水平井橋塞分段壓裂管外光纖監測技術

董小衛 田志華 李一強 汪志 韓光耀 唐家財 劉帥

關鍵詞：橋塞壓裂；光纖；光纜方位；定向避射；實時監測

0 引言

水平井分段多簇體積壓裂已成為非常規油氣藏開發的主體技術，為進一步提高儲層動用程度，段內射孔簇間距也呈現逐步縮小的趨勢［1］，國內致密油、頁巖油等難動用儲層射孔簇間距已由初期的30m 縮短至現在的最小8 m 左右，此時開展簇間改造效果監測尤為重要。目前水力壓裂裂縫監測方法主要有井下微地震、測斜儀和可控源電磁法等［2］，可用于解釋整段壓裂裂縫的走向、長度、高度等，但針對簇間改造效果的監測方法相對缺乏，主要以放射性同位素示蹤劑［3］為主。其方法是壓裂時示蹤砂隨壓裂液進入地層裂縫，通過能譜測井測量地層中各簇示蹤砂伽馬計數率來監測儲層改造效果，但放射性同位素示蹤劑對環境與操作人員存在潛在的傷害風險。微量物質示蹤劑［4］克服了這個缺點，它通過對壓后返排液進行間隔密集取樣得到示蹤劑返排曲線，利用示蹤劑返排曲線進行簇間改造效果評價，但存在解釋周期長的問題。20 世紀90 年代以來，隨著光導纖維及光纖通信技術的發展，光纖傳感技術得到了快速發展［5］，其具有高靈敏度、高分辨率、抗電磁干擾、定位精度高等技術優勢，可分為分布式光纖溫度傳感（拉曼散射）［6］和分布式光纖聲波傳感（瑞利散射）［7］兩大主體技術。壓裂液注入地層會引起井筒降溫，但是受地層環境的影響，井筒降溫響應緩慢［8］，此時應用分布式光纖溫度傳感技術無法對井筒各射孔簇進液動態作出快速、實時響應，因此引入了分布式聲波傳感技術進行油氣井壓裂監測［9］，其工作原理是在完井時將光纜外敷捆綁于油層套管入井、固井，壓裂時利用高壓流體通過小直徑射孔簇孔眼所產生的瞬時高頻段聲信號表征整個壓裂事件，由于較強的聲波信號與進液活躍的壓裂簇存在對應關系，同時也代表該位置正在起裂或擴展，現場通過觀測沿井筒各位置聲能隨時間變化生成的能譜圖就可實時監測各簇改造效果。

2011 年Shell 公司率先使用光纖聲波傳感技術進行了水力壓裂監測，此后，Halliburton、Schlumberge等油服公司聯合Fotech、Optasense、Silixa 等專業分布式光纖傳感供應商先后投入開發套管外敷永久式光纖壓裂監測技術［10］。據不完全統計，截至2022 年底，該技術已在Eagle Ford、Baken、Montney 等油田現場應用300 余口井，實現了壓裂過程各簇進液動態信息實時監測。國內油田在光纖壓裂監測技術方面起步較晚［11］，2019 年吉林油田聯合英國Tendeka公司在黑頁1-2-2 井實施了分壓4 層17 簇現場監測試驗，2020 年新疆油田在石炭系油藏HW62031 井完成了6 段23 簇投球滑套壓裂監測攻關現場試驗，2021 年浙江油田在昭通頁巖氣YS137H1-2 井進行了13 段125 簇橋塞分壓監測現場試驗，2022 年長慶油田在鄂爾多斯盆地澗12H3 井開展了28 級可開關滑套壓裂監測現場試驗。與國外相比，國內各油田主要以引進為主，尚未形成完整的現場實施方案和技術難點攻關措施。

