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自主攻关打破垄断,技术创新填补空白

——工程技术研究院井下光纤微地震压裂裂缝监测技术研发及应用纪实
作者:景璐 张磊 王宁博   时间:2020-01-08   来源:永利日报

科研人员以科学严谨的态度,反复对方案进行比对论证。

一次次的现场试验,一次次优化改进,最终实现了技术的成功应用。

工程技术研究院井下光纤微地震压裂裂缝监测技术攻关团队。

技术背景

我国的微地震监测技术起步较晚,直到前几年,国外公司仍控制着其中的核心仪器和设备,这使得包括新疆油田公司在内的国内企业不得不在微地震监测处理解释关键环节上受制于国外公司。

技术研发

研发初期,科研人员经过详细技术调研和认真方案对比后,选择了基于光纤传感方案的井下微地震监测技术路线。该技术原理是通过将压裂过程中的微地震信号转为光纤中传输的光波相位信号,再由地面解调设备恢复出检波器拾取的振动信息,具有系统灵敏度高、数据传输速度快、抗电磁干扰等优势,能够完全绕开国外公司专利技术壁垒。

2019年10月,九5区HW95152井施工现场传来一个令人振奋的消息——工程技术研究院攻关研究的井下光纤微地震压裂裂缝监测技术在水平井现场试验取得了圆满成功。

技术应用

从逐步摸索出门道,再到可以结合实际进行现场应用,工程技术研究院项目组科研人员用求真探索的研究态度、兢兢业业工作精神达到了预期目标,巩固了我国能源安全。

2019年10月,九5区HW95152井施工现场传来一个令人振奋的消息——工程技术研究院攻关研究的井下光纤微地震压裂裂缝监测技术在水平井现场试验取得了圆满成功。

一时间,参与此项试验的研发人员都感到无比欣慰,多年的付出终于有了回报。很少有人知道,这条看似普通的喜讯其实意义重大,它不仅标志着研发人员的辛勤耕耘有了收获,更标志着我国光纤微地震监测技术打破了国外公司在这一领域的技术垄断,填补了该技术在国内的空白。

技术封锁制约发展,提前布局自主研发

微地震监测技术在油气田开发中具有十分重要的作用,被广泛应用于油气藏动态监测领域。特别是针对开发难度较大的非常规油气藏,微地震监测结果对储层改造作业指导的精准与否很大程度上影响改造效果的好坏,使得新疆油田玛湖致密油和吉木萨尔页岩油等非常规油气集中区块对该技术的需求十分迫切。

早在1997年,国外公司就已将微地震监测技术进行了商业化使用,并取得了良好的应用效果。我国的微地震监测技术起步较晚,直到前几年,国外公司仍控制着其中的核心仪器和设备,这使得包括新疆油田公司在内的国内企业不得不在微地震监测处理解释关键环节上受制于国外公司。特别是随着国内页岩气开发热潮袭来,国外公司更是对我国加强了地震监测处理解释技术的封锁,企图获取更高额的利润。

面对严峻的客观形势,新疆油田公司提前预见了技术封锁风险,筹划研发具有自主知识产权的井下微地震监测技术。2014年9月,工程技术研究院和清华大学光纤传感实验室签订合作协议,正式开始了井下光纤微地震监测系统的开发研究。

研发之路困难重重,勤学善思助力突围

研发初期,科研人员经过详细技术调研和认真方案对比后,选择了基于光纤传感方案的井下微地震监测技术路线。该技术原理是通过将压裂过程中的微地震信号转为光纤中传输的光波相位信号,再由地面解调设备恢复出检波器拾取的振动信息,具有系统灵敏度高、数据传输速度快、抗电磁干扰等优势,能够完全绕开国外公司专利技术壁垒。

