水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價技術(shù)研究進展

李亭, 張金發(fā)*, 管英柱, 尹國君, 楊琦, 張慶惠

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院, 武漢 430100; 2.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學(xué)), 武漢 430100;3.吉林油田公司油氣工程研究院, 松原 138000; 4.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司, 北京 100011;5.中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100089)

伴隨全球油氣資源需求量的增加及油氣勘探開發(fā)的進展,水平井分段壓裂技術(shù)已成為高效開發(fā)低滲透油氣藏、致密砂巖油氣藏、頁巖油氣藏的重要技術(shù)手段。相比直井,水平井具備泄油面積大、單井產(chǎn)量高等優(yōu)勢[1],其產(chǎn)量約為直井的3倍[2],已在長慶油田特低滲透油藏[3]、蘇里格氣田致密砂巖氣藏[4]、涪陵頁巖氣藏[5]等得到廣泛應(yīng)用并大幅提高了油氣整體開發(fā)效益。近年來,水平井分段壓裂技術(shù)在裂縫參數(shù)優(yōu)化[6]、壓裂段數(shù)規(guī)模[7]、壓裂配套設(shè)備[8]及壓裂作業(yè)效率[9]等取得一系列重大突破,但在水平井分段壓裂后掌握各段產(chǎn)量分布情況方面仍存在不足。針對油氣井產(chǎn)量測試多由井口計量得到,具體于水平井壓裂的各段產(chǎn)量卻難以確定。水平井分段壓裂后各層段產(chǎn)量貢獻特征不明,亟須開展水平井分段壓裂產(chǎn)能評價技術(shù)了解各層段產(chǎn)出情況及主力產(chǎn)出層段等信息,以便指導(dǎo)后續(xù)水平井壓裂工藝優(yōu)化和最佳生產(chǎn)制度制定,進而提升壓裂改造效果和水平井開發(fā)經(jīng)濟效益。為準確查明水平井分段壓裂的各段產(chǎn)量貢獻率,現(xiàn)分析水平井分段壓裂產(chǎn)量測試存在的問題,總結(jié)水平井分段壓裂生產(chǎn)剖面測試技術(shù)進展,并提出相應(yīng)的發(fā)展建議。

1 水平井分段壓裂產(chǎn)能評價存在問題

1.1 測試儀器輸送困難

非常規(guī)油氣藏超長水平段壓裂改造不斷實現(xiàn)新突破,水平段長度和壓裂段數(shù)持續(xù)增加。長慶油田H90-3井完成5 060 m超長水平段井的施工,壓裂改造68段,創(chuàng)下亞洲陸上頁巖油最長水平段的施工紀錄。盡管水平段長度不斷增加,但由于水平井井眼軌跡、井深結(jié)構(gòu)復(fù)雜,給測試儀器及儀器輸送工具帶來一系列問題,如測試儀器難以推送至指定位置、儀器易遇阻遇卡受損、難以保證合理穩(wěn)定的測速等。

1.2 測試資料解釋困難

水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價技術(shù)最大的問題即為監(jiān)測數(shù)據(jù)的解釋。一方面,產(chǎn)量測試所監(jiān)測的數(shù)據(jù)存儲量極大,對于這些數(shù)據(jù)的傳輸、保存均有巨大挑戰(zhàn)。另一方面,常規(guī)解釋模型不適用水平段多相流復(fù)雜的流動方式。相比直井,水平井井下流體流動較復(fù)雜,水平井段多相流因重力分離形成氣、油、水分層的層流流動方式,流型還將受到井斜、井徑和氣體流量等變得更為復(fù)雜。劉文紅等[10]借助流型識別儀探究水平管內(nèi)油、氣、水三相流流動特征,得到水平管內(nèi)油、氣、水三相流流型存在9種類型的結(jié)論。劉軍鋒等[11]在水平條件下開展油、氣、水三相流流動模擬試驗得到大管徑水平管油、氣、水三相流存在8種復(fù)雜流型。同時油、氣、水三相間存在滑脫效應(yīng),復(fù)雜的流型將給資料解釋帶來困難。此外,傳統(tǒng)產(chǎn)出剖面測井儀在垂直井筒中居中測量,這種測量不再適合復(fù)雜分層流動的水平井段。

2 水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價技術(shù)進展

2.1 產(chǎn)出剖面測井技術(shù)

產(chǎn)出剖面測井是應(yīng)用較早且較成熟的一種水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價技術(shù),該技術(shù)借助輸送工具將測井儀器輸送至井下,測試水平井各層段自然伽馬、溫度、壓力、流量、持率等參數(shù),再經(jīng)反演計算即可得到水平井各段流體產(chǎn)出特征。

