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自主攻關打破壟斷,技術創新填補空白

——工程技術研究院井下光纖微地震壓裂裂縫監測技術研發及應用紀實
作者:景璐 張磊 王寧博   時間:2020-01-08   來源:克拉瑪依日報

科研人員以科學嚴謹的態度,反復對方案進行比對論證。

一次次的現場試驗,一次次優化改進,最終實現了技術的成功應用。

工程技術研究院井下光纖微地震壓裂裂縫監測技術攻關團隊。

????技術背景

????我國的微地震監測技術起步較晚,直到前幾年,國外公司仍控制著其中的核心儀器和設備,這使得包括新疆油田公司在內的國內企業不得不在微地震監測處理解釋關鍵環節上受制于國外公司。

????技術研發

????研發初期,科研人員經過詳細技術調研和認真方案對比后,選擇了基于光纖傳感方案的井下微地震監測技術路線。該技術原理是通過將壓裂過程中的微地震信號轉為光纖中傳輸的光波相位信號,再由地面解調設備恢復出檢波器拾取的振動信息,具有系統靈敏度高、數據傳輸速度快、抗電磁干擾等優勢,能夠完全繞開國外公司專利技術壁壘。

????2019年10月,九5區HW95152井施工現場傳來一個令人振奮的消息——工程技術研究院攻關研究的井下光纖微地震壓裂裂縫監測技術在水平井現場試驗取得了圓滿成功。

????技術應用

????從逐步摸索出門道,再到可以結合實際進行現場應用,工程技術研究院項目組科研人員用求真探索的研究態度、兢兢業業工作精神達到了預期目標,鞏固了我國能源安全。

????2019年10月,九5區HW95152井施工現場傳來一個令人振奮的消息——工程技術研究院攻關研究的井下光纖微地震壓裂裂縫監測技術在水平井現場試驗取得了圓滿成功。

????一時間,參與此項試驗的研發人員都感到無比欣慰,多年的付出終于有了回報。很少有人知道,這條看似普通的喜訊其實意義重大,它不僅標志著研發人員的辛勤耕耘有了收獲,更標志著我國光纖微地震監測技術打破了國外公司在這一領域的技術壟斷,填補了該技術在國內的空白。

????技術封鎖制約發展,提前布局自主研發

????微地震監測技術在油氣田開發中具有十分重要的作用,被廣泛應用于油氣藏動態監測領域。特別是針對開發難度較大的非常規油氣藏,微地震監測結果對儲層改造作業指導的精準與否很大程度上影響改造效果的好壞,使得新疆油田瑪湖致密油和吉木薩爾頁巖油等非常規油氣集中區塊對該技術的需求十分迫切。

????早在1997年,國外公司就已將微地震監測技術進行了商業化使用,并取得了良好的應用效果。我國的微地震監測技術起步較晚,直到前幾年,國外公司仍控制著其中的核心儀器和設備,這使得包括新疆油田公司在內的國內企業不得不在微地震監測處理解釋關鍵環節上受制于國外公司。特別是隨著國內頁巖氣開發熱潮襲來,國外公司更是對我國加強了地震監測處理解釋技術的封鎖,企圖獲取更高額的利潤。

????面對嚴峻的客觀形勢,新疆油田公司提前預見了技術封鎖風險,籌劃研發具有自主知識產權的井下微地震監測技術。2014年9月,工程技術研究院和清華大學光纖傳感實驗室簽訂合作協議,正式開始了井下光纖微地震監測系統的開發研究。

????研發之路困難重重,勤學善思助力突圍

????研發初期,科研人員經過詳細技術調研和認真方案對比后,選擇了基于光纖傳感方案的井下微地震監測技術路線。該技術原理是通過將壓裂過程中的微地震信號轉為光纖中傳輸的光波相位信號,再由地面解調設備恢復出檢波器拾取的振動信息,具有系統靈敏度高、數據傳輸速度快、抗電磁干擾等優勢,能夠完全繞開國外公司專利技術壁壘。

