中文题目：用于钢套管井水力压裂带诊断的三维跨井测量数值模拟研究

论文题目：Numerical simulation study of 3D crosswell measurement for hydraulic fracture zone diagnostics in steel-cased boreholes

录用期刊/会议：SPE Journal (中科院大类3区)

录用时间：2024年11月18日

作者列表：

1） 吴世伟  中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博23

2） 刘得军  中国石油大学（北京）人工智能学院 电子系教授

3） 李   洋  中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博20

4） 孟   晋  中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博19

摘要:

激发的钢套管井为监测高导电性水力裂缝带提供了显著的潜力。本文提出了一种用于诊断钢套管井中水力裂缝带的跨井测量方法。在动态监测裂缝过程中，向钢套管井施加高功率直流电，并测量相邻裸眼井上的电位。数值结果表明，测量信号对裂缝的大小、厚度和导电性高度敏感。在分段裂缝监测的研究中，水力压裂前后观察到的信号差异清晰地揭示了裂缝带在压裂过程中的延展方向。该研究表明，跨井测量方法是一种用于动态监测钢套管井中水力裂缝的有效的技术，并具有良好的应用前景。

背景与动机:

水力压裂是能源开采中的一种关键方法，特别用于提高致密油藏中的石油回收率，并改善地热资源的热效率。由于页岩地层的电导率低于电支撑剂裂缝带，一些学者依赖电磁学发展了多种测井技术，旨在准确描绘裸眼井中的水力裂缝特征。然而，当在套管井中运用这些技术时，情况就变得更为复杂。这是由于常见的磁性钢套管材料具有显著的导电性，会造成透射电磁场严重衰减。基于上述背景，一些学者认为电流测量是获取关键数据（例如地层边界和储层中的油气饱和度）的有效手段。然而，这些方法往往伴随着微弱信号的产生，这些信号极易被背景噪声所掩盖，从而大大增加了准确识别裂缝带信号的难度。因此，我们考虑采用近场监测方法来提高裂缝带的可监测性。

主要内容:

本文首先验证了跨井测量方法表征水力裂缝带的可行性。该模型考虑了具有单个裂缝带的套管井的情况。然后，通过使用不同的例子研究了测量信号对各种裂缝带、背景地层和井眼参数的敏感性。对于所有模型，均考虑嵌入电阻性页岩储层的水平井。最后，研究了分段压裂，以评估这种方法在复杂情况下的适用性。

 

图1 跨井测量法的验证模型

 

图2 跨井测量法响应结果

图1显示了验证模型的二维横截面，图2显示了响应结果。不难发现在压裂前信号幅值随着靠近套管井眼而增加，然而压裂后，信号振幅整体增加，并且接收器水平移动时可以观察到压裂带的峰值信号。通过比较压裂前后的电位差，我们可以识别出峰值和谷值，分别表示裂缝带沿z轴和x轴的信号强度。跨井测量方法的信号幅度比井地测量方法大3个数量级，显著提高了裂缝带的可监测性。因此，跨井测量方法对于监测水力裂缝是可行的，并且可以为电流测量提供令人信服的结果。图3显示了不同参数下对称裂缝带的电位响应，图4显示了复杂地质和井眼条件下的电位响应，图5显示了分段压裂带的电位响应。

 

图3 不同参数下对称裂缝带的电位响应

图4 对称裂缝带中的电位响应随背景电导率、套管井倾角和裸眼转弯半径而变化

图5 分段压裂带的电位响应

结论:

本文提出了一种用于诊断钢套管井中水力裂缝带的跨井测量方法。裂缝的存在改变了电流从源（套管）进入页岩地层的路径，从而改变了沿套管的电位分布。测量信号对裂缝的位置、大小、厚度和电导率高度敏感，对称裂缝带的各种参数只影响电位分布的振幅，不影响其形状。此外，尽可能减小测量线与非对称裂缝带之间的距离至关重要。一般来说，跨井测量技术可以在高电阻地质环境中有效地执行。套管井眼倾斜角度和裸眼井转弯半径对测量信号没有显著影响。在分段压裂的研究中，水力压裂前后的信号差异清楚地反映了压裂过程中裂缝带的延展方向。如果监测井和裂缝带之间的距离保持在特定阈值以下，则可以获得高质量的测量信号。因此，跨井测量技术对于监测压裂过程中的动态变化是有效的。上述发现为设计电流裂缝监测配置提供了一定的指导。其主要优点在于利用背景地质和压裂带之间的电导率差异来表征水力裂缝。然而，由于现实世界水力裂缝的复杂性，本文的数值模拟结果在实际应用中可能会出现一些偏差。未来的工作可以侧重于将该方法应用于实际的水力裂缝监测中，并将其扩展到更复杂的地质构造。

作者简介:

刘得军，教授，中国石油大学（北京），人工智能学院电子信息工程系，博士生导师。研究方向：电磁测量方法与数值模拟技术、电缆高速数据传输理论与技术、机电测量系统虚拟样机设计等。总计发表科学论文150余篇。

联系方式：Email: liudj65@163.com