一種頁巖氣井連通性評價的新型示蹤劑應用研究

申寶劍，潘安陽，張 俊，盧龍飛，錢門輝，陸雙龍，杜明亮

(1.中國石化 油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126； 2.中國石化 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126； 3.中國石化 石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126； 4.中國石化 科技部，北京 100728； 5.江南大學 化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122)

井間示蹤技術是將示蹤劑注入油氣開發井中，通過測試取樣中示蹤劑含量來監控油藏和油井間的信息，通過示蹤劑產出曲線的變化分析并判斷地層參數的分布規律，進而對油藏和油井進行動態監控和描述[1-8]。井間示蹤技術最初采用用量大、精度低的無機鹽等作為示蹤劑，其后歷經放射性同位素和穩定性同位素示蹤劑兩階段，發展到當前的用量少、精度高的微量元素示蹤劑[9-14]。相對于無機鹽、放射性同位素和穩定性同位素示蹤劑，微量元素示蹤劑具有明顯優勢：一是種類多，彼此無干擾，可以滿足單井組、多個相鄰井組或區塊整體同步測試以及分層測試要求；二是微量元素示蹤劑無毒、無放射性，無環境及安全隱患，注劑、取樣無需專業授權，油田工人即可獨立完成；三是微量元素具有優異的熱穩定性和生物穩定性，滿足長時間、大井距、高溫等復雜油藏條件監測要求，而且用量少，測樣儀器及相關配套技術日臻完善[2,10]。

近年來，微量元素示蹤劑井間示蹤監測技術， 尤其是利用地層水中含量極少的稀土元素絡合物作為示蹤劑的示蹤檢測技術得到了廣泛應用[15-20]。目前，已在致密砂巖油氣藏領域中的水平井體積壓裂效果、裂縫形態評價方面廣泛應用，但在頁巖氣田水平壓裂評價中應用不多，原因在于黑色頁巖不僅本身含有大量的微量元素，而且還易吸附大量微量元素，使得示蹤檢測的效果差，因此，需要對微量元素進行綜合篩選，并對篩選出的微量元素進行絡合保護。

1 試驗前準備

1.1 試驗井準備

中國石化涪陵頁巖氣田焦石壩主體區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組開發層系分上部、中部、下部3套氣層，下部和上部氣層采用2套獨立井網實現了規模有效開發，中部氣層能否再部署一套獨立井網實現涪陵頁巖氣田立體開發需要進一步論證。為了查明涪陵頁巖氣田立體開發的可行性，首次針對中部氣層在焦頁66號擴平臺實施了兩口評價井(焦頁66-Z1HF井和焦頁66-Z2HF井)，新型綠色示蹤劑在這兩口井中進行了應用。

1.1.1 焦頁66-Z1HF井

根據焦頁66-Z1HF井與鄰井水平段空間展布(圖1)，空間位置距離較近的生產井主要包括：焦頁12-4HF、焦頁66-3HF、焦頁66-4HF、焦頁5-2HF、焦頁6-1HF、焦頁66-Z2HF、焦頁5-S2HF、焦頁5-S3HF等井。結合焦頁66-Z1HF井軌跡穿行層位和壓裂施工方案，選擇在焦頁66-Z1HF井的第2、9、17、24段注入微量元素示蹤劑。本次研究過程中，對焦頁66-Z1HF井壓裂返排液進行取樣監測的井有8口(表1)。

1.1.2 焦頁66-Z2HF井

根據焦頁66-Z2HF井與鄰井水平段空間展布(圖1)，空間位置距離較近的生產井主要包括：焦頁12-4HF、焦頁66-3HF、焦頁66-4HF、焦頁5-2HF、焦頁6-1HF、焦頁66-Z1HF、焦頁5-S2HF、焦頁5-S3HF等井。結合焦頁66-Z2HF井軌跡穿行層位和壓裂施工方案，選擇在焦頁66-Z2HF井的第2、7、12、18、25段注入微量元素示蹤劑。本次研究過程中，對焦頁66-Z2HF井壓裂返排液進行取樣監測的井有8口(表1)。

圖1 重慶涪陵頁巖氣田焦頁66-Z1HF、焦頁66-Z2HF井與鄰井空間關系示意Fig.1 Spatial relationship among wells Jiaoye 66-Z1HF,Jiaoye 66-Z2HF and their neighboring wells,Fuling shale gas field, Chongqing

