示蹤劑技術在壓裂效果評價中的研究進展

孟令韜，鮑文輝，郭布民，申金偉，孫厚臺

（中海油田服務股份有限公司，天津 300459）

近年來非常規資源探明儲量不斷增加，壓裂改造技術已逐漸成為該類油藏經濟開發的重要手段[1，2]。然而對非常規儲層壓裂改造過程中認識上的不平衡與不充分，導致儲層改造效果差、單井產能低，往往難以達到預期改造效果，因此如何評價非常規儲層壓裂效果成為亟需解決的工程難題。

傳統測井工具使用范圍較窄，無法應對水平井、大位移井壓裂改造工藝，且工序復雜、成本較高[3]。而地面與井下結合的微地震監測法雖然可以測定裂縫長度、寬度等幾何形態，但難以確定產液剖面，且信噪比低、監測精度差[4]。示蹤劑技術作為一種新興的壓裂效果評價手段具備適用范圍廣、精準度高與工藝簡便等特點，逐漸受到廣大油田科研工作者的廣泛關注[5]。但目前針對示蹤劑技術在非常規儲層壓裂效果評價的報道較少，本文首先介紹了示蹤劑的研究進展，并對示蹤劑技術在油田中的應用進行概述，重點分析了示蹤劑技術在非常規儲層壓裂效果評價中的作用機理。

1 示蹤劑研究進展

1.1 示蹤劑簡介

示蹤劑是唯一能伴隨注入流體進入油藏，指示流體注入方向、滲流速度并攜帶油藏信息返回地面的油田指示劑[6]。示蹤劑種類可以按照不同標準劃分，按在油水相的分配比，可分為油溶性示蹤劑、水溶性示蹤劑與油水分配型示蹤劑；按物態形式，又可分為氣態示蹤劑、液態示蹤劑與固態示蹤劑。隨著示蹤劑技術在油氣田開發領域的廣泛應用，工程技術人員也總結出性能良好的示蹤劑應滿足以下6 個條件：（1）地層本底濃度低，無其他來源干擾；（2）與注入流體配伍性良好，不產生沉淀，不改變流體物理化學性質；（3）示蹤劑檢測方法便捷、精準程度高；（4）具備適應地層能力，不易與油層巖石發生吸附，耐溫耐鹽，穩定性好；（5）無毒無害，不傷害地層，不會對施工人員造成傷害；（6）來源廣，價格低。

1.2 示蹤劑發展歷程

自1965 年Brigham 等[7]選用第一代化學示蹤劑研究注入流體的運動規律與油藏非均質特征，到微量物質示蹤劑[8]作為評價非常規儲層壓裂改造效果的技術手段，示蹤劑隨著油田不同時期的生產開發需求經歷了四個階段的轉變。

1.2.1 第一代化學示蹤劑 化學示蹤劑主要分為三類：易溶的無機鹽（如SCN-、NO3-、鹵素等），一般被用作水相示蹤劑，因帶電荷與地層相同，所以地層吸附量較小，使用分光光度計即可檢測[9]；染料（如茜素紅、胭脂紅等），該類示蹤劑穩定性較差，在地層中容易被吸附，已逐漸呈被替代的趨勢[10]；小分子有機化合物（如小分子鹵代醇、鹵代烷烴等），可用作油相示蹤劑與分配型示蹤劑使用，但小分子醇易被細菌吞噬，生物穩定性差，在使用的同時需要加入甲醛等殺菌劑。

1.2.2 第二代放射性同位素示蹤劑 放射性同位素示蹤劑主要包括氚（3H）元素，因為氚化氫（3HHO）與注入水物性特征相仿，且具備用量少、配伍性強、檢測精度高等特點，也有用14C 與60Co 等。王路偉等[11]研發了三種放射性示蹤砂作為示蹤劑，示蹤砂隨壓裂施工進入裂縫，通過能譜測井跟蹤地層中示蹤砂能區伽馬計數率的變化，可較為精確得到裂縫深度與高度，達到評價壓裂改造效果等目的。但放射性同位素示蹤劑不可避免會對人體有害，其大規模使用受到一定限制。

1.2.3 第三代非放射性同位素示蹤劑 非放射性同位素即穩定性同位素，無放射性危害，如12C、15N、18O 等，具備放射性同位素示蹤劑用量少、檢測精度高等特點，又克服了放射性同位素示蹤劑對環境與操作人員存在的潛在傷害風險[12]，但非放射性同位素示蹤劑種類少，檢測時需中子活化，成本較高不利于推廣。

1.2.4 第四代微量物質示蹤劑 微量物質示蹤劑是近些年快速發展的新型示蹤劑[13，14]，主要指儲層中含量極少或根本沒有的物質，如稀土元素、納米材料與聚合物顆粒等。此種示蹤劑具備非放射性同位素示蹤劑用量少、精度高等優點，且檢測方法簡單高效，是較為理想的示蹤劑，尤其在水平井分級多段壓裂效果評價中。以新疆油田為例，陳福利等[15]在吉木薩爾蘆草溝組非常規致密油開發中使用多種微量物質示蹤劑，確定了各段儲層壓裂返排次序、產油貢獻和裂縫特征，對后續完善致密油儲層改造提供有利技術依據。

1.3 示蹤劑分析

將不同示蹤劑技術特點與局限性分析總結（見表1），放射性同位素示蹤劑由于自身放射性對施工人員存在潛在風險，在大多數油田使用受限。而非放射性同位素示蹤劑雖克服了放射性危害但檢測時需要中子活化，極大增加了使用成本，不利于技術推廣。化學示蹤劑種類多、檢測方法便捷一度成為油田使用最廣的示蹤劑，但由于化學示蹤劑用量大、地層適應性差、檢測精度低等劣勢，已逐漸呈淘汰趨勢。微量物質示蹤劑作為新型示蹤劑受到油田科研人員廣泛關注，其特點是地層本底濃度極低、檢測精度高，可通過示蹤劑產出數據定量分析與解釋地層，有較高的準確性。就目前而言，雖然化學示蹤劑仍是油田應用的“主力軍”，但微量物質示蹤劑是今后研究的重點方向。

