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摘 要：水力压裂实时监测技术，有利于使低渗透油田的采收率提高，通过利用压裂施工产生裂缝的长度、高度和方位角，优化井网、优化压裂设计或其他油田开发措施，对与油井的经济收益达到最大化是意义重大的。
关键词：水力压裂 实时监测 技术
在油田开发过程中，为了使油区的开采价值提高，经常需要对油区进行压裂作业，以使其开采条件改变，从而提高采收率。压裂是指在井筒中形成高压迫使底层形成裂缝的施工过程，包括水力压裂和酸化压裂，是国内、国外广泛应用的行之有效的增产、增注的措施。下面主要来介绍一下其中的水力压裂方面的实时监测技术。
一、直接远源裂缝监测技术
这种监测技术主要包括微地震裂缝描述技术与测斜仪裂缝描述，在压裂过程中利用地表或邻井进行裂缝参数测量，但测不出裂缝导流能力或有效裂缝长度。这类技术的测量精度会随着测量距离的增大而下降。
1.地面-地下测斜仪裂缝描述技术
生产水力压裂裂缝时其附近的岩石要变形。通过灵敏度高的测斜仪在所引起的几处倾斜的位置（变形派生出的）上测量到的水力裂缝，然后通过反演可以得到裂缝的几何形态和方位。压裂过程中造成的变形在地面上主要是裂缝倾角、方位角、距裂缝中心深度及裂缝总体积的函数。比如一致大小的一条南北向垂直裂缝不论是在极硬的碳酸盐岩中、酥松的砂岩中还是低杨氏模量的硅藻岩中，都会产生同样的表面变形区。变形区是一个被两条对称隆起带（如果裂缝是倾斜的，则隆起就是不对称的）所包围着的南北走向地槽，该隆起带的大小取决于所造缝的体积，两个隆起之间的分离程度取决于裂缝中心深度。以上的概念虽然简单，但可以确定少数主要压裂参数——比如裂缝倾角、方位角、不十分精确的距裂缝中心深度以及因为不对称发育而引起的裂缝偏移。倾斜区的方向和特征形状不随裂缝深度的增大而改变。但倾斜的大小会随裂缝增大而变小。
现在的测斜仪能解决由裂缝所引起的小到纳弧度级别的倾斜度，也能用于测量超过3000m深度的（大型）压裂施工。地面倾斜仪测绘技术已在数千次深度范围从6.0m到3600m的水力压裂过程中得到过应用。裂缝方向(倾角和方位角)范围从浅层（小于1200mm）的2°到较深压裂的5°~10°变化不确定。地面倾斜测绘结果则通过采矿、岩心、邻井的裂缝横断面甚至地面裂缝等而得到证实。不能精确判断裂缝尺寸是地面倾斜测绘的最大局限。
由以上讨论可看出，利用测斜仪裂缝描述技术可以进行以下两方面的工作：（一）测量压裂裂缝倾角、方位角及其形状，给注水方案提供依据。（二）修正压裂模型，给压裂方案提供参数，结合放射性测井方法评价压裂裂缝高度上的准确性。
2.微地震裂缝描述技术
微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。，在微地震监测中震源的位置、震源强度和发震时刻都是未知数，微地震监测的首要任务恰恰是明确这些因素。完成该任务主要是通过对天然地震学的方法和思路的借鉴。微地震事件在裂隙之类的断面上发生。一般情况下这些断裂面是稳定的，然而，当最初的应力受到来自生产活动的干扰时，岩石中最初存在的或者新产生的裂缝周围地区则会出现应力集中，应变能量增高等现象；当外力增强到一定强度时，有裂缝的缺陷地区则会发生围观变形或屈服，裂缝扩展从而使应力松弛，微地震则是这储藏能量的一部分以弹性波（声波）的形式释放出来产生小的地震。大部分微地震事件频率范围为200~1500Hz，持续时间小于1s。从地震记录上可以看出微地震事件通常表现为清晰的脉冲，微地震事件越弱，其频率就越高，其持续时间越短，能量则越小，破裂长度也就越短。
