示蹤劑技術(shù)在壓裂效果評(píng)價(jià)中的研究進(jìn)展

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。

1 示蹤劑研究進(jìn)展

1.1 示蹤劑簡(jiǎn)介

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。

1.2 示蹤劑發(fā)展歷程

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)。

1.3 示蹤劑分析

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

2 示蹤劑技術(shù)在非常規(guī)儲(chǔ)層壓裂效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

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：

2.1 壓裂裂縫評(píng)價(jià)

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。

2.2 水平井分段壓裂產(chǎn)能評(píng)價(jià)

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。

3 結(jié)論

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)。