科研動(dòng)態(tài)
用于鋼套管井水力壓裂帶診斷的三維跨井測(cè)量數(shù)值模擬研究
中文題目：用于鋼套管井水力壓裂帶診斷的三維跨井測(cè)量數(shù)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(huì)議：SPE Journal (中科院大類(lèi)3區(qū))
錄用時(shí)間：2024年11月18日
作者列表：
1） 吳世偉 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博23
2） 劉得軍 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子系教授
3） 李 洋 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博20
4） 孟 晉 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博19摘要:
激發(fā)的鋼套管井為監(jiān)測(cè)高導(dǎo)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(cè)量方法。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裂縫過(guò)程中，向鋼套管井施加高功率直流電，并測(cè)量相鄰裸眼井上的電位。數(shù)值結(jié)果表明，測(cè)量信號(hào)對(duì)裂縫的大小、厚度和導(dǎo)電性高度敏感。在分段裂縫監(jiān)測(cè)的研究中，水力壓裂前后觀(guān)察到的信號(hào)差異清晰地揭示了裂縫帶在壓裂過(guò)程中的延展方向。該研究表明，跨井測(cè)量方法是一種用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鋼套管井中水力裂縫的有效的技術(shù)，并具有良好的應(yīng)用前景。
背景與動(dòng)機(jī):
水力壓裂是能源開(kāi)采中的一種關(guān)鍵方法，特別用于提高致密油藏中的石油回收率，并改善地?zé)豳Y源的熱效率。由于頁(yè)巖地層的電導(dǎo)率低于電支撐劑裂縫帶，一些學(xué)者依賴(lài)電磁學(xué)發(fā)展了多種測(cè)井技術(shù)，旨在準(zhǔn)確描繪裸眼井中的水力裂縫特征。然而，當(dāng)在套管井中運(yùn)用這些技術(shù)時(shí)，情況就變得更為復(fù)雜。這是由于常見(jiàn)的磁性鋼套管材料具有顯著的導(dǎo)電性，會(huì)造成透射電磁場(chǎng)嚴(yán)重衰減?；谏鲜霰尘埃恍W(xué)者認(rèn)為電流測(cè)量是獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)（例如地層邊界和儲(chǔ)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(hào)的產(chǎn)生，這些信號(hào)極易被背景噪聲所掩蓋，從而大大增加了準(zhǔn)確識(shí)別裂縫帶信號(hào)的難度。因此，我們考慮采用近場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法來(lái)提高裂縫帶的可監(jiān)測(cè)性。
主要內(nèi)容:
本文首先驗(yàn)證了跨井測(cè)量方法表征水力裂縫帶的可行性。該模型考慮了具有單個(gè)裂縫帶的套管井的情況。然后，通過(guò)使用不同的例子研究了測(cè)量信號(hào)對(duì)各種裂縫帶、背景地層和井眼參數(shù)的敏感性。對(duì)于所有模型，均考慮嵌入電阻性頁(yè)巖儲(chǔ)層的水平井。最后，研究了分段壓裂，以評(píng)估這種方法在復(fù)雜情況下的適用性。
圖1 跨井測(cè)量法的驗(yàn)證模型
圖2 跨井測(cè)量法響應(yīng)結(jié)果
圖1顯示了驗(yàn)證模型的二維橫截面，圖2顯示了響應(yīng)結(jié)果。不難發(fā)現(xiàn)在壓裂前信號(hào)幅值隨著靠近套管井眼而增加，然而壓裂后，信號(hào)振幅整體增加，并且接收器水平移動(dòng)時(shí)可以觀(guān)察到壓裂帶的峰值信號(hào)。通過(guò)比較壓裂前后的電位差，我們可以識(shí)別出峰值和谷值，分別表示裂縫帶沿z軸和x軸的信號(hào)強(qiáng)度?？缇疁y(cè)量方法的信號(hào)幅度比井地測(cè)量方法大3個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著提高了裂縫帶的可監(jiān)測(cè)性。因此，跨井測(cè)量方法對(duì)于監(jiān)測(cè)水力裂縫是可行的，并且可以為電流測(cè)量提供令人信服的結(jié)果。圖3顯示了不同參數(shù)下對(duì)稱(chēng)裂縫帶的電位響應(yīng)，圖4顯示了復(fù)雜地質(zhì)和井眼條件下的電位響應(yīng)，圖5顯示了分段壓裂帶的電位響應(yīng)。
圖3 不同參數(shù)下對(duì)稱(chēng)裂縫帶的電位響應(yīng)
圖4 對(duì)稱(chēng)裂縫帶中的電位響應(yīng)隨背景電導(dǎo)率、套管井傾角和裸眼轉(zhuǎn)彎半徑而變化
圖5 分段壓裂帶的電位響應(yīng)
結(jié)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(cè)量方法。裂縫的存在改變了電流從源（套管）進(jìn)入頁(yè)巖地層的路徑，從而改變了沿套管的電位分布。測(cè)量信號(hào)對(duì)裂縫的位置、大小、厚度和電導(dǎo)率高度敏感，對(duì)稱(chēng)裂縫帶的各種參數(shù)只影響電位分布的振幅，不影響其形狀。此外，盡可能減小測(cè)量線(xiàn)與非對(duì)稱(chēng)裂縫帶之間的距離至關(guān)重要。一般來(lái)說(shuō)，跨井測(cè)量技術(shù)可以在高電阻地質(zhì)環(huán)境中有效地執(zhí)行。套管井眼傾斜角度和裸眼井轉(zhuǎn)彎半徑對(duì)測(cè)量信號(hào)沒(méi)有顯著影響。在分段壓裂的研究中，水力壓裂前后的信號(hào)差異清楚地反映了壓裂過(guò)程中裂縫帶的延展方向。如果監(jiān)測(cè)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(zhì)量的測(cè)量信號(hào)。因此，跨井測(cè)量技術(shù)對(duì)于監(jiān)測(cè)壓裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化是有效的。上述發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)電流裂縫監(jiān)測(cè)配置提供了一定的指導(dǎo)。其主要優(yōu)點(diǎn)在于利用背景地質(zhì)和壓裂帶之間的電導(dǎo)率差異來(lái)表征水力裂縫。然而，由于現(xiàn)實(shí)世界水力裂縫的復(fù)雜性，本文的數(shù)值模擬結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)一些偏差。未來(lái)的工作可以側(cè)重于將該方法應(yīng)用于實(shí)際的水力裂縫監(jiān)測(cè)中，并將其擴(kuò)展到更復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造。
作者簡(jiǎn)介:
劉得軍，教授，中國(guó)石油大學(xué)（北京），人工智能學(xué)院電子信息工程系，博士生導(dǎo)師。研究方向：電磁測(cè)量方法與數(shù)值模擬技術(shù)、電纜高速數(shù)據(jù)傳輸理論與技術(shù)、機(jī)電測(cè)量系統(tǒng)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)等?？傆?jì)發(fā)表科學(xué)論文150余篇。
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