水平井分段压裂生产剖面测试技术进展与展望

刘建峰

(中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

水平井分段压裂已成为低渗透油气藏、致密油气藏、页岩油气藏等非常规油气储层开发的关键技术手段。计算产量时，往往是由井口计量得到，而压裂各段的产量难以确定。在进行分段压裂时，各段的压裂规模和施工参数基本相同，理论上各段的产量应基本一致，对于全井的产量贡献率也应基本相同，在实际生产中则需要对水平井各段的产量进行测试。因此，该文对于水平井分段产量的测试技术进行总结，分析各种技术的优缺点及适用条件，指出其存在的问题和今后的发展方向。

1 水平井分段压裂产量测试存在的难点

1.1 水平井井筒结构复杂

由于水平井水平段较长且具有一定的斜度，水平井的垂深也较大，因此，水平井筒轨迹和结构较为复杂，在产量剖面测试时，下入对应的专业测试工具受制于水平井筒内径、结构、长度以及井下流体等。如何将测试工具下入到预定的各段生产位置，具有较大的挑战。

1.2 水平井产液剖面流态复杂

与垂直井筒不同，流体在水平井筒内的流动过程比较复杂，难以进行准确地定量描述。流体从各段流入井筒，在井筒内汇集，各段的压力、流量、温度等均不相同，同时各段流体之间相互干扰，其流动形态也在发生变化。因此，水平段内多相流体的流型和流态较为复杂。各段流体在水平井筒内为气液两相变质量流动，包括间断流、分相流及均布流，若气相含量增加还可出现泡状流、雾状流及环状流等[1-5]，这些复杂多变的流型为水平井产液剖面解释带来挑战。

1.3 水平井产液剖面测试资料解释难度大

由于水平井具有较多的压裂段数，在产液剖面测试时，沿井筒轨迹追溯有效储层时数据不易识别，同时，测试受水平井筒内温度、压力影响，流体的流动形态和数据测试结果与常温常压环境下差别较大，水平井产液剖面测试资料解释难度大。此外，产出剖面测井资料解释成果应用程度较低，解释结果可得到每条压裂段的流量信息，但缺乏与储层特征、井筒轨迹、生产动态等的结合。

2 水平井分段压裂生产剖面测试技术

为了解决水平井分段压裂生产剖面测试的难题，前人从不同的角度出发，开发出不同的技术解决方案。根据现有的技术方法和测试水平，水平井分段压裂生产剖面测试技术主要分为分布式光纤监测技术、生产测井、示踪剂监测三大类。

2.1 分布式光纤监测技术

在国外，尤其是美国、加拿大等北美地区，分布式光纤监测技术应用较广，能够对水平井分段压裂后的生产动态开展连续测试，也能够在水平井分段压裂的施工过程中进行实时监测和动态分析。分布式光纤监测技术可分为分布式光纤温度传感技术(DTS)和分布式光纤声波传感技术(DAS)，并形成配套监测体系[6-8]。

分布式光纤温度传感技术原理是随光纤附近温度、应力应变和压力等变化，光纤传输的激光信号会受到不同程度的影响，导致激光信号的光谱、相位和强度等参数发生对应变化。通过收集这些参数的变化情况并进行解调，就能够得到光纤周围的温度、压力、应力变化等情况(图1)[9]。而分布式光纤声波传感技术原理是基于后向瑞利散射效应，利用窄线宽激光源在光纤中产生的相干瑞利散射对光纤应变变化的高度敏感性[10-11]，结合光反射原理，对分布式光纤所作用的环境振动与声波信息进行长距离、高时空精度的监测[12-13]。

图1 DTS工作原理Fig.1 The working principle of DTS

随着近年来DTS等永久式井下温度传感器的推广应用，井下温度的连续性和分布性监测成为可能，基于温度数据进行产出剖面解释成为了研究热点。斯伦贝谢公司针对DTS温度监测编制了Therma软件，对北海、阿塞拜疆等油田生产井的温度监测数据进行解释处理，得到了油气产出剖面[14-17]，产出剖面解释模型较之前有很大进步，考虑了生产压差产生的焦耳-汤普森效应对温度的影响。此外，该模型还考虑了井身结构、完井方式的差异对温度的影响，可对正常生产、开/关井和改变生产制度导致的瞬态温度变化进行模拟，部分模型还考虑到流体物性参数变化对温度的影响[18-20]。

