。
抗干扰能力岩石破裂诱生的地震波是很微弱，因此微地震监测的信号较弱，容易受压裂现场噪声影响可以多频或单频发射，信号强，数据达到毫伏级，有效的规避干扰野外施工地表微地震：监测区域2-3Km 范围，地表监测需大量布设检波器；井中微地震：需要借助2口以上的邻井，在一定程度上影响邻井的生产。
水力压裂微地震裂缝监测技术及其应用
水力压裂微地震裂缝监测技术及其应用发布时间：2022-07-20T06:00:18.770Z 来源：《科学与技术》2022年30卷第5期第3月作者：杨慧慧[导读] 微震监测技术是一种通过观测微震事件来监测生产活动的地球物理技术。
该技术通过分析计算裂缝网络杨慧慧宁夏回族自治区地震局宁夏银川市 750001摘要：微震监测技术是一种通过观测微震事件来监测生产活动的地球物理技术。
该技术通过分析计算裂缝网络的几何特征，即方位、长度、高度等信息，实时评价压裂效果，了解压裂增产过程中的人工压裂情况，从而指导下一步压裂方案的优化，达到提高采收率的目的。
该技术的理论基础是声发射、莫尔-库仑理论和断裂力学准则。
与常规地震勘探技术相比，微地震监测技术的不同之处在于它要求震源的位置、时间和震级。
关键词：水力压裂；渗透率；裂缝监测：微地震；低渗透油藏；一、原理及数据处理1．原理。
水力压裂是向储层注入高黏度的高压流体．并配以适当比例的砂子和化学物质，使储层岩石形成裂缝，从而顺利开采储层中的油气。
水力压裂时．大量高黏度、高压流体被注入储层，使孔隙流体压力迅速提高。
高孔隙压力以剪切破裂和张性破裂2种方式引起岩石破坏：当高孔隙流体压入储层时，高孔隙流体压力使有效围应力降低，导致剪切裂缝产生；当孔隙流体压力超过最小围应力和整个岩石抗张强度之和时．岩石会形成张性裂缝。
水力压裂形成裂缝可看成是声发射事件。
岩石破裂会发出地震波．储存在岩石中的能量以波的形式释放出来，即诱发微地震。
根据摩尔．库仑准则，水力压裂或高压注水时，由于地层压力升高，沿着进水边缘会发生微地震。
这种地震波能量包括纵波和横波，类似于地震勘探中的震源，但其频率相当高，在100～2 000 Hz范围内变化，能量相当于一2~_5级地震。
其波形特征与储层、地层剖面有关，也与注水和压裂的过程及参数有关。
绝大多数微地震发生在注水过程中．当地层受到的压力大于历史上承受的最高压力时．微震开始明显发生；注水压力越高，微震发生率越高，注入流体量越大，微震发震次数就越多。
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国内外研究现状
二维压裂压力分析存在的问题： ●假设裂缝高度为定值； ●采用净压力进行分析，需预先输入裂缝闭合压力， 但该参数往往难以获得，同时随着裂缝扩展延伸， 裂缝闭合压力事实上是变化的； ●只能刻画和分析施工过程中压力变化的某一阶段， 不能完整准确地解释整个施工过程中压力的变化； ●解释的参数少，只能定性地认识和了解裂缝高度延 伸情况，定量地解释裂缝长度和裂缝宽度； ●分析解释的前提条件苛刻，要求施工排量恒定，压 裂液流变参数和滤失系数已知而且保持恒定。
1 1 1 2 n 2 n 2 n 2 K Q L f (t ) 2 n 2 PKN n1 2 E H 1 1 1 2 n L f (t ) 2 n 2 2 n 2 K Q 2 n 2 KGD W f (t ) n E 2 H 1 1 2 n 2 n 2 n 16 2 n 2 K Q R f (t ) 2 n 2 Radil 3 E
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国内外研究现状
二维压裂压力分析：采用净压力(井底压力与裂缝 闭合压力之差)，利用双对数坐标系下净压力曲线的 斜率推断裂缝延伸方式和类型。
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国内外研究现状
二维压裂压力分析：在推断出裂缝延伸方式和类型， 并定性地认识和了解裂缝高度延伸情况基础上，可进 而确定裂缝长度和裂缝宽度。
1 2 n 1 1 n Q L f (t ) 2 n 2 2 n1 2 n 2 2 n1 K E 2 n1 H 2 1 2 n 1 1 2 n 2 Q n 2 n1 2 n 2 2 n1 p w (t ) K E n 2 n 2 H L f (t ) 1 1 2 n1 n 2 n 2 2 n1 3 2 n 2 2 n1 Q K E 3 n R f (t ) 16
由Van Eekelen、Advani、Cleary、Palmer提出的四种模型
●全三维裂缝模型
由Clifton、Cleary提出的两种模型
