使用超靈敏的光纖應(yīng)變測量DSS感知生產(chǎn)過程中裂縫的變化

使用超靈敏的光纖應(yīng)變測量（DSS）似乎可以感知生產(chǎn)過程中裂縫的變化。

2020年11月，Gustavo Ugueto獲得了非凡的井中體驗(yàn)。他驚訝的來源是一系列光纖數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)測量了儲層裂縫是如何被生產(chǎn)過程中的微小壓力變化所改變的。

當(dāng)殼牌公司首席非常規(guī)儲層巖石物理學(xué)家描述二疊紀(jì)油井測試時，他聽起來像是第一次使用聽診器的人。

Ugueto在2021年非常規(guī)資源技術(shù)會議（URTeC）上關(guān)于2020年底在HFTS-2壓裂試驗(yàn)場進(jìn)行的測試（URTeC 5408）的演講中說：“應(yīng)變在任何時候都會像呼吸一樣伸展和壓縮?！?他說，這是一個“啊哈時刻”，在一個日壓降小于40 psi的井中，裂縫尺寸的無窮小差異 ，我們得到了一個很好的信號。他很興奮地想到這個測試有一天會揭示裂縫在生產(chǎn)過程中是如何變化的。

雖然他對這種潛力感到興奮，但他也一再警告說，要了解可能的情況，還需要做更多的工作。在這一點(diǎn)上，少數(shù)能獲得這些數(shù)據(jù)的人就像使用聽診器的新醫(yī)科學(xué)生，想知道這些聲音與病人的健康有什么關(guān)系。”我們正處于旅程的開始階段，它可能會失敗。Ugueto說。

01

應(yīng) 變

來自HFTS-2的數(shù)據(jù)現(xiàn)在只有那些支持該項(xiàng)目的人才能獲得，但有三篇論文涵蓋了這項(xiàng)工作（參見進(jìn)一步閱讀），促使其他人嘗試這種測量裂縫的新方法。

美國Neubrex能源服務(wù)公司的Dana Jurick說“由于Gustavo和他的合著者的出版物，我們看到了很多基于所學(xué)知識的運(yùn)用”。Neubrex公司提供了用于測量應(yīng)變數(shù)據(jù)的設(shè)備。此后，該公司被其他石油公司雇傭從事類似工作，石油公司好奇他們能從這種新的診斷技術(shù)中學(xué)到什么。

合著者包括科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的副教授GeJin，HFTS-2的地球物理顧問，以及德州農(nóng)工大學(xué)的副教授Kan Wu。她在德州農(nóng)工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)正在致力于建模，旨在將這一定性數(shù)據(jù)源轉(zhuǎn)化為定量測量。

Ugueto說，其他嘗試光纖監(jiān)測技術(shù)的作業(yè)者，包括作為測試現(xiàn)場合作伙伴的雪佛龍和康菲石油公司，以及其他光纖公司，正在進(jìn)入一個新興的領(lǐng)域。兩種常用的標(biāo)簽反映了人們對其未來不同程度的樂觀情緒。其中一個是基于收集的數(shù)據(jù)：近井眼應(yīng)變分析。另一種是基于一種愿景，即可以測量裂縫對變化的反應(yīng)：近井裂縫動力學(xué)。

02

應(yīng)變演化

近井筒應(yīng)變是長久以來嘗試回答以下問題的最新工具。

當(dāng)井下壓力上升或下降時，水力裂縫是什么樣子的，它們會如何變化？

描述有多種形式，具體取決于地質(zhì)學(xué)，回答問題人的培訓(xùn)成果以及他們的觀點(diǎn)。

Wu教授說，“關(guān)于水力裂縫有很多爭論”。答案取決于“你想查看的尺度。

對于使用光纖監(jiān)測水力壓裂的研究人員來說，尺度很大。光纖已被用于監(jiān)測幾百英尺以外的鄰井應(yīng)變，以及監(jiān)測1000英尺甚至更高的水力裂縫高度擴(kuò)展。