按照分布式光纤安装位置的不同，DTS/DAS系统可分为永置式和回收式2种安装方式。 根据水平井不同位置的温度、声波剖面测试要求，光纤可安装在套管外壁、油管外壁、油管(套管)内部[21-23]。光纤固定于套管外壁，需随套管下入并用水泥固井，此时光纤无法移动，属于永置式安装，这种安装方式可对固井、完井、压裂、生产及关井等施工进行全周期连续温度剖面监测，监测到的温度剖面为砂面温度或流体流入温度；光纤固定于油管外壁，与油管一同下入，属于永置式安装，这种安装方式可对油套环空的温度实现长期动态监测，通常用于筛管和智能完井等情况；光纤安装于油管(套管)内部，一般采用连续油管和井下牵引器携带的方式将光纤输送至井下预定位置，属于回收式安装，这种安装方式多用于油气井增产作业、生产过程中的井下温度、声波动态监测，适用于短周期井筒测试。

分布式光纤既是传感介质又是数据传输介质，可实时监测整个水平井段的温度、声波剖面，通过分析温度、声波分布特征，评价水平井的井筒动态，较为准确地把握井下情况。分布式光纤测温系统具备独特技术优势，总体来说可概括为[24-28]：①无延迟、测试稳定、抗电磁干扰能力强；②流动状况对温度测试无影响、信息量成本低；③测量精度高、测试范围较广，其温度精度为±0.01 ℃，空间分辨率小于0.4 m；④能够连续进行温度、声波动态实时监测，测试距离可达10 km以上；⑤现场工况适应性强，可在潮湿、高温环境下进行；⑥安装便捷、监测周期灵活可控、维护方便，此外光纤截面积小，对监测对象所处环境影响较小。

尽管分布式光纤监测技术具有上述优势，但其在应用过程中仍存在以下技术难点：①水平井压裂监测所用的分布式光纤若预置于套管外，与套管一同下入并固井后，加大了固井、完井的施工难度，尤其是射孔难度明显增加；射孔时需避开光纤以防光纤受损、断裂，而光纤“避射”方面尚未有成熟技术；此外，若光纤预置于完井管柱上，发生套管破损也可能会造成光纤损伤。②DTS/DAS监测数据量庞大，数据量存储以T为单位，导致监测数据的传输、保存存在困难。③DTS/DAS监测水平井压裂状况多以定性分析、诊断为主，尚未有较成熟的理论模型对DTS/DAS数据进行定量解释。

2.2 产出剖面测井技术

产出剖面测井技术能够有效认识水平井分段压裂层段产出和返排特征，掌握生产动态状况，为完井和生产优化提供依据[29-30]。在水平井多段压裂后的生产动态测试方面，目前主要使用流体扫描成像(FSI)产出剖面测井技术，该技术可明确水平井段的分段产出状况、主力产出层段等生产动态信息。水平井特殊的井身结构和井眼轨迹将导致常规工具组合难以在水平段平稳起下，水平井段的流动以分层流为主且气水间存在滑脱现象导致常规流量剖面测井仪无法评价流体水平分层流动情况。FSI产出剖面测井技术可解决常规产出剖面测井技术在水平井应用的不足。此外，基于温度、压力数据的解释只能定性了解主要生产层情况，而集成多个流量转子及传感器的FSI，可对井筒进行分层流速、分层相持率的测量，实现定量分析。

FSI可测量磁定位、自然伽马、压力、温度、持气率、持水率、流量等参数[31]：磁定位、自然伽马可确定测井深度；压力、温度资料可定性分析产出状态；持气率、持水率可用于分析流体性质；转子流量、持液率可得到气井总产量和小层产量。FSI的一个仪器臂上装有4个微转子流量计，用于测试流体流动速度剖面，另一个仪器臂上装有5个FlowView 电探针及5个Ghost光学探针，用于测量局部持水率及持气率。此外，壳体上还额外装有1个转子流量计及1对电探针和光学探针，由于流量转子和探针的整列分布，可测量单个居中转子无法测得的流体速度变化，实现水平井井下流体分层流速与分层相持率的测量[32]。

利用FSI测试水平井生产剖面时，主要采用连续油管组合测井仪器和爬行器组合测井仪器，具体参数如表1所示。这2种测试方式均在水平井分段压裂产出剖面测试中得到广泛应用。测试时，根据数据录取方式又可分为直读式与存储式，其中直读式是将测井数据实时传送地面控制系统，可在地面实时观测到测试数据，便于及时发现异常并进行调整；存储式是将测井数据暂存于便携式存储器中，待测试完成后，将数据一并处理分析[33]。

