油田水力壓裂裂縫的放射性示蹤實驗研究

王路偉，高 翔，崔海平

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.原子高科股份有限公司，北京 102413 )

水力壓裂技術作為油田尤其是低滲油田和頁巖氣開采的主要增產措施，已經得到廣泛的應用[1]。在水力壓裂中準確獲得水力裂縫形態非常重要[2]。目前水力裂縫評價的方法主要有兩類：一類是井筒附近裂縫的直接監測，主要包括放射性示蹤、溫度測井、井下電視和非放射性補償中子測井等；另一類是裂縫遠場直接監測，包括地面井下測斜儀、電位法和微地震技術[4-7]。美國巖心(Corelab)公司于上世紀90年代中期，成功開發了油田水力壓裂放射性示蹤評價技術，并在北美實現了產業化推廣。原子高科股份有限公司于2011年初步開展了壓裂示蹤技術研究和現場實驗。由于放射性示蹤劑依靠進口、國內施工資質需要認證、缺少服務隊伍以及服務價格昂貴等因素, 我國對水力壓裂放射性示蹤技術的應用處于初始階段。

本研究采用放射性示蹤技術，通過示蹤的方法跟蹤水力壓裂中的支撐劑(支撐砂)，了解支撐砂的分布狀況，進而反映其所在人工裂縫情況。放射性示蹤技術對裂縫的近井參數，尤其裂縫深度、高度的監測很精確，可以準確得到裂縫是否發育在目標地層，另外通過使用三種同位素示蹤壓裂過程中支撐砂整個鋪置過程，反映裂縫形成過程中支撐劑是否持續進入地層,判斷裂縫是否在壓裂過程中持續發育，繼而為壓后效果評價以及壓裂優化設計提供參考依據。

1 實驗方法

1.1 測試原理

不同裂縫監測技術的監測能力和局限性列于表1。其中裂縫深度指裂縫到井口地面的距離，裂縫高度指裂縫沿井筒的長度，裂縫寬度指裂縫張開的距離，裂縫長度指裂縫在地層中的發展的長度，裂縫方位指裂縫在地層中發展方向。

表1 幾種裂縫監測技術的對比Table 1 Comparison of several fracture monitoring techniques

水力壓裂裂縫放射性示蹤簡稱壓裂示蹤技術，屬于放射性示蹤技術的一種，其原理是使用示蹤的方法跟蹤水力壓裂中的支撐劑(支撐砂)，通過對支撐砂情況的了解與認識，反映其所在人工裂縫。具體過程首先是制備與支撐砂物理性質相同的帶有放射性的示蹤砂，在水力壓裂的過程中均勻隨支撐砂填充到油氣井的人造裂縫中，再通過能譜測井，數據處理計算解釋，得到示蹤砂在井中的分布情況，進而反映支撐砂的鋪置情況，從而得到裂縫深度、高度、寬度和扭曲度等信息。

水力壓裂裂縫放射性示蹤主要是對井眼周圍裂縫情況的監測，其對于監測裂縫所在地層位置有很高的精度，使用多種示蹤砂可以判斷裂縫的發育情況，進而評價壓裂效果。這是此項技術的最大優勢，也是本文主要討論的問題。在壓裂過程中，三種示蹤砂分別示蹤壓裂過程的不同階段，第一種示蹤砂判斷裂縫起裂位置和地層中吸水層；第二種示蹤砂跟蹤支撐劑前段，表明裂縫開始發育時的位置；第三種示蹤砂跟蹤支撐劑后段，監測裂縫在壓裂過程中的發育情況。

需要說明的是，水力壓裂裂縫放射性示蹤技術對于裂縫方位需要增加特殊的測井設備，包括準直儀與陀螺儀，因實驗條件所限，裂縫方位在本文中不作討論。裂縫的寬度與示蹤砂射線強度相關，因篇幅所限，在以后的工作再作討論。裂縫的長度需要裂縫寬度以及地質參數估算，這里也不作討論。

1.2 放射性示蹤劑

水力壓裂放射性示蹤常使用的三種示蹤砂，所含放射性元素分別為124Sb、46Sc和192Ir，用于跟蹤水力壓裂的不同階段。壓裂過程中三種示蹤砂會摻雜在一起，也就是先注入的示蹤砂同樣會部分留在后注入示蹤砂的附近，并且由于存在康普頓散射現象，高能射線對于低能部分能譜計數率影響，且192Ir部分低絕度強度的能量分支對124Sb計數率能區存在的影響，因此需要通過解譜來確定三個示蹤砂的特征能量的射線強度。

根據三種同位素主要特征能量，實驗定義146-195道區間為Ⅰ區， 102-127道區間為Ⅱ區，32-101道區間為Ⅲ區。三個能量區間分別對應對于46Sc的射線特征能量0.889、1.12 MeV，124Sb特征能量 0.603、0.723、0.646、0.714 MeV，192Ir特征能量0.317、0.468、0.308、0.296、0.589、0.206、0.485 MeV。

在實驗室分別使用同一個測井儀單獨測量三種示蹤砂的伽瑪能譜，測量192Ir示蹤砂時，三個區的比例系數為0.35∶0.36∶1；測量124Sb時，三個區的比例系數為0.91∶1∶2.88；測量46Sc時，三個區的比例系數為1∶0.71∶2.27。使用不同測井儀以上的比例系數會有所不同，需要提前在實驗室重新測定。

在測量三種砂子混合在一起的情況下，可得到公式(1)，將此公式定義為測井儀解譜系數方程：

(1)