微地震监测分为井中监测和地面监测2种方式。井中监测是在监测目标区域旁边附近的一口井或几口井中布置接受排列，进行微地震监测。地面监测则是在监测目标区域（压裂井）周围的地面上，布置若干个接收点进行微地震监测。由于传播路径复杂、地层吸收等原因，与井中监测相比来看，地面监测得到的资料存在微地震事件少、反演可靠性差和信噪比低。微地震监测的几个关键步骤主要是数据采集、震源成像和精细反演等，监测仪能自动识别并长期连续工作，检波器布于地面或布在井中，现在记录的主要是三分量信号，微震信号的记录和处理与天然地震信号的记录和处理一样。一开始当震源产生脉冲能量时，通过地震检测算法来分析连续地震信号，再将地震记录归档。微震信号地震记录与包含P波和S波的局部小规模的天然地震等同。但这两种波的相对振幅主要取决于相关的辐射模式和变形机理。当传感器安置在井中时，主要取决于记录的自然环境，此时管波也包括噪音中。通常来说利用信号特征可以识别真实的威震层位。在井眼中，三分量数据用来确定各入射射线的传播方向，声波资料则可用于构建精细的速度模型，然后可以在不同射线旅行时间和相位的相应点处确定层位位置。其他地震属性也可从由地震记录的振幅和频率来计算，这些属性对于解释地震变形的应用中非常实用。其次由于微地震的发生与岩体内部的能量释放以及进一步的裂纹演化、破裂的关系密不可分，因此微地震的震源辐射方式也可以用来检测岩石变形期间外力变化同天然地震的关系，当然局部地震的层析成像也可用其分析。
二、直接压裂井裂缝测量技术
压裂施工后在压裂井中进行放射性测井或温度测井以确定裂缝形状。井筒附近1~2m半径内的裂缝为这种技术测量的裂缝范围。假如裂缝位置与井筒位置不合，那么只能测量裂缝高度的下界。该技术主要用于以下情况：进行多层压裂时确定压裂砂、压裂液的用量及每个压裂层的产量。
1.放射性同位素裂缝检测技术
当压裂时把放射性同位素混入支撑剂及压裂液中，压裂施工后试用伽马仪测量井筒附近0.3~0.6m范围内的放射性强度。可利用多种同位素进行测井来确定不同砂比条件下的携砂量及前置液用量。该技术只能对裂缝高度的下界进行测量。
2.生产测井
声波测井能测出流体在井筒中进入地层时产生声音这一点，生产测井有以下内容：地层流度，压力，温度，流体密度及伽马射线。由生产测井可确定套管射孔段地层流体的类型、流量。当在裸眼井中液时，可以利用以上方法测量井筒附近裂缝高度。在套管井中可确定已产生裂缝的射孔层段，这一点在进行多层压裂时非常重要（可以确定哪些层位已压裂成功）。 3.温度测井
井温测井又称热测井，它可以对地温梯度进行测量；可以寻找产液井中产液的段，在注入井中寻找注入的井段；对热力采油井，可通过邻井的井温测量对注蒸的效果检查；可以评价压裂酸化施工的效果等。
井温测井确定压裂裂缝高度的基本原理十分简单,利用压裂所注入的液体或压后人为注入的液体而造成的低温异常,然后根据井温测井确定压裂裂缝高度。注入液体前,地层与井内液体有着充分的热交换,因此所测得的注入液体前井温曲线通常与当地的地层的岩石热性质和地温梯度有关。当注入液体后,由于注入的液体温度一般低于地层温度,所以注入后的井温曲线在吸液层段将出现低温异常,该异常反映了压裂裂缝的存在与分布高度。注入压裂液时底层温度下降，压裂前测量压裂层温度基线在压裂后在24h内进行多次温度测井，通过比较温度曲线则可推断出地层中的热交替现象。
