光纖傳感技術在昭通山地頁巖氣勘探開發(fā)實踐中的應用進展

梁 興,王 松,劉 成,嚴海滔,宋 煜,周 慰

(1.中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司,浙江杭州310023;2.中油奧博(成都)科技有限公司,四川成都611731;3.中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司西南采氣廠,四川筠連645250)

井中地震技術經(jīng)歷近40年發(fā)展,采集、處理和解釋技術形成了較為成熟的Walkaway-VSP、3D-VSP、井地聯(lián)合勘探等技術,全面提升了井中地震勘探在油田開發(fā)中的作用。井中地震采集儀器經(jīng)過多年發(fā)展,單次采集已經(jīng)達到80～100級,但仍然無法滿足全井段覆蓋的高要求。隨著電子檢波器級數(shù)的不斷增加,急需高密度采樣設備,空間采樣密度可達數(shù)萬級的光纖分布式聲波傳感(DAS)采集成為了新的技術突破口。井中地震技術在提高勘探精度、降低鉆探風險等方面發(fā)揮著越來越大的作用,特別是光纖傳感地震儀的成功研制,帶來了井中地震新的技術革命。光纖傳感技術代表了油氣井監(jiān)測技術的未來發(fā)展方向之一。在常規(guī)井中地震勘探中,采用的三分量數(shù)字檢波器無法很好地適應井中高溫、高壓的條件,并且造價高,而光纖具有高密度采集、耐高溫高壓以及成本低等優(yōu)勢,彌補了數(shù)字檢波器的缺陷。

自21世紀以來,光纖傳感技術得到了飛速發(fā)展,出現(xiàn)了光纖多級三分量接收技術。光纖DAS技術開始應用于井中地球物理勘探,實現(xiàn)了高密度全井段地震數(shù)據(jù)采集。DAS在VSP中的應用結果表明,其最大的優(yōu)勢是可以不占井長時間觀測,可采集不同時間的數(shù)據(jù)[1]。2018年,東方地球物理公司研究了DAS-VSP采集處理技術,突破了井中光纖技術瓶頸,推動了國內(nèi)光纖勘探技術的發(fā)展[2]。李彥鵬等[3]對DAS技術在地震勘探中研究及應用進行了詳細的介紹,對比了不同震源作用下光纖在套管內(nèi)外接收到的VSP資料的質(zhì)量,闡述了分布式光纖在地震勘探領域的實用性及優(yōu)勢。在長期動態(tài)監(jiān)測方面,研究人員利用光纖傳感監(jiān)測水力壓裂作業(yè)過程以及生產(chǎn)過程中的動態(tài)產(chǎn)出情況,已經(jīng)初具成效。在分布式光纖傳感監(jiān)測技術中,MOLENAAR等[4]認為,綜合分析分布式光纖傳感、分布式溫度傳感以及微地震監(jiān)測結果可以提高分析結果的準確性。KARRENBACH等[5]針對DAS數(shù)據(jù)量巨大的問題,提出分析DAS信號的超低頻,極大程度地降低了DAS數(shù)據(jù)量,并通過低頻DAS數(shù)據(jù)分析出井下應變的變化過程。本文主要以昭通山地頁巖氣探區(qū)為依托,介紹了分布式光纖傳感技術在頁巖氣勘探開發(fā)中的應用進展及成效,包括光纖傳感技術DAS井地聯(lián)采以及DAS/DTS產(chǎn)液剖面的實際應用效果。