2.1.1 測井儀器類型

受限于水平井井深結(jié)構(gòu)的特殊性和多相流流動的復(fù)雜性,傳統(tǒng)產(chǎn)出剖面測井儀難以滿足水平井分段壓裂動態(tài)監(jiān)測的要求。目前產(chǎn)出剖面測井儀主要采用陣列式產(chǎn)出剖面測試儀器。一種是Schlumberger公司研發(fā)的流體掃描成像(flow scanner image,FSI)測井儀,該測井儀較好解決水平井多相流分層流動復(fù)雜的難題,可對150 ℃、100 MPa的儲層進行測試[12]。FSI測井儀共裝備5個微型轉(zhuǎn)子流量計、6對電探針和光學(xué)探針[13],可測量自然伽馬、磁定位用于確定井深,持氣率、持水率用于分析流體特征,壓力、溫度用于定性分析產(chǎn)出狀況,流量、持液用于確定氣井總產(chǎn)量和各層產(chǎn)量,其示意圖如圖1所示[14],該測井儀受井斜影響較大,在大斜度井中應(yīng)用受限。四川盆地涪陵頁巖氣田25口水平井通過FSI測井儀進行產(chǎn)氣剖面測井試驗,掌握了水平井各段層產(chǎn)氣能力,確定了氣井最佳工作制度[15]。此外,南海西部珠江口盆地文昌油田1口開發(fā)水平井也取得了較好效果[16]。另一種是Sondex公司研發(fā)的多陣列成像(multiple array production suite,MAPS)測井儀,該測井儀較好適應(yīng)于水平井或大斜度井產(chǎn)出剖面測井。MAPS測井儀主要包括陣列式電容持率儀(CAT)、陣列式渦輪流量儀(SAT)和陣列式電阻持率儀(RAT),其示意圖如圖2所示[17],該測井儀適應(yīng)性強,在國外應(yīng)用較為普遍。四川盆地黃金壩頁巖氣區(qū)塊1口井應(yīng)用MAPS測井儀完成水平井產(chǎn)氣剖面測井,準確獲得該井壓裂后各段產(chǎn)氣貢獻特征等信息,為后續(xù)壓裂參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)指導(dǎo)。此外,在大牛地氣田1口水平井也得到了應(yīng)用[18]。近年來國內(nèi)測井儀發(fā)展也取得了一系列進步,針對渦輪流量計在產(chǎn)液量較低的水平井中渦輪啟動困難,崔文昊等[19]、朱洪征等[20]研發(fā)井下存儲式浮子流量計有效解決了低液量水平井產(chǎn)液剖面測試難題。針對稠油油藏通常存在邊底水,導(dǎo)致油井普遍含水量較高,同時對于稠油油藏多采用熱采開發(fā)導(dǎo)致測井儀需滿足直徑小且耐高溫的要求,劉明[21]研發(fā)一種稠油熱采井產(chǎn)液剖面測試儀。可看出隨著復(fù)雜油藏勘探開發(fā)力度的加大,測井儀器已不斷得到優(yōu)化。

圖1 FSI測井儀示意圖[14]

圖2 MAPS測井儀示意圖[17]

2.1.2 儀器輸送方式

測井儀器輸送方式包括硬電纜輸送、井下爬行器輸送、水力輸送和連續(xù)油管輸送等[22-23]。硬電纜輸送快速下井易使測井儀器受損,若儀器落井則不易打撈,僅適用于水平段短或井斜小的井。水力輸送易污染儲層,測量項目少,輸送距離短,不適用帶壓測井作業(yè),多用于水平井找水。目前常用于水平井產(chǎn)出剖面測井技術(shù)的輸送方式多為井下爬行器輸送和連續(xù)油管輸送[24-25],其兩者技術(shù)特征如表1所示。

表1 2種常用儀器輸送方式技術(shù)的特點

2.1.3 測井資料解釋

產(chǎn)出剖面測井技術(shù)主要基于水平井井筒油、氣、水三相流分層流動特征建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型進行測井資料解釋。常用生產(chǎn)測井資料解釋方法主要有哈桑漂流模型、DDL圖版及斯倫貝謝滑脫模型[26]。厘清水平井多相流流動特征是資料解釋的關(guān)鍵,長江大學(xué)已建設(shè)氣舉試驗基地多相流實驗平臺、西安交通大學(xué)已建成動力工程多相流國家重點實驗室等,這些多相流實驗平臺將為測井資料解釋提供保障。目前產(chǎn)出剖面測井數(shù)據(jù)解釋軟件較多,其中法國KAPPA公司研發(fā)基于最優(yōu)化原則的Emeraude生產(chǎn)測井解釋軟件是全球認可度最廣和使用最多的測井資料解釋軟件[27]。國內(nèi)公司研發(fā)的測井解釋軟件主要代表有Smart、Watch和Lead等[28]。此外,也有不少學(xué)者展開研究,郭海敏等[29]編寫水平井油、水兩相產(chǎn)出剖面測井解釋HWPPI軟件系統(tǒng),并應(yīng)用于塔里木盆地哈得4油田某井,其解釋成果與實際油水產(chǎn)量數(shù)據(jù)相近,證實該解釋方法正確可行。