1 管外光纖監測完井管柱

水平井橋塞分段壓裂管外光纖監測完井管柱結構如圖1 所示，主要由浮鞋、浮箍、特種光纜、可穿越光纜扶正器、橋塞等組成，位于套管接箍處的可穿越光纜扶正器起到保護光纜的作用。其工作原理：采用橋塞+定向射孔技術對儲層進行分段多簇改造，當壓裂液通過射孔簇孔眼進入地層時將產生強振動信號，利用光纖既是傳感元件又是傳輸介質的特性，通過地面聲波采集設備獲取光纖沿程各簇的聲波場，并可視化輸出，直觀實時展現各簇進液情況。該管柱適用于?139.7 mm 套管完井井況，分布式光纖聲波監測系統空間分辨率1 m、聲波靈敏度50～80dB、聲波頻帶范圍0.01～10 kHz。

1.1 特種光纜

如圖2 所示，特種光纜［12］主要由纖芯、油膏、不銹鋼護管等組成，采用聚丙烯注塑成纜加工，耐磨損、抗沖擊、耐酸堿腐蝕。光纜技術指標：截面尺寸22 mm×11 mm，耐溫150 ℃，耐壓130 MPa，破斷拉力80 kN，光纖信號衰減＜0.40 dB/km（1 310 nm）。

1.2 可穿越光纜扶正器

油層套管接箍處采用分瓣鏤空式可穿越光纜扶正器［13］對光纜進行保護（圖3）。扶正器由上本體、下本體、滾珠等組成，上、下本體通過螺栓連接，上本體、下本體設計有多排滾珠陣列，減小了管柱下入摩阻，光纜穿越下本體內鋪置凹槽，同時，扶正器與套管本體接觸部分采用滾花處理，可最大限度防止因扶正器轉動而引起的光纜周向旋轉、斷裂發生。扶正器技術指標：外徑209 mm，長度315 mm，通徑139.7 mm，光纜凹槽尺寸22.5 mm×11.5 mm。

2 配套技術

2.1 井口光纜穿越

芯軸式套管懸掛器傳統開孔光纜穿越工藝存在懸掛器定制加工難、選型受限、穿越耗時長等問題，現場主要采用卡瓦式懸掛器，并進行了技術套管閘閥井口光纜穿越工藝設計（圖4）。操作工序：（1） 計算最后一根套管入井后與技術套管閘閥的對應位置，并在套管本體進行標識；（2） 在套管標識位置附近進行光纜纏繞捆綁；（3） 光纜隨套管入井；（4） 固井，候凝；（5） 上提防噴器，倒出適當長度的光纜，并將光纜從技術套管閘閥通道孔穿出；（6） 井口安裝卡瓦式油層套管懸掛器；（7） 進行出口光纜與地面光纜熔纖接續和密封。主要的光纜穿越和光纜密封操作在固井結束后完成，井控安全性高，現場易實施。

2.2 光纜方位探測

因水平裸眼段井眼軌跡、井徑不規則，光纜下入過程中將發生扭轉［14］，射孔作業前需利用磁通量探測儀對井下光纜方位進行探測，防止光纜被射斷。其測量原理：對接箍位置可穿越光纜扶正器進行360°磁場掃描，基于外部金屬含量影響磁場分布的原理［15］，獲取磁通量變化及對應方位曲線［16］，如圖5 所示，由于扶正器光纜凹槽為高金屬含量設計，磁通量最大值處即光纜所處位置，通過對不同深度接箍進行測量，可明確井下光纜實際鋪設情況，為后期定向射孔提供依據。

對不同方位光纜進行了地面探測試驗，結果表明：磁通量探測值不小于1 060 Wb、光纜定位誤差不大于3°，見表1。

2.3 光纜定向避射

如圖6 所示，通過探測套管上、下端接箍處的光纜方位，以套管下端光纜方位順時針轉至套管上端光纜方位所形成的覆蓋范圍作為危險區域，在危險區域對側進行線性定向射孔［17］。為兼顧射孔階段光纜避射和壓裂階段射孔簇裂縫起裂，布孔方式采用雙線性、方位夾角60°，在確保光纜避射的同時，與單線性射布孔方式相比，雙線性射孔增大了裂縫起裂幾率，有利于降低壓裂施工泵壓。

