使用超灵敏的光纤应变测量DSS感知生产过程中裂缝的变化

使用超灵敏的光纤应变测量（DSS）似乎可以感知生产过程中裂缝的变化。

2020年11月，Gustavo Ugueto获得了非凡的井中体验。他惊讶的来源是一系列光纤数据，这些数据测量了储层裂缝是如何被生产过程中的微小压力变化所改变的。

当壳牌公司首席非常规储层岩石物理学家描述二叠纪油井测试时，他听起来像是第一次使用听诊器的人。

Ugueto在2021年非常规资源技术会议（URTeC）上关于2020年底在HFTS-2压裂试验场进行的测试（URTeC 5408）的演讲中说：“应变在任何时候都会像呼吸一样伸展和压缩。” 他说，这是一个“啊哈时刻”，在一个日压降小于40 psi的井中，裂缝尺寸的无穷小差异 ，我们得到了一个很好的信号。他很兴奋地想到这个测试有一天会揭示裂缝在生产过程中是如何变化的。

虽然他对这种潜力感到兴奋，但他也一再警告说，要了解可能的情况，还需要做更多的工作。在这一点上，少数能获得这些数据的人就像使用听诊器的新医科学生，想知道这些声音与病人的健康有什么关系。”我们正处于旅程的开始阶段，它可能会失败。Ugueto说。

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应 变

来自HFTS-2的数据现在只有那些支持该项目的人才能获得，但有三篇论文涵盖了这项工作（参见进一步阅读），促使其他人尝试这种测量裂缝的新方法。

美国Neubrex能源服务公司的Dana Jurick说“由于Gustavo和他的合著者的出版物，我们看到了很多基于所学知识的运用”。Neubrex公司提供了用于测量应变数据的设备。此后，该公司被其他石油公司雇佣从事类似工作，石油公司好奇他们能从这种新的诊断技术中学到什么。

合著者包括科罗拉多矿业学院的副教授Ge Jin，HFTS-2的地球物理顾问，以及德州农工大学的副教授Kan Wu。她在德州农工大学的团队正在致力于建模，旨在将这一定性数据源转化为定量测量。

Ugueto说，其他尝试光纤监测技术的作业者，包括作为测试现场合作伙伴的雪佛龙和康菲石油公司，以及其他光纤公司，正在进入一个新兴的领域。两种常用的标签反映了人们对其未来不同程度的乐观情绪。其中一个是基于收集的数据：近井眼应变分析。另一种是基于一种愿景，即可以测量裂缝对变化的反应：近井裂缝动力学。

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应变演化

近井筒应变是长久以来尝试回答以下问题的最新工具。

当井下压力上升或下降时，水力裂缝是什么样子的，它们会如何变化？

描述有多种形式，具体取决于地质学，回答问题人的培训成果以及他们的观点。

Wu教授说，“关于水力裂缝有很多争论”。答案取决于“你想查看的尺度。

对于使用光纤监测水力压裂的研究人员来说，尺度很大。光纤已被用于监测几百英尺以外的邻井应变，以及监测1000英尺甚至更高的水力裂缝高度扩展。

基于应变测量的测试只能追溯到约5年前，而且正在迅速发展。在即将于2月举行的水力压裂技术会议上，有六篇论文讨论了裂缝的大尺度应变监测。

Jin教授说，“由于目前的DSS （分布式应变传感）解决方案的限制，在生产期间很少有人关注井内应变的变化”（SPE 205394）。

在射孔簇周围观察到应变变化。应变在强度（高度）和受影响的近井筒区域的长度（宽度）方面存在差异（来源SPE5408）

正常生产过程中的变形与泵送每分钟80桶液体产生的岩石裂缝应变之间的差异就像耳语和尖叫之间的区别。

在这种情况下，测量是基于用来量化观察到的光纤线束变化的算法。

当后来用于应变测试的井于2019年夏季完成时，有人说要进行传统的生产测井（PLT），但作业者Anadarko选择在不进行生产测井的情况下投入生产。

Jin教授的论文解释说：“不幸的是，当前一代生产测井设备已被证明是不可靠的，并且不足以在具有数百个潜在流入入口的非常规井中确定单个射孔簇中相对较低的流动速率。光纤已被用于以多种方式测量产量和裂缝，但目前还没有人开发出一种方法来测量与低速流体流动相关的微小应变变化的方法。

