水平井產出剖面測試技術現狀及發展建議

邸德家 龐偉 毛軍 郭肖

1. 頁巖油氣富集機理與有效開發國家重點實驗室；2. 中國石化石油工程技術研究院

隨著我國油氣田勘探開發的深入，水平井和大規模壓裂技術成為油氣田高效開發的主要技術手段。水平井產出剖面測試技術能夠認識各壓裂層段產出、返排規律，了解井下生產動態情況，為完井和生產優化提供依據，起到提高油氣井產量，降低開發成本的作用［1］。目前水平井產出剖面測試技術主要包括生產測井技術、分布式光纖監測技術和智能示蹤劑監測技術。3種方法在測試原理、測試工藝及資料解釋方面差異較大，每種方法具有各自的適用條件和優缺點。

生產測井技術是應用較早和較成熟的一種水平井產出剖面測試技術，主要是利用連續油管或者爬行器輸送帶有多探頭的陣列儀器測試各層段流量、持率、溫度、壓力和密度等參數，進而反演計算各段流體產出性質和流量。以斯倫貝謝公司開發的流體掃描成像儀FSI為代表，在涪陵頁巖氣井應用超過50井次，取得了較好的測試效果［2-3］。由于水平井以多相流動為主，流型、流態復雜，受井徑、井斜影響較大，給水平井產出剖面測試工藝和資料解釋帶來了一定困難［4］。分布式光纖傳感監測技術具有長期、實時監測的功能，測試工藝和資料解釋方法發展較快。連續油管內置光纖測試技術具有施工簡單、可靠的特點，在頁巖氣井和致密氣井應用廣泛，以哈里伯頓“FiberLog”為代表，在涪陵地區成功應用超過10井次［5-6］。然而，用于水平井流體動態監測方面的分布式光纖傳感系統較少，目前成熟的監測方法主要為分布式溫度傳感系統(DTS)和分布式聲波傳感系統(DAS)，當前主要利用溫度資料反演各段流體產出情況，由于測試參數較少，井筒溫度影響因素較多，資料解釋多解性較強［7-8］。智能示蹤劑在水平井壓裂過程中被大范圍應用，主要用于監測各壓裂段的返排液和油氣產出情況。壓裂過程中把帶有不同識別碼的示蹤劑隨壓裂液或支撐劑置入地層不同層段，溶解在地層流體中，在返排和生產過程進行井口取樣分析，計算各層段的產出情況。

目前國內外主要應用的是液體示蹤劑，在返排期間大量排出，或者滯留在地層孔隙中，監測時間較短、監測效果較差。近幾年，挪威RESMAN(雷斯曼)公司和俄羅斯 Geosplit公司等開發了用于油氣井流體動態監測的智能示蹤監測技術，這項技術具有長期、分段、分相態監測產液剖面的特點，能夠及時了解油氣藏開發期間水平井見水時間和見水層段，為開發方案調整優化提供依據［9］。筆者研究回顧了當前水平井產出剖面測試的技術現狀和發展趨勢，分別對3種方法的測試儀器、測試工藝和資料解釋方法進行了綜述，對每種技術的適用性和優缺點進行了分析，對水平井產出剖面測試技術的發展提出了建議。