2.2 分布式光纖監(jiān)測技術(shù)

20世紀70年代以來,光纖傳感隨高速光纖通信技術(shù)的發(fā)展逐漸受到關(guān)注,分布式光纖傳感技術(shù)根據(jù)原理可分為分布式光纖溫度傳感、分布式光纖聲波傳感、分布式光纖應(yīng)變傳感和分布式光纖振動傳感[30-31]。其中,在石油領(lǐng)域用于水平井壓裂監(jiān)測的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)主要包括分布式光纖溫度監(jiān)測技術(shù)(distributed temperature sensing,DTS)和分布式光纖聲波監(jiān)測技術(shù)(distributed acoustic sensing,DAS),DTS/DAS可實時監(jiān)測整個水平井段溫度和聲波剖面以定量評價產(chǎn)液剖面、監(jiān)測壓裂液分布剖面、評估和診斷壓裂增產(chǎn)措施等[32-33]。

2.2.1 DTS/DAS技術(shù)特點

光纖既是傳感介質(zhì)又是傳輸介質(zhì),光纖附近的溫度、壓力和應(yīng)變等物理場改變,將造成光纖傳輸?shù)募す庑盘枏姸取⒐庾V和傳輸時間等參數(shù)變化,通過光纖傳感解調(diào)可將其變化參數(shù)解調(diào)為電信號,便可完成外界物理場的實時監(jiān)測[34]。分布式光纖傳感技術(shù)在解調(diào)光信號時主要采用后向散射:瑞利散射和拉曼散射,其中,DTS基于后向拉曼散射效應(yīng),DAS基于后向瑞利散射效應(yīng)[35]。DTS/DAS在水平井分段壓裂動態(tài)監(jiān)測中的技術(shù)優(yōu)勢如下。

(1)可實現(xiàn)長距離的長期或短期監(jiān)測。DTS多模測量最大探測距離可達12 km,DAS單模測量最大探測距離可達50 km[36],且傳感距離越大,系統(tǒng)成本則越低。

(2)測量精度高,適應(yīng)范圍廣,可在高溫條件下使用。DTS測量精度為±1 ℃、分辨率為±0.01 ℃,溫度可達300 ℃[37];DAS通過光相位檢測實現(xiàn)聲波測量,以光波長為“標尺”,靈敏度極高,可探測微地震等微弱信號。

(3)安裝便捷,監(jiān)測周期靈活,綜合成本低。光纖傳感器是唯一能夠傳送至井下的部件,所有信號處理和調(diào)節(jié)均通過地面光電裝置實現(xiàn)。

(4)DTS不受流動狀況干擾,測量穩(wěn)定、無延遲,可抗電磁干擾。

(5)DAS定位準確性高。高定位精度使聲場圖像更精細,為數(shù)據(jù)解釋提供保障。

基于以上技術(shù)優(yōu)勢,DTS/DAS在水平井分段壓裂動態(tài)監(jiān)測中得到了迅速發(fā)展,但在技術(shù)裝備和數(shù)據(jù)解釋方面仍存在以下不足。

一是在技術(shù)裝備方面,光纖的完整性是DTS/DAS監(jiān)測的基礎(chǔ),若光纖一處受損將導(dǎo)致整個測試作業(yè)的失敗,水平井分段壓裂施工階段需泵注大量壓裂液和支撐劑可能會對光纖具有一定的磨損;光纖一般固定于套管外壁,這將給固井、完井工藝增加困難,特別是射孔工藝的施工難度明顯提高,射孔作業(yè)需避開光纖以防光纖斷裂受損,現(xiàn)在仍沒有成熟的光纖避射技術(shù)。

二是在數(shù)據(jù)解釋方面,DTS/DAS監(jiān)測數(shù)據(jù)量大,對于這些數(shù)據(jù)的傳輸、保存及解釋均有巨大挑戰(zhàn)。目前基于監(jiān)測數(shù)據(jù)反演解釋壓裂水平井產(chǎn)出剖面仍存在較多不足。

