裂縫性特低滲油藏井間化學示蹤監測分類解釋模型

景成蒲春生谷瀟雨何延龍王博崔淑霞.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.西安石油大學石油工程學院；3.中國石油長慶油田第五采氣廠

裂縫性特低滲油藏井間化學示蹤監測分類解釋模型

景成1蒲春生1谷瀟雨1何延龍1王博2，3崔淑霞1
1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.西安石油大學石油工程學院；3.中國石油長慶油田第五采氣廠

裂縫性特低滲透油藏天然裂縫廣泛發育，人工裂縫使其裂縫系統更加復雜多樣。隨著注水開發的深入，裂縫系統發生動態變化，現有的孔隙型示蹤劑解釋模型難以有效表征該類水竄裂縫系統。以鄂爾多斯盆地裂縫性特低滲透油藏為例，通過分析水竄、水淹綜合特征，將水竄裂縫系統劃分為人工裂縫竄通型、差異裂縫交互型和裂縫相對均勻推進型，等效抽象出不同水竄裂縫系統的物理模型，并依據注入水與示蹤劑在裂縫條帶中運動的基本假設，建立了Ⅰ類單峰型、Ⅱ類多峰型、Ⅲ類寬臺型水竄裂縫系統的示蹤劑分類解釋模型，實現了非均質問題的相對均質化處理。現場實例驗證了該分類模型在裂縫性特低滲透油藏示蹤劑解釋中的合理性和適用性，為裂縫性特低滲透油藏水竄、水淹治理方案的準確制定和后期精細挖潛提供重要依據，具有廣闊的應用價值。

水竄裂縫系統；特低滲透油藏；裂縫條帶；示蹤劑；解釋模型

裂縫性特低滲透油藏的精確油層信息是后期調整挖潛、合理制定挖潛方案和準確計算調驅劑用量等工作的重要前提。井間示蹤監測技術廣泛運用于確定井間連通性、高滲通道和非均質性等方面。目前定量化解釋方法主要有解析法、數值法和半解析法，其中解析法和數值法都是把油藏處理為由均質、互不連通的一些層的組成，半解析法則是利用流線法將數值計算的壓力分布與解析法計算的示蹤劑濃度聯系起來，實現示蹤劑產出曲線的解釋［1-11］。對于裂縫廣泛發育的特低滲透油藏，裂縫是注入水流動的主要通道，解析法、數值法模型以及半解析法中計算壓力分布的黑油模型對于該類油藏示蹤劑解釋并不適用，確定出的高滲裂縫通道參數差異較大，僅可進行定性分析［12-13］。

以鄂爾多斯盆地裂縫性特低滲透油藏為例，通過分析水竄、水淹綜合特征，等效抽象出3類水竄裂縫系統的物理模型，把非均質問題轉化為相對均質問題來解決，建立了對應水竄裂縫系統的示蹤劑分類解釋模型，為裂縫性特低滲透油藏水竄水淹治理方案的準確制定和后期精細挖潛提供重要依據。

1 裂縫性特低滲透油藏水竄裂縫綜合特征General characteristics of water-channeling fracture systems in fractured ultra-low permeability oil reservoirs

鄂爾多斯盆地裂縫性特低滲儲層基質致密，天然裂縫廣泛隨機發育，儲層非均質性強，人工壓裂裂縫普遍存在，易形成裂縫性水竄、水淹。水竄、水淹特征為：廣泛發育的沉積層理縫和成巖縫具有應力敏感性，在前期強化注水階段易張開，形成裂縫竄流系統，使油井過早水淹；油水井間水竄裂縫系統形成后，注入水無效循環，使得靠滲吸置換出的原油流入到采油井變得困難，產油量下降，含水率迅速上升；剩余油主要存在于縫網分割的基質巖石內部，需要使注入水盡可能均勻進入所有裂縫條帶中，擴大裂縫與基質的滲吸置換接觸面積，使后續注入水把裂縫條帶中的油驅替出來［12-14］。通過分析將水竄裂縫系統分為3類水淹程度不同的水淹層。

（1）人工裂縫竄通型強水淹、水竄裂縫系統由于注水井為大規模水力壓裂油井轉注，注入水沿水力壓裂裂縫快速竄流，導致油井初期見效快、產量上升快，但持續時間很短，隨后含水率快速上升，一般大于70%，產量快速下降，注水井注入壓力低、吸水能力強，其水竄方向與最大主應力方向基本一致。該類竄流通道較為單一，示蹤劑曲線顯示明顯的單峰型。

