HFTS-2 最终报告：Wolfcamp 现场试验到底发现了什么

这是什么。 HFTS-2 是第二座水力压裂试验站,由美国 DOE / NETL 加 GTI Energy 联合 16 家公司, 在二叠盆地 Delaware 区的 Wolfcamp 页岩、德州 Loving 县建成。Occidental 运营,历时约四年, 是史上仪器化程度最高的压裂试验站之一。343 页最终报告和全部数据公开于 EDX。这是精简版。

一张图看懂试验场

8 口新生产井,水平段约 7,500 ft、间距 660 ft,落在 Wolfcamp 上段和中段。旁边是两口约三年前钻的既有 Bitterroot 母井,还有两口专用科学井:一口叫 Boxwood-5PH 的垂直先导孔,以及一口叫 Boxwood-6S 的斜井,斜穿改造体取心。三口井布了永久光纤,两口水平、一口垂直。

Fig 105 — HFTS-2 数据总览:子井 Boxwood-1H 到 4H、既有 Bitterroot 母井、光纤井、微地震井。

研究数据集极其庞大:微地震、1,500 ft 全岩心、其中 950 ft 直接穿过压裂储层、DFIT、高级测井、地化、井下压力计、多种完井设计,以及大量光纤测量。全部整合起来,用于锁定裂缝几何与泄压。

光纤怎么”看见”一条裂缝

主力观测是低频 DAS 应变率瀑布图。当邻井的水力裂缝逼近光纤,应变率图会显出特征信号:先是逼近的拉伸前缘,到命中时是被压缩应力影包夹的心形拉伸,泵停后极性反转、松弛。

Fig 27 — LF-DAS 单簇裂缝命中与方位 Fig 27 — (a) 单簇段的 LF-DAS 应变率:接近裂缝、命中与传播、停后松弛,拉伸裂缝脉冲被压缩应力影包夹。(b) 两个单簇段算出的裂缝方位 N 79.8°E 与 N 81.1°E,相隔 1,000+ ft 仍高度一致。

报告从这种图上测出裂缝方位、frac-zone-domain 宽度、到命中的时间与体积、传播速度。多簇段则更复杂: 多条簇依次命中监测井,后到的裂缝一来,先前的拉伸瓣立刻翻成压缩,显出真实的、互相干扰的传播过程。

Fig 28 — 多簇 LF-DAS Fig 28 — B2H 六簇段在 B3H 和 B4H 上观测到的 LF-DAS 应变率。按到达顺序和间距把各 frac-zone-domain 归到每条簇。

发现

1. 裂缝长得很高,纵向远超目标层

观测到显著的纵向高度扩展,从 3rd Bone Spring 砂岩一直向下到 Wolfcamp A2。裂缝不会乖乖待在落地的那个小层里,这直接决定了井在纵向能叠多密。报告最干净的证据,是把三种独立方法放在同一深度轴上集成: 光纤应变、微地震、压力计。

Fig D 17 — 光纤、微地震、压力三源集成 Fig D 17 — 三种独立诊断在同一深度轴上的纵向覆盖:左为 B4H 第 21 段的 FO-DAS 应变,中为微地震,右为 8 个永久压力计的孔隙压力泄压。光纤给出的高度估计始终最高。

光纤应变总是读作裂缝高度的上界,因为它能探到别的诊断测不到的小应变变化。

2. 远场裂缝是平面、平行、成群的

远离井筒后,裂缝分布不均匀,而是组织成由应力状态决定的线性裂缝走廊。报告给的裂缝几何结论异常清晰:

裂缝不随机,没有复杂分叉架构
裂缝域基本平面、平行,方位与最大水平主应力一致
域有明确、离散的近场和远场宽度
域纵向不对称,强烈向浅部生长,受应力和浅层泄压控制
侧向生长受既有裂缝和泄压控制

在 660 ft 处,诱导裂缝收在单一 frac-zone-domain 里,宽度只比 5 m 的光纤 gauge length 宽一点点。岩心证实了成群:共数出 500 条水力裂缝,以成对、成三、成群出现,而非均匀分布。

