一种页岩气井连通性评价的新型示踪剂应用研究

申宝剑，潘安阳，张 俊，卢龙飞，钱门辉，陆双龙，杜明亮

(1.中国石化 油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126； 2.中国石化 页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，江苏 无锡 214126； 3.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126； 4.中国石化 科技部，北京 100728； 5.江南大学 化学与材料工程学院，江苏 无锡 214122)

井间示踪技术是将示踪剂注入油气开发井中，通过测试取样中示踪剂含量来监控油藏和油井间的信息，通过示踪剂产出曲线的变化分析并判断地层参数的分布规律，进而对油藏和油井进行动态监控和描述[1-8]。井间示踪技术最初采用用量大、精度低的无机盐等作为示踪剂，其后历经放射性同位素和稳定性同位素示踪剂两阶段，发展到当前的用量少、精度高的微量元素示踪剂[9-14]。相对于无机盐、放射性同位素和稳定性同位素示踪剂，微量元素示踪剂具有明显优势：一是种类多，彼此无干扰，可以满足单井组、多个相邻井组或区块整体同步测试以及分层测试要求；二是微量元素示踪剂无毒、无放射性，无环境及安全隐患，注剂、取样无需专业授权，油田工人即可独立完成；三是微量元素具有优异的热稳定性和生物稳定性，满足长时间、大井距、高温等复杂油藏条件监测要求，而且用量少，测样仪器及相关配套技术日臻完善[2,10]。

近年来，微量元素示踪剂井间示踪监测技术， 尤其是利用地层水中含量极少的稀土元素络合物作为示踪剂的示踪检测技术得到了广泛应用[15-20]。目前，已在致密砂岩油气藏领域中的水平井体积压裂效果、裂缝形态评价方面广泛应用，但在页岩气田水平压裂评价中应用不多，原因在于黑色页岩不仅本身含有大量的微量元素，而且还易吸附大量微量元素，使得示踪检测的效果差，因此，需要对微量元素进行综合筛选，并对筛选出的微量元素进行络合保护。

1 试验前准备

1.1 试验井准备

中国石化涪陵页岩气田焦石坝主体区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组开发层系分上部、中部、下部3套气层，下部和上部气层采用2套独立井网实现了规模有效开发，中部气层能否再部署一套独立井网实现涪陵页岩气田立体开发需要进一步论证。为了查明涪陵页岩气田立体开发的可行性，首次针对中部气层在焦页66号扩平台实施了两口评价井(焦页66-Z1HF井和焦页66-Z2HF井)，新型绿色示踪剂在这两口井中进行了应用。

1.1.1 焦页66-Z1HF井

根据焦页66-Z1HF井与邻井水平段空间展布(图1)，空间位置距离较近的生产井主要包括：焦页12-4HF、焦页66-3HF、焦页66-4HF、焦页5-2HF、焦页6-1HF、焦页66-Z2HF、焦页5-S2HF、焦页5-S3HF等井。结合焦页66-Z1HF井轨迹穿行层位和压裂施工方案，选择在焦页66-Z1HF井的第2、9、17、24段注入微量元素示踪剂。本次研究过程中，对焦页66-Z1HF井压裂返排液进行取样监测的井有8口(表1)。

1.1.2 焦页66-Z2HF井

根据焦页66-Z2HF井与邻井水平段空间展布(图1)，空间位置距离较近的生产井主要包括：焦页12-4HF、焦页66-3HF、焦页66-4HF、焦页5-2HF、焦页6-1HF、焦页66-Z1HF、焦页5-S2HF、焦页5-S3HF等井。结合焦页66-Z2HF井轨迹穿行层位和压裂施工方案，选择在焦页66-Z2HF井的第2、7、12、18、25段注入微量元素示踪剂。本次研究过程中，对焦页66-Z2HF井压裂返排液进行取样监测的井有8口(表1)。

图1 重庆涪陵页岩气田焦页66-Z1HF、焦页66-Z2HF井与邻井空间关系示意Fig.1 Spatial relationship among wells Jiaoye 66-Z1HF,Jiaoye 66-Z2HF and their neighboring wells,Fuling shale gas field, Chongqing