大约在那个时候，人们提出了一种新的分布式光纤传感方法——基于瑞利频移的分布式应变传感（DSS-RFS）。

利用沿水平段整个长度部署的光缆，Neubrex的算法被用于检测短至8英寸的井筒长度内极其微弱的应变信号。其他的应变数据测量方法提供较低的分辨率或无法覆盖如此长的井筒。

光纤用于通过观察背向散射（玻璃纤维线中随机缺陷反射的激光）的变化来测量井内的声音振动、温度和周围的应变。这些独特的特征加上返回时间的超精确时间测量可以用于确定测量光纤的精确位置。

这些测量由称为解调仪（光端机）的仪器完成。应变测量是基于裂缝中的压力变化如何改变夹在套管外部的金属保护管形状。

该措施需要一系列事件：井筒压力上升；裂缝膨胀导致围岩变形，这影响固井，从而改变持有保护性的凝胶剂和光纤的套管。光纤能够感知到这种微小的变化。

当一个子项目组同意支持Neubrex制造的一个新的解调仪的测试时，应变测试被添加到HFTS-2的议程中，该装置被编程从而进行DSS-RFS测量。他们想看看它是否可以在压裂簇的尺度上测量应变变化。

2020 年 2 月，它首次用于测量 4 天关井期间的应变变化，关井使Delaware盆地的井下压力增加了约 1000psi。

在关井之前，测量了正常生产期间应变波动作为基线值。根据早期的测量，Jurick 回忆说他和同事Artur Guzik一致认为瑞利背向散射具有太多的噪声。但是，与Ugueto和Jin一起分析了数据之后，他们得出的结论是：“这些噪声正是我们寻找的生产过程中的有效信号-应变信号”。

生产过程中测量的数据比关井时的测量具有更强的噪声—在此期间压力变化要大25倍—但信号似乎足以测量生产过程中的变化。Jurick说，“我们提出了一个建议，根据我们所看到的情况做更多的工作”。

当他们在2020年11月进行另一轮数据收集以了解裂缝如何变化时，其中包括了生产期间的应变数据收集。

我们预计会看到一个信号。我们没期望看到的是如此高质量的信号。它是如此强，这让我们感到非常惊讶，Ugueto说。

裂缝对应力波动的反应随时间不同。蓝线显示，在二叠纪的一口试井中，2020年2月裂缝尺寸的变化大于当年11月的变化（资料来源：URTec5408）

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进一步研究

在那个激动人心的发现时刻之后，不可避免地回到了现实—收集证据，证明他们确实观察到了适应压力变化的裂缝，无论是在生产期间还是在关井之后。

他们对比了应变变化位置和射孔簇位置，以及光纤检测到的压裂液和支撑剂泵入地层的位置。他们发现压裂进液和进砂点的位置与生产过程中应变变化显著的位置存在很强的相关性（超过95%）（URTeC 5408）。

对数据的进一步研究显示，射孔簇中的测量值存在差异，并且随时间的变化。在各种应变图中检测到可识别的模式。Ugueto说，他说信号以可预测的方式变化。那是下一个“啊哈时刻”，每个射孔簇都是不同的。它必须与几何形状和生产力有关吗？