1 生產測井技術

1.1 陣列測井儀器現狀

國際上水平井生產測井陣列儀器主要有2類，一類是以斯倫貝謝公司研制的流體成像掃描儀Flow Scanner為代表,儀器整體呈弓型，傳感器對稱分布，測量臂的一側用4個渦輪來測量流速，在測量臂的另一側用5個電子探針和5個光學探針測量持水率和持氣率。另外，還有1個渦輪和1對電探針和光探針安裝在儀器的殼體上用來測量井中較低位置的流動特性。5個渦輪流量計(Minispinner)垂直于井軸方向分布，直接測量油、氣、水的相速度，6個電子探針(FloView)精確測定低速水和烴的界面位置，6個光學探針(GHOST)準確測量低速氣液界面，儀器能夠集中測量同一段流體，可實時監測數據質量［10］。另外一類為Sondex公司開發的MAPS系統，主要包括CAT(電容陣列儀)、RAT(電阻陣列儀)、SAT(流量計陣列儀)。哈里伯頓公司在硬件上主要以引進MAPS系統為主，貝克休斯公司開發了POLARIS系統，包括RPM(儲層動態監測儀)和MCFM(多電容流量計)。國內方面，陣列儀器主要以引進國外儀器為主，其中主要是引進MAPS系統。近幾年，國內也加大了研發力度，開發具有自主知識產權的陣列儀器，中國石化石油工程技術院聯合西安威盛電子有限公司開發了一套常規與陣列組合的水平井產出剖面測試儀器。現有的陣列儀器可以滿足水平井、大斜度井多相流測試，可以實現存儲式和直讀式測量,儀器普遍耐溫175 ℃左右，耐壓100 MPa左右。由于陣列儀器結構和性能指標的限制，連續油管輸送陣列測試儀器技術在深井、出砂井、小井眼、裸眼井、復雜結構井，以及高溫高壓油氣井中應用受到限制。

1.2 儀器輸送方式

目前水平井生產測井儀器的輸送主要有爬行器和連續油管這2種方式。爬行器具有操作方便、電纜直讀、費用低等優點，但是當水平段超過一定長度，一般大于1000 m，爬行器會出現打滑等牽引力不足的現象，而且在井況復雜、井內殘留有碎屑的情況下，爬行器具有卡在井下的危險。連續油管具有輸送力大、輸送水平段長和帶壓作業的特點，在上提和下放過程中均可進行測井記錄，利用連續油管進行儀器輸送具有更高的安全性和可靠性。為了延伸連續油管輸送深度，國外開發出了連續油管牽引器，能夠增加連續油管的下入深度，滿足長水平井產出剖面的測試需求。然而，連續油管下入井中，使得井筒流動通道變小，增加流動阻力，對測試結果有一定影響。

1.3 測試資料解釋

生產測井數據處理解釋軟件，主要有斯倫貝謝開發的FAL軟件系統、阿特拉斯公司的Prolog軟件系統、哈里伯頓公司的PLA軟件系統和法國KAPPA軟件公司開發的Emeraude軟件系統。其中Emeraude生產測井解釋軟件是目前世界上被廣泛認可和使用的解釋軟件，它作為一個高度交互直觀的工具，已經在全球范圍內被絕大多數服務公司廣泛使用。國內方面，長江大學建立了多相管流實驗室，進行了氣水兩相、油水兩相、不同流量、不同組分及不同井斜角的多相流動實驗，并在此基礎上開發了解釋軟件。為徹底打破國際技術壟斷和對高端軟件的封鎖，提升核心競爭力并且克服國外測井資料處理解釋軟件的不適用性，一些國內的測井資料處理解釋軟件應運而生，現有的常見生產測井數據處理系統有北京石大油軟技術有限公司開發的Watch軟件系統、中油測井開發的Lead軟件系統以及中石油勘探開發研究院和中國石油長城鉆探工程公司聯合開發的CIFLog-GeoMatrix軟件系統。其中，最具代表性的是CNPC測井軟件項目組于1998年推出的生產測井解釋平臺(Watch)，它是我國第一套商品化程度比較高、功能比較齊全的國產生產測井處理解釋軟件。

2 分布式光纖監測技術

2.1 分布式光纖傳感系統

分布式光纖傳感技術應用于油氣田井下動態監測越來越廣泛，目前應用于油田的分布式光纖傳感技術主要為基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統(DTS)，基于布里淵散射的分布式光纖應變傳感系統(DSS),以及基于瑞利散射的分布式光纖聲波傳感系統(DAS)(圖1)。分布式光纖溫度傳感技術(DTS)是利用光纖后向拉曼散射光譜的溫度效應和光時域反射(OTDR) 技術實現溫度測量［11-12］。