但项目的推进过程可谓困难重重。初期,科研人员在最关键的推靠技术上就遇到了不小的阻力。井下光纤微地震监测系统的推靠装置是整个系统中的核心部分之一,作用是将封装在金属圆筒中的检波器单元紧推在套管壁上,以确保仪器能够清晰地“听”到地层中的微地震信号。可靠的推靠装置自主设计、加工难度大,在国内没有先例可寻,国外进口的仪器又绝不可能附带参考图纸。就在研发进程一度停滞时,锲而不舍的科研人员设计了多种推靠结构,反复试验对比、优化改进,最终成功研制出了大推靠力的机械装置,并完成了该装置的加工、安装和测试,确保了后续工作的顺利进行。

2016年8月,第一代微地震监测设备完成组装、调试,并在红山嘴油田进行了第一次现场试验,成功采集到了射孔信号。然而,之后的分析结果却给了所有人当头一棒:监测结果中并未发现微地震事件!这样的结果让大家的心里产生了动摇——“我们设计的方案可行么?光纤方案是否能用来监测微地震?我们研发的仪器可靠吗?”就在大家陷入沮丧时,项目总负责人谢斌给大家打气,鼓励大家要对自己有信心,然后协调项目组成员对仪器可能存在的问题进行逐一排查,改进完善后继续开展现场试验。

井下光纤微地震压裂裂缝监测技术在直井、定向井、水平井均开展了现场试验。

面对研发困难,项目组成员锲而不舍、反复试验。

利用光纤检波器,仪器能够清晰地“听”到地层中的微地震信号。

功夫不负有心人,一个多月后,试验失败的原因终于被揪了出来。原来是光路结构设计缺陷导致系统本底噪声恶化,且易引入光缆沿线的外界干扰,导致有效信号被淹没。针对这一问题,科研人员通过多次光路结构的改进和测试,使仪器的本底噪声达到了理想水平,并在次年8月的第二次现场试验中获得了成功。

好事多磨又遇难题,沉着应对方化险情

同样的突发难题还发生在项目推进的其他环节。2018年11月,在科研人员精益求精的追求下,井下光纤微地震监测系统已经升级至3.0版本,并且先后在直井、定向井中试验成功。离最后的胜利——水平井中的成功应用仿佛近在咫尺,然而好事多磨,就在科研人员打算将此系统应用于水平井,并且已经成功将仪器下入井中后,地面检测仪器显示光电复合缆中的光纤断了。彼时正值寒冬初至,大家的心情也随之降至冰点。但是科研人员很快就调整好心情,迎难而上。很快,故障被定位于井口的T形卡将光缆内部的光纤夹断。这个问题之前从未出现过,因为在全国范围内,这种光电复合缆的现场使用也是首次。几经思考,科研人员将仪器从井中上提,切开损坏部分的光缆,将其中的电线、光纤接上,再重新推靠,紧固T形卡。

但光纤断裂又发生了。正当大家一愁莫展时,高级工程师潘勇凭借丰富的现场经验,排除了光纤的质量问题,判断是T形卡出了问题,并建议改进光电复合缆井口悬挂装置后再次抢修。最终,光纤断裂的问题得到妥善解决,项目组也顺利地完成了该年度第2口井的监测工作。

5年研发打破垄断,多年辛劳终获佳绩

寒来暑往,转眼到了该技术现场试验的第四个年头,这也是一场终极检验和对决。2019年9月,经科研人员全面改进的4.0版本井下光纤微地震监测系统,与国外某知名的同类系统进行了一场同台竞赛,同时对同一口水平井的25级水力喷射压裂作业进行微地震监测。在长达13天的监测任务结束之后,工程技术研究院对比了两种监测结果,发现在裂缝走向,平均裂缝半长、高度、宽度等关键指标上两种系统解释结果基本一致,但自主系统解释的平均有效事件个数要略优于国外系统。这个结果让大家长舒了一口气,多年的辛劳终于换来了骄人的成绩。

从逐步摸索出门道,再到可以结合实际进行现场应用,工程技术研究院项目组科研人员用求真探索的研究态度、兢兢业业工作精神达到了预期目标,巩固了我国能源安全,也用一项项骄人的成果证明——“外国人能搞的,我们也能搞,甚至能搞得比他们更好”。

(摄影 裘新农)

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