水平井產(chǎn)液剖面示蹤劑連續(xù)監(jiān)測方法研究應(yīng)用

摘要：

利用緩釋固體示蹤劑開展水平井產(chǎn)液剖面監(jiān)測中，需要關(guān)井一定時間后再進(jìn)行高頻取樣測試，導(dǎo)致影響產(chǎn)量、誤差較大。為此，通過試驗研究了影響示蹤劑釋放的關(guān)鍵因素，以釋放速率與含水體積分?jǐn)?shù)的正向線性關(guān)系作為基本理論，以釋放速率與沖刷量間的正相關(guān)作為約束條件，建立生產(chǎn)條件下產(chǎn)液剖面與含水體積分?jǐn)?shù)的數(shù)學(xué)模型；運用最小二乘法對產(chǎn)液剖面擬合求解，建立示蹤劑連續(xù)監(jiān)測方法，并利用沖刷試驗對方法精度進(jìn)行了驗證。同時，在海上油田某ICD水平井中應(yīng)用，完成了200余天連續(xù)測試，并有效分析了該井3個封隔段的產(chǎn)液剖面及其變化情況。研究結(jié)果表明：該方法室內(nèi)測試誤差小于10%，現(xiàn)場測試剖面結(jié)果與地質(zhì)油藏參數(shù)趨于一致，準(zhǔn)確性高。所得結(jié)論可為油田水平井管理提供一種便捷高效的監(jiān)測手段。

關(guān)鍵詞：

水平井；示蹤劑；產(chǎn)液剖面；緩釋；連續(xù)監(jiān)測

中圖分類號：TE357

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

202401050

Research and Application of Continuous Monitoring Method of

Tracer for Fluid Producing Profile of Horizontal Wells

Tian Xiang1 Liu Yuanzhi1 Gao Xiaofei1 Wen Shouguo2

（1.Shenzhen Branch of CNOOC （China） Co.， Ltd.;2.CNOOC EnerTech-Drilling amp; Production Co.， Ltd.）

When the slow-release solid tracer is used to monitor the fluid producing profile of horizontal wells， high-frequency sampling test needs to be conducted after having shut in the well for a certain period of time， which affects the production rate and also leads to big errors. In this paper， the key factors affecting tracer release were identified through experiments. Taking the positive linear relationship between release rate and volume fraction of water as the fundamental theory and the positive correlation between release rate and wash load as the constraint， a mathematical model of the fluid producing profile and volume fraction of water under production conditions was established. The least square method was used to fit and solve the fluid producing profile， and a continuous monitoring method of tracer was established. Moreover， the accuracy of the method was verified by washing tests. Finally， the method was applied in an ICD horizontal well of an offshore oilfield， more than 200 days of continuous testing were completed， and the fluid producing profile and its changes in three isolated sections of the well were effectively analyzed. The research results show that the laboratory test error of the method is less than 10%， the field test profile results tend to be consistent with the geological reservoir parameters， and the accuracy is high. This study provides a convenient and efficient monitoring method for the management of horizontal wells in oilfields.

horizontal well;tracer;fluid producing profile;slow release;continuous monitoring

0 引 言

示蹤劑技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，憑借其直觀可靠的特點已在油田監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用［1-4］。近10年來，利用示蹤劑開展的水平井產(chǎn)液剖面監(jiān)測技術(shù)也已進(jìn)入快速發(fā)展階段。該技術(shù)在水平井完井管柱不同位置安裝不同的緩釋固體示蹤劑，開井后通過測試示蹤劑產(chǎn)出情況以獲得相關(guān)產(chǎn)液信息。示蹤劑分為油溶性和水溶性2種，可實現(xiàn)對油水兩相的監(jiān)測，其良好的緩釋性能滿足長期監(jiān)測需求，與常規(guī)產(chǎn)液剖面測試技術(shù)相比優(yōu)勢明顯［5］。

在生產(chǎn)應(yīng)用中，緩釋固體示蹤劑主要與流量控制閥ICD、自動流量控制閥AICD、常規(guī)滑套、智能滑套等水平井控水完井管柱相結(jié)合［6-10］，示蹤劑通常僅需安裝至控水工具周圍環(huán)空內(nèi)，無需全井段安裝，節(jié)省成本；同時，由于封隔器的存在，每種油/水溶性示蹤劑可以針對性地監(jiān)測封隔段，不會造成相互竄流影響監(jiān)測效果的問題。在上述情況下，利用示蹤劑可有效驗證控水效果及滑套開關(guān)狀態(tài)，為控水措施調(diào)整提供重要數(shù)據(jù)信息。

