孟令韜,鮑文輝,郭布民,申金偉,孫厚臺(tái)
(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300459)
近年來非常規(guī)資源探明儲(chǔ)量不斷增加,壓裂改造技術(shù)已逐漸成為該類油藏經(jīng)濟(jì)開發(fā)的重要手段[1,2]。然而對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂改造過程中認(rèn)識(shí)上的不平衡與不充分,導(dǎo)致儲(chǔ)層改造效果差、單井產(chǎn)能低,往往難以達(dá)到預(yù)期改造效果,因此如何評(píng)價(jià)非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂效果成為亟需解決的工程難題。
傳統(tǒng)測(cè)井工具使用范圍較窄,無法應(yīng)對(duì)水平井、大位移井壓裂改造工藝,且工序復(fù)雜、成本較高[3]。而地面與井下結(jié)合的微地震監(jiān)測(cè)法雖然可以測(cè)定裂縫長(zhǎng)度、寬度等幾何形態(tài),但難以確定產(chǎn)液剖面,且信噪比低、監(jiān)測(cè)精度差[4]。示蹤劑技術(shù)作為一種新興的壓裂效果評(píng)價(jià)手段具備適用范圍廣、精準(zhǔn)度高與工藝簡(jiǎn)便等特點(diǎn),逐漸受到廣大油田科研工作者的廣泛關(guān)注[5]。但目前針對(duì)示蹤劑技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂效果評(píng)價(jià)的報(bào)道較少,本文首先介紹了示蹤劑的研究進(jìn)展,并對(duì)示蹤劑技術(shù)在油田中的應(yīng)用進(jìn)行概述,重點(diǎn)分析了示蹤劑技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂效果評(píng)價(jià)中的作用機(jī)理。
示蹤劑是唯一能伴隨注入流體進(jìn)入油藏,指示流體注入方向、滲流速度并攜帶油藏信息返回地面的油田指示劑[6]。示蹤劑種類可以按照不同標(biāo)準(zhǔn)劃分,按在油水相的分配比,可分為油溶性示蹤劑、水溶性示蹤劑與油水分配型示蹤劑;按物態(tài)形式,又可分為氣態(tài)示蹤劑、液態(tài)示蹤劑與固態(tài)示蹤劑。隨著示蹤劑技術(shù)在油氣田開發(fā)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,工程技術(shù)人員也總結(jié)出性能良好的示蹤劑應(yīng)滿足以下6 個(gè)條件:(1)地層本底濃度低,無其他來源干擾;(2)與注入流體配伍性良好,不產(chǎn)生沉淀,不改變流體物理化學(xué)性質(zhì);(3)示蹤劑檢測(cè)方法便捷、精準(zhǔn)程度高;(4)具備適應(yīng)地層能力,不易與油層巖石發(fā)生吸附,耐溫耐鹽,穩(wěn)定性好;(5)無毒無害,不傷害地層,不會(huì)對(duì)施工人員造成傷害;(6)來源廣,價(jià)格低。
自1965 年Brigham 等[7]選用第一代化學(xué)示蹤劑研究注入流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與油藏非均質(zhì)特征,到微量物質(zhì)示蹤劑[8]作為評(píng)價(jià)非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂改造效果的技術(shù)手段,示蹤劑隨著油田不同時(shí)期的生產(chǎn)開發(fā)需求經(jīng)歷了四個(gè)階段的轉(zhuǎn)變。
1.2.1 第一代化學(xué)示蹤劑 化學(xué)示蹤劑主要分為三類:易溶的無機(jī)鹽(如SCN-、NO3-、鹵素等),一般被用作水相示蹤劑,因帶電荷與地層相同,所以地層吸附量較小,使用分光光度計(jì)即可檢測(cè)[9];染料(如茜素紅、胭脂紅等),該類示蹤劑穩(wěn)定性較差,在地層中容易被吸附,已逐漸呈被替代的趨勢(shì)[10];小分子有機(jī)化合物(如小分子鹵代醇、鹵代烷烴等),可用作油相示蹤劑與分配型示蹤劑使用,但小分子醇易被細(xì)菌吞噬,生物穩(wěn)定性差,在使用的同時(shí)需要加入甲醛等殺菌劑。
1.2.2 第二代放射性同位素示蹤劑 放射性同位素示蹤劑主要包括氚(3H)元素,因?yàn)殡盎瘹洌?HHO)與注入水物性特征相仿,且具備用量少、配伍性強(qiáng)、檢測(cè)精度高等特點(diǎn),也有用14C 與60Co 等。王路偉等[11]研發(fā)了三種放射性示蹤砂作為示蹤劑,示蹤砂隨壓裂施工進(jìn)入裂縫,通過能譜測(cè)井跟蹤地層中示蹤砂能區(qū)伽馬計(jì)數(shù)率的變化,可較為精確得到裂縫深度與高度,達(dá)到評(píng)價(jià)壓裂改造效果等目的。但放射性同位素示蹤劑不可避免會(huì)對(duì)人體有害,其大規(guī)模使用受到一定限制。