表1 重慶涪陵頁巖氣田焦頁66-Z1HF井和焦頁66-Z2HF井與鄰井空間距離

1.2 試劑準備

對焦頁66號擴平臺及其周邊多口井的返排液、壓裂液、清水進行取樣，測試了壓裂液和返排液中30余種微量元素的含量，優選了3種含量低、安全穩定的微量元素Pr、Sm、Yb，并采用絡合劑與微量元素形成絡合物，從而保證微量元素在注入地層后不會被黑色頁巖吸附而影響檢測精度。所采用的微量元素化合物為六水合硝酸鐠[Pr(NO3)3·6H2O]、六水合氯化鐿(YbCl3·6H2O)和六水合硝酸釤[Sm(NO3)3·6H2O]。所采用的絡合劑為乙二胺四乙酸和吡啶二羧酸。

結合監測時間、壓裂液用量和示蹤劑的檢測精度，計算各段用量，確保鄰本井監測時間滿足1個月以上的監測要求。焦頁66-Z1HF井選用AL、BL型示蹤劑(含A型、B型微量元素)，總用量4.3 m3左右，焦頁66-Z2HF井選用CL型示蹤劑(含C型微量元素)，總用量2.5 m3(表2)。

表2 重慶涪陵頁巖氣田焦頁66-Z1HF井和焦頁66-Z2HF井微量示蹤劑注入段號及用量

1.3 監測井基值的確定

檢測其中微量元素的含量，以確定監測井中微量元素示蹤劑的基值。焦頁5-S2-S3(混樣)、焦頁6-1-4-6(混樣)、12#1分離器(混樣)、12#2分離器(混樣)的返排液Pr濃度與滑溜水、清水中的Pr濃度基本相當，均介于0～1 ng/g(圖2)。焦頁5-S2-S3(合)返排液Yb濃度最高，約1.3 ng/g；焦頁6-1-4-6(合)、焦頁5-S2-S3(合)、12#2分離器(合)、12#1分離器(合)的返排液Yb濃度與滑溜水、清水相當，介于0.2～0.6 ng/g(圖2)，說明在監測井中微量元素Pr和Yb的濃度非常低。

圖2 重慶涪陵頁巖氣田監測井壓裂液和返排液Pr和Yb濃度基值Fig.2 Base values of Pr and Yb tracer concentrationin fracturing and flowback fluid from monitoring wells,Fuling shale gas field, Chongqing

焦頁6-1-4-6(合)、焦頁5-S2-S3(合)、12#1分離器(合)、12#2分離器(合)返排液Sm濃度基本相當，介于2～4 ng/g；滑溜水和清水Sm濃度最低，小于1 ng/g(圖3)，說明在監測井中微量元素Sm的濃度非常低。

圖3 重慶涪陵頁巖氣田監測井壓裂液和返排液Sm濃度基值Fig.3 Base values of Sm tracer concentrationin fracturing and flowback fluid from monitoring wells,Fuling shale gas field, Chongqing

綜上分析可以看出，清水和滑溜水的Pr、Yb、Sm濃度均較低，基值最高為3.78 ng/g (Sm)，說明本研究采用的微量元素示蹤劑在監測井中含量非常低，如果監測井中該微量元素異常增加，則說明監測井與注入井之間存在連通。

2 監測數據分析

2.1 中部氣層井與下部氣層老井連通情況判別

(1)焦頁6-1HF井共采集返排液樣品27個，檢測到的3種微量元素Pr，Yb，Sm濃度最大值依次為：0.22，1.39，2.60 ng/g。由圖4可以直觀地看出，焦頁6-1HF井返排液樣品Pr，Yb，Sm濃度均低于或與基值相當，判定焦頁66-Z1HF、焦頁66-Z2HF兩口中部氣層井與焦頁6-1HF井未連通。

圖4 重慶涪陵頁巖氣田焦頁6-1HF井返排液樣品Pr、Yb、Sm濃度分布Fig.4 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluid from well Jiaoye 6-1HF, Fuling shale gas field, Chongqing

(2)焦頁12-4HF井采集返排液樣品54個，檢測到的3種微量元素Pr，Yb，Sm濃度最大值依次為：0.51，0.71，6.64 ng/g。由圖5可以清晰地看出，焦頁12-4HF井所有返排液樣品Pr、Yb、Sm濃度均低于或與基值相當，且未見明顯波動，判定焦頁66-Z1HF、焦頁66-Z2HF兩口中部氣層井與焦頁12-4HF井未連通。