基于應(yīng)變測量的測試只能追溯到約5年前，而且正在迅速發(fā)展。在即將于2月舉行的水力壓裂技術(shù)會議上，有六篇論文討論了裂縫的大尺度應(yīng)變監(jiān)測。

Jin教授說，“由于目前的DSS（分布式應(yīng)變傳感）解決方案的限制，在生產(chǎn)期間很少有人關(guān)注井內(nèi)應(yīng)變的變化”（SPE 205394）。

在射孔簇周圍觀察到應(yīng)變變化。應(yīng)變在強(qiáng)度（高度）和受影響的近井筒區(qū)域的長度（寬度）方面存在差異（來源SPE5408）

正常生產(chǎn)過程中的變形與泵送每分鐘80桶液體產(chǎn)生的巖石裂縫應(yīng)變之間的差異就像耳語和尖叫之間的區(qū)別。

在這種情況下，測量是基于用來量化觀察到的光纖線束變化的算法。

當(dāng)后來用于應(yīng)變測試的井于2019年夏季完成時，有人說要進(jìn)行傳統(tǒng)的生產(chǎn)測井（PLT），但作業(yè)者Anadarko選擇在不進(jìn)行生產(chǎn)測井的情況下投入生產(chǎn)。

Jin教授的論文解釋說：“不幸的是，當(dāng)前一代生產(chǎn)測井設(shè)備已被證明是不可靠的，并且不足以在具有數(shù)百個潛在流入入口的非常規(guī)井中確定單個射孔簇中相對較低的流動速率。光纖已被用于以多種方式測量產(chǎn)量和裂縫，但目前還沒有人開發(fā)出一種方法來測量與低速流體流動相關(guān)的微小應(yīng)變變化的方法。

大約在那個時候，人們提出了一種新的分布式光纖傳感方法——基于瑞利頻移的分布式應(yīng)變傳感（DSS-RFS）。

利用沿水平段整個長度部署的光纜，Neubrex的算法被用于檢測短至8英寸的井筒長度內(nèi)極其微弱的應(yīng)變信號。其他的應(yīng)變數(shù)據(jù)測量方法提供較低的分辨率或無法覆蓋如此長的井筒。

光纖用于通過觀察背向散射（玻璃纖維線中隨機(jī)缺陷反射的激光）的變化來測量井內(nèi)的聲音振動、溫度和周圍的應(yīng)變。這些獨(dú)特的特征加上返回時間的超精確時間測量可以用于確定測量光纖的精確位置。

這些測量由稱為解調(diào)儀（光端機(jī)）的儀器完成。應(yīng)變測量是基于裂縫中的壓力變化如何改變夾在套管外部的金屬保護(hù)管形狀。

該措施需要一系列事件：井筒壓力上升；裂縫膨脹導(dǎo)致圍巖變形，這影響固井，從而改變持有保護(hù)性的凝膠劑和光纖的套管。光纖能夠感知到這種微小的變化。

當(dāng)一個子項(xiàng)目組同意支持Neubrex制造的一個新的解調(diào)儀的測試時，應(yīng)變測試被添加到HFTS-2的議程中，該裝置被編程從而進(jìn)行DSS-RFS測量。他們想看看它是否可以在壓裂簇的尺度上測量應(yīng)變變化。

2020 年 2 月，它首次用于測量 4 天關(guān)井期間的應(yīng)變變化，關(guān)井使Delaware盆地的井下壓力增加了約 1000psi。

在關(guān)井之前，測量了正常生產(chǎn)期間應(yīng)變波動作為基線值。根據(jù)早期的測量，Jurick 回憶說他和同事Artur Guzik一致認(rèn)為瑞利背向散射具有太多的噪聲。但是，與Ugueto和Jin一起分析了數(shù)據(jù)之后，他們得出的結(jié)論是：“這些噪聲正是我們尋找的生產(chǎn)過程中的有效信號-應(yīng)變信號”。