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国内外研究现状
基于二维裂缝模型的压裂压力分析技术是由 Nolte和Smith提出的，后经发展和完善已成为 压裂泵注过程中的经典分析技术。这种分析技 术采用净压力进行分析，利用双对数坐标系下 净压力曲线的斜率推断裂缝延伸类型，进而确 定裂缝长度和裂缝宽度，并定性地认识和了解 裂缝高度延伸情况。但这种分析存在的问题十 分突出。
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国内外研究现状
基于三维裂缝模型的压裂压力分析的开拓性 工作是由 Crockett等完成的，随后大量相关的 研究和现场试验相继展开，其中最具代表性的 是天然气研究院的现场试验、 Meyer等发展和 完善的模型及其算法、Gulrajani等对压力历史 反演唯一性的讨论和现场应用实例、Piggott等 利用压力历史反演获得地层特征的应用。正是 以这些研究成果为基础，一些国际性的研究机 构和著名石油公司相继推出了压裂施工过程中 实时分析和图形显示的软件系统。
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目的及意义
四个制约水力压裂技术应用及取得理想效果 的关键性因素： 现场缺乏经济地测量和评估水力裂缝的 有效手段 对储层特性尤其是岩石力学参数和地应 力分布缺乏深入的研究和认识 压裂设计及其局限性 落后的压裂监测与施工质量控制
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目的及意义
水力压裂实时监测及解释技术是确保压裂施 工取得理想效果的关键性手段，也是水力压裂 技术的最新进展和发展趋势。应用该技术，可 认识和了解裂缝和地层情况，分析和评估压裂 液性能和现场施工质量，减小施工风险，保证 施工按设计要求顺利进行，并根据实际情况进 行现场调整。针对该技术及其亟待解决的重大 问题进行深入研究，势在必行，意义重大。
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国内外研究现状
三维压裂压力分析： Crockett等提出了集总综合裂缝模型：
d N Li Bi Li Ai dt
模型的最大特点是将复杂的数值分析问题通过模型 中大量的伽马系数或积分参数，简化为确定函数或数 据库的积分参数。 应用该模型，基于流体流变性主宰压力变化的基本 思想，初步研究了压裂施工过程中的压力历史拟合， 以确定液体的流变性和滤失程度。
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目的及意义 国内外研究现状 最新研究成果 压裂实时分析模型 压裂实时解释方法 软件与应用
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目的及意义 国内外研究现状 最新研究成果 压裂实时分析模型 压裂实时解释方法 软件与应用
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目的及意义
水力压裂是改造油气层的有效方法，是油气 水井增产增注的重要措施，而水力压裂的效果 取决于压裂工艺技术的完善程度，即对裂缝和 地层情况的认识和了解、合理的施工工艺、优 良的压裂液和支撑剂等压裂施工材料、优化的 施工设计、施工作业手段及其质量。目前，水 力压裂在理论、设备、工艺等各方面都有了很 大发展，但仍存在不少重大技术难题。
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目的及意义 国内外研究现状 最新研究成果 压裂实时分析模型 压裂实时解释方法 软件与应用
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国内外研究现状
压裂压力与裂缝几何形状及其动态延伸密切 相关，压裂分析与模拟的关键问题之一就是确 定裂缝的几何形状及其动态延伸规律。 ●二维裂缝模型
PKN模型、KGD模型和Radil模型
●拟三维裂缝模型
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国内外研究现状
国内对压裂施工过程中实时监测与分析技术 的研究较为落后。二十世纪九十年代，西南石 油学院和石油大学研制了二维压裂压力分析软 件，但没有创新。至于对三维压裂压力分析技 术的研究，国内还是空白。近年来，国内各油 田相继引进了三维压裂压力分析的软件系统， 但软件的运行情况及解释结果不理想。