圖1 光纖傳感系統中的全散射光譜Fig. 1 Total scattering spectrum in optical fiber sensing system

國內自2006年開始，開展了DTS研究和應用嘗試，但目前還處于零星先導性試驗階段。2006年，遼河油田實現了水平井SAGD蒸汽驅油井下全井段分布式溫度監測。2007年，中海油開始研究將光纖溫度壓力監測系統應用于海上油田。2008年底，勝利油田建立了國內第1個固定式光纖高溫高壓在線實時監測示范工程，并進行了稠油熱采高溫溫度剖面測試先導性試驗。2009年,大慶油田進行了單點光纖永久式壓力溫度動態監測試驗。2016?2021年，中國石化石油工程技術院承擔了國家重大專項項目，進行DTS攻關研究，研發了高分辨率分布式光纖溫度傳感器、光纖陣列壓力傳感器、耐高溫高壓雙參量融合傳感光纜，最終形成了一套高分辨分布式光纖溫度壓力監測系統樣機。測試實驗表明，研制的高精度分布式光纖溫度壓力監測系統，溫度分辨率為0.01 ℃，溫度測量精度為±0.5 ℃，采樣分辨率為0.4 m，耐溫為150 ℃，耐壓為70 MPa，最大測量距離為8 km。

2.2 分布式光纖監測工藝

分布式光纖監測方式主要有永久式監測方式、半永久式監測方式和移動監測方式(圖2)。永久式監測方式即采用套管外安裝方式，在油氣井下入套管時將傳感光纜同時下入，將光纜固定在套管外水泥環的一種安裝方式。該安裝方式一次性下入油氣井，永久使用，簡單方便，免維護。半永久式監測方式主要采用油套環空安裝方式，將光纜安裝在生產管柱外側環空，在接箍處使用光纜保護器，在穿越封隔器及井口時需要做穿越密封。此種方式施工簡單方便，光纜可以重復利用，多用于稠油開采、氣井、地下儲氣庫、海上平臺智能完井等領域。光纖還可以采用油管下井安裝方式，是在油井下入油管時將傳感光纜同時下入，預先將光纜鋪設在油管內部的一種安裝方式。這種安裝方式適合油井類型廣，既可以永久安裝也可實現移動測試。連續油管內置光纖測試工藝在頁巖氣井和致密氣井產出剖面測試應用廣泛，取得了較好的監測效果。測試之前，先將內置分布式光纖的連續油管下入到目的層段靜止，然后關井測地溫基線，待井下溫度穩定后，開井進行第1種生產制度測量，然后改變生產制度，進行第2種生產制度測量，最后進行地溫回溫基線測量。連續油管內置光纖生產測井具有工藝簡單、可靠、成本低的特點。

圖2 3種分布式光纖監測工藝Fig. 2 Three distributed optical fiber monitoring processes

2.3 測試資料解釋方法

分布式光纖溫度測試資料解釋，主要是通過耦合多相流井筒模型、多相流氣藏滲流模型及熱力學模型，利用相應的反演算法，建立水平井溫度模型產出剖面測試資料解釋方法。國外方面，1962年Ramey開發了直井溫度模型，隨后大量學者開發和完善了不同井筒條件下的溫度模型，其中以美國德克薩斯A&M大學的ZHU Ding等為代表，建立了儲層熱力學模型、水平井井筒和儲層耦合模型、水平井多級壓裂溫度場模型［13-14］。國內方面，以西南石油大學為代表的李海濤、朱世琰等，針對常規油氣水平井、分段壓裂水平井的分布式光纖溫度監測，開發了相應的數學算法和解釋模型，并針對頁巖氣井的分布式光纖溫度數據進行了解釋分析［15-16］。中國石化石油工程技術研究院的邸德家等進行了溫度測井模型分析，并對1口致密氣井溫度數據進行了解釋分析［17］。長江大學的鄧瑞等依托中石油的CIFLog軟件開發了分布式光纖溫度和聲波解釋模塊，對涪陵頁巖氣井分布式光纖溫度數據進行了處理分析，取得了較好的解釋結果。

