油田水力壓裂裂縫的放射性示蹤實(shí)驗(yàn)研究

王路偉，高 翔，崔海平

(1.中國原子能科學(xué)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(shù)作為油田尤其是低滲油田和頁巖氣開采的主要增產(chǎn)措施，已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[1]。在水力壓裂中準(zhǔn)確獲得水力裂縫形態(tài)非常重要[2]。目前水力裂縫評(píng)價(jià)的方法主要有兩類：一類是井筒附近裂縫的直接監(jiān)測(cè)，主要包括放射性示蹤、溫度測(cè)井、井下電視和非放射性補(bǔ)償中子測(cè)井等；另一類是裂縫遠(yuǎn)場(chǎng)直接監(jiān)測(cè)，包括地面井下測(cè)斜儀、電位法和微地震技術(shù)[4-7]。美國巖心(Corelab)公司于上世紀(jì)90年代中期，成功開發(fā)了油田水力壓裂放射性示蹤評(píng)價(jià)技術(shù)，并在北美實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)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(shù)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。由于放射性示蹤劑依靠進(jìn)口、國內(nèi)施工資質(zhì)需要認(rèn)證、缺少服務(wù)隊(duì)伍以及服務(wù)價(jià)格昂貴等因素, 我國對(duì)水力壓裂放射性示蹤技術(shù)的應(yīng)用處于初始階段。

本研究采用放射性示蹤技術(shù)，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(jìn)而反映其所在人工裂縫情況。放射性示蹤技術(shù)對(duì)裂縫的近井參數(shù)，尤其裂縫深度、高度的監(jiān)測(cè)很精確，可以準(zhǔn)確得到裂縫是否發(fā)育在目標(biāo)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(gè)鋪置過程，反映裂縫形成過程中支撐劑是否持續(xù)進(jìn)入地層,判斷裂縫是否在壓裂過程中持續(xù)發(fā)育，繼而為壓后效果評(píng)價(jià)以及壓裂優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 測(cè)試原理

不同裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)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(fā)展的長度，裂縫方位指裂縫在地層中發(fā)展方向。

表1 幾種裂縫監(jiān)測(cè)技術(shù)的對(duì)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(shù)，屬于放射性示蹤技術(shù)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(duì)支撐砂情況的了解與認(rèn)識(shí)，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(zhì)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(cè)井，數(shù)據(jù)處理計(jì)算解釋，得到示蹤砂在井中的分布情況，進(jìn)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(duì)井眼周圍裂縫情況的監(jiān)測(cè)，其對(duì)于監(jiān)測(cè)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(fā)育情況，進(jìn)而評(píng)價(jià)壓裂效果。這是此項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)，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(fā)育時(shí)的位置；第三種示蹤砂跟蹤支撐劑后段，監(jiān)測(cè)裂縫在壓裂過程中的發(fā)育情況。

需要說明的是，水力壓裂裂縫放射性示蹤技術(shù)對(duì)于裂縫方位需要增加特殊的測(cè)井設(shè)備，包括準(zhǔn)直儀與陀螺儀，因?qū)嶒?yàn)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(qiáng)度相關(guān)，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(zhì)參數(shù)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(huì)摻雜在一起，也就是先注入的示蹤砂同樣會(huì)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(xiàn)象，高能射線對(duì)于低能部分能譜計(jì)數(shù)率影響，且192Ir部分低絕度強(qiáng)度的能量分支對(duì)124Sb計(jì)數(shù)率能區(qū)存在的影響，因此需要通過解譜來確定三個(gè)示蹤砂的特征能量的射線強(qiáng)度。

根據(jù)三種同位素主要特征能量，實(shí)驗(yàn)定義146-195道區(qū)間為Ⅰ區(qū)， 102-127道區(qū)間為Ⅱ區(qū)，32-101道區(qū)間為Ⅲ區(qū)。三個(gè)能量區(qū)間分別對(duì)應(yīng)對(duì)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(shí)驗(yàn)室分別使用同一個(gè)測(cè)井儀單獨(dú)測(cè)量三種示蹤砂的伽瑪能譜，測(cè)量192Ir示蹤砂時(shí)，三個(gè)區(qū)的比例系數(shù)為0.35∶0.36∶1；測(cè)量124Sb時(shí)，三個(gè)區(qū)的比例系數(shù)為0.91∶1∶2.88；測(cè)量46Sc時(shí)，三個(gè)區(qū)的比例系數(shù)為1∶0.71∶2.27。使用不同測(cè)井儀以上的比例系數(shù)會(huì)有所不同，需要提前在實(shí)驗(yàn)室重新測(cè)定。

在測(cè)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(cè)井儀解譜系數(shù)方程：

(1)

其中：C1、C2、C3分別為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)計(jì)數(shù)率；CIr、CSb和CSc分別為三種示蹤砂所做貢獻(xiàn)。