生產(chǎn)過程中測量的數(shù)據(jù)比關(guān)井時的測量具有更強(qiáng)的噪聲—在此期間壓力變化要大25倍—但信號似乎足以測量生產(chǎn)過程中的變化。Jurick說，“我們提出了一個建議，根據(jù)我們所看到的情況做更多的工作”。

當(dāng)他們在2020年11月進(jìn)行另一輪數(shù)據(jù)收集以了解裂縫如何變化時，其中包括了生產(chǎn)期間的應(yīng)變數(shù)據(jù)收集。

我們預(yù)計(jì)會看到一個信號。我們沒期望看到的是如此高質(zhì)量的信號。它是如此強(qiáng)，這讓我們感到非常驚訝，Ugueto說。

裂縫對應(yīng)力波動的反應(yīng)隨時間不同。藍(lán)線顯示，在二疊紀(jì)的一口試井中，2020年2月裂縫尺寸的變化大于當(dāng)年11月的變化（資料來源：URTec5408）

03

進(jìn)一步研究

在那個激動人心的發(fā)現(xiàn)時刻之后，不可避免地回到了現(xiàn)實(shí)—收集證據(jù)，證明他們確實(shí)觀察到了適應(yīng)壓力變化的裂縫，無論是在生產(chǎn)期間還是在關(guān)井之后。

他們對比了應(yīng)變變化位置和射孔簇位置，以及光纖檢測到的壓裂液和支撐劑泵入地層的位置。他們發(fā)現(xiàn)壓裂進(jìn)液和進(jìn)砂點(diǎn)的位置與生產(chǎn)過程中應(yīng)變變化顯著的位置存在很強(qiáng)的相關(guān)性（超過95%）（URTeC 5408）。

對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步研究顯示，射孔簇中的測量值存在差異，并且隨時間的變化。在各種應(yīng)變圖中檢測到可識別的模式。Ugueto說，他說信號以可預(yù)測的方式變化。那是下一個“啊哈時刻”，每個射孔簇都是不同的。它必須與幾何形狀和生產(chǎn)力有關(guān)嗎？

根據(jù)他們的初步印象，似乎較大的應(yīng)變變化表明射孔與裂縫寬度的較大變化有關(guān)，而射孔處沒有變化則表明導(dǎo)流能力很小。

顯示關(guān)井期間和之后應(yīng)變測量的位置和大小的圖表有不同的形式：有些高，有些矮，有些瘦，有些胖。

在測試不同壓裂設(shè)計(jì)的不同壓裂段中，應(yīng)變測量存在明顯差異，每個壓裂段有6個射孔簇，而其他段則有9個或10個射孔簇。

Jin解釋說，平均而言，6個和10個射孔簇接收到同等量級的流體，因?yàn)楸盟偷牧黧w是根據(jù)射孔簇的數(shù)量進(jìn)行調(diào)整的。但液體攝入量因射孔簇而異。

他說，一般來說，在具有6個射孔簇的壓裂段中，觀察到的壓裂裂縫區(qū)域（即在關(guān)井期間發(fā)生正應(yīng)變變化的井孔段）更寬。但應(yīng)變變化，是由峰值高度測量的，應(yīng)變峰值面積相當(dāng)于裂縫孔徑變化，在具有9到10個射孔簇的壓裂段中更大?！蔽覀兡壳斑€沒有結(jié)論來確定哪些應(yīng)變反應(yīng)與更有效的射孔簇有關(guān)，Jin說。

Ugueto指出，有很多變量需要考慮，例如更多射孔簇的成本與由于太少射孔簇而造成的生產(chǎn)損失。

這導(dǎo)致了石油公司通常不會披露的事情。雖然美國能源部在支持壓裂礦場試驗(yàn)時要求數(shù)據(jù)披露，但實(shí)際上，公開的內(nèi)容往往以大量數(shù)據(jù)和分析的形式出現(xiàn)的，并沒有提供更好的壓裂配方。