DTS/DAS已成為美國、加拿大等國外非常規(guī)油氣儲層壓裂動態(tài)監(jiān)測的重要技術(shù)手段且展現(xiàn)出很好的現(xiàn)場應(yīng)用效果[38],國內(nèi)已開展了DTS/DAS的研究和應(yīng)用嘗試,但目前仍處于零星先導(dǎo)性試驗階段[24]。Halliburton公司[39]于2006年在印度尼西亞某井首次應(yīng)用DTS監(jiān)測小型壓裂作業(yè),通過定性分析實時溫度剖面變化得到了壓裂裂縫擴展高度參數(shù)。松遼盆地長嶺凹陷水平井段長818 m的某井應(yīng)用DTS監(jiān)測不同生產(chǎn)制度下的溫差變化,得到各產(chǎn)層壓裂后產(chǎn)能貢獻率,該井是中國首口壓裂井進行溫度測試評估壓后產(chǎn)量的井[40]。中國石化石油工程技術(shù)研究院于2016—2021年進行DTS攻關(guān)研究,研發(fā)了高分辨率分布式光纖溫度傳感器、耐高溫高壓雙參量融合傳感光纜等技術(shù),最終形成了一套高分辨分布式光纖溫度壓力監(jiān)測系統(tǒng)樣機[24]。DAS監(jiān)測較DTS監(jiān)測發(fā)展較晚,Shell公司于2009年在加拿大某致密氣井中首次應(yīng)用DAS監(jiān)測測井、射孔和壓裂作業(yè)[41]。近年來,DTS+DAS聯(lián)合監(jiān)測正成為水平井分段壓裂監(jiān)測的新興手段。Maersk公司于2014年在丹麥某油田首次應(yīng)用DTS+DAS聯(lián)合監(jiān)測水平井壓裂作業(yè),證實聯(lián)合監(jiān)測溫度和聲波信號能更好地對各級裂縫情況進行壓裂效果評估[42]。中國石油川慶鉆探工程有限公司于2020年在長慶油田ZP1水平井應(yīng)用連續(xù)油管內(nèi)置光纖DAS+DTS聯(lián)合監(jiān)測水平井壓裂后生產(chǎn)動態(tài)特征,明確了產(chǎn)層各段產(chǎn)氣和出液情況,了解了產(chǎn)能貢獻特征,為后期水平井壓裂參數(shù)優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)[43]。從DTS/DAS現(xiàn)場應(yīng)用來看,DTS+DAS聯(lián)合監(jiān)測具有較大發(fā)展前景,將成為分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的重點研究和現(xiàn)場應(yīng)用對象。

2.2.2 光纖井下安裝方式

依據(jù)分布式光纖在井下安裝位置的差異,可將光纖安裝方式劃分:永久式安裝和回收式安裝,其特點如表2所示。此外,依據(jù)分布式光纖安裝類型的差異,可將其劃分為單頭安裝和雙頭安裝[44],其示意圖如圖3所示。光纖兩端均通過井口,繞U形接頭返回至地面,即雙頭安裝,該安裝類型較單頭安裝難度大。雙頭安裝類型在測量過程中,激光器可分別從兩頭發(fā)送脈沖激光至光纖內(nèi)部,具有更好的分辨率和精確度,可自動對光損耗重新校準,更加適合水平井這種需要分析微小溫度變化的油井。

表2 分布式光纖井下安裝方式

圖3 分布式光纖安裝類型[44]

2.2.3 DTS/DAS數(shù)據(jù)解釋方法

分布式光纖監(jiān)測技術(shù)正逐步應(yīng)用于水平井分段壓裂效果評價中,但基于DTS/DAS數(shù)據(jù)的定量解釋仍是難題,目前關(guān)于分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)定量解釋主要集中在基于DTS數(shù)據(jù)分析。基于DTS監(jiān)測數(shù)據(jù)反演解釋壓裂水平井產(chǎn)出剖面的相關(guān)研究盡管較早,但仍存在較多不足,如模型假設(shè)考慮因素與水平井壓裂井下實際情況存在差異、反演目標參數(shù)維數(shù)較大導(dǎo)致計算耗時和反演效率低、現(xiàn)場應(yīng)用的實用性較低等。

作為該研究領(lǐng)域的核心團隊,羅紅文等[45]基于Levenberg Marquart(L-M)算法建立一套DTS數(shù)據(jù)反演解釋模型,提出反演目標參數(shù)的初始賦值方法,形成了一套基于DTS數(shù)據(jù)的低滲氣藏水平井產(chǎn)出剖面解釋方法,并通過反演解釋1口模擬實例壓裂水平井的DTS數(shù)據(jù)證實了此方法的可行性。但是該模型受限于缺乏現(xiàn)場實測DTS數(shù)據(jù),其解釋分析的準確性有待深入驗證,為此,馮曉煒等[46]進一步研究基于DTS數(shù)據(jù)的低滲氣藏水平井產(chǎn)出剖面解釋方法,首先,對溫度數(shù)據(jù)預(yù)處理,其次,基于能量守恒和質(zhì)量守恒建立溫度正演模型,最終,建立溫度反演算法,并用此方法完成鄂爾多斯盆地5口水平井壓裂段的DTS溫度數(shù)據(jù)解釋,解釋結(jié)果誤差較小,符合生產(chǎn)需求,為低滲氣藏水平井分段壓裂效果評價提供了技術(shù)支持。Li等[47]建立水驅(qū)油藏水平井溫度模型為正演模型,基于MCMC(Markov chain Monte Carlo)算法建立反演模型,通過DTS數(shù)據(jù)反演得到水平井產(chǎn)液剖面。目前建立的反演模型主要基于L-M算法和MCMC算法,這2種方法不適合人工裂縫數(shù)量較多的情況,為此,羅紅文等[48]以耦合的壓裂水平井溫度剖面預(yù)測模型作為正演模型,基于模擬退火(simulated annealing,SA)算法建立DTS數(shù)據(jù)反演模型,通過對反演流程優(yōu)化,形成一套基于DTS水平井壓裂產(chǎn)出剖面和裂縫參數(shù)定量解釋方法,并用此方法完成川西地區(qū)低滲透氣藏1口分段壓裂水平井FH-01井的DTS數(shù)據(jù)反演,其產(chǎn)出剖面反演解釋結(jié)果與測井實測值較吻合。此外,由于解釋模型過于理想化假設(shè),難以表征生產(chǎn)過程中的動態(tài)變化,李海濤等[49]、劉為明等[50]開展氣藏壓裂水平井溫度剖面室內(nèi)模擬實驗,該實驗裝置填補了國內(nèi)水平井溫度剖面動態(tài)模擬實驗方面的空白,為基于DTS數(shù)據(jù)的產(chǎn)出剖面定量解釋奠定了實驗基礎(chǔ)。