（2）差異裂縫交互型中水淹、水竄裂縫系統注水井大多為小規模水力壓裂油井轉注或爆燃投注井，注采井間以小規模人工裂縫與天然裂縫組合為主，裂縫間滲透率極差大，注入水非均勻推進，油井初期見效時間中等，產量逐步上升，但持續時間較短，隨后含水率逐步上升，一般在40%～70%，產量下降較快，注水井注入壓力中等、吸水能力一般。其水竄方向與最大主應力方向部分一致，該類竄流通道參次不齊，具有多峰型示蹤劑曲線形態［15-16］。

（3）裂縫相對均勻推進型弱水淹、水竄裂縫系統注水井大多采用爆燃投注或射孔，注采井間以較為均勻分布的天然裂縫為主，裂縫間滲透率極差較小，注入水相對均勻推進，油井見效晚，持續時間較長，產油量緩慢上升，隨后含水率緩慢上升，一般小于40%，產量緩慢下降，注水井注入壓力較高、吸水能力較弱，其水竄方向無序。該類竄流通道滲流特性趨于一致，但不盡相同，其示蹤劑響應曲線具有峰值依次到達的融合寬臺型特性。

2 水竄裂縫系統物理模型Physical models of water-channeling fracture systems

2.1基本假設

Basic assumptions

對注入水及示蹤劑在該類油藏中的運動做以下基本假設：注入水為連續流動的不可壓縮流體；示蹤劑在注入過程中類似于水，對示蹤劑運動的分析就相當于對水運動的分析；忽略流體重力及毛管力，在裂縫中示蹤劑與注入水為流度比等于1的活塞式驅替；忽略示蹤劑緯向彌散和分子擴散的影響，示蹤劑不吸附到巖石壁面上；忽略基質與裂縫的滲吸置換，流體僅在裂縫中流動；流體在裂縫中的流動符合Hagen-Poiseaille方程。因此，可把不同水竄裂縫系統等效為從注水井到采油井的一系列互不相交的裂縫條帶，第i個裂縫條帶由ni個長度為Li、當量直徑為Di的流管組成的流管束。

2.2物理模型

Physical models

以1/4的五點法注采井網為例，建立物理模型（圖1）。人工裂縫竄通型可等效為1條裂縫條帶由n個長度為L、當量直徑為D的流管組成的流管束（圖1-a），示蹤劑可以看成是在這裂縫條帶中的n個流管中流動，其對應的示蹤劑曲線形態為單峰型（圖2-a）；差異裂縫交互型可等效為多條裂縫條帶，且第i條裂縫條帶分布可以看成是由ni個長度為Li、當量直徑為Di的流管組成的流管束（圖1-b），各裂縫條帶之間的滲流差異較大，示蹤劑可以看成是在這些條裂縫條帶中的ni個流管中流動，其對應的示蹤劑曲線形態為多峰型（圖2-b）；裂縫相對均勻推進型可等效為多條裂縫條帶，且第i條裂縫條帶分布可以看出是由ni個長度為Li、當量直徑為Di的流管組成的流管束（圖1-c），示蹤劑在不同流管中依次到達油井，其對應的示蹤劑曲線形態為寬臺型（圖2-c）。

圖1　三類裂縫竄流系統流管物理模型Fig.1 Flow tube models of the three types of water-channeling fracture systems

圖2　三類裂縫竄流系統對應的示蹤劑曲線Fig.2 Tracer curves of the three types of water-channeling fracture systems

3 水竄裂縫系統示蹤劑分類解釋模型Tracer classification and interpretation models of water-channeling fracture systems

將人工裂縫竄通型、差異裂縫交互型及裂縫相對均勻推進型水竄裂縫系統對應的示蹤劑解釋模型分別命名為Ⅰ類單峰型、Ⅱ類多峰型及Ⅲ類寬臺型示蹤劑解釋模型。以對流擴散理論為基礎，利用等效流管法可推導出示蹤劑段塞在第i個裂縫條帶任一流管中生產井處的濃度產出方程為

式中，C0為示蹤劑初始濃度，g/cm3；Ci為示蹤劑在第i個裂縫條帶t時刻Li位置的濃度，g/cm3；Li為第i個裂縫條帶的長度，m；ΔLi為第i個裂縫條帶的示蹤劑段塞尺寸，m；σi2為第i個裂縫條帶示蹤劑的分布曲線的方差；vi為第i個裂縫條帶中任一流管的平均流速，m/d；t為時間，d。

示蹤劑礦場監測結果為示蹤劑產出濃度或標準濃度與時間的曲線圖，曲線擬合結果得到不同裂縫條帶的ni、Li、Di等參數。對于式（1），只需將ΔLi、vi、σ2等參數用裂縫條帶相關參數來表示，3類示蹤劑解釋模型即為對應的所有裂縫條帶等效流管在生產井處的疊加。