在測試階段，示蹤劑釋放速率在一定程度不完全取決于沖刷的快慢［11］，國內(nèi)外主要依靠沖刷斜率法和到達(dá)時間法進(jìn)行水平井產(chǎn)液剖面的測試，但這2種方法均需要配合關(guān)井完成。在關(guān)井期間，示蹤劑會大量釋放并在其周圍形成高濃度聚集區(qū)，開井后，每隔幾分鐘到十幾分鐘從井口取樣1次并測試，單次取樣測試周期會持續(xù)48～72 h。后續(xù)通過分析各種示蹤劑波峰的時間差或下降段斜率計算產(chǎn)液貢獻(xiàn)［12-14］。盡管上述方法應(yīng)用較廣泛，但由于其需要關(guān)井24 h甚至更長時間，會造成產(chǎn)量的損失，高頻次的取樣也增加了測試工作量；同時示蹤劑從井底向井口運移過程中會發(fā)生擴散，導(dǎo)致波峰變形，很大程度上降低了測試精度。

針對以上問題，筆者利用試驗研究了不關(guān)井情況下，示蹤劑釋放速率的主要影響因素，建立相關(guān)解釋模型，利用沖刷試驗完成模型驗證，并在海上油田某ICD水平井開展了為期200 d以上產(chǎn)液剖面的長期監(jiān)測。

1 示蹤劑釋放速率影響因素研究

為保證示蹤劑能夠在地層高溫、高壓、高礦化度水及原油等多種工作液中緩慢釋放，通常將有效的示蹤劑成分利用聚合物進(jìn)行包裹成型，如圖1所示。其中聚合物作為不溶骨架在地層中基本保持惰性，示蹤劑僅能通過骨架緩慢擴散到外界流體中［15-17］。另外示蹤劑僅能在其對應(yīng)相中釋放，例如水溶性產(chǎn)品在水相中釋放，油溶性產(chǎn)品在油相中釋放。在外界條件穩(wěn)定的情況下，示蹤劑釋放速率會保持在穩(wěn)定的水平。

在不溶骨架緩釋的條件下，示蹤劑釋放主要遵循Noyes-Whitney方程，其釋放速率為：

dM/dt=DSCs/δ（1）

式中：dM/dt為釋放速率，即單位時間的釋放量，mg/d；D為示蹤劑在對應(yīng)相中的擴散系數(shù)，cm2/d；δ為擴散邊界層厚度，cm；S為與示蹤劑對應(yīng)相的接觸面積，cm2；Cs為示蹤劑在對應(yīng)相中的飽和質(zhì)量濃度，mg/mL。

從式（1）可以看出，示蹤劑擴散系數(shù)與對應(yīng)相的接觸面積、飽和質(zhì)量濃度及擴散邊界層厚度均會直接影響釋放速率的大小。在油田生產(chǎn)情況下，與上述參數(shù)相關(guān)的條件較多，例如原油性質(zhì)、地層水性質(zhì)、pH值、溫度、沖刷速率、含水/含油體積分?jǐn)?shù)等。對于特定水平段來說，僅有沖刷速率、含水/含油體積分?jǐn)?shù)會有所差異，其余條件保持一致，因此重點研究這2個參數(shù)對示蹤劑釋放速率的影響。

1.1 沖刷速率影響試驗

試驗采用攪拌沖刷裝置，試驗溫度為90 ℃，試驗介質(zhì)為純水（含水100%，不含油），通過改變沖刷速率考察其對示蹤劑釋放速率的影響。圖2為攪拌沖刷裝置示意圖。該裝置通過調(diào)整攪拌速度即可獲得大范圍的沖刷速率，具有經(jīng)濟性好、操作便捷等優(yōu)勢。

圖3為在上述試驗條件下，沖刷速率與水溶性示蹤劑日釋放速率的關(guān)系曲線。從圖3可以看出，隨著沖刷速率的增加，示蹤劑釋放速率增加，但二者并非呈線性關(guān)系。分析原因如下：①當(dāng)示蹤劑靜置在水中時，示蹤劑與周圍液體形成穩(wěn)定的釋放體系，擴散層厚度δ最大；②當(dāng)開始沖刷后，Noyes- Whitney方程中的參數(shù)僅有擴散層厚度δ發(fā)生變化，受到液流的擾動，擴散層厚度δ變小，因此釋放速率增大；③擴散層厚度δ與沖刷速率并非呈線性關(guān)系，導(dǎo)致沖刷速率越大示蹤劑日釋放速率增加越小，增大到一定程度后逐漸趨于穩(wěn)定。

