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压裂实时裂缝诊断的高频压力裂缝监测技术MWF(MeasurementWhileFracturing)

摘要：和钻井的随钻测量MWD（MeasurementWhileDrilling）一样重要，压裂实时裂缝诊断MWF(MeasurementWhileFracturing)也是所有压裂人的梦想。在针对裂缝实时诊断的各种尝试中，地面或井下微地震、地面或井下精细测斜、有限差分或可控源电磁、导电或磁性支撑剂、大地或井地电位、DAS或DTS光纤等手段均需要体型庞大的专门设备和数量不少的传感器布置在地面或井下，高频压力裂缝监测技术（HFPM）则是仅将一只高频压力计安装在井口即可实现压裂实时裂缝诊断MWF的实用技术。高频压力裂缝监测从记录和分析水力压裂全过程具有水锤效应的水击波出发，在强大的试井理论模型做支持的基础上，形成了具有国内自主知识产权的倒谱分析、停泵分析和数值模拟的三合一手段，可以就进液情况、裂缝情况、套损情况、产量预测等人们关心的MWF各种参数进行解析解和数值解计算。其小巧简便易携带且解释结果相对可靠的特点，假以时日最可能脱颖而出成为压裂服务公司装在仪表车上的MWF标配技术。

一、水力压裂实时裂缝诊断MWF概念

规模化水力压裂是油气开采、热储利用和核废料处理的工程利器，但其大多应用场景是在地下深层，又特别是有几百至几千米不等的水平井段。钻井工程常用到的随钻测量MWD(MeasurementWhileDrilling)相当于地质学家和油气藏开发工程师的“鼻子和眼睛”，实现了精确的地质导向，是提高钻井效率和油气产量的关键因素。在压裂期间实现裂缝实时诊断MWF(MeasurementWhileFracturing)则是所有压裂人的梦想，MWF就意味着“透明地层”。较早提炼MWF概念的是2018年Parkhonyuk发表的文章“MeasurementsWhileFracturing:NonintrusiveMethodofHydraulicFracturingMonitoring”，介绍一种不干扰压裂过程的压裂裂缝实时诊断的方法，摘要上说一种新的实时不干扰式压裂过程实时监测方法已经开发出来。该方法结合了先进的信号处理算法和基于贝叶斯统计的管波（tubewave）速度模型，因此不需要复杂的硬件。这使得工程师在井场即可进行降成本提高效益且及时的决策，该技术已在多个压裂和重复压裂作业中得到验证（SPE189886，TheWoodlands,Texas,USA,23-25January2018.）。

水击过程中的压力振荡和频率随时间的倒频谱图。

倒图上强烈的负峰表示来自断裂的反射。

追踪到的频率（白色部分）对应于7.09秒的振荡周期

由于压裂施工不同于钻井，钻井中钻头始终与地层接触，各类设备可以放置在钻头附近进行随钻测量，根据多种参数测量进行综合分析。而压裂主要设备在地面，送到地下的是流体和支撑剂，所以，施工压力是水力压裂过程中记录的第一个参数，实际上，利用压力反演井筒及地层参数在油气开发各阶段都被广泛应用，如钻井中DST(Drill-stemtesting)分析、压裂中G函数分析、试井分析、生产数据分析及开发阶段的压力历史拟合等都是基于压力的反演。以往的秒读压力数据曾被用来解释裂缝的状态（如双对数曲线对是否接近砂堵的解释，瞬时停泵和闭合压力对动态缝长和压裂液滤失的估计等做法都很经典，超级链接-施工压力被认为是认识地层的重要手段），目前受关注比较热门研究的是压裂过程水锤效应-管波-水击波，由于其是从地面向下在井筒中传播反射完井元件（管端、地层破裂进液、管扩、套损，或所有这些因素的组合）并返回造成的，从而可以实时解释我们需要的各种参数。

以工程施工数据辅助油藏数值模拟的技术探讨

通常，由于管波在遇到桥塞或裂缝时波被反射或吸收从而产生次级波，这些次级波通过套管中的压裂液回传到地面，在水锤效应-管波完全衰减之前可以检测到几个周期。因水中波速较大，波事件是毫秒量级，我们必须以所需的采样率（通常高于几十到上千赫兹，这也是高频压力裂缝监测技术High-FrequencyPressureMonitoring的由来）记录这些数据，那么水锤信号就可以足够的精度重建，以确定信号周期和借以解释水力压裂在地下发生实时状况的各种信息。对水锤效应，管波或说水击波，可以理解认为其类似于水中的微地震或声发射事件，是一种能量突变。令人欣喜的是，在学术界和工业界，已经有机构和企业通过高频压力计来记录这一能量突变，然后用各种解析解和数值解的理论方法分析水击波能量突变特征代表的地下信息，相关研究成果已经变成了可以操作的实用技术，而且还结合了地质油藏建模的方法对其有所发展。

二、高频压力监测与数模结合的MWF（原理、云计算、功能、