1 光纖傳感技術DAS井地聯(lián)采應用

井地聯(lián)采是將地面地震與井中地震聯(lián)合采集的一項物探技術,即地面激發(fā),地面和井中同時布設檢波點接收。地面地震具有觀測系統(tǒng)靈活均勻、成像孔徑大、宏觀觀測能力強等優(yōu)勢,但也存在諸多不足,如:無法準確確定時深關系、儲層精細刻畫困難等。井地聯(lián)合采集可以綜合地面地震以及井中地震勘探的優(yōu)勢,用最小成本得到最大收益。井地聯(lián)合勘探能夠準確進行時深標定,對于井旁地層信息的刻畫更為準確,波場信息豐富直觀,可以直接描述儲層性質(zhì)。隨著油氣田勘探開發(fā)向精細化發(fā)展,急需提高地面地震資料的保真度和分辨率,因此,通過VSP提取各種地球物理參數(shù)(速度、球面擴散補償因子(Tar因子)、衰減因子(Q)、反褶積算子、各向異性等[6-7]),驅(qū)動地面地震資料成像處理,提高地面地震資料處理精度,已經(jīng)成為重要的發(fā)展方向。以昭通頁巖氣探區(qū)太陽背斜核部及南部向斜區(qū)采集的三維DAS井地聯(lián)采數(shù)據(jù)為基礎,介紹基于VSP的井驅(qū)參數(shù)提取以及成像處理[8-9]。

1.1 DAS-VSP數(shù)據(jù)采集

VSP井地聯(lián)采是應對淺層頁巖氣地震勘探難點的主要對策之一。地面和井中接收的有效地震波及各種噪聲既有聯(lián)系又有區(qū)別,二者對地質(zhì)體的照明也存在很大差異。二者聯(lián)合則可以發(fā)揮各自的長處,有利于發(fā)揮整體優(yōu)勢,從而實現(xiàn)多角度立體觀測,增加照明范圍、提高淺層覆蓋次數(shù)[10]。將DAS采集的數(shù)據(jù)與檢波器采集的數(shù)據(jù)進行對比。DAS采集的原始數(shù)據(jù)如圖1所示,可以看出,整體信噪比很高,直達波及上行有效波清晰。為了更直觀地對比DAS采集數(shù)據(jù)和常規(guī)檢波器采集數(shù)據(jù)的差異,將圖1中的紅框區(qū)域放大顯示得到圖2a,圖2b為對應區(qū)域的常規(guī)檢波器采集的數(shù)據(jù),對比可以看出,DAS采集數(shù)據(jù)具有高密度采集的優(yōu)勢,在同樣的深度范圍能采集更多地震道,突出地震波細節(jié)部分,利用DAS采集的數(shù)據(jù)提取得到的參數(shù)能反映真實的地層系數(shù),層間連續(xù)性更好。

圖1 DAS采集的原始數(shù)據(jù)

圖2 DAS采集(a)和常規(guī)檢波器采集(b)的VSP原始數(shù)據(jù)

1.2 基于光纖DAS-VSP數(shù)據(jù)的速度場建立技術

井中DAS-VSP資料很重要的應用方向是速度場建立,驅(qū)動地面地震成像?；诠饫wDAS采集的原始數(shù)據(jù),精細拾取直達波換算得到每個時間點高精度的層速度以及準確的時深關系,在地震構造約束下,結合高精度的層速度以及準確的時深關系分別進行時間域和深度域速度場建模,得到均方根速度場和層速度場(圖3a和圖3b)。通過不斷更新速度場進而推動地面地震高精度成像。

圖3 時間域均方根速度場(a)和深度域?qū)铀俣葓?b)

1.3 基于DAS-VSP數(shù)據(jù)的Q值提取應用

淺層勘探中地震波的衰減更為嚴重,表層吸收衰減作用更加強烈[11-12]。針對淺表層的吸收衰減補償,在井地聯(lián)采數(shù)據(jù)基礎上,以淺地表的峰值頻率間接作為表層Q和地面速度場進行擬合得到擬合公式,然后基于擬合公式反推建立表層Q場,進而通過反Q濾波的方式補償?shù)卣鹳Y料因地層吸收導致的衰減,從而提高地面地震的分辨率?；贒AS采集數(shù)據(jù)提取Q值并進行Q補償?shù)奶幚斫Y果如圖4所示。圖4a為原始VSP單炮記錄,圖4b為反Q濾波補償后的VSP單炮記錄,圖4c為原始振幅譜,圖4d為反Q補償后的振幅譜。對比Q補償前、后的VSP數(shù)據(jù)及其振幅譜可以看出,補償后剖面整體的分辨率得到了提升,同相軸更加連續(xù),地震波頻帶得到有效拓寬。因此,可將基于VSP數(shù)據(jù)提取的Q值應用于地面地震的反Q濾波處理中,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高分辨率處理。