1.2.3 第三代非放射性同位素示蹤劑 非放射性同位素即穩(wěn)定性同位素,無放射性危害,如12C、15N、18O 等,具備放射性同位素示蹤劑用量少、檢測(cè)精度高等特點(diǎn),又克服了放射性同位素示蹤劑對(duì)環(huán)境與操作人員存在的潛在傷害風(fēng)險(xiǎn)[12],但非放射性同位素示蹤劑種類少,檢測(cè)時(shí)需中子活化,成本較高不利于推廣。
1.2.4 第四代微量物質(zhì)示蹤劑 微量物質(zhì)示蹤劑是近些年快速發(fā)展的新型示蹤劑[13,14],主要指儲(chǔ)層中含量極少或根本沒有的物質(zhì),如稀土元素、納米材料與聚合物顆粒等。此種示蹤劑具備非放射性同位素示蹤劑用量少、精度高等優(yōu)點(diǎn),且檢測(cè)方法簡(jiǎn)單高效,是較為理想的示蹤劑,尤其在水平井分級(jí)多段壓裂效果評(píng)價(jià)中。以新疆油田為例,陳福利等[15]在吉木薩爾蘆草溝組非常規(guī)致密油開發(fā)中使用多種微量物質(zhì)示蹤劑,確定了各段儲(chǔ)層壓裂返排次序、產(chǎn)油貢獻(xiàn)和裂縫特征,對(duì)后續(xù)完善致密油儲(chǔ)層改造提供有利技術(shù)依據(jù)。
將不同示蹤劑技術(shù)特點(diǎn)與局限性分析總結(jié)(見表1),放射性同位素示蹤劑由于自身放射性對(duì)施工人員存在潛在風(fēng)險(xiǎn),在大多數(shù)油田使用受限。而非放射性同位素示蹤劑雖克服了放射性危害但檢測(cè)時(shí)需要中子活化,極大增加了使用成本,不利于技術(shù)推廣?;瘜W(xué)示蹤劑種類多、檢測(cè)方法便捷一度成為油田使用最廣的示蹤劑,但由于化學(xué)示蹤劑用量大、地層適應(yīng)性差、檢測(cè)精度低等劣勢(shì),已逐漸呈淘汰趨勢(shì)。微量物質(zhì)示蹤劑作為新型示蹤劑受到油田科研人員廣泛關(guān)注,其特點(diǎn)是地層本底濃度極低、檢測(cè)精度高,可通過示蹤劑產(chǎn)出數(shù)據(jù)定量分析與解釋地層,有較高的準(zhǔn)確性。就目前而言,雖然化學(xué)示蹤劑仍是油田應(yīng)用的“主力軍”,但微量物質(zhì)示蹤劑是今后研究的重點(diǎn)方向。
表1 不同示蹤劑工藝特點(diǎn)與局限性分析
示蹤劑技術(shù)[4,16]原理是選用與壓裂液配伍的示蹤劑,在壓裂過程中伴隨壓裂液同步進(jìn)入地層,壓后返排時(shí),對(duì)返排液以一定時(shí)間間隔密集取樣檢測(cè),得到示蹤劑返排曲線,通過解釋示蹤劑返排曲線可達(dá)到壓裂效果評(píng)價(jià)等目的。該技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂效果評(píng)價(jià)中具體包括以下兩方面的應(yīng)用:
示蹤劑產(chǎn)出形態(tài)由排出機(jī)制控制[17],不同裂縫類型對(duì)應(yīng)著不同特征的示蹤劑返排曲線(見圖1),由圖1當(dāng)壓裂主要形成大裂縫時(shí)示蹤劑返排曲線峰值寬大且呈單峰型,而當(dāng)壓裂形成復(fù)雜裂縫時(shí),示蹤劑返排曲線峰值復(fù)雜為多峰型。Tian 等[18]指出非常規(guī)儲(chǔ)層地質(zhì)特性差異大,需要使用示蹤劑技術(shù)有針對(duì)性的調(diào)整壓裂改造施工方案。在美國(guó)德州Delaware 盆地非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂改造中采用示蹤劑技術(shù),根據(jù)示蹤劑返排曲線,確定了壓裂改造后不同層段裂縫形態(tài)與產(chǎn)出特征,指導(dǎo)了后續(xù)壓裂工藝參數(shù)設(shè)計(jì),取得了良好的壓裂改造效果。Li 等[19]采用示蹤劑技術(shù)對(duì)水平井多段壓裂縫網(wǎng)形態(tài)展開研究,通過建立BTC 曲線(示蹤劑突破曲線)表征壓裂不同階段裂縫網(wǎng)絡(luò)形態(tài),對(duì)壓裂效果評(píng)價(jià)有重要指導(dǎo)意義。
圖1 示蹤劑返排曲線與裂縫類型的關(guān)系