1.2 含水/含油體積分?jǐn)?shù)影響試驗

采用圖2裝置開展試驗，在90℃，1 000 m3/d的沖刷速率下，通過改變含水/含油體積分?jǐn)?shù)考察其對示蹤劑釋放速率的影響。

圖4為90℃，1 000 m3/d沖刷條件下，含水體積分?jǐn)?shù)與水溶性示蹤日釋放速率的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出，隨著含水體積分?jǐn)?shù)的增加，示蹤劑釋放速率增加，二者呈線性正相關(guān)。在Noyes-Whitney方程中，其他條件不變的情況下，隨著含水體積分?jǐn)?shù)的增加，唯一改變的是水與緩釋固體示蹤劑的接觸面積S，含水體積分?jǐn)?shù)越高對于水溶性示蹤劑的接觸面積越大，因此釋放速率越快。

2 產(chǎn)液剖面解釋方法研究

圖5為水平井示蹤劑安裝管柱示意圖。其中水平段被分為n段，示蹤劑短節(jié)安裝在滑套的兩端，每段均有一種油溶性示蹤劑和一種水溶性示蹤劑，各段示蹤劑不同。每段流體在從滑套流至主流道前均會沖刷示蹤劑，引發(fā)示蹤劑釋放，從井口測試示蹤劑質(zhì)量濃度可獲得相應(yīng)的信息，后續(xù)基于該管柱開展了相關(guān)解釋方法的研究。

2.1 研究思路

（1）研究表明，由于接觸面積的變化，示蹤劑釋放速率與含水體積分?jǐn)?shù)/含油體積分?jǐn)?shù)呈正比，可以通過每段油溶性示蹤劑和水溶性示蹤劑釋放量計算該段含水體積分?jǐn)?shù)。

（2）在某一階段內(nèi)井口產(chǎn)液、含水情況均相對穩(wěn)定，假設(shè)該階段各段的含水略有波動，而產(chǎn)液比例保持恒定。通過多個樣品含水體積分?jǐn)?shù)方程聯(lián)立，求取產(chǎn)液比例的階段平均值。

（3）研究表明，盡管沖刷速率與釋放速率并非呈線性，但二者正相關(guān)，可以利用其作為約束條件消除多解性。

2.2 測試方法

（1）在某穩(wěn)定生產(chǎn)階段收集m個油水樣及其所在時刻的單井測試數(shù)據(jù)，開展油水分離，并分別進(jìn)行示蹤劑質(zhì)量濃度測試。

（2）計算第m個樣品所在時刻、第n段的含水體積分?jǐn)?shù)fwnm：

fwnm=Cwnmfwm/［Cwnmfwm+Conm（1-fwm）］（2）

式中：

Cwnm為第m個樣品第n段水溶性示蹤劑濃度，mg/mL；fwm為m樣品時刻單井測試含水體積分?jǐn)?shù)，%；Conm為第m個樣品第n段油溶性示蹤劑質(zhì)量濃度mg/mL。

（3）對于水平段封隔的管柱，假設(shè)在穩(wěn)定階段第n段的平均產(chǎn)液剖面比例為An，在完成樣品測試后，聯(lián)立相關(guān)方程。

第1個樣品：

fw11A1+fw21A2+…+fwn1An=fw1（3）

第2個樣品：

fw12A1+fw22A2+…+fwn2An=fw2（4）

……

第m個樣品：

fw1mA1+fw2mA2+…+fwnmAn=fwm（5）

其中，約束方程1：

A1+A2+…+An=1（6）

約束方程2：

0≤A1，…，An≤1（7）

約束方程3：

若∑i=mi=1Cwnifwi+Coni1－fwigt;

∑i=mi=1Cwn－1ifwi+Con－1i1－fwi，

則An/An-1gt;∑i=mi=1Cwnifwi+Coni1－fwi

∑i=mi=1Cw（n－1）ifwi+Co（n－1）i1－fwi；

若∑i=mi=1Cwnifwi+Coni1－fwilt;

∑i=mi=1Cw（n－1）ifwi+Co（n－1）i（1－fwi），

則An/An-1lt;∑i=mi=1Cwnifwi+Coni（1－fwi）

∑i=mi=1Cw（n－1）ifwi+Co（n－1）i（1－fwi）（8）

利用最小二乘法多次迭代，計算獲得A1，A2，…，An，代入聯(lián)立方程（3）～（5）中，保證計算結(jié)果與單井測試含水體積分?jǐn)?shù)結(jié)果方差最小，即可獲得最終的平均產(chǎn)液剖面比例A1，A2，…，An。