圖4 VSP數(shù)據(jù)及其振幅譜

1.4 DAS-VSP成像精度對比

成像是DAS-VSP數(shù)據(jù)處理中的重要環(huán)節(jié),有基于射線的Kirchhoff積分方法、基于波場延拓的波動方程方法和逆時偏移成像方法等,可以對DAS-VSP數(shù)據(jù)進行時間域和深度域偏移成像。

由于目標區(qū)構造平緩,本文選用積分法疊前時間偏移方法進行處理。圖5a 為地面地震數(shù)據(jù)成像剖面及其振幅譜,圖5b為常規(guī)檢波器采集數(shù)據(jù)的成像剖面及其振幅譜,圖5c為DAS-VSP數(shù)據(jù)成像剖面及其振幅譜,對比圖中紅框位置可以看出,DAS-VSP數(shù)據(jù)成像剖面的分辨率更高。

圖5 成像剖面

對成像剖面進行鑲嵌顯示,結果如圖6所示,其中,圖6a為地面地震數(shù)據(jù)的成像剖面,圖6b為常規(guī)檢波器采集數(shù)據(jù)成像剖面的鑲嵌結果,圖6c為DAS-VSP數(shù)據(jù)成像剖面的鑲嵌結果。從圖6可以看出,DAS-VSP數(shù)據(jù)成像剖面具有更高的分辨率,同相軸細節(jié)特征更為豐富,與地面地震數(shù)據(jù)成像剖面相比,能更精細地刻畫井旁構造細節(jié)。

圖6 成像剖面鑲嵌顯示結果

2 基于DAS/DTS的產(chǎn)液剖面應用

產(chǎn)液剖面是指多層油層或厚層油層縱向上的產(chǎn)液強度曲線與油層定界、底界、厚度圍成的面積與總面積的百分比[13-14]。通過建立理論模型正演溫度數(shù)據(jù),基于最優(yōu)化理論逼近模型數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)的均方差,不斷更新理論模型直到均方差達到閾值,實現(xiàn)各個剖面的產(chǎn)出計算。

(1)

式中:X為各個剖面的產(chǎn)出;α為所有樣本和工具的響應指標;Yα,exp為觀測工具響應;Yα,th為模型預測的工具響應;σα為測量誤差(不確定性)。

選報浙江油田某實際生產(chǎn)井進行產(chǎn)液剖面分析。根據(jù)公式(1)結合DAS和DTS數(shù)據(jù)計算該井產(chǎn)液剖面,表征不同射孔段各相產(chǎn)出比例,合理調(diào)整單井生產(chǎn)制度,指導和優(yōu)化后續(xù)開發(fā)生產(chǎn)方案,提高采收率?；谠摼畔?建立初始迭代模型,結果如圖7 所示。圖7a為原始DTS溫度數(shù)據(jù),可以看出,隨著深度的增加,溫度呈現(xiàn)上升趨勢;圖7b是根據(jù)井軌跡計算的原始地溫梯度;圖7c為該井的方位角;圖7d 為該井的井斜角;圖7e為射孔簇位置和產(chǎn)出層位置。

圖7 DTS溫度原始數(shù)據(jù)

根據(jù)井眼軌跡分別計算出地溫和流壓,并用不同顏色的曲線進行顯示,結果如圖8所示。其中,圖8a為測量的井斜角;圖8b為水平井的垂直深度;圖8c 為根據(jù)水平井的垂深計算的井筒內(nèi)流壓。進行產(chǎn)液剖面計算時需選取初始地溫進行參考,本文采用關井時DTS靜溫測量結果作為初始溫度,結果如圖8d 所示。在使用某商業(yè)軟件進行產(chǎn)液剖面計算時,需要考慮壓力和溫度的綜合影響,集中溫度和壓力曲線如圖8e 所示,其中,紅色曲線為選擇的初始地溫曲線;藍色曲線為測量的流溫曲線;一般計算流溫時,需對流溫數(shù)據(jù)進行濾波,將濾波前、后的數(shù)據(jù)相減得到流溫誤差如圖8e中藍色虛線所示;對流溫進行深度方向求導得到流溫變化率,如圖8e中紫色曲線所示,由于產(chǎn)出段存在流體的熱交換,因此對應的流溫變化率會增大;基于濾波前、后的流溫變化率誤差如圖8e中紫色虛線所示。以測量溫度與初始溫度的差值為基礎,同時結合流壓、孔隙度、密度等參數(shù),共同約束和更新理論模型,從而計算出各產(chǎn)出層產(chǎn)量。