2.3 示蹤劑監(jiān)測技術(shù)

產(chǎn)出剖面測井技術(shù)工藝復(fù)雜、成本高、適應(yīng)范圍窄,分布式光纖監(jiān)測技術(shù)施工難度大、資料解釋復(fù)雜、成本高、技術(shù)不成熟,示蹤劑監(jiān)測技術(shù)(safe environment-friendly chemical tracer test,SECTT)作為水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價技術(shù)的重要手段,具備工藝簡便、準確度高、適應(yīng)范圍廣的優(yōu)勢。SECTT基本原理是指壓裂施工階段,篩選出的不同種類示蹤劑分別伴隨每段壓裂液泵注至儲層各壓裂監(jiān)測層段,隨后生產(chǎn)階段,在井口對產(chǎn)出流體定期取樣并送至實驗室進行化驗,檢測各層段示蹤劑的種類及濃度并繪制各段示蹤劑的產(chǎn)出曲線,依靠示蹤劑解釋方法進行分析,便可得到水平井分段壓裂各層段的產(chǎn)能貢獻率。SECTT應(yīng)用于儲層壓裂效果評價,除了可實現(xiàn)水平井分段壓裂產(chǎn)能評價以外,還可實現(xiàn)壓裂裂縫評價,由于儲層壓裂后裂縫類型的差異將會顯現(xiàn)不同特征的示蹤劑產(chǎn)出曲線,常見單裂縫和復(fù)雜裂縫的示蹤劑產(chǎn)出曲線如圖4所示[51]。

圖4 示蹤劑返排曲線與裂縫類型的關(guān)系[51]

2.3.1 示蹤劑篩選原則

完整SECTT步驟包括示蹤劑優(yōu)選、示蹤劑用量計算及溶液配制、示蹤劑隨壓裂液泵注各壓裂層段、示蹤劑井口取樣、樣品中示蹤劑含量監(jiān)測、示蹤劑產(chǎn)出分析及解釋。可以看出,示蹤劑是整個SECTT的“血液”,示蹤劑性能好壞直接決定各段產(chǎn)能監(jiān)測的準確性。示蹤劑篩選原則應(yīng)從示蹤劑物理與化學(xué)性質(zhì)、儲層流體與溫壓特征、施工經(jīng)濟與安全性等角度考慮,性能優(yōu)異的示蹤劑需具備以下條件。

(1)各示蹤劑在儲層流體中無本底濃度或本底濃度極低以便準確鑒定。

(2)各示蹤劑具備較強酸堿適應(yīng)能力,在pH1～14下均可穩(wěn)定存在。

(3)各示蹤劑在地層溫度、壓力下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,與儲層流體及巖石配伍性好,同時在地層巖石表面無吸附或吸附量極小。