表1 重庆涪陵页岩气田焦页66-Z1HF井和焦页66-Z2HF井与邻井空间距离

1.2 试剂准备

对焦页66号扩平台及其周边多口井的返排液、压裂液、清水进行取样，测试了压裂液和返排液中30余种微量元素的含量，优选了3种含量低、安全稳定的微量元素Pr、Sm、Yb，并采用络合剂与微量元素形成络合物，从而保证微量元素在注入地层后不会被黑色页岩吸附而影响检测精度。所采用的微量元素化合物为六水合硝酸镨[Pr(NO3)3·6H2O]、六水合氯化镱(YbCl3·6H2O)和六水合硝酸钐[Sm(NO3)3·6H2O]。所采用的络合剂为乙二胺四乙酸和吡啶二羧酸。

结合监测时间、压裂液用量和示踪剂的检测精度，计算各段用量，确保邻本井监测时间满足1个月以上的监测要求。焦页66-Z1HF井选用AL、BL型示踪剂(含A型、B型微量元素)，总用量4.3 m3左右，焦页66-Z2HF井选用CL型示踪剂(含C型微量元素)，总用量2.5 m3(表2)。

表2 重庆涪陵页岩气田焦页66-Z1HF井和焦页66-Z2HF井微量示踪剂注入段号及用量

1.3 监测井基值的确定

检测其中微量元素的含量，以确定监测井中微量元素示踪剂的基值。焦页5-S2-S3(混样)、焦页6-1-4-6(混样)、12#1分离器(混样)、12#2分离器(混样)的返排液Pr浓度与滑溜水、清水中的Pr浓度基本相当，均介于0～1 ng/g(图2)。焦页5-S2-S3(合)返排液Yb浓度最高，约1.3 ng/g；焦页6-1-4-6(合)、焦页5-S2-S3(合)、12#2分离器(合)、12#1分离器(合)的返排液Yb浓度与滑溜水、清水相当，介于0.2～0.6 ng/g(图2)，说明在监测井中微量元素Pr和Yb的浓度非常低。

图2 重庆涪陵页岩气田监测井压裂液和返排液Pr和Yb浓度基值Fig.2 Base values of Pr and Yb tracer concentrationin fracturing and flowback fluid from monitoring wells,Fuling shale gas field, Chongqing

焦页6-1-4-6(合)、焦页5-S2-S3(合)、12#1分离器(合)、12#2分离器(合)返排液Sm浓度基本相当，介于2～4 ng/g；滑溜水和清水Sm浓度最低，小于1 ng/g(图3)，说明在监测井中微量元素Sm的浓度非常低。

图3 重庆涪陵页岩气田监测井压裂液和返排液Sm浓度基值Fig.3 Base values of Sm tracer concentrationin fracturing and flowback fluid from monitoring wells,Fuling shale gas field, Chongqing

综上分析可以看出，清水和滑溜水的Pr、Yb、Sm浓度均较低，基值最高为3.78 ng/g (Sm)，说明本研究采用的微量元素示踪剂在监测井中含量非常低，如果监测井中该微量元素异常增加，则说明监测井与注入井之间存在连通。

2 监测数据分析

2.1 中部气层井与下部气层老井连通情况判别

(1)焦页6-1HF井共采集返排液样品27个，检测到的3种微量元素Pr，Yb，Sm浓度最大值依次为：0.22，1.39，2.60 ng/g。由图4可以直观地看出，焦页6-1HF井返排液样品Pr，Yb，Sm浓度均低于或与基值相当，判定焦页66-Z1HF、焦页66-Z2HF两口中部气层井与焦页6-1HF井未连通。

图4 重庆涪陵页岩气田焦页6-1HF井返排液样品Pr、Yb、Sm浓度分布Fig.4 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluid from well Jiaoye 6-1HF, Fuling shale gas field, Chongqing

(2)焦页12-4HF井采集返排液样品54个，检测到的3种微量元素Pr，Yb，Sm浓度最大值依次为：0.51，0.71，6.64 ng/g。由图5可以清晰地看出，焦页12-4HF井所有返排液样品Pr、Yb、Sm浓度均低于或与基值相当，且未见明显波动，判定焦页66-Z1HF、焦页66-Z2HF两口中部气层井与焦页12-4HF井未连通。

图5 重庆涪陵页岩气田焦页12-4HF井返排液样品Pr、Yb、Sm浓度分布Fig.5 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluid from well Jiaoye 12-4HF, Fuling shale gas field, Chongqing