Fig 52 — 岩心里的平面水力裂缝 Fig 52 — 斜井岩心中的水力裂缝:许多异常平直、光滑、无特征;切碳酸盐的那些更粗糙。

Fig 54 — 岩心中的裂缝群 Fig 54 — Core 2 中的四裂缝群。最左几条是水力裂缝,群内带有下文描述的细砂斑块。

3. 母井泄压会偏置新裂缝

超过一半的子井段与已泄压的母井区域重叠。项目演示并定量了泄压如何把新裂缝的扩展扭向低压的泄压区。这就是让运营商真金白银损失产量的母子井难题,现在是测出来的,不是猜的。

4. 微地震高估裂缝范围

微地震事件云比 LF-DAS 观测到的裂缝宽得多。报告把这部分多出来的解释为压力扩散造成的,而不是真实的支撑裂缝。微地震画的是压力晕,不只是裂缝本身。

Fig 15 — 各段微地震事件位置 Fig 15 — 按段着色的微地震事件位置。同一批段,事件云比 LF-DAS 的 frac-zone-domain 更宽。

5. DSS-RFS 证明了自己是簇级诊断工具

HFTS-2 是基于 Rayleigh 频移的分布式应变、也就是 DSS-RFS,在非常规储层最早的应用之一。这是高分辨的应变成图,能逐簇分辨行为。关井和重开测试让应变可读作裂缝缝宽变化,且 DSS 应变剖面与压裂期的 DAS 声强吻合。近井 frac-zone-domain 宽度算出来在 11 到 15 ft 之间。

Fig 40 — DSS-RFS 应变 vs 压裂期 DAS Fig 40 — 生产关井期的 DSS-RFS 应变变化剖面,与压裂期 DAS 声强对比,两个段的簇数不同。

同一套应变测量放到生产期,就变成纵向泄压剖面的代理:垂直科学井上的光纤应变,能逐个小层画出压力往哪里泄。

Fig D 18 — 应变变化泄压剖面 Fig D 18 — 稳定流期间垂直井 B5PH 上的应变变化剖面,显示从 3rd Bone Spring 砂岩顶到 Wolfcamp A2 中部的泄压。

6. 最清醒的一条:支撑剂几乎到不了远场

穿裂缝取心是现实检验。远离井筒处完全没有砂堆,只有零星的细支撑剂颗粒,粒径 63 到 120 µm,卡在裂缝台阶和 twist-hackle 里。然而支撑剂确实在侧向超过 2,000 ft 处被检测到,用的是本项目验证过的 GTI 支撑剂测井工具。裂缝能传得很远,但远场的有效支撑导流很薄。注进去的砂,大多没留在远端裂缝该在的位置。

Fig 61 — 裂缝面上的支撑剂 Fig 61 — 清理后的裂缝面上的细支撑剂砂斑块,颗粒卡在台阶与 twist-hackle 处。远场岩心里找不到厚砂堆。

岩石为什么对地球物理关键

Wolfcamp 目标层是致密的钙质和硅质泥岩夹碳酸盐,不是砂岩。岩心岩性以泥岩、碳酸盐、方解石充填的天然裂缝为主。岩心里唯一的砂是注入的支撑剂。正是这种刚性、低孔、富碳酸盐的结构,让这里的时移速度 4D 信号很弱。这也是为什么基于应变的光纤诊断,比如 LF-DAS 和 DSS-RFS,而不是地震速度,才是刻画这些裂缝的主力。

一句话结论

HFTS-2 的头条不是某个数字,而是方法的转变。永久多井光纤,包括 DAS、DTS、DSS-RFS,用取心的改造体标定,足以把纵向扩展、簇效率、母子井泄压、支撑范围刻画到能驱动井距与完井设计决策的程度。这些正是非常规开发里的十亿美元级杠杆。报告里贯穿两个警告:没有单一诊断工具能讲完整故事;远场裂缝的长度, 不等于远场的导流能力。

来源:HFTS-2 最终报告,OSTI 1907894,项目号 DE-FE0031577,GTI Energy,2022。数据公开于 EDX gti-hfts-2。图片取自 DOE 公有领域最终报告。