(4)因示蹤劑隨壓裂液混合注入儲層,要求示蹤劑與壓裂液配伍性好,對壓裂液性能無影響。

(5)各示蹤劑易識別,儲層流體及巖石中不存在示蹤劑的成分或含量極少。

(6)同時使用多種示蹤劑時,各示蹤劑間需無化學(xué)反應(yīng),取樣分析無干擾。

(7)各示蹤劑來源廣、種類多、用量低、成本低,可滿足水平井分段壓裂段數(shù)規(guī)模。

(8)各示蹤劑檢測靈敏度高,分析方法簡便,結(jié)果可靠。

(9)各示蹤劑對儲層及油氣無污染,環(huán)保、安全無毒,滿足HSE要求。

2.3.2 示蹤劑類型劃分

SECTT所用示蹤劑可分為化學(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,表3給出了各類示蹤劑特點及適用性。化學(xué)示蹤劑是應(yīng)用最早的示蹤劑,盡管表現(xiàn)出眾多缺陷,但由于種類多,當水平井分段壓裂的段數(shù)較多時,仍然是備選對象。耿宇迪等[52]以有機化合物為材料合成12種新型化學(xué)示蹤劑,該系列示蹤劑具備與地層吸附量極低、與酸化液配伍性良好等特性,并對某致密油田WP460-14井定量監(jiān)測9個壓裂段的產(chǎn)油產(chǎn)水能力,有效解決了致密油氣田水平井分段酸壓改造產(chǎn)能監(jiān)測的難題。金成志[53]通過物理化學(xué)方法研制16種YTJ系列化學(xué)示蹤劑,該系列示蹤劑具備化學(xué)成分和物質(zhì)光度雙重特征,并應(yīng)用于所研究油田PP2井,該水平井壓裂段數(shù)為10段,示蹤劑分段追蹤結(jié)果直觀反映了各段壓裂后的產(chǎn)出狀態(tài),其水平井各段早期、后期產(chǎn)能貢獻率如圖5所示,可看出該水平井壓裂早期各段產(chǎn)能貢獻程度不同,后期各段產(chǎn)能貢獻程度趨于平穩(wěn)。放射性同位素示蹤劑是最成熟的示蹤劑,但由于放射性造成環(huán)境和人員安全而受到限制,在現(xiàn)場應(yīng)用較少。穩(wěn)定性同位素示蹤劑因種類少、檢測手短復(fù)雜等不利于技術(shù)推廣,在現(xiàn)場應(yīng)用較少。微量物質(zhì)示蹤劑解決了前3種示蹤劑的眾多缺點,適用范圍廣,是目前示蹤劑研究的熱點。陳福利等[54]優(yōu)選了12種稀土微量元素示蹤劑,并對新疆吉木薩爾蘆草溝組XX1井進行示蹤劑檢測,判斷出水平井分級壓裂改造后的產(chǎn)油大小和裂縫特征。此外,微量物質(zhì)示蹤劑在綏中36-1油田[55]、中國東部某油田平102井[56]也取得了良好的現(xiàn)場使用效果。

表3 各類示蹤劑對比

圖5 PP2井水平井各段早期、后期產(chǎn)能貢獻率對比[53]

除了上述化學(xué)示蹤劑、放射性同位素示蹤劑、穩(wěn)定性同位素示蹤劑及微量物質(zhì)示蹤劑外,氣示蹤劑、量子點示蹤劑也得到發(fā)展并在現(xiàn)場取得較好的應(yīng)用效果。大多數(shù)關(guān)于示蹤劑的研究集中產(chǎn)液特征的評價,對于產(chǎn)氣特征的研究相對少。為評價大慶地區(qū)火山巖儲層產(chǎn)氣特征,鄧大偉[57]按壓裂段數(shù)優(yōu)選24種氣劑對該區(qū)W水平井24段的產(chǎn)氣貢獻情況進行了評價,得到了各段的產(chǎn)出貢獻占比,此外,該系列氣示蹤劑評價的產(chǎn)氣能力結(jié)果與測井解釋成果基本吻合,進一步證實了氣示蹤劑在水平井多段壓裂每段的產(chǎn)氣貢獻評價的準確性。Kosynkin等[58]研發(fā)了一種納米顆粒A-Dots為載體的示蹤劑,A-Dots顆粒成本很低,表現(xiàn)出極強穩(wěn)定性,對環(huán)境無污染,是一種極具應(yīng)用潛力的商用熒光示蹤劑,該成果不僅豐富了示蹤劑的種類,更為油藏納米顆粒技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向。碳量子點是一種新型納米碳材料,由分散的類球狀碳顆粒組成,尺寸極小(小于10 nm)[59]。碳量子點示蹤劑因具備特殊熒光屬性、化學(xué)傳感及生物成像等特性而受到關(guān)注,該技術(shù)將示蹤劑通過量子點技術(shù)標記于聚合物中,聚合物可吸附在陶粒或石英砂等支撐劑表面形成聚合物涂層,如圖6所示[60],當油、氣、水與聚合物涂層接觸后便可釋放示蹤劑,再通過對產(chǎn)出流體所含示蹤劑分類、化驗、解釋,便可得到水平井分段壓裂后各段產(chǎn)液情況。該技術(shù)具有費用低、使用范圍廣、施工風(fēng)險低、可長期監(jiān)測水平井分段壓裂產(chǎn)液剖面等優(yōu)勢。國外利用碳量子點已研發(fā)60余種智能標記物。在中國安塞油田ZPX井[61]、俄羅斯秋明油田某水平井[62]等進行現(xiàn)場應(yīng)用,可準確得到水平井分段壓裂后各段產(chǎn)液、產(chǎn)油貢獻率,為水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價及壓裂優(yōu)化設(shè)計提供了新方法。

圖6 含量子點示蹤劑的支撐劑涂層[60]