表1 不同示蹤劑工藝特點與局限性分析

2 示蹤劑技術在非常規儲層壓裂效果評價中的應用

示蹤劑技術[4，16]原理是選用與壓裂液配伍的示蹤劑，在壓裂過程中伴隨壓裂液同步進入地層，壓后返排時，對返排液以一定時間間隔密集取樣檢測，得到示蹤劑返排曲線，通過解釋示蹤劑返排曲線可達到壓裂效果評價等目的。該技術在非常規儲層壓裂效果評價中具體包括以下兩方面的應用：

2.1 壓裂裂縫評價

示蹤劑產出形態由排出機制控制[17]，不同裂縫類型對應著不同特征的示蹤劑返排曲線（見圖1），由圖1當壓裂主要形成大裂縫時示蹤劑返排曲線峰值寬大且呈單峰型，而當壓裂形成復雜裂縫時，示蹤劑返排曲線峰值復雜為多峰型。Tian 等[18]指出非常規儲層地質特性差異大，需要使用示蹤劑技術有針對性的調整壓裂改造施工方案。在美國德州Delaware 盆地非常規儲層壓裂改造中采用示蹤劑技術，根據示蹤劑返排曲線，確定了壓裂改造后不同層段裂縫形態與產出特征，指導了后續壓裂工藝參數設計，取得了良好的壓裂改造效果。Li 等[19]采用示蹤劑技術對水平井多段壓裂縫網形態展開研究，通過建立BTC 曲線（示蹤劑突破曲線）表征壓裂不同階段裂縫網絡形態，對壓裂效果評價有重要指導意義。

圖1 示蹤劑返排曲線與裂縫類型的關系

常青等[20]制備了20 多種微量物質示蹤劑對裂縫近井參數進行監測，得到了裂縫深度、高度等精確信息，判定裂縫是否發育在目標層位，為后續壓裂評價與同區塊壓裂施工設計提供技術支持。謝建勇等[21]選擇微量物質示蹤劑對致密油水平井壓裂進行監測，總結了示蹤劑采出濃度變化與裂縫類型的關系，將裂縫形態分為微裂縫、大裂縫與混合裂縫三類。張洪亮[22]通過隨鉆測井結合示蹤劑技術對致密油藏水平井各壓裂，分析得到壓裂段井筒周圍儲層巖性、含油性、壓裂規模與壓裂段產出貢獻率等關系，為致密油藏壓裂方案設計調整提供數據參考。

2.2 水平井分段壓裂產能評價

在水平井多段分級壓裂中，如何評價壓裂改造后各段產能是尚待解決的工程性難題。示蹤劑技術將不同種類示蹤劑加入到不同層段的壓裂液，壓裂施工結束后定時監測返排液中每一種示蹤劑的濃度，得到各層段改造后的產液貢獻率，可作為評價不同層段壓裂改造效果的有效依據，其機理（見圖2）。

圖2 示蹤劑技術在水平井分段壓裂中的應用示意圖

Munoz 等[23]使用示蹤劑對Eagle Ford 油田中水平井產能進行評價，提出了SRV 體積改造評價法，該方法可分析各壓裂段裂縫特征、壓裂返排狀況。Ahmad等[24]采用示蹤劑技術對水平井分段壓裂后各段壓裂液的返排速度與返排量進行監測，分析各壓裂段裂縫發育情況，為壓裂工藝技術改造和優化提供理論依據。Catlett 等[25]通過示蹤劑監測法對初期返排、中期生產、后期穩產三個階段間隔取樣，分析得到示蹤劑的回采率可較好反映壓裂改造效果，回采率越高代表儲層壓裂改造效果越好。

我國低滲透油氣藏資源豐富[26]，示蹤劑技術在各大油田水平井分段壓裂工藝中已開始先導性實驗，均取得理想預期。趙政嘉等[27]解決水平井分段體積壓裂后不同層段產液情況，開發了一套ZO 系列示蹤劑技術，并成功應用于束鹿凹陷束探2x 井。在壓裂過程中，示蹤劑隨壓裂液注入地層并返排回地面，通過對產出流體中示蹤劑種類與濃度的檢測，得到各層段體積改造效果，分析井筒流體通道間流通關系，并為評價體積壓裂效果奠定基礎。耿宇迪等[28]為解決水平井分段酸鹽無法監測各段產油產水貢獻率等問題，選用示蹤劑監測法監測返排液中不同類型示蹤劑濃度，進而達到判斷各壓裂段油水運動規律、分析各段產油產水情況、驗證壓裂段是否存在機械堵塞等目的。

3 結論

示蹤劑技術對非常規儲層壓裂改造有較好的指導效果，通過調研分析國內外相關領域研究進展得到以下兩點認識：

（1）示蹤劑技術經歷了化學示蹤劑、放射性同位素示蹤劑、穩定性同位素示蹤劑和微量物質示蹤劑四個發展階段，已形成了一套較為完整的理論體系。隨著種類豐富、檢測精度高、應用范圍廣的微量物質示蹤劑興起，未來將逐步提高對微量物質示蹤劑的研究開發與推廣應用。

（2）示蹤劑技術在非常規儲層壓裂改造評價中可通過示蹤劑返排曲線定性判斷壓裂形成的縫網形狀，優化施工設計參數；也可判斷水平井分段多級壓裂各段產出情況，量化每一段產出貢獻率，為壓裂效果評價奠定可靠基礎。