其中：C1、C2、C3分別為Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區計數率；CIr、CSb和CSc分別為三種示蹤砂所做貢獻。

在實際測量中，由于散射情況與實驗室存在差別，天然本底的影響以及統計誤差，所以能譜區間計數率方程中的CIr、CSb和CSc的精確解可能出現負值，與實際情況不同，因此需要進行處理，解出近似正解，這里在matlab環境中調用lsqnonneg函數，使用非負最小二乘法對方程進行求解。

非負最小二乘法解方程組，是指使用非負作為約束條件，求解方程，使得殘量平方和最小。也就是對于每一組測量值，公式(1)可改寫為公式(2)。

Axc=Cd

(2)

2 示蹤砂的制備和示蹤砂檢測設備

根據已申請專利技術[8]，三種示蹤砂活度與比活度列于表2，表2中示蹤砂的活度為示蹤砂輻照、冷卻、切靶、取樣后，使用美國CAPINTEC公司的CRC-25R活度儀，測量得到活度及比活度。

通過實驗室實驗和蒙特卡羅模擬計算，當裂縫寬度小于10 mm時，示蹤砂活度與支撐劑的比例為7.4×107Bq/m3(1 Ci/m3)時，探測器能窗每秒計數(約幾百)較合適。

示蹤砂需要做成與支撐劑相同粒徑、相同密度的小球，此時示蹤砂的比活度決定使用時示蹤砂的質量，也就是示蹤砂粒的個數。在活度相同的情況下，示蹤砂粒越多，示蹤裂縫寬度計算時誤差越小。經實驗室實驗，表2中比活度可以滿足要求。

表2 三種示蹤砂活度與比活度Table 2 Activity and specific activity of three tracer-sands

示蹤砂檢測設備主要包括伽瑪能譜測井儀、地面數據采集系統和數據處理軟件。伽瑪能譜測井儀使用1×7英寸碘化鈉探測器，能譜道數為256道，測量能量區間：0.1～1.5 MeV。

3 現場壓裂示蹤實驗

為了利用壓裂示蹤技術監測人工裂縫的高度、深度及水力壓裂效果，指導完善裂縫參數及壓裂施工參數設計。在大慶油田開展了壓裂示蹤實驗研究。

3.1 壓裂井基本情況

計劃實施的壓裂實驗井位于大慶油田松遼盆地北部，實驗井壓裂PⅠ3層，深度為1 821.3～1 823.6 m。

3.2 示蹤砂注入方案

根據壓裂方案制定示蹤砂注入方案，在三種示蹤砂分別跟蹤穿層液、攜砂液前段和后段，實驗井PⅠ3層示蹤砂注入方案列于表3。

表3 實驗井PⅠ3層示蹤砂注入方案Table 3 PⅠ3 stratum tracer-sand injection scheme of experimental well

3.3 測井

按設計要求進行測井：儀器上、下速度不超過10 m/min，應隨時觀察張力變化情況，在測試井全段取測井資料。

儀器從目的層(壓裂層)上10 m開始測試，至壓裂層下10 m或人工井底結束，重復測試兩次。

3.4 實驗結果

測井原始數據曲線(未作深度校正及本底扣減)示于圖1，由圖1結果可知，Ⅰ區和Ⅱ區數據差距較小，在曲線上近似重合。測井從1 795～1 815 m，每0.1 m測量一個點，單位為s-1。

將原始測井數據扣除本底后帶入解譜方程中(公式2)，并使用非負最小二乘法求解解譜后，再使用壓裂設計方提供的自然伽瑪測井曲線校準深度，結果示于圖2。圖2中前置液中使用鈧-46(Sc)示蹤砂，石英砂支撐劑階段使用銻-124(Sb)示蹤砂，陶粒支撐劑階段使用銥-192(Ir)示蹤砂。

計算殘值平方和，剔除較大值處的譜數據，并且實際測量時，兩點間數據應該連續，所以對最小二乘解譜曲線進行三點平滑處理，得到實驗井測井解譜曲線示于圖3。

圖1 實驗井原始測井曲線Fig.1 The original logging curve of experimental well

圖2 實驗井非負最小二乘解譜曲線Fig.2 Well logging curve using non negative least square solution

圖3 實驗井測井解譜曲線Fig.3 The curve of well logging of experimental well

從圖3中分析可見，1) 水力壓裂成功在地層壓出裂縫，且支撐砂有效填充；2) 裂縫分布在-1 831.5～-1 818.2 m的范圍內，有9條主裂縫，裂縫總高度為13.3 m；3) 在每一處裂縫，裂縫的示蹤砂前期和后期鋪置較為一致，說明幾條裂縫在壓裂過程中持續發育，沒有發生明顯的裂縫扭曲；4) 7處的裂縫對應目標層，說明實現了對目標層的壓裂改造目的，但裂縫范圍明顯超出目標層(PⅠ3層黑框位置)的范圍，可能壓裂形成的部分裂縫沒有效果；5) 在目標層以外，有裂縫發育，說明壓裂過程中有竄層，可能需要以后在該區塊壓裂過程中增加人工隔層的強度和厚度。

4 結論

通過對油田現場的壓裂裂縫放射性示蹤實驗，得到以下結論。

1) 裂縫的放射性示蹤可以對裂縫精確定位，直觀判讀裂縫位置與目標層的關系；并可以通過使用三種示蹤砂，示蹤支撐砂填充情況，進而判斷裂縫發育情況，最終推論水力壓裂是否達到預期效果；

2) 下一步計劃研究射線強度與裂縫寬度的關系，豐富對水力壓裂人工裂縫的解釋。