2.3 方法驗證

通過沖刷裝置模擬現(xiàn)場工況，利用2.2的測試方法進(jìn)行解釋，驗證該方法的準(zhǔn)確性。沖刷模擬裝置如圖6所示。沖刷流程由1#、2#、3#這3路并聯(lián)，分別包括3個10 L的容器（帶加熱和攪拌功能）、3臺蠕動泵（0～500 mL/min）、示蹤劑安裝管。試驗時分別向1#、2#、3#這3路容器中倒入水和煤油，調(diào)整含水體積分?jǐn)?shù)分別為65%、50%和80%。開始攪拌，并加熱至90 ℃。1#、2#、3#這3路示蹤劑管中各放置一種油溶性、一種水溶性示蹤劑，依次為WT（1）、OT（1），WT（2）、OT（2），WT（3）、OT（3）。1#、2#、3#這3路蠕動泵流量分別調(diào)整為100、200和150 mL/min。每隔5 min取樣1次，記錄所取樣品的含水體積分?jǐn)?shù)，同時測試油、水樣中6種示蹤劑的質(zhì)量濃度。對測試結(jié)果進(jìn)行解釋，與實際的產(chǎn)液剖面進(jìn)行對比。

表1記錄了各路示蹤劑不同時刻的質(zhì)量濃度和含水體積分?jǐn)?shù)。利用2.2方法進(jìn)行求解，三路的流量比例分別為0.21、0.41、0.38，實際三段產(chǎn)液剖面比例為0.22、0.44、0.34，誤差可控在10%以內(nèi)，證明了方法的可靠性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用與效果

3.1 方案設(shè)計

為監(jiān)測海上油田某井產(chǎn)液剖面及其變化情況，評估控水效果，在該井每個ICD管柱上安裝油/水溶性示蹤劑用于相關(guān)監(jiān)測。該井水平段長389 m，利用封隔器封隔為3段，相關(guān)信息如表2所示。從表2可以看出，由于跟部處于低部位，同時考慮各段滲透率情況，為平衡水平段生產(chǎn)壓力，3段ICD孔徑逐漸增大。另外，3個封隔段分別安裝一種油溶性示蹤劑和一種水溶性示蹤劑，每個ICD管柱各安裝0.5 m油溶性示蹤劑和0.5 m水溶性示蹤劑，具體如圖7所示。

3.2 監(jiān)測情況及結(jié)果

圖8為生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)。該井自2024年5月5日開井至12月6日，不斷提液，產(chǎn)液由540 m3/d增加至2 900 m3/d，含水體積分?jǐn)?shù)由3%增加至95%以上。該井累計監(jiān)測212 d。

圖9為各產(chǎn)液階段3個封隔段的產(chǎn)液剖面信息。由圖9可以看出：隨著產(chǎn)液量的增加，各段產(chǎn)液剖面比例有所波動，腳跟處低液量時動用程度較低，后續(xù)也逐漸上升；中間段相對較為穩(wěn)定，產(chǎn)液貢獻(xiàn)一直處于高位；第3段產(chǎn)液剖面比例相對較為穩(wěn)定，且處于低位。

圖10為3個封隔段的含水體積分?jǐn)?shù)變化。由圖10可以看出，各段含水體積分?jǐn)?shù)均不斷上升，且逐漸處于高含水階段，中間段含水體積分?jǐn)?shù)相對較低，為90%（0.9）左右。

圖11為3個封隔段的示蹤劑測試結(jié)果與地層參數(shù)對比。從圖11可以看出：示蹤劑測試結(jié)果與地層系數(shù)KH劈分趨勢一致，在一定程度上也驗證了方法的正確性；同時示蹤劑測試產(chǎn)液剖面較地層系數(shù)KH劈分相對均勻，說明ICD有一定控水作用。

4 結(jié)論與建議

（1）示蹤劑連續(xù)監(jiān)測方法無需關(guān)井，可長期連續(xù)開展水平井產(chǎn)液剖面監(jiān)測，整個過程操作便捷、不影響產(chǎn)量，為海上油田提供了一種重要的測試方法，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

（2）利用示蹤劑監(jiān)測結(jié)果可有效評估水平井控水措施，同時能夠為控水制度調(diào)整提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

（3）后續(xù)可將示蹤劑與其他管柱，如防砂篩管、分支管柱等進(jìn)行結(jié)合，并開展解釋方法研究，擴大示蹤劑監(jiān)測應(yīng)用范圍。

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第一田翔，高級工程師，生于1976年，1998年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院石油工程專業(yè)，現(xiàn)從事油氣田勘探開發(fā)及管理工作。地址：（518000）廣東省深圳市。email：tianxiang2@cnooc.com.cn。