使用超靈敏的光纖應變測量（DSS）似乎可以感知生產過程中裂縫的變化。

2020年11月，Gustavo Ugueto獲得了非凡的井中體驗。他驚訝的來源是一系列光纖數據，這些數據測量了儲層裂縫是如何被生產過程中的微小壓力變化所改變的。

當殼牌公司首席非常規儲層巖石物理學家描述二疊紀油井測試時，他聽起來像是第一次使用聽診器的人。

Ugueto在2021年非常規資源技術會議（URTeC）上關于2020年底在HFTS-2壓裂試驗場進行的測試（URTeC 5408）的演講中說：“應變在任何時候都會像呼吸一樣伸展和壓縮。” 他說，這是一個“啊哈時刻”，在一個日壓降小于40 psi的井中，裂縫尺寸的無窮小差異 ，我們得到了一個很好的信號。他很興奮地想到這個測試有一天會揭示裂縫在生產過程中是如何變化的。

雖然他對這種潛力感到興奮，但他也一再警告說，要了解可能的情況，還需要做更多的工作。在這一點上，少數能獲得這些數據的人就像使用聽診器的新醫科學生，想知道這些聲音與病人的健康有什么關系。”我們正處于旅程的開始階段，它可能會失敗。Ugueto說。

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應 變

來自HFTS-2的數據現在只有那些支持該項目的人才能獲得，但有三篇論文涵蓋了這項工作（參見進一步閱讀），促使其他人嘗試這種測量裂縫的新方法。

美國Neubrex能源服務公司的Dana Jurick說“由于Gustavo和他的合著者的出版物，我們看到了很多基于所學知識的運用”。Neubrex公司提供了用于測量應變數據的設備。此后，該公司被其他石油公司雇傭從事類似工作，石油公司好奇他們能從這種新的診斷技術中學到什么。

合著者包括科羅拉多礦業學院的副教授GeJin，HFTS-2的地球物理顧問，以及德州農工大學的副教授Kan Wu。她在德州農工大學的團隊正在致力于建模，旨在將這一定性數據源轉化為定量測量。

Ugueto說，其他嘗試光纖監測技術的作業者，包括作為測試現場合作伙伴的雪佛龍和康菲石油公司，以及其他光纖公司，正在進入一個新興的領域。兩種常用的標簽反映了人們對其未來不同程度的樂觀情緒。其中一個是基于收集的數據：近井眼應變分析。另一種是基于一種愿景，即可以測量裂縫對變化的反應：近井裂縫動力學。

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應變演化

近井筒應變是長久以來嘗試回答以下問題的最新工具。

當井下壓力上升或下降時，水力裂縫是什么樣子的，它們會如何變化？

描述有多種形式，具體取決于地質學，回答問題人的培訓成果以及他們的觀點。

Wu教授說，“關于水力裂縫有很多爭論”。答案取決于“你想查看的尺度。

對于使用光纖監測水力壓裂的研究人員來說，尺度很大。光纖已被用于監測幾百英尺以外的鄰井應變，以及監測1000英尺甚至更高的水力裂縫高度擴展。

基于應變測量的測試只能追溯到約5年前，而且正在迅速發展。在即將于2月舉行的水力壓裂技術會議上，有六篇論文討論了裂縫的大尺度應變監測。

Jin教授說，“由于目前的DSS（分布式應變傳感）解決方案的限制，在生產期間很少有人關注井內應變的變化”（SPE 205394）。

在射孔簇周圍觀察到應變變化。應變在強度（高度）和受影響的近井筒區域的長度（寬度）方面存在差異（來源SPE5408）

正常生產過程中的變形與泵送每分鐘80桶液體產生的巖石裂縫應變之間的差異就像耳語和尖叫之間的區別。

在這種情況下，測量是基于用來量化觀察到的光纖線束變化的算法。

當后來用于應變測試的井于2019年夏季完成時，有人說要進行傳統的生產測井（PLT），但作業者Anadarko選擇在不進行生產測井的情況下投入生產。

Jin教授的論文解釋說：“不幸的是，當前一代生產測井設備已被證明是不可靠的，并且不足以在具有數百個潛在流入入口的非常規井中確定單個射孔簇中相對較低的流動速率。光纖已被用于以多種方式測量產量和裂縫，但目前還沒有人開發出一種方法來測量與低速流體流動相關的微小應變變化的方法。