表1 2种组合测井仪器对比Table 1 The comparison of two combination logging tools

随着技术发展，水平井生产剖面测井技术逐渐成熟并在现场中得到应用。Schlumberger应用FSI+连续油管或牵引器输送对涪陵页岩气田40余口水平井开展产气剖面测井[34]，通过测试水平井流动截面上不同深度的流速与各相持率，获取单井生产制度制订依据以及储层改造效果评估等数据分析结果，测试成功率高。

水平井生产剖面测井技术通过不同的流量转子和传感器组合可得到7种测试参数，测试精度高，可满足单相流及多相流测试需求[35-36]。因受限于连续油管输送能力的限制，该技术不适用于超长水平段水平井和超深水平井(水平段长大于2 000 m，井深大于6 000 m)；因受限于仪器耐温耐压指标，该技术不适用于高温高压井(压力超过100 MPa、温度大于200 ℃)；因受限于测量原理和仪器结构，该技术对于小井眼、复杂结构井、低产井和出砂井适用性较差。

2.3 示踪剂监测技术

示踪剂监测技术是储层产能测试的重要技术手段，评价水平井分段压裂后各段的产量，需要同体系示踪剂的种类多，投放化验操作简单，化学及物理性质稳定无害。准确评价各段压裂后水平井段的有效动用情况，可计算水平井各段的产量贡献率，为致密油藏水平井勘探开发方案优化、提高最终采收率、产量综合精细挖潜提供依据[37]。

经多年技术攻关，示踪剂可分为放射性元素、稳定同位素和化学物质等体系，各类示踪剂体系特点如表2所示[38]。荧光素系列、氟苯酸类等有机化合物示踪剂种类虽多，但稳定性差、测试易受干扰、地层吸附较大，压裂监测应用效果较差。碘化钾、硫氰酸铵及溴化钠等无机类化学示踪剂精度低、现场用量较大。放射性元素使用受到限制。无机离子与荧光染料尽管无害，但无机离子探测时间偏长，荧光染料在高温储层下易分解，这些缺陷限制了常规示踪剂的应用[39-42]。

表2 不同示踪剂工艺特点与局限性Table 2 The process characteristics and limitations of different tracers

Li等[43]发现50多种可识别地层水的化学物质(水敏性系统)、40多种可识别原油的化学物质(油敏性系统)和20多种可识别烃类气体的化学物质(气敏性系统)。这些化学物质不存在自然界中，不能在任何工业用化学数据库中找到，不会与生产作业中使用的化学制品相混淆。由其研制的微量物智能示踪剂LAN-Tracer为油敏性、水敏性或气敏性，在遇到目标流体前无任何反应，即油敏性系统遇水无反应，水敏性系统遇油无反应，这2种系统遇空气时均无反应；在遇到目标流体(油气水)时，示踪剂分子会被分解得很小。分解与流动状态无关，分解速度由实验室设计[44]。当限定化学物质与不同压裂层段轻烃类气体相遇时，会根据与目标的接触反应程度释放不同的化学物质。示踪剂智能化监测可提供无干扰的化学监测方法，准确确定纵向流体流量及监测水突破点，主要应用于量化分段气体、液体产出量，监测水突破位置及时间等。

碳量子点示踪剂因其特殊的荧光属性、化学传感和生物成像功能在国外得到迅速发展。其自身无毒性，耐光褪色，高温、高pH值下稳定性好，引进表面功能团或与杂原子混合可增强荧光属性。碳量子点可与亲水基及非亲水基形成官能团，显现强烈荧光属性，制备出水溶性、油溶性和气溶性示踪剂。不同粒径碳量子点参杂不同元素可表现出不同的光谱特征，因此，可制备出多种不同识别功能的智能示踪剂。目前，国外已研制60多种碳量子点智能标记物，其制备方法包括电化学、水热法、燃烧法、氧化作用、微波及物理方法，成本相对较低，能够大量使用[45-49]。以俄罗斯秋明油田为例，某水平井在进行分段压裂时，投入油溶性和水溶性含量子点示踪剂各5种，共压裂5段。2017年10月至2018年7月在井口进行取样分析，经过取样解释，各水平压裂段的产量如图2所示。由图2可知，各压裂段的产量差异较大，生产剖面的分布极度不均，为水平井分段压裂后的生产动态评价提供可靠的数据支撑。