根据他们的初步印象，似乎较大的应变变化表明射孔与裂缝宽度的较大变化有关，而射孔处没有变化则表明导流能力很小。

显示关井期间和之后应变测量的位置和大小的图表有不同的形式：有些高，有些矮，有些瘦，有些胖。

在测试不同压裂设计的不同压裂段中，应变测量存在明显差异，每个压裂段有6个射孔簇，而其他段则有9个或10个射孔簇。

Jin解释说，平均而言，6个和10个射孔簇接收到同等量级的流体，因为泵送的流体是根据射孔簇的数量进行调整的。但液体摄入量因射孔簇而异。

他说，一般来说，在具有6个射孔簇的压裂段中，观察到的压裂裂缝区域（即在关井期间发生正应变变化的井孔段）更宽。但应变变化，是由峰值高度测量的，应变峰值面积相当于裂缝孔径变化，在具有9到10个射孔簇的压裂段中更大。”我们目前还没有结论来确定哪些应变反应与更有效的射孔簇有关，Jin说。

Ugueto指出，有很多变量需要考虑，例如更多射孔簇的成本与由于太少射孔簇而造成的生产损失。

这导致了石油公司通常不会披露的事情。虽然美国能源部在支持压裂矿场试验时要求数据披露，但实际上，公开的内容往往以大量数据和分析的形式出现的，并没有提供更好的压裂配方。

各公司对这些结果的使用方式有所不同，目前还没有人知道如何使用应变数据来预测未来的裂缝生产率。建模人员才刚刚开始研究回答这个问题所需的工具：从长远来看，哪些射孔簇或压裂方法可能更有效率？

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数据即将公开

应变数据的首要用途是对压裂方法的评估。“当你压裂一口井时，你可以列出20个不同的参数来决定，Jin说。

多年来，提高产量的途径很简单：泵送更多的液体和沙子，提高产量。

几年前，当这种组合带来的增量产量的增长减少时，这种情况就结束了，作业者变得更加注重成本，并开始考虑减少在压裂强度上的支出是否会给油井带来更好的投资回报。

“现在，当你尝试某件事时，你必须等待两年，然后地质学家可能会说，‘等等，那口井可能有更好的地质条件，所以它应该有更好的产量。’完井方式并不重要。”Jin说，并补充说不确定性减缓了完井的速度。

应变测量可能具有在压裂尺度上进行直接测试的潜力，并且可以更快地提供结果。要实现这一目标，需要结合数据和其他性能标记的模型来量化相对性能。

“相对”是一个重要的词，因为应变数据不是一个绝对值。他们无法确定裂缝可能贡献产出多少石油，但可以将一个地方的裂缝与油井中的其他裂缝进行比较。

第一个利用近井应变数据的模型是由德州农工大学（Texas A&M）的Wu教授和他的团队开发的（URTeC 5436）。他说，这一努力源于与Jin教授加入他们团队的一次讨论。他问Jin，“应变是否与你使用之前开发的模型所做的事情有关。”

利用Wu的应变模型加上Ugueto论文中有关应变测量的信息和他们开发的合成数据，Wu生成了与实际数据图具有良好匹配度的模拟结果。当Ugueto看到她的结果时，这是另一个“啊哈时刻”，因为它显示了一个数值模型可以提供洞察应变测量背后裂缝的物理特征。

对Wu来说，这是一个很有希望的开始，但她渴望有机会处理实际的数据。她和其他在HFTS-2工作的人将不得不等待数据的公布。Ugueto说，这很可能会在今年春天公布。根据联邦规定，它必须在采集后2年内发布，但管理发布的后勤工作导致了过去的延迟。

她和她的团队将把模型结果与实际数据进行历史匹配。“在我们匹配了数据后，这将会给我们一个方向，”她说。

该测试也可能标志着生产过程中光纤测量增长期的开始。在这一点上，这些应变测量需要永久性的光纤安装，这是昂贵的，尽管Ugegoto希望更低成本的选择，如可插入的光纤最终可以被使用。

就目前而言，永久安装光纤似乎是一个可能的新争议点。如果这被证明是一种有价值的生产测量方法，“它将会开辟了一个全新的应用和价值创造的世界，”Jurick说。

审核编辑：刘清