3 現場試驗

2022 年4 月在新疆瑪湖礫巖油藏JLHW2039井進行了水平井橋塞分段壓裂管外光纖監測技術現場試驗。該井完鉆井深5 132 m，水平段長1 066 m，最大井斜92.46°，最大狗腿度7.66 （°）/30 m。該井共完成14 段59 簇定向射孔及壓裂光纖監測。

3.1 光纜探測及定向射孔

采用連續油管輸送井下磁通量探測儀，自下而上探測水平段87 個接箍位置光纜方位。由圖7 可看出，相鄰測點光纜方位差異主體介于0～45°之間，井下光纜無明顯扭轉現象。該井采用雙線性定向射孔，方位夾角60°，孔密10 孔/ m，如圖8 所示。

3.2 效果分析

以JLHW2039 井第14 段4 簇改造為例進行監測效果分析。

3.2.1 分簇射孔

泵送橋塞坐封后進行分簇定向射孔作業，在射孔槍點火成功瞬間，光纖聲波信號將沿著井筒分別朝上、下兩個方向傳播，可用于判斷光纖通斷，也可以根據光纖信號拐點進行射孔深度校驗。如圖9 所示，通過光纖聲波能譜可看出4 道明顯的強振動信號，光纖監測射孔位置分別為4 103、4 091、4 080、4 069 m，與設計位置誤差小于0.5 m。

3.2.2 各簇進液

如圖10 所示，可以看出前置液和加砂液階段S14-1 和S14-4 均持續保持強聲波信號，而S14-2 和S14-3 未發現任何聲波信號，表明中間2 簇基本不進液，改造不均衡。結合光纖聲波振幅強度進行各簇進液占比分析，S14-1、S14-2、S14-3、S14-4 簇進液占比分別為51.7%、1.5%、1.2%、45.6%；同時，通過光纖聲波能譜未發現第14 段橋塞坐封位置（4 136 m）下部存在異常振動信號，說明橋塞密封良好。

各簇非均衡進液影響因素分析結果見表2，提取第14 段各簇測錄井綜合解釋結果和光纖監測進液數據，采用灰色關聯法［18］進行變量間關聯度計算，如圖11 所示，影響各簇進液量最為關鍵的因素依次為孔隙度、脆性指數、最小水平主應力，各簇進液量與孔隙度、脆性指數呈正向關，與最小水平主應力呈負相關。

3.2.3 暫堵轉向

針對第14 段S14-2 和S14-3 未改造， 現場對S14-1 和S14-4 采取暫堵措施，泵送繩結狀暫堵劑到位后，可以看出S14-2、S14-3 開始出現強信號，原優勢簇S14-1 信號逐漸減弱直至消失，原次優勢簇S14-4信號基本保持不變，如圖12 所示。結合聲波振幅強度進行各簇進液占比分析，暫堵后S14-1、S14-2、S14-3、S14-4 簇進液占比分別為5.3%、38.2%、26.8%、29.7%，原優勢進液簇得到抑制，各簇進液均衡性有效提升。

4 結論

（1） 設計了橋塞分段壓裂套管外光纖監測完井管柱，可利用高壓流體通過小直徑射孔簇孔眼所產生的高頻段聲信號對整個壓裂事件進行表征，該技術可實現分簇射孔、各簇進液、暫堵轉向、橋塞密封等井下動態信息有效實時監測。

（2） 設計了鎧裝特種光纜、可穿越光纜扶正器，形成了井口光纜技術套管閘閥穿越、管外光纜方位精準探測及光纜定向避射配套技術，有效解決了光纜入井和射孔安全難題。

（3） 下一步應加快推進適用于高壓壓裂工況下的光纖壓力計研發工作，利用套管外敷光纖作為信號傳輸系統，完善水平井體積壓裂管外多點光纖測壓技術，擴大其應用范圍。