中文題目：用于鋼套管井水力壓裂帶診斷的三維跨井測量數值模擬研究

論文題目：Numerical simulation study of 3D crosswell measurement for hydraulic fracture zone diagnostics in steel-cased boreholes

錄用期刊/會議：SPE Journal (中科院大類3區)

錄用時間：2024年11月18日

作者列表：

1） 吳世偉  中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博23

2） 劉得軍  中國石油大學（北京）人工智能學院 電子系教授

3） 李   洋  中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博20

4） 孟   晉  中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博19

摘要:

激發的鋼套管井為監測高導電性水力裂縫帶提供了顯著的潛力。本文提出了一種用于診斷鋼套管井中水力裂縫帶的跨井測量方法。在動態監測裂縫過程中，向鋼套管井施加高功率直流電，并測量相鄰裸眼井上的電位。數值結果表明，測量信號對裂縫的大小、厚度和導電性高度敏感。在分段裂縫監測的研究中，水力壓裂前后觀察到的信號差異清晰地揭示了裂縫帶在壓裂過程中的延展方向。該研究表明，跨井測量方法是一種用于動態監測鋼套管井中水力裂縫的有效的技術，并具有良好的應用前景。

背景與動機:

水力壓裂是能源開采中的一種關鍵方法，特別用于提高致密油藏中的石油回收率，并改善地熱資源的熱效率。由于頁巖地層的電導率低于電支撐劑裂縫帶，一些學者依賴電磁學發展了多種測井技術，旨在準確描繪裸眼井中的水力裂縫特征。然而，當在套管井中運用這些技術時，情況就變得更為復雜。這是由于常見的磁性鋼套管材料具有顯著的導電性，會造成透射電磁場嚴重衰減?；谏鲜霰尘?，一些學者認為電流測量是獲取關鍵數據（例如地層邊界和儲層中的油氣飽和度）的有效手段。然而，這些方法往往伴隨著微弱信號的產生，這些信號極易被背景噪聲所掩蓋，從而大大增加了準確識別裂縫帶信號的難度。因此，我們考慮采用近場監測方法來提高裂縫帶的可監測性。

主要內容:

本文首先驗證了跨井測量方法表征水力裂縫帶的可行性。該模型考慮了具有單個裂縫帶的套管井的情況。然后，通過使用不同的例子研究了測量信號對各種裂縫帶、背景地層和井眼參數的敏感性。對于所有模型，均考慮嵌入電阻性頁巖儲層的水平井。最后，研究了分段壓裂，以評估這種方法在復雜情況下的適用性。

 

圖1 跨井測量法的驗證模型

 

圖2 跨井測量法響應結果

圖1顯示了驗證模型的二維橫截面，圖2顯示了響應結果。不難發現在壓裂前信號幅值隨著靠近套管井眼而增加，然而壓裂后，信號振幅整體增加，并且接收器水平移動時可以觀察到壓裂帶的峰值信號。通過比較壓裂前后的電位差，我們可以識別出峰值和谷值，分別表示裂縫帶沿z軸和x軸的信號強度?？缇疁y量方法的信號幅度比井地測量方法大3個數量級，顯著提高了裂縫帶的可監測性。因此，跨井測量方法對于監測水力裂縫是可行的，并且可以為電流測量提供令人信服的結果。圖3顯示了不同參數下對稱裂縫帶的電位響應，圖4顯示了復雜地質和井眼條件下的電位響應，圖5顯示了分段壓裂帶的電位響應。

 

圖3 不同參數下對稱裂縫帶的電位響應

圖4 對稱裂縫帶中的電位響應隨背景電導率、套管井傾角和裸眼轉彎半徑而變化

圖5 分段壓裂帶的電位響應

結論:

本文提出了一種用于診斷鋼套管井中水力裂縫帶的跨井測量方法。裂縫的存在改變了電流從源（套管）進入頁巖地層的路徑，從而改變了沿套管的電位分布。測量信號對裂縫的位置、大小、厚度和電導率高度敏感，對稱裂縫帶的各種參數只影響電位分布的振幅，不影響其形狀。此外，盡可能減小測量線與非對稱裂縫帶之間的距離至關重要。一般來說，跨井測量技術可以在高電阻地質環境中有效地執行。套管井眼傾斜角度和裸眼井轉彎半徑對測量信號沒有顯著影響。在分段壓裂的研究中，水力壓裂前后的信號差異清楚地反映了壓裂過程中裂縫帶的延展方向。如果監測井和裂縫帶之間的距離保持在特定閾值以下，則可以獲得高質量的測量信號。因此，跨井測量技術對于監測壓裂過程中的動態變化是有效的。上述發現為設計電流裂縫監測配置提供了一定的指導。其主要優點在于利用背景地質和壓裂帶之間的電導率差異來表征水力裂縫。然而，由于現實世界水力裂縫的復雜性，本文的數值模擬結果在實際應用中可能會出現一些偏差。未來的工作可以側重于將該方法應用于實際的水力裂縫監測中，并將其擴展到更復雜的地質構造。

作者簡介:

劉得軍，教授，中國石油大學（北京），人工智能學院電子信息工程系，博士生導師。研究方向：電磁測量方法與數值模擬技術、電纜高速數據傳輸理論與技術、機電測量系統虛擬樣機設計等?？傆嫲l表科學論文150余篇。

聯系方式：Email: liudj65@163.com