各公司對這些結(jié)果的使用方式有所不同，目前還沒有人知道如何使用應(yīng)變數(shù)據(jù)來預(yù)測未來的裂縫生產(chǎn)率。建模人員才剛剛開始研究回答這個問題所需的工具：從長遠(yuǎn)來看，哪些射孔簇或壓裂方法可能更有效率？

04

數(shù)據(jù)即將公開

應(yīng)變數(shù)據(jù)的首要用途是對壓裂方法的評估?！爱?dāng)你壓裂一口井時，你可以列出20個不同的參數(shù)來決定，Jin說。

多年來，提高產(chǎn)量的途徑很簡單：泵送更多的液體和沙子，提高產(chǎn)量。

幾年前，當(dāng)這種組合帶來的增量產(chǎn)量的增長減少時，這種情況就結(jié)束了，作業(yè)者變得更加注重成本，并開始考慮減少在壓裂強(qiáng)度上的支出是否會給油井帶來更好的投資回報。

“現(xiàn)在，當(dāng)你嘗試某件事時，你必須等待兩年，然后地質(zhì)學(xué)家可能會說，‘等等，那口井可能有更好的地質(zhì)條件，所以它應(yīng)該有更好的產(chǎn)量。’完井方式并不重要。”Jin說，并補(bǔ)充說不確定性減緩了完井的速度。

應(yīng)變測量可能具有在壓裂尺度上進(jìn)行直接測試的潛力，并且可以更快地提供結(jié)果。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要結(jié)合數(shù)據(jù)和其他性能標(biāo)記的模型來量化相對性能。

“相對”是一個重要的詞，因?yàn)閼?yīng)變數(shù)據(jù)不是一個絕對值。他們無法確定裂縫可能貢獻(xiàn)產(chǎn)出多少石油，但可以將一個地方的裂縫與油井中的其他裂縫進(jìn)行比較。

第一個利用近井應(yīng)變數(shù)據(jù)的模型是由德州農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M）的Wu教授和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的（URTeC 5436）。他說，這一努力源于與Jin教授加入他們團(tuán)隊(duì)的一次討論。他問Jin，“應(yīng)變是否與你使用之前開發(fā)的模型所做的事情有關(guān)?！?/p>

利用Wu的應(yīng)變模型加上Ugueto論文中有關(guān)應(yīng)變測量的信息和他們開發(fā)的合成數(shù)據(jù)，Wu生成了與實(shí)際數(shù)據(jù)圖具有良好匹配度的模擬結(jié)果。當(dāng)Ugueto看到她的結(jié)果時，這是另一個“啊哈時刻”，因?yàn)樗@示了一個數(shù)值模型可以提供洞察應(yīng)變測量背后裂縫的物理特征。

對Wu來說，這是一個很有希望的開始，但她渴望有機(jī)會處理實(shí)際的數(shù)據(jù)。她和其他在HFTS-2工作的人將不得不等待數(shù)據(jù)的公布。Ugueto說，這很可能會在今年春天公布。根據(jù)聯(lián)邦規(guī)定，它必須在采集后2年內(nèi)發(fā)布，但管理發(fā)布的后勤工作導(dǎo)致了過去的延遲。

她和她的團(tuán)隊(duì)將把模型結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史匹配?！霸谖覀兤ヅ淞藬?shù)據(jù)后，這將會給我們一個方向，”她說。

該測試也可能標(biāo)志著生產(chǎn)過程中光纖測量增長期的開始。在這一點(diǎn)上，這些應(yīng)變測量需要永久性的光纖安裝，這是昂貴的，盡管Ugegoto希望更低成本的選擇，如可插入的光纖最終可以被使用。

就目前而言，永久安裝光纖似乎是一個可能的新爭議點(diǎn)。如果這被證明是一種有價值的生產(chǎn)測量方法，“它將會開辟了一個全新的應(yīng)用和價值創(chuàng)造的世界，”Jurick說。

審核編輯：劉清