三、间接裂缝监测技术
此技术的应用范围很广，因为该技术所需要的分析数据较容易得到。根据压裂过程中的压力及油井生产时的产量即可获得裂缝尺寸、有效裂缝长度及裂缝导流能力。这类裂缝诊断技术包括净压力分析、裂缝模型分析及生产数据分析。假设压裂参数已知，则可进行地层产量或地层压力与裂缝模型之间的拟合分析，从而估计裂缝参数、有效裂缝长度及裂缝导流能力。利用此监测技术可以产生多种结果，因此对这些结果必须根据有关资料进行校正。
1.压裂压力诊断技术
利用测得的压力及压力降落资料可以获取裂缝的几何参数及压裂液的性质参数，对于实施加砂压裂是相当重要而有效的。压裂压力诊断技术是根据压裂施工期间和停泵后井底的压力变化，预测压裂过程中裂缝延伸和有关的地层及压裂液的关键参数，用于指导压裂方案的设计和压裂施工。
2.净压力分析诊断技术
在单一压裂裂缝模型的基础上，建立了多裂缝的计算模型，通过多裂缝的描述，定量描述裂缝几何尺寸、发育条数，则可反映压裂裂缝的天然裂缝发育程度以及复杂程度对压裂改造的影响程度。例如在测试压裂结束时，有2~4条压裂裂缝正在扩展；而在加砂压裂的结束时，有3~8条压裂裂缝正在扩展。施工过程较高的净压力就可以用多裂缝的模型的建立来解释，并通过净压力的拟合分析判断油藏的压裂液效率、应力敏感性等关键的参数，裂缝模型预测的半长从单个平面裂缝的100m变化到假设有十多个裂缝的30m，从而可以指导压裂方案的调整，从而提高开发效益。
参考文献
[1] 贾利春等.国外页岩气井水力压裂裂缝监测技术进展[J].天然气与石油，2012（1）.
[2] 王树军等.水力压裂裂缝监测技术[J].吐哈油气，2010（3）.
关键词：水力压裂 实时监测 技术
在油田开发过程中，为了使油区的开采价值提高，经常需要对油区进行压裂作业，以使其开采条件改变，从而提高采收率。压裂是指在井筒中形成高压迫使底层形成裂缝的施工过程，包括水力压裂和酸化压裂，是国内、国外广泛应用的行之有效的增产、增注的措施。下面主要来介绍一下其中的水力压裂方面的实时监测技术。
一、直接远源裂缝监测技术
这种监测技术主要包括微地震裂缝描述技术与测斜仪裂缝描述，在压裂过程中利用地表或邻井进行裂缝参数测量，但测不出裂缝导流能力或有效裂缝长度。这类技术的测量精度会随着测量距离的增大而下降。
1.地面-地下测斜仪裂缝描述技术
生产水力压裂裂缝时其附近的岩石要变形。通过灵敏度高的测斜仪在所引起的几处倾斜的位置（变形派生出的）上测量到的水力裂缝，然后通过反演可以得到裂缝的几何形态和方位。压裂过程中造成的变形在地面上主要是裂缝倾角、方位角、距裂缝中心深度及裂缝总体积的函数。比如一致大小的一条南北向垂直裂缝不论是在极硬的碳酸盐岩中、酥松的砂岩中还是低杨氏模量的硅藻岩中，都会产生同样的表面变形区。变形区是一个被两条对称隆起带（如果裂缝是倾斜的，则隆起就是不对称的）所包围着的南北走向地槽，该隆起带的大小取决于所造缝的体积，两个隆起之间的分离程度取决于裂缝中心深度。以上的概念虽然简单，但可以确定少数主要压裂参数——比如裂缝倾角、方位角、不十分精确的距裂缝中心深度以及因为不对称发育而引起的裂缝偏移。倾斜区的方向和特征形状不随裂缝深度的增大而改变。但倾斜的大小会随裂缝增大而变小。