3 智能示蹤劑產出剖面測試技術

3.1 智能示蹤劑的種類

近幾年，國外利用智能示蹤劑監測技術進行水平井產出剖面測試得到快速發展。挪威的RESMAN(雷斯曼)公司從2005年開始專注于研究井下產層產液量智能監測技術，目前該公司已開發出172種獨特的智能示蹤劑體系，包括80種油溶體系、80種水溶體系，12種氣溶體系。水溶性示蹤劑和油溶性示蹤劑一起使用，可以確定地層水突破的位置和時間［18-21］。該項技術獲得2013年世界石油最佳生產技術提名獎，并且成功應用50個油田160口井。英國的Tracerco公司開發了一種微量物質智能示蹤劑LAN Tracer，該示蹤劑分別具有水敏性、油敏性和氣敏性，油敏性系統在遇到水時不會反應，水敏性系統在遇到油時不會反應，氣敏性系統在遇到油和水時不會反應。這3種系統在遇到空氣時都不會有反應，在遇到目標流體(油、氣、水)時，示蹤劑分子會被分解得很小。當限定化學物質與不同壓裂層段輕烴類氣體相遇時，會根據與目標流體的接觸反應程度釋放不同的化學氣體物質(氣敏性系統)。智能示蹤劑監測技術能夠提供一種無干擾的化學監測方案，準確地確定地層流體性質和流量，并能夠監測水的突破點，主要應用在量化分段液體、氣體產出量，監測水突破的位置和時間等。俄羅斯 Geosplit公司開發了基于量子點的智能示蹤劑技術，形成了量子涂層支撐劑和量子示蹤帶2種形式的智能監測技術。從2015年開始，俄羅斯利用智能示蹤劑進行了19口水平井監測，2016年完成了41口水平井智能示蹤劑監測，2017年完成55口水平井智能示蹤劑監測，監測井數量逐年增加［22-24］。美國利用示蹤劑技術監測壓裂水平井超過30000段，沙特阿拉伯和阿根廷等國家也利用這項技術進行常規和非常規油氣井監測。

3.2 示蹤劑產出剖面測試工藝

目前，智能示蹤劑的井下投放主要有3種方法，第1種方法是將液體示蹤劑混合在壓裂液中，壓裂過程中隨壓裂液進入到地層，溶解在地層各相流體中。生產過程中，示蹤劑隨壓裂液及地層流體返排到井口。在井口取樣后，通過樣品提純、化驗分析，得到各段流體返排和產出情況。液體示蹤劑在返排階段大量排出，監測時間一般為幾個月，監測時間較短。第2種方法是將示蹤劑涂覆在支撐劑表面，壓裂過程中，示蹤劑隨支撐劑進入地層與地層流體接觸，生產過程中，示蹤劑逐漸緩慢釋放，隨地層流體返排到井口進行取樣檢測。這種方法主要應用于非常規油氣井，監測時間較長，監測效果比較好。第3種方法是將示蹤劑制備成條狀或者帶狀的固體緩釋示蹤劑置入到篩管或釋放短節內，完井過程中固體示蹤劑隨完井管柱下入井筒內。生產過程中，當地層流體流經釋放短節，示蹤劑溶解在地層流體中，隨流體返排到井口，然后定期在井口取樣并化驗分析，計算各壓裂段的流體產出情況，這種方法能夠長時間監測各段流體的產出情況，一般為3～5年，對于水平井的見水時間和見水層段監測效果明顯。

3.3 示蹤劑產出剖面測試資料解釋方法

根據取樣方式的不同，資料解釋模型主要分為瞬態模型和穩態模型。瞬態模型適用于瞬態采樣，即油氣井關井之后重新開井的情況，一般用于產出剖面解釋。智能示蹤劑系統釋放示蹤劑的速度與單段地層流體的流量無關，從正常生產的示蹤劑濃度中無法提取產液剖面信息，需要通過示蹤劑沖洗模型和到達模型來計算。