在實(shí)際測(cè)量中，由于散射情況與實(shí)驗(yàn)室存在差別，天然本底的影響以及統(tǒng)計(jì)誤差，所以能譜區(qū)間計(jì)數(shù)率方程中的CIr、CSb和CSc的精確解可能出現(xiàn)負(fù)值，與實(shí)際情況不同，因此需要進(jìn)行處理，解出近似正解，這里在matlab環(huán)境中調(diào)用lsqnonneg函數(shù)，使用非負(fù)最小二乘法對(duì)方程進(jìn)行求解。

非負(fù)最小二乘法解方程組，是指使用非負(fù)作為約束條件，求解方程，使得殘量平方和最小。也就是對(duì)于每一組測(cè)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(cè)設(shè)備

根據(jù)已申請(qǐng)專利技術(shù)[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(cè)量得到活度及比活度。

通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和蒙特卡羅模擬計(jì)算，當(dāng)裂縫寬度小于10 mm時(shí)，示蹤砂活度與支撐劑的比例為7.4×107Bq/m3(1 Ci/m3)時(shí)，探測(cè)器能窗每秒計(jì)數(shù)(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(shí)示蹤砂的比活度決定使用時(shí)示蹤砂的質(zhì)量，也就是示蹤砂粒的個(gè)數(shù)。在活度相同的情況下，示蹤砂粒越多，示蹤裂縫寬度計(jì)算時(shí)誤差越小。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，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(cè)設(shè)備主要包括伽瑪能譜測(cè)井儀、地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件。伽瑪能譜測(cè)井儀使用1×7英寸碘化鈉探測(cè)器，能譜道數(shù)為256道，測(cè)量能量區(qū)間：0.1～1.5 MeV。

3 現(xiàn)場(chǎng)壓裂示蹤實(shí)驗(yàn)

為了利用壓裂示蹤技術(shù)監(jiān)測(cè)人工裂縫的高度、深度及水力壓裂效果，指導(dǎo)完善裂縫參數(shù)及壓裂施工參數(shù)設(shè)計(jì)。在大慶油田開展了壓裂示蹤實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 壓裂井基本情況

計(jì)劃實(shí)施的壓裂實(shí)驗(yàn)井位于大慶油田松遼盆地北部，實(shí)驗(yàn)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(jù)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(shí)驗(yàn)井PⅠ3層示蹤砂注入方案列于表3。

表3 實(shí)驗(yàn)井PⅠ3層示蹤砂注入方案Table 3 PⅠ3 stratum tracer-sand injection scheme of experimental well

3.3 測(cè)井

按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)井：儀器上、下速度不超過10 m/min，應(yīng)隨時(shí)觀察張力變化情況，在測(cè)試井全段取測(cè)井資料。

儀器從目的層(壓裂層)上10 m開始測(cè)試，至壓裂層下10 m或人工井底結(jié)束，重復(fù)測(cè)試兩次。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)井原始數(shù)據(jù)曲線(未作深度校正及本底扣減)示于圖1，由圖1結(jié)果可知，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)差距較小，在曲線上近似重合。測(cè)井從1 795～1 815 m，每0.1 m測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，單位為s-1。

將原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)扣除本底后帶入解譜方程中(公式2)，并使用非負(fù)最小二乘法求解解譜后，再使用壓裂設(shè)計(jì)方提供的自然伽瑪測(cè)井曲線校準(zhǔn)深度，結(jié)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(jì)算殘值平方和，剔除較大值處的譜數(shù)據(jù)，并且實(shí)際測(cè)量時(shí)，兩點(diǎn)間數(shù)據(jù)應(yīng)該連續(xù)，所以對(duì)最小二乘解譜曲線進(jìn)行三點(diǎn)平滑處理，得到實(shí)驗(yàn)井測(cè)井解譜曲線示于圖3。

圖1 實(shí)驗(yàn)井原始測(cè)井曲線Fig.1 The original logging curve of experimental well

圖2 實(shí)驗(yàn)井非負(fù)最小二乘解譜曲線Fig.2 Well logging curve using non negative least square solution

圖3 實(shí)驗(yàn)井測(cè)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(nèi)，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(xù)發(fā)育，沒有發(fā)生明顯的裂縫扭曲；4) 7處的裂縫對(duì)應(yīng)目標(biāo)層，說明實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)層的壓裂改造目的，但裂縫范圍明顯超出目標(biāo)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(biāo)層以外，有裂縫發(fā)育，說明壓裂過程中有竄層，可能需要以后在該區(qū)塊壓裂過程中增加人工隔層的強(qiáng)度和厚度。

4 結(jié)論

通過對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)的壓裂裂縫放射性示蹤實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1) 裂縫的放射性示蹤可以對(duì)裂縫精確定位，直觀判讀裂縫位置與目標(biāo)層的關(guān)系；并可以通過使用三種示蹤砂，示蹤支撐砂填充情況，進(jìn)而判斷裂縫發(fā)育情況，最終推論水力壓裂是否達(dá)到預(yù)期效果；

2) 下一步計(jì)劃研究射線強(qiáng)度與裂縫寬度的關(guān)系，豐富對(duì)水力壓裂人工裂縫的解釋。