青海共和盆地干熱巖壓裂裂縫測斜儀監測研究

周 健，曾義金，陳 作，張保平，徐勝強

（中國石化石油工程技術研究院，北京102206）

干熱巖（hot dry rock，HDR）是指埋藏于地下3～10km、溫度 150～650℃、不含或微含不流動流體的高溫巖體[1]。保守估計，地殼3～10km深處干熱巖所蘊含的能量相當于全球所有石油、天然氣和煤炭所蘊藏能量的30倍[2]。在干熱巖概念基礎上發展而來的增強型地熱系統（enhanced geothermal systems，EGS），是指通過水力壓裂等工程手段，在地下深部低滲透性干熱巖體中形成人工熱儲，進而長期、經濟地采出相當數量地熱能的人造水熱系統[3]。

共和盆地目前是我國干熱巖勘查與開發的試驗田，位于昆侖—秦嶺緯向構造帶與河西系構造復合部位，是在新近紀初形成的斷陷盆地，其北側是青海南山斷褶隆起帶，南側是河卡山—貴南南山斷褶隆起帶，西為鄂拉山斷褶隆起帶，東為瓦里貢山斷褶隆起帶。根據區域地質構造分析、地熱地質調查和地球物理（航磁、地震）解譯等的結果，在共和盆地恰卜恰巖體內鉆了 5 口井深為 2927.00～4200.00m的干熱巖勘查井。GR1井位于青海省共和縣恰卜恰鎮恰卜恰河谷內，是目前國內完鉆溫度最高的一口干熱巖井，井底溫度 236℃[4-8]。

為了構建青海共和盆地干熱巖井的流動和傳熱通道，掌握該地區干熱巖井水力壓裂后的裂縫走向和裂縫參數，利用地面測斜儀監測了X1井3個壓裂階段的裂縫，采集了傾斜角度的變化信號，并利用數據解釋軟件反演求取了裂縫參數，獲得了每一壓裂階段的裂縫方位、裂縫長度與裂縫復雜性，可以為優化壓裂設計、評價壓裂效果以及干熱巖注入-采出井的井位部署提供依據。

1 地面測斜儀測試原理

通過水力壓裂將地層壓開，使之形成1條一定寬度的裂縫。壓裂裂縫引起的巖石變形場向各個方向輻射，引起地面及地下地層變形。地面變形為微米級，幾乎不可測量，但變形場的變形梯度（傾斜場）是比較容易測量的。因此，可以在井下或壓裂井井口周圍布設一組測斜儀來測量由于壓裂引起巖石變形而導致的地面傾斜角度，再用地球物理反演[9]方法反演出壓裂裂縫參數。圖1所示為測斜儀監測垂直裂縫的原理，顯示了從地面測斜儀和鄰井井下測斜儀觀察到的水力裂縫造成的地層變形。

圖1 測斜儀監測垂直裂縫的原理示意Fig.1 Tilt mapping principle of vertical fractures

在監測壓裂裂縫之前，基于相關的施工參數，可以提前計算出壓裂裂縫產生過程中所造成的地面最大傾斜角，計算公式為：

式中：Tmax為最大傾斜角，μrad；V為裂縫內流體的體積，m3；D為射孔垂直深度，m。

X1 井目的層埋深約 3650.00m，利用式（1）計算其每個壓裂階段（300m3液體）形成垂直裂縫能夠造成的地面最大傾斜角約為1000nrad，而測斜儀傳感器的測量精度為1nrad，完全滿足監測的需求。

利用地面測斜儀監測壓裂裂縫的方法在國內外得到了廣泛應用[10-14]，但都是用于監測含油氣資源沉積巖儲層的壓裂裂縫，筆者首次將其應用于監測干熱巖壓裂裂縫。

2 X1 井目的層花崗巖儲層特征

X1 井壓裂層段對應井深 3493.60～3705.00m，巖性主要為黑云母二長花崗巖，巖層致密且天然裂隙較發育。為進一步了解儲層特性，分別進行了巖石力學和地應力試驗，獲取了巖石力學和地應力參數。

對共和盆地X1井所取儲層巖心進行了巖石力學試驗，獲得了不同圍壓下的楊氏模量和泊松比：單軸下的楊氏模量為31.00～33.00GPa，泊松比為0.216～0.225；圍壓下的楊氏模量為 47.29～54.14GPa，泊松比為0.319～0.343。40MPa圍壓下的泊松比大于 0.300，楊氏模量高于 40GPa。

X1井地層的各向異性較強，統計各向異性方向平均為53.5°，可知地層的各向異性方向主要為北東東—南西西，即最大主應力方向，與地面考察結果基本一致。通過地應力測試，獲得X1井井深3226.00m 處的最小水平主應力為 68.94MPa，最大水平主應力為77.67MPa，折算到壓裂段中部深度最小水平主應力為77.0MPa，最大水平主應力為86.7MPa，最大與最小水平主應力差為9.7MPa。