????但項目的推進過程可謂困難重重。初期,科研人員在最關鍵的推靠技術上就遇到了不小的阻力。井下光纖微地震監測系統的推靠裝置是整個系統中的核心部分之一,作用是將封裝在金屬圓筒中的檢波器單元緊推在套管壁上,以確保儀器能夠清晰地“聽”到地層中的微地震信號。可靠的推靠裝置自主設計、加工難度大,在國內沒有先例可尋,國外進口的儀器又絕不可能附帶參考圖紙。就在研發進程一度停滯時,鍥而不舍的科研人員設計了多種推靠結構,反復試驗對比、優化改進,最終成功研制出了大推靠力的機械裝置,并完成了該裝置的加工、安裝和測試,確保了后續工作的順利進行。

????2016年8月,第一代微地震監測設備完成組裝、調試,并在紅山嘴油田進行了第一次現場試驗,成功采集到了射孔信號。然而,之后的分析結果卻給了所有人當頭一棒:監測結果中并未發現微地震事件!這樣的結果讓大家的心里產生了動搖——“我們設計的方案可行么?光纖方案是否能用來監測微地震?我們研發的儀器可靠嗎?”就在大家陷入沮喪時,項目總負責人謝斌給大家打氣,鼓勵大家要對自己有信心,然后協調項目組成員對儀器可能存在的問題進行逐一排查,改進完善后繼續開展現場試驗。

井下光纖微地震壓裂裂縫監測技術在直井、定向井、水平井均開展了現場試驗。

面對研發困難,項目組成員鍥而不舍、反復試驗。

利用光纖檢波器,儀器能夠清晰地“聽”到地層中的微地震信號。

????功夫不負有心人,一個多月后,試驗失敗的原因終于被揪了出來。原來是光路結構設計缺陷導致系統本底噪聲惡化,且易引入光纜沿線的外界干擾,導致有效信號被淹沒。針對這一問題,科研人員通過多次光路結構的改進和測試,使儀器的本底噪聲達到了理想水平,并在次年8月的第二次現場試驗中獲得了成功。

????好事多磨又遇難題,沉著應對方化險情

????同樣的突發難題還發生在項目推進的其他環節。2018年11月,在科研人員精益求精的追求下,井下光纖微地震監測系統已經升級至3.0版本,并且先后在直井、定向井中試驗成功。離最后的勝利——水平井中的成功應用仿佛近在咫尺,然而好事多磨,就在科研人員打算將此系統應用于水平井,并且已經成功將儀器下入井中后,地面檢測儀器顯示光電復合纜中的光纖斷了。彼時正值寒冬初至,大家的心情也隨之降至冰點。但是科研人員很快就調整好心情,迎難而上。很快,故障被定位于井口的T形卡將光纜內部的光纖夾斷。這個問題之前從未出現過,因為在全國范圍內,這種光電復合纜的現場使用也是首次。幾經思考,科研人員將儀器從井中上提,切開損壞部分的光纜,將其中的電線、光纖接上,再重新推靠,緊固T形卡。

????但光纖斷裂又發生了。正當大家一愁莫展時,高級工程師潘勇憑借豐富的現場經驗,排除了光纖的質量問題,判斷是T形卡出了問題,并建議改進光電復合纜井口懸掛裝置后再次搶修。最終,光纖斷裂的問題得到妥善解決,項目組也順利地完成了該年度第2口井的監測工作。

????5年研發打破壟斷,多年辛勞終獲佳績

????寒來暑往,轉眼到了該技術現場試驗的第四個年頭,這也是一場終極檢驗和對決。2019年9月,經科研人員全面改進的4.0版本井下光纖微地震監測系統,與國外某知名的同類系統進行了一場同臺競賽,同時對同一口水平井的25級水力噴射壓裂作業進行微地震監測。在長達13天的監測任務結束之后,工程技術研究院對比了兩種監測結果,發現在裂縫走向,平均裂縫半長、高度、寬度等關鍵指標上兩種系統解釋結果基本一致,但自主系統解釋的平均有效事件個數要略優于國外系統。這個結果讓大家長舒了一口氣,多年的辛勞終于換來了驕人的成績。

????從逐步摸索出門道,再到可以結合實際進行現場應用,工程技術研究院項目組科研人員用求真探索的研究態度、兢兢業業工作精神達到了預期目標,鞏固了我國能源安全,也用一項項驕人的成果證明——“外國人能搞的,我們也能搞,甚至能搞得比他們更好”。

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(攝影 裘新農)

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