水力压裂实时监测及解释技术研究与应用

水力压裂的效果取决于压裂工艺技术的完善程度，而压裂实时监测及解释技术是确保压裂施工取得理想效果的关键性手段，也是水力压裂技术的最新进展和发展趋势。应用该技术，可认识和了解裂缝和地层情况，分析和评估压裂液性能和施工质量，减小施工风险，保证施工按设计要求顺利进行，并根据实际情况进行现场调整，提高压裂水平和施工效果。 本文针对水力压裂实时监测及解释技术目前亟待解决的技术问题，综合应用流体力学、线弹性断裂力学、传热学、最优化理论、计算数学和软件工程等知识，进行深入研究，取得了以下主要研究成果： ①全面系统地研究了水力压裂实时监测及解释技术。建立了新的压裂实时监测与分析的完整模型，提出了切实可行的压力历史反演新方法，研究了施工数据的采集和通信技术，研制了便携式压裂酸化监测仪和压裂实时监测及解释软件系统。 ②建立了新的实时裂缝延伸拟三维模型。该模型主要包括流体体积平衡方程、裂缝长度方程、裂缝宽度方程、裂缝高度方程等，利用方程求根的方法进行数值求解，可提高计算的速度及结果的精确度和稳定性，能满足实时模拟和分析的要求，而且模型完整，形式简明，应用方便。 ③采用和完善了三维裂缝中支撑剂运移分布模型。该模型主要包括支撑剂沉降状态的β准则、裂缝壁面的拉拽效应、支撑剂的干扰沉降、支撑剂在三维裂缝中的运移分布，并采用了精细的数值计算方法。 ④建立了井筒不稳定流动模型，提出了支撑剂影响下的混砂液摩阻计算方法。井筒不稳定流动模型主要包括连续性方程、流体压降方程、状态方程，并考虑了支撑剂的影响，得出的结论具有普遍的适用性，不受施工泵注排量、压裂管柱及压裂液流变性等因素的影响。 ⑤提出了切实可行的压裂施工过程中实时监测与分析的压力历史反演方法。该方法综合应用了逐步线性最小二乘法与约束变尺度法的最优化方法和地层特性参数与液体特性参数的数据库，直接拟合井口压力，可解释的参 数系统全面，包括:关键性的地层特性参数(如岩石断裂韧性、地应力分布、 地层破裂压力)、压裂液流变性和滤失程度及其动态变化、水力裂缝的三维扩 展延伸、支撑剂的运移分布。 O研制了地层特性参数和液体特性参数的数据库。该数据库综合利用了 国内外理论研究成果与室内实验结果，并对一些地层和液体特性参数进行了 系统而深入的研究，获得了岩石断裂韧性与围压的关系等新成果。 .研究了压裂施工数据的采集和通信技术，研制了便携式压裂酸化监测 仪。‘该监测装置能同时监测两路压力信号、两路排量(主排量和胶联排量)信 号、两路砂量信号，可实现压裂施工数据的采集、通信、监测、保存和回放 等，数据采集精度高，具有滤波器进行数据预处理，可有效排除各种随机因 素的影响，数据采集速度快，能满足实时监测及分析的要求。 O研制了压裂实时监测及解释软件系统，并进行了实际应用。该软件系 统模块化设计，数据采集和传输速度快，功能载卸灵活，既适用于自行研制 的便携式压裂酸化监测仪又适用于其它压裂监测仪，既适用于油管监测数据 的解释又适用于套管监测数据的解释，既适用于认识和了解地层特性又适用 于水力裂缝实时诊断和压裂液性能动态监控，既适用于现场施工数据的实时 解释又适用于施工后对压裂施工情况及其质量进行科学合理地分析、评估和 总结。在新疆油田的应用情况表明，该软件系统能满足压裂改造的需要，可 分析和评估压裂施工质量，指导压裂设计，提高压裂水平和施工效果。 关键词:水力压裂参数实时拟合数学模型解释方法软件 一n一