受構造變形影響，X1井部分井段巖心裂隙發育，出現了完整巖體與裂隙巖體互層現象。X1井部分井段還有斷層發育跡象，如取自井深2250.00m處的巖心呈角礫狀，無充填物，厚34.10m，推測為一斷層。X1井井深3000.00m以深地應力較高，部分巖心嚴重餅化（見圖2）。

3 X1 井壓裂裂縫監測方案設計

圖2 X1 井巖心柱狀圖[4]Fig.2 Core histogram of Well X1[4]

根據目的層深度和施工規模確定直井地面測斜儀的分布位置和數量。根據X1井目的層的實際井深（3493.60～3705.00m）和壓裂施工參數，確定該井壓裂需布置42支測斜儀。結合設計方案和現場地表實際條件，在X1井井口3km范圍內布置了42支測斜儀（見圖3）。圖3中間是X1井的井口，黑旗代表分布在每一個測點的測斜儀，黑點是現場布置測斜儀實際走過的軌跡。每一個測點都是通過GPS定位確定的。

4 X1 井裂縫監測結果及分析

在干熱巖增強型地熱（EGS）開發過程中，國際上一般采用對井進行取熱和發電，換熱井主要依據地熱井熱儲裂縫的方位、縫長等部署。相比于微地震監測等其他監測方法，地面測斜儀能夠明確給出裂縫的方位，據此可進行換熱井井眼軌道設計。

圖3 X1 井地面測斜儀的實際分布Fig.3 Distribution of surface tiltmeters of Well X1

青海共和X1井的壓裂經歷了吸水性測試、小型壓裂測試、變排量注入壓裂和膠液擴縫3個階段，前2個階段的壓裂液為清水，第3個階段的壓裂液是膠液和清水。圖4、圖5和圖6分別為3個壓裂階段測斜儀監測到的結果（左圖均為矢量場圖，右圖均為裂縫放大圖；圖中綠色部分是壓裂形成的垂直裂縫，紅色部分是壓裂形成的水平裂縫，對應了壓裂過程中產生的復雜裂縫）。從圖4—圖6可看出，X1井3個壓裂階段形成垂直裂縫的方位都是北偏東方向，與最大水平主應力的方位一致，但每次方位略有不同，具體跟地質條件和壓裂工藝參數有關。

圖4 X1 井壓裂第 1 階段裂縫監測結果Fig.4 Fracture mapping results of Well X1in the first fracturing stage

圖5 X1 井壓裂第 2 階段裂縫監測結果Fig.5 Fracture mapping results of Well X1in the second fracturing stage

圖6 X1 井壓裂第 3 階段裂縫監測結果Fig.6 Fracture mapping results of Well X1in the third fracturing stage

表1為X1井3個階段形成垂直裂縫的主要參數及監測結果。由于X1井的目的層天然裂隙比較發育，且前2個階段的壓裂液是清水，不但黏度低（1mPa·s）而且排量低（0.5～1.5m3/min），導致進入垂直裂縫壓裂液的占比相對較低，分別為48%和53%（見表1），其余的清水都進入了被激活的水平天然裂隙，形成了一定程度的復雜裂縫。第3階段采用了較高黏度的壓裂液（膠液+清水），而且排量較高（2.0m3/min），進入垂直裂縫壓裂液的占比最高（58%），說明采用高黏膠液（20mPa·s）進行初期造縫，造縫效果最好，所以此時的垂直裂縫縫方位最可靠，為北偏東22.32°，同時此時縫高也最高，達到64.00m。

表1 X1 井 3 個壓裂階段垂直裂縫的監測結果Table1 Mapping results of vertical fractures during three fracturing stages of Well X1

青海共和X1井也利用地面微地震監測了裂縫，前2個階段沒有明確監測到裂縫的方位，第3階段監測到裂縫方位為北偏東28.50°；根據地面測斜儀監測數據解釋第3階段裂縫方位為北偏東22.32°，兩者相差6.18°。該結果從側面證明了利用測斜儀可以監測干熱巖壓裂裂縫方位。

5 結 論

1）利用地面測斜儀成功監測了青海共和干熱巖X1井的壓裂裂縫，監測結果表明，可以利用地面測斜儀監測干熱巖井壓裂裂縫的方位，為干熱巖換熱井井位部署和壓裂設計方案優化提供依據。

2）X1井3個壓裂階段形成垂直裂縫的方位都是北偏東方向，但方位略有不同，當排量和壓裂液黏度都較大時，垂直裂縫方位為北偏東22.32°。該結果與地面微地震解釋結果基本相同。

3）X1井目的層天然裂隙發育，對形成適度的復雜熱儲裂縫非常有利。X1井3個壓裂階段都形成了既包含垂直裂縫，又包含被注入壓裂液激活水平天然裂隙的復雜裂縫。