3 发展趋势

低渗透和致密油气藏的开发程度越来越高，采取分段压裂的水平井数量迅速攀升，因此，对于生产剖面的测试需求愈加紧迫。在总结各水平井分段压裂生产剖面的测试技术机理及优缺点的基础上，对其发展趋势进行探讨。

3.1 技术装备方面

分布式光纤监测技术中，光纤是数据采集和信号传递的关键载体，因此，光纤的质量和完整性决定了整个技术体系的精度。在使用分布式光纤监测技术时，光纤往往预置在套管外，随套管下入后固井，射孔完井时容易造成光纤受损、断裂，因此，在光纤“避射”方面还需要加强研究，以解决该技术难题。另外，光纤的工作环境具有高温、高压、高盐、高湿等特点，因此，光纤强度和适应性也需要提高，以延长使用寿命，保证其能够长期、连续工作。针对光纤容易受到损伤的问题(如在某些局部位置出现断裂而造成整条光纤失效)，可以考虑研究光纤修复技术或在这些薄弱地带进行加固等。

水平井生产剖面测井技术需要将不同的流量转子和传感器组合在一起，仪器在水平井筒内输送时存在一定的困难和施工风险。受制于仪表设备大小和水平井筒内径等尺寸的限制，仪器的输送对井筒要求较为苛刻，限制了该技术的应用。因此，需要进一步改进仪器结构和尺寸，使其能够适用于复杂结构井、小井眼、出砂井等特殊的井况。在对井筒流体的适应性方面，如高温高压井，还需要提高仪器的耐温、耐压性能。另外，在仪器串的下入和输送方式方面，还需要提高操作的可控性和灵活性，降低施工作业的风险。

对于示踪剂监测技术，尽管已形成多种类型的示踪剂，但在现场应用能力和自身性能方面仍有较大的提升空间。新型示踪剂(如微量元素、点示踪剂等)的性能优势明显，但现场应用成本较高，投入大，影响其现场推广应用，因此，研发的新产品需要具有成本低的优势才能具有较高的应用价值。

3.2 数据解释

分布式光纤监测技术集温度和声波测试于一体，测试数据量庞大，但这些数据都是相对的信号变化，并不能直接用来解释生产剖面，还需利用数学模型进行反演计算处理，因此，数据解释的合理性需要进一步提升。针对该项技术，在软件处理能力和解释模型方面，仍需要加强软件开发，以提高解释的精度和定量化。

由于水平井生产剖面测井技术集成了流量转子和传感器，测试的参数多，因此，数据量较大，处理复杂。对于单项参数来说，在测试时间段内，其连续变化是否符合产液规律，需要甄别处理。同时，多参数之间的相互变化是否一致，也需结合流态变化和水平管多相流模型等进行计算分析。数据的解释取决于理论模型的适用性和准确程度，因此，应加强理论研究，提高解释的准确度。

对于示踪剂监测技术，在示踪剂的跟踪和测量评价方面应有所改进，如示踪剂含量变化与生产动态的结合、测试精度和解释方法等。现场取样后，对样品中示踪剂的含量进行分批测试，通过含量的变化来解释对应压裂井段的生产动态，因此，取样的时间、周期长短等对于示踪剂的含量均有较大影响。示踪剂的含量变化规律需要制订详尽的标准，才能准确评价压裂井段的供液能力。另外，对于不同的示踪剂类型，其理论解释模型并不完全一致，因此，在该方面应加强研究。

4 结论与认识

(1) 水平井分段压裂后的生产剖面测试存在3个方面的难题，需要具有针对性配套技术加以支撑。目前，分布式光纤、生产测井和示踪剂监测是水平井分段压裂生产剖面测试的三大技术，这些技术各具特色，在现场得到不同程度的应用。

(2) 分布式光纤监测技术主要包括DTS和DAS 2种技术体系，其优势是能够对水平井分段压裂后的生产动态进行连续测试和实时监测。

(3) 在常规生产测井的基础上，针对水平井生产剖面测试，已形成流体扫描成像测井主体技术，能够测量磁定位、自然伽马、流量、压力、温度、持气率、持水率等参数，可全面了解水平井的生产动态。

(4) 示踪剂监测技术核心在于示踪剂的性能，目前已研制出放射性元素、稳定同位素和化学物质、智能示踪剂等多种类型，但在性能的稳定性、解释理论等方面仍需改进。

(5) 尽管水平井分段压裂生产剖面测试的三大技术已经在现场得到推广应用，但在仪器设备、测试方法和解释模型等方面仍有较大的改进空间。