常青等[20]制備了20 多種微量物質(zhì)示蹤劑對(duì)裂縫近井參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到了裂縫深度、高度等精確信息,判定裂縫是否發(fā)育在目標(biāo)層位,為后續(xù)壓裂評(píng)價(jià)與同區(qū)塊壓裂施工設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。謝建勇等[21]選擇微量物質(zhì)示蹤劑對(duì)致密油水平井壓裂進(jìn)行監(jiān)測(cè),總結(jié)了示蹤劑采出濃度變化與裂縫類型的關(guān)系,將裂縫形態(tài)分為微裂縫、大裂縫與混合裂縫三類。張洪亮[22]通過隨鉆測(cè)井結(jié)合示蹤劑技術(shù)對(duì)致密油藏水平井各壓裂,分析得到壓裂段井筒周圍儲(chǔ)層巖性、含油性、壓裂規(guī)模與壓裂段產(chǎn)出貢獻(xiàn)率等關(guān)系,為致密油藏壓裂方案設(shè)計(jì)調(diào)整提供數(shù)據(jù)參考。
在水平井多段分級(jí)壓裂中,如何評(píng)價(jià)壓裂改造后各段產(chǎn)能是尚待解決的工程性難題。示蹤劑技術(shù)將不同種類示蹤劑加入到不同層段的壓裂液,壓裂施工結(jié)束后定時(shí)監(jiān)測(cè)返排液中每一種示蹤劑的濃度,得到各層段改造后的產(chǎn)液貢獻(xiàn)率,可作為評(píng)價(jià)不同層段壓裂改造效果的有效依據(jù),其機(jī)理(見圖2)。
圖2 示蹤劑技術(shù)在水平井分段壓裂中的應(yīng)用示意圖
Munoz 等[23]使用示蹤劑對(duì)Eagle Ford 油田中水平井產(chǎn)能進(jìn)行評(píng)價(jià),提出了SRV 體積改造評(píng)價(jià)法,該方法可分析各壓裂段裂縫特征、壓裂返排狀況。Ahmad等[24]采用示蹤劑技術(shù)對(duì)水平井分段壓裂后各段壓裂液的返排速度與返排量進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析各壓裂段裂縫發(fā)育情況,為壓裂工藝技術(shù)改造和優(yōu)化提供理論依據(jù)。Catlett 等[25]通過示蹤劑監(jiān)測(cè)法對(duì)初期返排、中期生產(chǎn)、后期穩(wěn)產(chǎn)三個(gè)階段間隔取樣,分析得到示蹤劑的回采率可較好反映壓裂改造效果,回采率越高代表儲(chǔ)層壓裂改造效果越好。
我國(guó)低滲透油氣藏資源豐富[26],示蹤劑技術(shù)在各大油田水平井分段壓裂工藝中已開始先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn),均取得理想預(yù)期。趙政嘉等[27]解決水平井分段體積壓裂后不同層段產(chǎn)液情況,開發(fā)了一套ZO 系列示蹤劑技術(shù),并成功應(yīng)用于束鹿凹陷束探2x 井。在壓裂過程中,示蹤劑隨壓裂液注入地層并返排回地面,通過對(duì)產(chǎn)出流體中示蹤劑種類與濃度的檢測(cè),得到各層段體積改造效果,分析井筒流體通道間流通關(guān)系,并為評(píng)價(jià)體積壓裂效果奠定基礎(chǔ)。耿宇迪等[28]為解決水平井分段酸鹽無法監(jiān)測(cè)各段產(chǎn)油產(chǎn)水貢獻(xiàn)率等問題,選用示蹤劑監(jiān)測(cè)法監(jiān)測(cè)返排液中不同類型示蹤劑濃度,進(jìn)而達(dá)到判斷各壓裂段油水運(yùn)動(dòng)規(guī)律、分析各段產(chǎn)油產(chǎn)水情況、驗(yàn)證壓裂段是否存在機(jī)械堵塞等目的。
示蹤劑技術(shù)對(duì)非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂改造有較好的指導(dǎo)效果,通過調(diào)研分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展得到以下兩點(diǎn)認(rèn)識(shí):
(1)示蹤劑技術(shù)經(jīng)歷了化學(xué)示蹤劑、放射性同位素示蹤劑、穩(wěn)定性同位素示蹤劑和微量物質(zhì)示蹤劑四個(gè)發(fā)展階段,已形成了一套較為完整的理論體系。隨著種類豐富、檢測(cè)精度高、應(yīng)用范圍廣的微量物質(zhì)示蹤劑興起,未來將逐步提高對(duì)微量物質(zhì)示蹤劑的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用。
(2)示蹤劑技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂改造評(píng)價(jià)中可通過示蹤劑返排曲線定性判斷壓裂形成的縫網(wǎng)形狀,優(yōu)化施工設(shè)計(jì)參數(shù);也可判斷水平井分段多級(jí)壓裂各段產(chǎn)出情況,量化每一段產(chǎn)出貢獻(xiàn)率,為壓裂效果評(píng)價(jià)奠定可靠基礎(chǔ)。