3.1Ⅰ類單峰型示蹤劑解釋模型

ClassⅠ（single-peak） tracer interpretation model

向五點法注采井網注入體積為Vd的示蹤劑段塞，示蹤劑段塞會按注入水分配系數fj分配到對應的采油井j，對于Ⅰ類人工裂縫竄通型水竄裂縫系統，每根流管分配的示蹤劑段塞體積為

式中，Vdi為分配到單一等效流管的示蹤劑段塞體積，m3；fj為向采油井j的注入水分配系數，可由各采油井測得的示蹤劑產出量占總的示蹤劑注入量的比值得到；n為等效流管總個數，個；Vd為示蹤劑段塞總注入體積，m3。

式中，ΔL為每條等效流管的示蹤劑段塞尺寸，m；A為等效流管橫截面積，μm2；D為等效流管的當量直徑，μm。

式中，v為每條流管的平均流速，m/s；Q為平均日注入量，m3/d。

σ2=2Kt=2αvt （5）

式中，σ2為等效流管的示蹤劑的分布曲線方差；K為水動力彌散系數，m2/d；α為水動力彌散度，m。

將式（3）、（4）和（5）代入（1）式可得Ⅰ類模型中單一裂縫條帶中任一流管在L處的示蹤劑濃度產出方程為

式中，L為流管的等效長度，m。

井網中任一生產井j的示蹤劑產出濃度應為裂縫條帶所有等效流管在生產井j處的濃度疊加

式中，C為示蹤劑產出濃度，mg/L；q為單一等效流管的流量，m3/d。

將式（6）帶入式（7），經變換、化簡、量綱分析及單位換算得出人工裂縫竄通單峰型示蹤劑解釋模型如式（8）。

3.2Ⅱ類多峰型示蹤劑解釋模型

ClassⅡ（multi-peak） tracer interpretation model

與Ⅰ類單峰型相比，Ⅱ類多峰模型中不同裂縫條帶的流管個數、等效流管長度及當量直徑均不同，進入不同裂縫條帶流管中的示蹤劑段塞尺寸、平均流速也不同。不同流管中示蹤劑段塞的體積可用流阻的倒數進行劈分，根據Hagen-Poiseuille公式，定義第i個裂縫條帶每根等效流管的流阻為

式中，ΔP為等效流管兩端的壓差即注采壓差，MPa；qi為第i個裂縫條帶任一等效流管的流量，m3/d；Di為第i個裂縫條帶任一等效流管的當量直徑，μm；Li為第i個裂縫條帶的等效流管長度，m；μ代表流體黏度，mPa·s。

式中，ΔLi為第i個裂縫條帶等效流管中的示蹤劑段塞尺寸。

式中，vi為第i個裂縫條帶等效流管的平均流速，m/s；Q為平均日注水量，m3/d。

式中，σi為第i個裂縫條帶等效流管的示蹤劑分布曲線方差；Ki為示蹤劑在第i個裂縫條帶等效流管中的水動力彌散系數，m2/d；αi為示蹤劑在第i個裂縫條帶等效流管中的水動力彌散常數，m。

Ⅱ類差異裂縫交互多峰型示蹤劑解釋模型為

3.3Ⅲ類寬臺型示蹤劑解釋模型

ClassⅢ（wide-platform） tracer interpretation model

由于Ⅲ類模型中裂縫條帶間各參數極差小，裂縫條帶中的每條流管的流阻近似相等，定義M為等效流阻常數為

式中，M 為等效流阻常數，m/μm。

與Ⅱ類多峰型示蹤劑推導過程相同，則第i個裂縫條帶等效流管中的示蹤劑段塞尺寸為

第i個裂縫條帶等效流管的平均流速vi可表示為

Ⅲ類相對均勻推進多峰型示蹤劑解釋模型為

4 礦場應用實例Field cases

GGY油田屬于典型的裂縫性特低滲油藏，主力開發層系為三疊系延長組長6油層。T80區塊為該油田相對較老的區塊，一直采用自然能量開采，于2000年初轉注，并陸續投注新的注水井。自轉水驅后，注水規模不斷擴大，水竄、水淹狀況嚴重。選取該區C25井組進行井間化學示蹤動態監測，生產井示蹤劑產出曲線形態均為Ⅱ類差異裂縫交互型，利用自動擬合軟件1st Opt其計算核心是參數初始值，由1st Opt隨機給出，通過獨特的全局優化算法找出最優解中的遺傳算法對各井示蹤劑產出曲線進行反演擬合，得到裂縫竄流系統裂縫條帶參數［9］。