现在的测斜仪能解决由裂缝所引起的小到纳弧度级别的倾斜度，也能用于测量超过3000m深度的（大型）压裂施工。地面倾斜仪测绘技术已在数千次深度范围从6.0m到3600m的水力压裂过程中得到过应用。裂缝方向(倾角和方位角)范围从浅层（小于1200mm）的2°到较深压裂的5°~10°变化不确定。地面倾斜测绘结果则通过采矿、岩心、邻井的裂缝横断面甚至地面裂缝等而得到证实。不能精确判断裂缝尺寸是地面倾斜测绘的最大局限。
由以上讨论可看出，利用测斜仪裂缝描述技术可以进行以下两方面的工作：（一）测量压裂裂缝倾角、方位角及其形状，给注水方案提供依据。（二）修正压裂模型，给压裂方案提供参数，结合放射性测井方法评价压裂裂缝高度上的准确性。
2.微地震裂缝描述技术
微地震监测技术就是通过观测、分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测生产活动的影响、效果及地下状态的地球物理技术。，在微地震监测中震源的位置、震源强度和发震时刻都是未知数，微地震监测的首要任务恰恰是明确这些因素。完成该任务主要是通过对天然地震学的方法和思路的借鉴。微地震事件在裂隙之类的断面上发生。一般情况下这些断裂面是稳定的，然而，当最初的应力受到来自生产活动的干扰时，岩石中最初存在的或者新产生的裂缝周围地区则会出现应力集中，应变能量增高等现象；当外力增强到一定强度时，有裂缝的缺陷地区则会发生围观变形或屈服，裂缝扩展从而使应力松弛，微地震则是这储藏能量的一部分以弹性波（声波）的形式释放出来产生小的地震。大部分微地震事件频率范围为200~1500Hz，持续时间小于1s。从地震记录上可以看出微地震事件通常表现为清晰的脉冲，微地震事件越弱，其频率就越高，其持续时间越短，能量则越小，破裂长度也就越短。
微地震监测分为井中监测和地面监测2种方式。井中监测是在监测目标区域旁边附近的一口井或几口井中布置接受排列，进行微地震监测。地面监测则是在监测目标区域（压裂井）周围的地面上，布置若干个接收点进行微地震监测。由于传播路径复杂、地层吸收等原因，与井中监测相比来看，地面监测得到的资料存在微地震事件少、反演可靠性差和信噪比低。微地震监测的几个关键步骤主要是数据采集、震源成像和精细反演等，监测仪能自动识别并长期连续工作，检波器布于地面或布在井中，现在记录的主要是三分量信号，微震信号的记录和处理与天然地震信号的记录和处理一样。一开始当震源产生脉冲能量时，通过地震检测算法来分析连续地震信号，再将地震记录归档。微震信号地震记录与包含P波和S波的局部小规模的天然地震等同。但这两种波的相对振幅主要取决于相关的辐射模式和变形机理。当传感器安置在井中时，主要取决于记录的自然环境，此时管波也包括噪音中。通常来说利用信号特征可以识别真实的威震层位。在井眼中，三分量数据用来确定各入射射线的传播方向，声波资料则可用于构建精细的速度模型，然后可以在不同射线旅行时间和相位的相应点处确定层位位置。其他地震属性也可从由地震记录的振幅和频率来计算，这些属性对于解释地震变形的应用中非常实用。其次由于微地震的发生与岩体内部的能量释放以及进一步的裂纹演化、破裂的关系密不可分，因此微地震的震源辐射方式也可以用来检测岩石变形期间外力变化同天然地震的关系，当然局部地震的层析成像也可用其分析。
二、直接压裂井裂缝测量技术