大約在那個時候，人們提出了一種新的分布式光纖傳感方法——基于瑞利頻移的分布式應變傳感（DSS-RFS）。

利用沿水平段整個長度部署的光纜，Neubrex的算法被用于檢測短至8英寸的井筒長度內極其微弱的應變信號。其他的應變數據測量方法提供較低的分辨率或無法覆蓋如此長的井筒。

光纖用于通過觀察背向散射（玻璃纖維線中隨機缺陷反射的激光）的變化來測量井內的聲音振動、溫度和周圍的應變。這些獨特的特征加上返回時間的超精確時間測量可以用于確定測量光纖的精確位置。

這些測量由稱為解調儀（光端機）的儀器完成。應變測量是基于裂縫中的壓力變化如何改變夾在套管外部的金屬保護管形狀。

該措施需要一系列事件：井筒壓力上升；裂縫膨脹導致圍巖變形，這影響固井，從而改變持有保護性的凝膠劑和光纖的套管。光纖能夠感知到這種微小的變化。

當一個子項目組同意支持Neubrex制造的一個新的解調儀的測試時，應變測試被添加到HFTS-2的議程中，該裝置被編程從而進行DSS-RFS測量。他們想看看它是否可以在壓裂簇的尺度上測量應變變化。

2020 年 2 月，它首次用于測量 4 天關井期間的應變變化，關井使Delaware盆地的井下壓力增加了約 1000psi。

在關井之前，測量了正常生產期間應變波動作為基線值。根據早期的測量，Jurick 回憶說他和同事Artur Guzik一致認為瑞利背向散射具有太多的噪聲。但是，與Ugueto和Jin一起分析了數據之后，他們得出的結論是：“這些噪聲正是我們尋找的生產過程中的有效信號-應變信號”。

生產過程中測量的數據比關井時的測量具有更強的噪聲—在此期間壓力變化要大25倍—但信號似乎足以測量生產過程中的變化。Jurick說，“我們提出了一個建議，根據我們所看到的情況做更多的工作”。

當他們在2020年11月進行另一輪數據收集以了解裂縫如何變化時，其中包括了生產期間的應變數據收集。

我們預計會看到一個信號。我們沒期望看到的是如此高質量的信號。它是如此強，這讓我們感到非常驚訝，Ugueto說。

裂縫對應力波動的反應隨時間不同。藍線顯示，在二疊紀的一口試井中，2020年2月裂縫尺寸的變化大于當年11月的變化（資料來源：URTec5408）

03

進一步研究

在那個激動人心的發現時刻之后，不可避免地回到了現實—收集證據，證明他們確實觀察到了適應壓力變化的裂縫，無論是在生產期間還是在關井之后。

他們對比了應變變化位置和射孔簇位置，以及光纖檢測到的壓裂液和支撐劑泵入地層的位置。他們發現壓裂進液和進砂點的位置與生產過程中應變變化顯著的位置存在很強的相關性（超過95%）（URTeC 5408）。

對數據的進一步研究顯示，射孔簇中的測量值存在差異，并且隨時間的變化。在各種應變圖中檢測到可識別的模式。Ugueto說，他說信號以可預測的方式變化。那是下一個“啊哈時刻”，每個射孔簇都是不同的。它必須與幾何形狀和生產力有關嗎？