穩態解釋是在油氣井穩定生產狀態下，通過示蹤劑濃度檢測來解釋油氣井的生產狀態，這與瞬態解釋方法有根本區別，在油氣井穩態流動下沒有高濃度示蹤劑團存在，而是利用示蹤劑的濃度水平及其變化趨勢來解釋，且主要用于水平井見水時間和見水層段的監測。

4 3種水平井產出剖面測試方法適用性分析

如表1所示，生產測井技術可以滿足直井、斜井、水平井等不同井型的油氣井產出剖面測試的需求，通過不同流量計的組合，適用不同排量的測試。該技術測試參數較多(7種參數)，測試精度和資料解釋準確性高，可以滿足單向流和多相流測試的需要。由于目前連續油管輸送力的限制，該技術無法滿足超深井(井深大于6000 m)及長水平段水平井(水平段長大于2000 m)的需求；由于儀器結構和測量原理的限制，該技術對于復雜結構井、小井眼、出砂井及低產井適用性較差；由于儀器耐溫耐壓指標的限制，無法滿足高溫高壓井(溫度超過200 ℃，壓力超過100 MPa)的應用。

表1 3種水平井產出剖面測試技術性能指標對比分析Table 1 Performance indicator comparison between three horizontal-well production profile testing technologies

分布式光纖傳感技術具有耐高溫、耐高壓、抗腐蝕、抗高電磁干擾等特性。國內外已應用在油水井、儲氣庫、稠油井、水合物監測、CO2封存監測等方面，應用范圍廣。目前連續油管內置光纖產出剖面測試技術在致密氣和頁巖氣井應用廣泛，相對于連續油管拖動測井儀器方法，分布式光纖監測工藝相對簡單、可靠，減少了井筒干擾，降低了施工風險。對于氣體流動，焦耳湯姆森效應明顯，測試資料解釋準確性高。然而，油和水的焦耳湯姆森效應差異較小，溫度變化不足以克服測量中的影響因素，存在較多的未知參數和不確定性，特別對于多相流動，用溫度數據解釋產出剖面還是個難點。

智能示蹤劑監測技術是一項新興測試技術，具有長期分段、分相態監測產液剖面的特點，相對于傳統生產測井技術具有適應性廣、成本低、長期監測和施工風險低等優點，適用于水平井、高溫高壓井、超深井、復雜結構井等傳統生產測井儀器難以下入的油氣井。然而，示蹤劑監測解釋結果主要依賴于井下各段示蹤劑濃度、熒光強度等指標，然后通過井口產量劈分到井下各段產量。目前對于智能示蹤劑的釋放機理及濃度的檢測分析和數據解釋還需要進一步研究。

5 結論及建議

(1)連續油管拖動陣列儀器測試技術是目前水平井產出剖面測試的一種成熟且通用的測試技術，但是由于連續油管推送能力和儀器耐溫耐壓指標的限制，在高溫高壓井和復雜結構井中應用受到限制，需要進一步提高測試儀器耐溫耐壓指標，降低渦輪流量計啟動門檻值，提高流量測試精度，完善儀器輸送方式和輸送能力，滿足深井和長水平段的需求。

(2)分布式光纖監測技術具有耐高溫高壓、長期監測、適應性廣等特點，目前主要利用分布式溫度數據進行產出剖面解釋，測試參數少，溫度影響因素較多，造成多解性較強。因此需要進一步開發多種光纖傳感系統，增加監測參數，提高光纖傳感器探測精度和光纖測試工藝的可靠性，完善分布式光纖溫度和聲波數據解釋模型和解釋方法，提高測試資料解釋的準確性。

(3)智能示蹤劑監測技術是目前國內外研究的熱點，國內相關技術處于起步階段，相關研究單位應根據國內油氣藏地質特征和完井方式開展基礎研究，包括示蹤劑的制備方法、理化試驗和檢測方法等，加強室內實驗，認識智能示蹤劑在不同流體中的溶解、擴散和流動機理，為現場應用和資料解釋奠定理論基礎。