使用超靈敏的光纖應(yīng)變測(cè)量（DSS）似乎可以感知生產(chǎn)過(guò)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(lái)源是一系列光纖數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)測(cè)量了儲(chǔ)層裂縫是如何被生產(chǎn)過(guò)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(chǔ)層巖石物理學(xué)家描述二疊紀(jì)油井測(cè)試時(shí)，他聽(tīng)起來(lái)像是第一次使用聽(tīng)診器的人。

Ugueto在2021年非常規(guī)資源技術(shù)會(huì)議（URTeC）上關(guān)于2020年底在HFTS-2壓裂試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行的測(cè)試（URTeC 5408）的演講中說(shuō)：“應(yīng)變?cè)谌魏螘r(shí)候都會(huì)像呼吸一樣伸展和壓縮?！?他說(shuō)，這是一個(gè)“啊哈時(shí)刻”，在一個(gè)日壓降小于40 psi的井中，裂縫尺寸的無(wú)窮小差異 ，我們得到了一個(gè)很好的信號(hào)。他很興奮地想到這個(gè)測(cè)試有一天會(huì)揭示裂縫在生產(chǎn)過(guò)程中是如何變化的。

雖然他對(duì)這種潛力感到興奮，但他也一再警告說(shuō)，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(tīng)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(kāi)始階段，它可能會(huì)失敗。Ugueto說(shuō)。

01

應(yīng) 變

來(lái)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(jiàn)進(jìn)一步閱讀），促使其他人嘗試這種測(cè)量裂縫的新方法。

美國(guó)Neubrex能源服務(wù)公司的Dana Jurick說(shuō)“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(shí)的運(yùn)用”。Neubrex公司提供了用于測(cè)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(lèi)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(wèn)，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(cè)量。

Ugueto說(shuō)，其他嘗試光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的作業(yè)者，包括作為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)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(gè)新興的領(lǐng)域。兩種常用的標(biāo)簽反映了人們對(duì)其未來(lái)不同程度的樂(lè)觀情緒。其中一個(gè)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(cè)量裂縫對(duì)變化的反應(yīng)：近井裂縫動(dòng)力學(xué)。

02

應(yīng)變演化

近井筒應(yīng)變是長(zhǎng)久以來(lái)嘗試回答以下問(wèn)題的最新工具。

當(dāng)井下壓力上升或下降時(shí)，水力裂縫是什么樣子的，它們會(huì)如何變化？

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

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

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

基于應(yīng)變測(cè)量的測(cè)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(huì)議上，有六篇論文討論了裂縫的大尺度應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

Jin教授說(shuō)，“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?chē)^察到應(yīng)變變化。應(yīng)變?cè)趶?qiáng)度（高度）和受影響的近井筒區(qū)域的長(zhǎng)度（寬度）方面存在差異（來(lái)源SPE5408）

正常生產(chǎn)過(guò)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(yǔ)和尖叫之間的區(qū)別。

在這種情況下，測(cè)量是基于用來(lái)量化觀察到的光纖線束變化的算法。

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

Jin教授的論文解釋說(shuō)：“不幸的是，當(dāng)前一代生產(chǎn)測(cè)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(gè)潛在流入入口的非常規(guī)井中確定單個(gè)射孔簇中相對(duì)較低的流動(dòng)速率。光纖已被用于以多種方式測(cè)量產(chǎn)量和裂縫，但目前還沒(méi)有人開(kāi)發(fā)出一種方法來(lái)測(cè)量與低速流體流動(dòng)相關(guān)的微小應(yīng)變變化的方法。

大約在那個(gè)時(shí)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(gè)長(zhǎng)度部署的光纜，Neubrex的算法被用于檢測(cè)短至8英寸的井筒長(zhǎng)度內(nèi)極其微弱的應(yīng)變信號(hào)。其他的應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)量方法提供較低的分辨率或無(wú)法覆蓋如此長(zhǎng)的井筒。

光纖用于通過(guò)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(lái)測(cè)量井內(nèi)的聲音振動(dòng)、溫度和周?chē)膽?yīng)變。這些獨(dú)特的特征加上返回時(shí)間的超精確時(shí)間測(cè)量可以用于確定測(cè)量光纖的精確位置。

這些測(cè)量由稱(chēng)為解調(diào)儀（光端機(jī)）的儀器完成。應(yīng)變測(cè)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(gè)子項(xiàng)目組同意支持Neubrex制造的一個(gè)新的解調(diào)儀的測(cè)試時(shí)，應(yīng)變測(cè)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(cè)量。他們想看看它是否可以在壓裂簇的尺度上測(cè)量應(yīng)變變化。

2020 年 2 月，它首次用于測(cè)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(cè)量了正常生產(chǎn)期間應(yīng)變波動(dòng)作為基線值。根據(jù)早期的測(cè)量，Jurick 回憶說(shuō)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(guò)程中的有效信號(hào)-應(yīng)變信號(hào)”。