2.2 中部气层井与上部气层井连通情况判别

上部气层2口监测井(焦页5-S2HF井、焦页5-S3HF井)共采集焦页5-S2-S3(合)返排液混样56个；检测到的3种微量元素Pr，Yb，Sm浓度最大值依次为：0.93，1.88，272.0 ng/g。由图6可以直观地看出，焦页5-S2-S3返排液混样中Sm浓度存在明显波动，部分样品检测值明显高于基值(3.8 ng/g)，推测焦页66-Z2HF与上部气层井发生了连通，而焦页66-Z1HF与上部气层未连通。

图6 重庆涪陵页岩气田焦页5-S2-S3(合)返排液样品Pr、Yb、Sm浓度分布Fig.6 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 5-S2-S3 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

2.3 中部气层井与下部气层加密井连通情况判别

(1)下部气层2口加密监测井(焦页66-3HF、焦页66-4HF)共采集返排液样品106个。焦页66-Z1-3(合)共采集返排液混样45个，检测到3种微量元素Pr，Yb，Sm浓度最大值依次为：0.69，6.40，20.71 ng/g。由图7可以直观地看出，焦页66-Z1-3个别返排液混样Pr、Yb浓度略高于焦页5-S2-S3(合)、焦页6-1-4-6(合)、12#2分离器浓度基值，仍处于同一数量级，且焦页66-Z1HF为Pr、Yb注入井，初步判定焦页66-Z1HF与焦页66-3HF未连通。

图7 重庆涪陵页岩气田焦页66-Z1-3(合)返排液样品Pr、Yb、Sm浓度分布Fig.7 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 66-Z1-3 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

然而，从Sm元素来看，由于仅在66-Z2HF井中注入该元素，而且66-3HF中Sm基值也不高，因此在焦页66-Z1-3(合)返排液中间断性地检测到高含量的Sm，两口中部气层井间存在一定的连通。

(2)焦页66-Z2-4(合)共采集返排液混样49个，检测到的3种微量元素Pr，Yb，Sm浓度最大值依次为：0.11，0.58，11.87 ng/g。由图8可以直观地看出，焦页66-Z2-4(合)返排液混样Pr，Yb，Sm浓度与焦页5-S2-S3(合)、焦页6-1-4-6(合)、12#2分离器浓度基值相当，推测焦页66-Z2HF井与焦页66-4HF井未连通。

图8 重庆涪陵页岩气田焦页66-Z2-4(合)返排液样品Pr、Yb、Sm浓度分布Fig.8 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 66-Z2-4 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

(3)焦页66-3-4(合)共采集返排液混样12个，检测到的3种微量元素Pr，Yb，Sm浓度最大值依次为：0.10，0.10，0.67 ng/g。由图9可以直观地看出，焦页66-3-4(合)返排液混样Pr，Yb，Sm浓度与焦页5-S2-S3(合)、焦页6-1-4-6(合)、12#2分离器浓度基值相当，判定焦页66-Z1HF、焦页66-Z2HF两口中部气层井与焦页66-3HF、焦页66-4HF井未连通。

图9 重庆涪陵页岩气田焦页66-3-4(合)返排液样品Pr，Yb，Sm浓度分布Fig.9 Concentrations of Pr, Yb and Sm tracers in flowback fluidfrom well Jiaoye 66-3-4 (mixed), Fuling shale gas field, Chongqing

3 结论

(1)通过多口井水样分析，进一步说明优选的3种轻稀土元素示踪剂在涪陵页岩气田的应用实践中是稳定、可靠的，保证了示踪检测的效果。

(2)涪陵页岩气田焦页66号扩平台示踪剂监测结果表明：两口中部气层井间存在连通；5口下部气层井与中部气层未发生连通；中部气层井与上部气层井有连通，但连通程度不高。3套独立井网实现涪陵页岩气田立体开发可行。

(3)本研究初步验证了微量元素示踪技术是一项简单、有效的页岩气井连通性评价技术，目前仅用于评价中部气层与上部、下部气层之间的压后连通情况，将来可以筛选更多种类微量元素，并将其用于判别是否含有地层水，同时可以定量计算地层水与压裂液的比例，应用前景广阔。