水力压裂是低渗透油气藏增产的主要措施之一，水力裂缝的形态即裂缝的高度、长度、宽度、方位和倾角等，对于制定合理的开发方案、确保油气田开发的完整性、达到长期高效的油田开发和增产的目的具有重要意义。目前水力裂缝监测的直接方法主要有近井筒方法和远井方法。地面测斜仪裂缝监测技术对“井工厂”模式下的多口水平井分段压裂具有良好的适用性，能够一次性监测多口井的分段压裂裂缝的主要参数。近些年，该技术在国内外进行了广泛的应用^[1,2,3,4,5]，但是基本是在单一直井或者单一水平井分段压裂监测中应用。

大牛地气田储层以辫状河流相沉积为主，纵向上交错叠合发育，平面上分片展布，非均质性较强，气藏内部差别较大，是典型的低压、低孔、低含气饱和度致密气藏。大牛地气田盒1气层平均孔隙度9.09%，平均渗透率0.55 mD，地层压力系数0.91，采用水平井分段压裂工艺取得了较好的改造效果^[6]。为进一步提高大牛地气田盒1气层的储量动用程度，掌握“井工厂”水平井分段压裂后的裂缝走向和裂缝几何参数，在大牛地气田R井组的水平井同步压裂过程中^[7,8,9]，利用地面测斜仪采集倾斜角变化信号，并通过数据解释软件反演求取裂缝参数，获得每一段水力裂缝的方位、长度和复杂性参数，为优化压裂设计、评价压裂效果和合理布置注采井网提供了理论依据。

水力压裂可将地层压开，并最终形成一定宽度的裂缝。压裂裂缝引起的岩石变形场向各个方向辐射，引起地面及地下地层的变形，这种地面地层变形的量级为微米级，几乎是不可测量的，但是可以测量变形场的变形梯度(即倾斜场)。因此，可以在地面压裂井周围或邻井井下布设一组测斜仪，测量地面由于压裂引起岩石变形而导致的地层倾斜，再通过地球物理反演的方法^[10]来反演出压裂裂缝的参数。测斜仪监测垂直裂缝的基本原理如图1所示。

图1 测斜仪裂缝监测原理 Fig.1 Fracture monitoring principle of surface tiltmeter

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不同类型的裂缝引起的地层变形在地面的变形场如图2所示。变形场不受储层岩石力学特性和原地应力场的影响，比如一条定尺寸的南北向扩展的垂直水力裂缝，不管裂缝位于低模量的硅藻岩、非常硬的碳酸岩还是疏松的砂岩，在地面产生的变形模式将是一样的，变形的模式是具有南北向趋势的由周围对称隆起环绕的槽(若裂缝有倾斜，则隆起不对称)，隆起的大小取决于裂缝的体积和裂缝中心的深度^[11]。

图2 深度91.44 m的不同方位水力裂缝产生的地表变形 Fig.2 Deformation of hydraulic fracture in different azimuths at the depth of 91.44 m

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在进行压裂裂缝监测之前，基于相关的施工参数，可以提前计算出压裂裂缝产生过程中所造成的最大倾斜角：

式中：T_max为最大倾斜角，μrad；V为裂缝内流体的体积，m³；D为射孔垂直深度，m。

某一口页岩气直井压裂施工时射孔位置垂深为2 400 m，压裂液用量为2 000 m³，通过式(1)可计算得到压裂过程中所产生的最大的倾斜角为24.1 μrad。测斜仪的最高测量精度为1 μrad，满足工程施工精度要求，因此可以采用测斜仪进行裂缝监测。

大牛地气田R井组是一“米”字形水平井组，水平段平均垂深2 540.00 m左右。应用测斜仪对 R-1H井、R-3H 井和 R-5H 井进行压裂裂缝监测(井位分布见图3)。其中，R-5H 井和 R-3H 井采用水平井同步压裂工艺， R-1H 井采用水平井单井分段压裂。

一般来说，布置单一水平井测点时，依据射孔深度、水平段长度和施工规模确定测斜仪支数和布置范围。对于丛式水平井组，测点的布置范围要根据3口井水平段的位置进行优化设计，因此测点布置范围要远大于单一水平井的范围，测点数量也比单一水平井要多。

根据R井组实际情况及目前已完钻水平井的水平段长度和压裂施工参数情况，监测单井单段压裂需布置36支地面测斜仪。根据3口水平井多段压裂需要，统筹考虑井深允许的测斜仪布放机动余量，设计55支测斜仪可以满足监测要求。在水平井射孔位置，以深度的25%～75%为半径的环形范围内随机布孔。3口井的垂直深度为2 540 m，因此测斜仪地面观测点布置在以措施段中心位置为圆点、以635和1 905 m为半径的环形范围内，在井的东、西、南、北大致相同数目的井眼内随机布置。依次压裂 R-1H井、R-3H 井和 R-5H 井，3口井监测时以中间井为基准进行布放，左右适当增加。图3是根据这3口井的压裂监测任务设计的测点布置优化方案。