圖5 重慶涪陵頁巖氣田焦頁12-4HF井返排液樣品Pr、Yb、Sm濃度分布Fig.5 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluid from well Jiaoye 12-4HF, Fuling shale gas field, Chongqing

2.2 中部氣層井與上部氣層井連通情況判別

上部氣層2口監測井(焦頁5-S2HF井、焦頁5-S3HF井)共采集焦頁5-S2-S3(合)返排液混樣56個；檢測到的3種微量元素Pr，Yb，Sm濃度最大值依次為：0.93，1.88，272.0 ng/g。由圖6可以直觀地看出，焦頁5-S2-S3返排液混樣中Sm濃度存在明顯波動，部分樣品檢測值明顯高于基值(3.8 ng/g)，推測焦頁66-Z2HF與上部氣層井發生了連通，而焦頁66-Z1HF與上部氣層未連通。

圖6 重慶涪陵頁巖氣田焦頁5-S2-S3(合)返排液樣品Pr、Yb、Sm濃度分布Fig.6 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 5-S2-S3 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

2.3 中部氣層井與下部氣層加密井連通情況判別

(1)下部氣層2口加密監測井(焦頁66-3HF、焦頁66-4HF)共采集返排液樣品106個。焦頁66-Z1-3(合)共采集返排液混樣45個，檢測到3種微量元素Pr，Yb，Sm濃度最大值依次為：0.69，6.40，20.71 ng/g。由圖7可以直觀地看出，焦頁66-Z1-3個別返排液混樣Pr、Yb濃度略高于焦頁5-S2-S3(合)、焦頁6-1-4-6(合)、12#2分離器濃度基值，仍處于同一數量級，且焦頁66-Z1HF為Pr、Yb注入井，初步判定焦頁66-Z1HF與焦頁66-3HF未連通。

圖7 重慶涪陵頁巖氣田焦頁66-Z1-3(合)返排液樣品Pr、Yb、Sm濃度分布Fig.7 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 66-Z1-3 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

然而，從Sm元素來看，由于僅在66-Z2HF井中注入該元素，而且66-3HF中Sm基值也不高，因此在焦頁66-Z1-3(合)返排液中間斷性地檢測到高含量的Sm，兩口中部氣層井間存在一定的連通。

(2)焦頁66-Z2-4(合)共采集返排液混樣49個，檢測到的3種微量元素Pr，Yb，Sm濃度最大值依次為：0.11，0.58，11.87 ng/g。由圖8可以直觀地看出，焦頁66-Z2-4(合)返排液混樣Pr，Yb，Sm濃度與焦頁5-S2-S3(合)、焦頁6-1-4-6(合)、12#2分離器濃度基值相當，推測焦頁66-Z2HF井與焦頁66-4HF井未連通。

圖8 重慶涪陵頁巖氣田焦頁66-Z2-4(合)返排液樣品Pr、Yb、Sm濃度分布Fig.8 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 66-Z2-4 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

(3)焦頁66-3-4(合)共采集返排液混樣12個，檢測到的3種微量元素Pr，Yb，Sm濃度最大值依次為：0.10，0.10，0.67 ng/g。由圖9可以直觀地看出，焦頁66-3-4(合)返排液混樣Pr，Yb，Sm濃度與焦頁5-S2-S3(合)、焦頁6-1-4-6(合)、12#2分離器濃度基值相當，判定焦頁66-Z1HF、焦頁66-Z2HF兩口中部氣層井與焦頁66-3HF、焦頁66-4HF井未連通。

圖9 重慶涪陵頁巖氣田焦頁66-3-4(合)返排液樣品Pr，Yb，Sm濃度分布Fig.9 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 66-3-4 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

3 結論

(1)通過多口井水樣分析，進一步說明優選的3種輕稀土元素示蹤劑在涪陵頁巖氣田的應用實踐中是穩定、可靠的，保證了示蹤檢測的效果。

(2)涪陵頁巖氣田焦頁66號擴平臺示蹤劑監測結果表明：兩口中部氣層井間存在連通；5口下部氣層井與中部氣層未發生連通；中部氣層井與上部氣層井有連通，但連通程度不高。3套獨立井網實現涪陵頁巖氣田立體開發可行。

(3)本研究初步驗證了微量元素示蹤技術是一項簡單、有效的頁巖氣井連通性評價技術，目前僅用于評價中部氣層與上部、下部氣層之間的壓后連通情況，將來可以篩選更多種類微量元素，并將其用于判別是否含有地層水，同時可以定量計算地層水與壓裂液的比例，應用前景廣闊。