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

當(dāng)他們?cè)?020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(shí)，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(huì)看到一個(gè)信號(hào)。我們沒(méi)期望看到的是如此高質(zhì)量的信號(hào)。它是如此強(qiáng)，這讓我們感到非常驚訝，Ugueto說(shuō)。

裂縫對(duì)應(yīng)力波動(dòng)的反應(yīng)隨時(shí)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(lái)源：URTec5408）

03

進(jìn)一步研究

在那個(gè)激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)時(shí)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(wú)論是在生產(chǎn)期間還是在關(guān)井之后。

他們對(duì)比了應(yīng)變變化位置和射孔簇位置，以及光纖檢測(cè)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(guò)程中應(yīng)變變化顯著的位置存在很強(qiáng)的相關(guān)性（超過(guò)95%）（URTeC 5408）。

對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步研究顯示，射孔簇中的測(cè)量值存在差異，并且隨時(shí)間的變化。在各種應(yīng)變圖中檢測(cè)到可識(shí)別的模式。Ugueto說(shuō)，他說(shuō)信號(hào)以可預(yù)測(cè)的方式變化。那是下一個(gè)“啊哈時(shí)刻”，每個(gè)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(méi)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(cè)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(cè)試不同壓裂設(shè)計(jì)的不同壓裂段中，應(yīng)變測(cè)量存在明顯差異，每個(gè)壓裂段有6個(gè)射孔簇，而其他段則有9個(gè)或10個(gè)射孔簇。

Jin解釋說(shuō)，平均而言，6個(gè)和10個(gè)射孔簇接收到同等量級(jí)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(shuō)，一般來(lái)說(shuō)，在具有6個(gè)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(cè)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(gè)射孔簇的壓裂段中更大?！蔽覀兡壳斑€沒(méi)有結(jié)論來(lái)確定哪些應(yīng)變反應(yīng)與更有效的射孔簇有關(guān)，Jin說(shuō)。

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(huì)披露的事情。雖然美國(guó)能源部在支持壓裂礦場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)要求數(shù)據(jù)披露，但實(shí)際上，公開(kāi)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(méi)有提供更好的壓裂配方。

各公司對(duì)這些結(jié)果的使用方式有所不同，目前還沒(méi)有人知道如何使用應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的裂縫生產(chǎn)率。建模人員才剛剛開(kāi)始研究回答這個(gè)問(wèn)題所需的工具：從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(kāi)

應(yīng)變數(shù)據(jù)的首要用途是對(duì)壓裂方法的評(píng)估?！爱?dāng)你壓裂一口井時(shí)，你可以列出20個(gè)不同的參數(shù)來(lái)決定，Jin說(shuō)。

多年來(lái)，提高產(chǎn)量的途徑很簡(jiǎn)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(lái)的增量產(chǎn)量的增長(zhǎng)減少時(shí)，這種情況就結(jié)束了，作業(yè)者變得更加注重成本，并開(kāi)始考慮減少在壓裂強(qiáng)度上的支出是否會(huì)給油井帶來(lái)更好的投資回報(bào)。

“現(xiàn)在，當(dāng)你嘗試某件事時(shí)，你必須等待兩年，然后地質(zhì)學(xué)家可能會(huì)說(shuō)，‘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?！昃绞讲⒉恢匾?。”Jin說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)不確定性減緩了完井的速度。

應(yīng)變測(cè)量可能具有在壓裂尺度上進(jìn)行直接測(cè)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(lái)量化相對(duì)性能。

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

第一個(gè)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(kāi)發(fā)的（URTeC 5436）。他說(shuō)，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(wèn)Jin，“應(yīng)變是否與你使用之前開(kāi)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(cè)量的信息和他們開(kāi)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(shí)，這是另一個(gè)“啊哈時(shí)刻”，因?yàn)樗@示了一個(gè)數(shù)值模型可以提供洞察應(yīng)變測(cè)量背后裂縫的物理特征。

對(duì)Wu來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很有希望的開(kāi)始，但她渴望有機(jī)會(huì)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(shuō)，這很可能會(huì)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(guò)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。“在我們匹配了數(shù)據(jù)后，這將會(huì)給我們一個(gè)方向，”她說(shuō)。

該測(cè)試也可能標(biāo)志著生產(chǎn)過(guò)程中光纖測(cè)量增長(zhǎng)期的開(kāi)始。在這一點(diǎn)上，這些應(yīng)變測(cè)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(gè)可能的新?tīng)?zhēng)議點(diǎn)。如果這被證明是一種有價(jià)值的生產(chǎn)測(cè)量方法，“它將會(huì)開(kāi)辟了一個(gè)全新的應(yīng)用和價(jià)值創(chuàng)造的世界，”Jurick說(shuō)。

審核編輯：劉清