2.3.3 示蹤劑解釋方法

早期SECTT解釋方法只能定性獲得生產(chǎn)井與注水井間的連通性及高滲透段所處位置。Abbaszadeh-Dehghani等[63]改進Brigham-Smith模型,提出示蹤劑在流管中流動的解析解,并編寫井間示蹤劑產(chǎn)出曲線解釋軟件,從此示蹤劑解釋方法才真正由定性判斷轉(zhuǎn)為定量分析。目前,SECTT產(chǎn)出曲線采用半定量-定量化解釋方法:解析法、數(shù)值法和半解析法。解析法解釋精度較差,受實際礦場條件的影響。數(shù)值法以數(shù)值模擬為手段,其解釋方法的合理性及精度受地質(zhì)模型、差分處理、解法選取和步長大小等影響,解釋結(jié)果可靠度存有爭議。此外,該方法相對復(fù)雜,工作量大,對軟件操作人員要求高。由于解析法中的濃度求解無任何截斷誤差、濃度的解總保持合理解范圍內(nèi),數(shù)值法中的壓力求解較穩(wěn)定、數(shù)值可滿足現(xiàn)場操作需要,通過流線方法將2種解釋方法中的可靠性較高部分組合在一起便形成半解析法,該方法是一種較為合理、實用的解釋模型,無輔助算法不穩(wěn)定的問題,突破了解析法和數(shù)值法的瓶頸,是當前示蹤劑解釋的主流方法。張毅等[64]建立描述示蹤劑運移規(guī)律的半解析法模型,考慮到示蹤劑的彌散、吸附滯留及分配示蹤劑滯后等因素,并運用所建立的半解析法對大港油田官104斷塊某井組試驗區(qū)資料進行了解釋,其解釋結(jié)果基本與取心井資料解釋結(jié)果一致。呂國勝等[65]介紹了一種改進后的解析法——時間飛行法,該方法克服解析法精度低的缺陷,具備效率高、操作簡便的優(yōu)勢,并分別運用飛行時間法和半解析法對渤海某油田活化水驅(qū)B1井組SECTT結(jié)果進行了解釋,兩種解釋方法所得結(jié)果基本吻合,但飛行時間法適用范圍窄、獲取參數(shù)相對較少,并以此提出了飛行時間法的適用范圍,可作為半解析法的補充。

產(chǎn)出剖面測井、分布式光纖監(jiān)測和示蹤劑監(jiān)測作為水平井分段壓裂產(chǎn)能評價3大主體技術(shù),表4給出了3種技術(shù)的優(yōu)缺點及適應(yīng)性。可以看出:產(chǎn)出剖面測井技術(shù)雖測試工藝及資料解釋較另外2種技術(shù)較成熟,但測試精度低、安全性低,目前經(jīng)濟效益較差。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)雖具備高測試精度、可連續(xù)實時監(jiān)測的優(yōu)勢,但成本高且目前監(jiān)測數(shù)據(jù)解釋又是一大難題。但示蹤劑監(jiān)測技術(shù)成本較低、適用范圍廣、具備較好的測試精度及一定的資料解釋水平,將是未來水平井分段壓裂產(chǎn)能評價技術(shù)的重要發(fā)展方向。

3 水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價技術(shù)展望

基于上述水平井分段壓裂產(chǎn)能評價技術(shù)進展,未來產(chǎn)出剖面測井技術(shù)、分布式光纖監(jiān)測技術(shù)和示蹤劑監(jiān)測技術(shù)應(yīng)著重從測試工藝和數(shù)據(jù)解釋兩方面難點展開攻關(guān)。

3.1 測試工藝

針對產(chǎn)出剖面測井技術(shù),應(yīng)進一步簡化測試工藝,減小工程因素對測試精度的影響;井深結(jié)構(gòu)復(fù)雜給測試儀器及儀器輸送工具帶來難題,應(yīng)開展儀器小型化改造技術(shù)[66],減小起下作業(yè)時的摩擦阻力,提高測井儀器在井下的通過性,擴大測井儀器的適用范圍;研發(fā)國內(nèi)自主陣列測試儀器,同時測井儀器及儀器輸送工具應(yīng)具備耐高溫耐高壓性能以滿足井下復(fù)雜環(huán)境。

針對分布式光纖監(jiān)測技術(shù),保證光纖完整性是該監(jiān)測技術(shù)的重點,可采用射孔工藝,結(jié)合光纖空間分布定位,形成成熟的光纖避射技術(shù)以保障光纖的質(zhì)量和完整性;當光纖置于套管外壁時,應(yīng)提升套管的性能指標,可研發(fā)耐沖蝕、耐腐蝕等性能優(yōu)異的套管以防套管損壞影響光纖的完整性;光纖的強度和適應(yīng)性需進一步提高以應(yīng)對復(fù)雜儲層環(huán)境,延長使用壽命;對于DAS監(jiān)測,應(yīng)開展數(shù)據(jù)超高保真光纖DAS技術(shù)[67]以提高DAS的數(shù)據(jù)信號質(zhì)量。