根據他們的初步印象，似乎較大的應變變化表明射孔與裂縫寬度的較大變化有關，而射孔處沒有變化則表明導流能力很小。

顯示關井期間和之后應變測量的位置和大小的圖表有不同的形式：有些高，有些矮，有些瘦，有些胖。

在測試不同壓裂設計的不同壓裂段中，應變測量存在明顯差異，每個壓裂段有6個射孔簇，而其他段則有9個或10個射孔簇。

Jin解釋說，平均而言，6個和10個射孔簇接收到同等量級的流體，因為泵送的流體是根據射孔簇的數量進行調整的。但液體攝入量因射孔簇而異。

他說，一般來說，在具有6個射孔簇的壓裂段中，觀察到的壓裂裂縫區域（即在關井期間發生正應變變化的井孔段）更寬。但應變變化，是由峰值高度測量的，應變峰值面積相當于裂縫孔徑變化，在具有9到10個射孔簇的壓裂段中更大。”我們目前還沒有結論來確定哪些應變反應與更有效的射孔簇有關，Jin說。

Ugueto指出，有很多變量需要考慮，例如更多射孔簇的成本與由于太少射孔簇而造成的生產損失。

這導致了石油公司通常不會披露的事情。雖然美國能源部在支持壓裂礦場試驗時要求數據披露，但實際上，公開的內容往往以大量數據和分析的形式出現的，并沒有提供更好的壓裂配方。

各公司對這些結果的使用方式有所不同，目前還沒有人知道如何使用應變數據來預測未來的裂縫生產率。建模人員才剛剛開始研究回答這個問題所需的工具：從長遠來看，哪些射孔簇或壓裂方法可能更有效率？

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數據即將公開

應變數據的首要用途是對壓裂方法的評估。“當你壓裂一口井時，你可以列出20個不同的參數來決定，Jin說。

多年來，提高產量的途徑很簡單：泵送更多的液體和沙子，提高產量。

幾年前，當這種組合帶來的增量產量的增長減少時，這種情況就結束了，作業者變得更加注重成本，并開始考慮減少在壓裂強度上的支出是否會給油井帶來更好的投資回報。

“現在，當你嘗試某件事時，你必須等待兩年，然后地質學家可能會說，‘等等，那口井可能有更好的地質條件，所以它應該有更好的產量。’完井方式并不重要。”Jin說，并補充說不確定性減緩了完井的速度。

應變測量可能具有在壓裂尺度上進行直接測試的潛力，并且可以更快地提供結果。要實現這一目標，需要結合數據和其他性能標記的模型來量化相對性能。

“相對”是一個重要的詞，因為應變數據不是一個絕對值。他們無法確定裂縫可能貢獻產出多少石油，但可以將一個地方的裂縫與油井中的其他裂縫進行比較。

第一個利用近井應變數據的模型是由德州農工大學（Texas A&M）的Wu教授和他的團隊開發的（URTeC 5436）。他說，這一努力源于與Jin教授加入他們團隊的一次討論。他問Jin，“應變是否與你使用之前開發的模型所做的事情有關。”

利用Wu的應變模型加上Ugueto論文中有關應變測量的信息和他們開發的合成數據，Wu生成了與實際數據圖具有良好匹配度的模擬結果。當Ugueto看到她的結果時，這是另一個“啊哈時刻”，因為它顯示了一個數值模型可以提供洞察應變測量背后裂縫的物理特征。

對Wu來說，這是一個很有希望的開始，但她渴望有機會處理實際的數據。她和其他在HFTS-2工作的人將不得不等待數據的公布。Ugueto說，這很可能會在今年春天公布。根據聯邦規定，它必須在采集后2年內發布，但管理發布的后勤工作導致了過去的延遲。

她和她的團隊將把模型結果與實際數據進行歷史匹配。“在我們匹配了數據后，這將會給我們一個方向，”她說。

該測試也可能標志著生產過程中光纖測量增長期的開始。在這一點上，這些應變測量需要永久性的光纖安裝，這是昂貴的，盡管Ugegoto希望更低成本的選擇，如可插入的光纖最終可以被使用。

就目前而言，永久安裝光纖似乎是一個可能的新爭議點。如果這被證明是一種有價值的生產測量方法，“它將會開辟了一個全新的應用和價值創造的世界，”Jurick說。

審核編輯：劉清