图3 R井组地面测斜仪设计测点分布 Fig.3 Distribution of designed measuring points of the surface tiltmeter in Cluster R

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结合设计方案和现场地表实际条件，在井组地面4 km²范围内布置了54支地面测斜仪(见图4)。

图4 R井组地面测斜仪实际测点分布 Fig.4 Distribution of actual measuring points of the surface tiltmeter in Cluster R

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图4中，3口井的井口用红旗代表，各井水平段的两端用绿旗代表，测斜仪测点用蓝旗代表。每一个蓝色测点都是通过GPS现场定位确定的。在现场布置完地面测斜仪后，由于现场压裂作业制度的临时调整，只对 R-3H 井和 R-5H 井进行压裂裂缝监测。

在现场压裂作业过程中，R-3H井因投球滑套提前打开，放弃了前3段施工，实际采用地面测斜仪对R井组的 R-5H 井和 R-3H 井这2口水平井进行了同步压裂裂缝监测。这2口井共压裂15段，得到15个裂缝监测结果，其中包括裂缝方位、裂缝半场、裂缝的水平分量和垂直分量，以及压裂裂缝扩展而引起地表变形的趋势面及其矢量场。

图5为2口水平井的裂缝方位示意图，清晰地反映了2口水平井的位置、每一段裂缝的方位、地面测斜仪测点的分布和井口的位置等参数,其中沿着水平井段的彩色短线分别代表了每一段压裂裂缝和方位。这2口井的裂缝参数汇总结果见表1和表2。

图5 R井组2口水平井地面测斜仪裂缝监测方位结果 Fig.5 Azimuths obtained in fracture monitoring of the surface tiltmeter for Cluster R

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裂缝监测结果表明，R-3H 井水平井分段压裂裂缝的方位为北偏东53°～71°，裂缝半长112～149 m； R-5H 井水平井分段压裂裂缝的方位为北偏东67°～76°，裂缝半长107～142 m。

对15条裂缝所造成的地面变形场的形态和变形数值分别进行了数值模拟。R-5H 井第4级裂缝的地表变形形态如图6所示，图中颜色越深表示地表的变形越大，即垂向位移越大，由于垂直裂缝为主体，造成地表的变形具有一大一小2个峰值。R-5H 井第9级裂缝的地表变形形态如图7所示，由于水平裂缝为主体，造成地表的变形仅有一个峰值(单一隆起)。

图6 R-5H井第4级裂缝造成的地表形变 Fig.6 Surface deformation caused in stage 4 in Well R-5H

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图7 R-5H井第9级裂缝造成的地表形变 Fig.7 Surface deformation caused in stage 9 in Well R-5H

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对不同级数裂缝的垂直分量和水平分量对比研究发现，水平井同步压裂对裂缝形态的影响显著。由于这2口井相对应的压裂级数基本属于同步压裂(泵车开泵时间前后不超过20 min)，因此会产生局部诱导应力场的变化，使得产生的裂缝之间相互干扰，在一定程度上增加了裂缝的复杂性。从表1可以看出，从第7级裂缝到第9级裂缝，其水平分量逐渐增加；从表2可以看出，从第5级裂缝到第9级裂缝，其水平分量显著增加。从第1级裂缝到第9级裂缝之间，2口井水平段之间的距离是逐步减小的，因此随着水平段之间距离的减小，同步压裂所造成的应力干扰程度逐渐升高，造成裂缝的水平分量显著增大，增加了裂缝的复杂性。产量对比发现(见表3)，由于 R-3H 井和 R-5H 井同步压裂中产生的复杂裂缝较多，这2口井的无阻流量分别是20.41×10⁴ m³/d和27.51×10⁴ m³/d，分别在该井组单井产量中排名第一和第二。

以上研究表明，同步压裂中产生的复杂裂缝，在一定程度上增大了有效改造体积，进而提高了压裂后的单井产量。在今后的水平井“井工厂”钻井设计和压裂设计中，综合考虑水平井水平段之间的距离和压裂设计中的裂缝规模(缝长)，既要在水平井的水平段之间充分地造长缝，提高压裂裂缝的有效改造体积，又要适度控制裂缝规模和裂缝的复杂性，以有效提高压裂后的产量。

1) 基于地面测斜仪的裂缝监测技术在水平井井组“井工厂”压裂模式中的成功应用表明，地面测斜仪可以为水平井组的压裂后评估及压裂设计方案优化提供依据，具有较好的推广前景。

2) R井组的2口水平井采用的是水平井组同步压裂工艺，说明地面测斜仪裂缝监测技术适用于水平井同步压裂监测。

3) 测斜仪裂缝监测技术不仅可以监测水平井同步压裂的裂缝参数，而且可以判断压裂裂缝的复杂性。

4) 水平井同步压裂工艺对裂缝形态的影响显著。对测斜仪监测结果的初步研究发现，在靠近2井井口的水平段部分的多条裂缝的水平分量显著增大，说明随着水平段之间距离的减小，同步压裂所造成的应力干扰程度逐渐升高，造成裂缝的水平分量显著增大，增加了裂缝的复杂性。