压裂施工后在压裂井中进行放射性测井或温度测井以确定裂缝形状。井筒附近1~2m半径内的裂缝为这种技术测量的裂缝范围。假如裂缝位置与井筒位置不合，那么只能测量裂缝高度的下界。该技术主要用于以下情况：进行多层压裂时确定压裂砂、压裂液的用量及每个压裂层的产量。
1.放射性同位素裂缝检测技术
当压裂时把放射性同位素混入支撑剂及压裂液中，压裂施工后试用伽马仪测量井筒附近0.3~0.6m范围内的放射性强度。可利用多种同位素进行测井来确定不同砂比条件下的携砂量及前置液用量。该技术只能对裂缝高度的下界进行测量。
2.生产测井
声波测井能测出流体在井筒中进入地层时产生声音这一点，生产测井有以下内容：地层流度，压力，温度，流体密度及伽马射线。由生产测井可确定套管射孔段地层流体的类型、流量。当在裸眼井中液时，可以利用以上方法测量井筒附近裂缝高度。在套管井中可确定已产生裂缝的射孔层段，这一点在进行多层压裂时非常重要（可以确定哪些层位已压裂成功）。 3.温度测井
井温测井又称热测井，它可以对地温梯度进行测量；可以寻找产液井中产液的段，在注入井中寻找注入的井段；对热力采油井，可通过邻井的井温测量对注蒸的效果检查；可以评价压裂酸化施工的效果等。
井温测井确定压裂裂缝高度的基本原理十分简单,利用压裂所注入的液体或压后人为注入的液体而造成的低温异常,然后根据井温测井确定压裂裂缝高度。注入液体前,地层与井内液体有着充分的热交换,因此所测得的注入液体前井温曲线通常与当地的地层的岩石热性质和地温梯度有关。当注入液体后,由于注入的液体温度一般低于地层温度,所以注入后的井温曲线在吸液层段将出现低温异常,该异常反映了压裂裂缝的存在与分布高度。注入压裂液时底层温度下降，压裂前测量压裂层温度基线在压裂后在24h内进行多次温度测井，通过比较温度曲线则可推断出地层中的热交替现象。
三、间接裂缝监测技术
此技术的应用范围很广，因为该技术所需要的分析数据较容易得到。根据压裂过程中的压力及油井生产时的产量即可获得裂缝尺寸、有效裂缝长度及裂缝导流能力。这类裂缝诊断技术包括净压力分析、裂缝模型分析及生产数据分析。假设压裂参数已知，则可进行地层产量或地层压力与裂缝模型之间的拟合分析，从而估计裂缝参数、有效裂缝长度及裂缝导流能力。利用此监测技术可以产生多种结果，因此对这些结果必须根据有关资料进行校正。
1.压裂压力诊断技术
利用测得的压力及压力降落资料可以获取裂缝的几何参数及压裂液的性质参数，对于实施加砂压裂是相当重要而有效的。压裂压力诊断技术是根据压裂施工期间和停泵后井底的压力变化，预测压裂过程中裂缝延伸和有关的地层及压裂液的关键参数，用于指导压裂方案的设计和压裂施工。
2.净压力分析诊断技术
在单一压裂裂缝模型的基础上，建立了多裂缝的计算模型，通过多裂缝的描述，定量描述裂缝几何尺寸、发育条数，则可反映压裂裂缝的天然裂缝发育程度以及复杂程度对压裂改造的影响程度。例如在测试压裂结束时，有2~4条压裂裂缝正在扩展；而在加砂压裂的结束时，有3~8条压裂裂缝正在扩展。施工过程较高的净压力就可以用多裂缝的模型的建立来解释，并通过净压力的拟合分析判断油藏的压裂液效率、应力敏感性等关键的参数，裂缝模型预测的半长从单个平面裂缝的100m变化到假设有十多个裂缝的30m，从而可以指导压裂方案的调整，从而提高开发效益。
参考文献
[1] 贾利春等.国外页岩气井水力压裂裂缝监测技术进展[J].天然气与石油，2012（1）.
[2] 王树军等.水力压裂裂缝监测技术[J].吐哈油气，2010（3）.