圖8 DTS數(shù)據(jù)處理結果

基于溫度和流壓變化,同時參考前期資料、射孔段位置和各層壓裂情況進行生產(chǎn)層、注入層和流動層的劃分,結果如圖9所示。圖9a是該井所對應的射孔段位置,圖9b為產(chǎn)層、注入層以及簡單的流動層的劃分結果,圖9c為不同時刻井筒測量的流溫,圖9d對應的是溫度變化率,圖9e和圖9f分別為對應的流壓和流壓變化率?；诋a(chǎn)層模型的劃分結果定量計算各層具體產(chǎn)量?；诹黧w力學能量、摩擦生熱和焦耳-湯姆遜效應以及井筒與地層之間的熱對流和熱傳導建立溫度模型,根據(jù)能量守恒定律和地面產(chǎn)量測量結果,迭代計算各段產(chǎn)出情況[15-16],具體計算流程如圖10 所示,基于以上過程計算該氣井的各段產(chǎn)出結果如圖11所示。其中圖11a為對應的射孔段位置,圖11b 為油氣水累計產(chǎn)量,圖11c為氣累計產(chǎn)量,圖11d 為對應的各產(chǎn)出段凈產(chǎn)量。從圖11的產(chǎn)出結果可以看出,第3至第9段產(chǎn)出較低,主要產(chǎn)出層是第4至第19段,其中第10、第16和第10段相對產(chǎn)出較多。

圖9 產(chǎn)層劃分結果

圖10 DAS+DTS產(chǎn)液剖面計算流程

對DAS的監(jiān)測結果進行總結分析,結果如圖12所示。圖12a至圖12e分別為1.5×104,3.0×104,2.0×104,1.2×104,4.0×104m3/d產(chǎn)出時井筒內(nèi)監(jiān)測到的DAS信號,圖12f為對應的壓裂段位置。由圖12可以看出,當產(chǎn)量提升到4.0×104m3/d時,第4至第13壓裂段有明顯的DAS聲波響應,說明該壓裂段存在產(chǎn)出響應;注意圖12中紅框位置,當產(chǎn)量提升到4.0×104m3/d時,第14至第17壓裂段得到動用,有較強的產(chǎn)出響應。第10級在各個生產(chǎn)階段均有較強的產(chǎn)出響應,此結果與圖11中第10壓裂段產(chǎn)出最高的結果一致?？傮w說明,DAS的產(chǎn)出響應結果能指示各壓裂段在各時間段的產(chǎn)出情況,且DAS響應與DTS計算的產(chǎn)量結果一致性較好,基于DAS和DTS數(shù)據(jù)能有效監(jiān)測井下各層的產(chǎn)出動態(tài)過程。

圖11 各段產(chǎn)出結果

圖12 DAS監(jiān)測結果

3 結論及建議

1)光纖傳感技術已經(jīng)在地震勘探中廣泛應用,突破了傳統(tǒng)的靜態(tài)油藏描述模式,實現(xiàn)了油藏動態(tài)精細刻畫。

2)光纖較常規(guī)檢波器具有“高密度、高精度、全井段”以及耐高溫高壓等先天優(yōu)勢,通過光纖采集可以有效提高勘探精度,保障井中技術服務能力。

3)通過井中DAS和DTS聯(lián)合監(jiān)測,定性和定量分析井中各壓裂位置產(chǎn)出情況,為生產(chǎn)制度的制定以及壓裂方案優(yōu)化建立基礎,達到降本增效的目的。

致謝:感謝浙江油田分公司研究人員提供的相關測井數(shù)據(jù)以及測井解釋結果。