針對示蹤劑監(jiān)測技術(shù),其首要解決問題即為示蹤劑的合成與優(yōu)選,性能優(yōu)異的示蹤劑也將為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)帶來便利。新型碳量子點納米示蹤劑性能優(yōu)異,是目前示蹤劑的重要發(fā)展方向之一,應(yīng)進一步加強該類示蹤劑的研發(fā)和制備,形成安全環(huán)保、種類多、精度高、成本低、應(yīng)用價值高的產(chǎn)品;應(yīng)加強示蹤劑投放方法、用量計算、擴散及流動機理、取樣方法等研究。

3.2 數(shù)據(jù)解釋

針對產(chǎn)出剖面測井技術(shù),相比其他2種水平井分段壓裂產(chǎn)能評價技術(shù)的數(shù)據(jù)解釋較成熟,現(xiàn)已形成大量商業(yè)性測井解釋軟件,準確掌握水平井井筒油氣水三相流的復(fù)雜分層流動特征進而提高數(shù)學(xué)模型的精度至關(guān)重要。

針對分布式光纖監(jiān)測技術(shù),DTS/DAS監(jiān)測數(shù)據(jù)量大,這些數(shù)據(jù)需建立數(shù)學(xué)模型進行計算處理從而得到水平井壓裂的生產(chǎn)狀況,目前關(guān)于分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)定量解釋主要集中在基于DTS數(shù)據(jù)分析,但仍有較大缺陷。解釋模型的假設(shè)應(yīng)進一步貼切于井下實際情況,反演效率應(yīng)進一步提高以適應(yīng)反演目標參數(shù)維數(shù)大的情況,現(xiàn)場實際應(yīng)用的實用性亟待進一步提升,此外,也應(yīng)注重室內(nèi)物理動態(tài)模擬實驗和計算機軟件處理能力作為解釋模型的輔助工具。

針對示蹤劑監(jiān)測技術(shù),半解析法是目前示蹤劑解釋方法的發(fā)展方向,但對于裂縫性特低滲透油藏等特殊油氣藏已不再適用[68],應(yīng)進一步優(yōu)化解釋模型對于復(fù)雜油氣藏的適用性;不同示蹤劑類型的理論解釋模型并不完全一致,應(yīng)根據(jù)每種示蹤劑特征完善相應(yīng)的模型;示蹤劑取樣時間、周期長短對于濃度的檢測均有較大影響,應(yīng)將其考慮到資料解釋中;示蹤劑監(jiān)測會得到動態(tài)化、復(fù)雜的數(shù)據(jù)資料,應(yīng)利用綜合性處理思想與計算機結(jié)合開展示蹤劑的解釋。

4 結(jié)論

分析水平井分段壓裂產(chǎn)能評價存在問題,梳理水平井分段壓裂產(chǎn)能評價技術(shù)進展,并以此提出相應(yīng)的技術(shù)展望,主要得到以下結(jié)論。

(1)水平井分段壓裂產(chǎn)能評價存在測試儀器輸送困難和測試資料解釋困難的問題。目前,水平井分段壓裂產(chǎn)能評價技術(shù)主要有產(chǎn)出剖面測井技術(shù)、分布式光纖監(jiān)測技術(shù)和示蹤劑監(jiān)測技術(shù)。

(2)產(chǎn)出剖面測井技術(shù)是應(yīng)用較早且較成熟的水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價測試,測井儀主要有FSI測井儀和MAPS測井儀,但測試儀器因井身結(jié)構(gòu)和井況而受到限制,此外,動態(tài)產(chǎn)出剖面測試費用較高。

(3)分布式光纖監(jiān)測技術(shù)是水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價測試的較新技術(shù)手段,按其工作原理可分為DTS和DAS技術(shù),最大優(yōu)勢在于可對水平井壓裂動態(tài)連續(xù)監(jiān)測,可實時掌握各段產(chǎn)能貢獻率,可及時調(diào)整壓裂參數(shù)設(shè)計,但數(shù)據(jù)解釋仍是目前最大的難題。

(4)示蹤劑監(jiān)測技術(shù)作為水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價測試的重要技術(shù)手段不斷取得進展,現(xiàn)已形成化學(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4大類型,其最大優(yōu)勢在于無需儀器、適用性強、安全性高,選取合適的示蹤劑可彌補產(chǎn)出剖面測井技術(shù)和分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的不足,但數(shù)據(jù)解釋仍需進一步加強。

(5)3種水平井分段壓裂各段產(chǎn)能評價技術(shù)在測試工藝和數(shù)據(jù)解釋兩方面仍具有較大的改進空間,應(yīng)進一步研發(fā)每種監(jiān)測技術(shù)配套的成本低、適應(yīng)性強的測試工藝和精度高、實用性強的數(shù)據(jù)解釋方法。