圖3　C25-1井示蹤劑產出曲線Fig.3 Tracer production curve of Well C25-1

如圖3所示（標準濃度為示蹤劑測試濃度和初始濃度的比值），顯示明顯的Ⅱ類多峰型曲線特征，該注采井間存在5條竄流裂縫條帶，其滲透率在1.15～1.85 D，油水井間水竄、水淹嚴重，解釋結果與該井生產動態資料相吻合。利用C25注水井注入壓力與注水層段深度及C25-1采油井動液面測試結果，估算其注采壓差為10.53 MPa，與示蹤劑產出曲線擬合參數計算（式18）出的11.07 MPa相差0.54 MPa，進一步驗證該分類模型在裂縫性特低滲透油藏水竄水淹裂縫解釋中的合理性和適用性，所得到的裂縫參數信息可靠。

5 結論Conclusions

（1）以鄂爾多斯盆地裂縫性特低滲透油藏為例，將水竄裂縫系統劃分為人工裂縫竄通型、差異裂縫交互型和裂縫相對均勻推進型，等效抽象出了不同水竄裂縫系統的物理模型。

（2） 依據注入水與示蹤劑在裂縫條帶中運動的基本假設，以對流擴散理論為基礎，利用流管法推導和建立了Ⅰ類單峰型、Ⅱ類多峰型、Ⅲ類寬臺型水竄裂縫系統的示蹤劑分類解釋模型，實現了非均質問題的相對均質化處理。

（3） 示蹤劑曲線擬合參數估算的注采壓差與礦場實測接近，驗證了該分類模型在裂縫性特低滲透油藏示蹤劑解釋中的合理性和適用性，可為裂縫性特低滲透油藏水竄、水淹治理方案的準確制定和后期精細挖潛提供重要依據。

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（修改稿收到日期 2016-02-15）

〔編輯李春燕〕

Classification and interpretation models of inter-well chemical tracer monitoring for fractured ultra-low permeability oil reservoirs

JING Cheng1， PU Chunsheng1， GU Xiaoyu1， HE Yanlong1， WANG Bo2，3， CUI Shuxia1
1. School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao，Shandong 266580， China；2. School of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an， Shaanxi 710065， China；3. No.5 Gas Production Plant， PetroChina Changqing Oilfield Company， Xi’an， Shaanxi 710016， China

In fractured ultra-low permeability oil reservoirs， natural fractures are well developed， while artificial fractures make the fracture systems more complicated. As waterflooding is further promoted in development， the fracture systems change dynamically. The current porous tracer interpretation model cannot be used to effectively characterize such water-channeling fracture systems. In this paper， the general characteristics of water-channeling and water-flooded fracture systems were analyzed for the fractured ultra-low permeability oil reservoirs in the Ordos Basin. The water-channeling fracture systems were divided into three types， i.e. artificial fractures communicated， different fractures interacted， and fractures advanced evenly， and then the physical model was devised equivalently for each type of water-channeling fracture system. Based on the basic assumptions for movements of injected water and tracer in fracturestrips， three classes of tracer interpretation models were established for water-channeling fracture systems， i.e. Class I （single-peak）， Class II （multi-peak） and Class III （wide-platform）. In this way， heterogeneity-related problems were treated as relative homogeneity. Field cases proved the rationality and applicability of these models in tracer interpretation for fractured ultra-low permeability oil reservoirs. The tracer classification and interpretation models can provide important evidences for accurately preparing the water-channeling and water-flooding treatment schemes and thoroughly tapping the potential of fractured ultra-low permeability oil reservoirs.

water-channeling fracture system； ultra-low permeability oil reservoirs； fracture strips； tracer； interpretation model

JING Cheng， PU Chunsheng， GU Xiaoyu， HE Yanlong， WANG Bo， CUI Shuxia. Classification and interpretation models of inter-well chemical tracer monitoring for fractured ultra-low permeability oil reservoirs［J］.Oil Drilling & Production Technology，2016， 38（1）： 226-231.

TE331

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0226-06

10.13639/j.odpt.2016.02.019

國家科技重大專項“復雜油氣田地質與提高采收率技術”（編號：2009ZX05009）；國家自然科學基金“延時式可控高能氣體壓裂技術動力學機理研究”（編號：51104173）。

景成（1987-），中國石油大學（華東）在讀博士研究生，主要從事低滲透油藏及致密氣藏開發地質、測井儲層評價及低滲透油田開發動態監測方面的研究。通訊地址：（266580）山東省青島市黃島區長江西路66號。E-mail：jich.0704@163.com

蒲春生（1959-），教授，博士生導師，主要從事低滲、特低滲、稠油、超稠油等特種油氣藏物理-化學強化開采及資源環境保護理論與技術方面的研究工作。通訊地址：（266580）山東省青島市黃島區長江西路66號。E-mail：chshpu@163.com

引用格式：景成，蒲春生，谷瀟雨，何延龍，王博，崔淑霞.裂縫性特低滲油藏井間化學示蹤監測分類解釋模型［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：226-231.