基于示蹤劑的煤層氣井分層產(chǎn)能測試技術(shù)

摘 要

摘 要:為評估分層壓裂、合層排采煤層氣井不同產(chǎn)層的產(chǎn)能,以研究分層壓裂示蹤劑為方向,經(jīng)室內(nèi)研究與現(xiàn)場試驗,開發(fā)了一套評估分層壓裂合層排采煤層氣井各層產(chǎn)能的新技術(shù)。通過室

摘 要:為評估分層壓裂、合層排采煤層氣井不同產(chǎn)層的產(chǎn)能,以研究分層壓裂示蹤劑為方向,經(jīng)室內(nèi)研究與現(xiàn)場試驗,開發(fā)了一套評估分層壓裂合層排采煤層氣井各層產(chǎn)能的新技術(shù)。通過室內(nèi)水質(zhì)背景成分、配伍性、干擾實驗等室內(nèi)研究,篩選出硫氰酸銨和硝酸銨兩種分層壓裂示蹤劑,并進一步研究出了用分光光度法分析示蹤劑,以及降低示蹤劑分析干擾的方法。在煤層氣井分層壓裂中,將示蹤劑與活性水壓裂液混合,注入目的層,每層注入一種示蹤劑,注入中保持兩種示蹤劑濃度、體積基本一致。在施工完成后,取返排水,分析水樣中兩種示蹤劑的濃度,結(jié)合單井產(chǎn)水量,可評估分層產(chǎn)能。應(yīng)用該方法,分別在山1井和陜1井所在的2個區(qū)塊進行了測試,符合率較好。與其他產(chǎn)能測試技術(shù)相比,該技術(shù)具有成本低廉、檢測簡單、不影響生產(chǎn)和無儲層傷害等優(yōu)點,可快速為多層系煤層氣田的勘探開發(fā)方案提供參考和依據(jù),有利于在區(qū)域勘探或開發(fā)初期,提高煤層氣勘探開發(fā)效率和區(qū)域經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞:煤層氣井  分層  生產(chǎn)能力測試  示蹤劑  吸光度  分光光度法  現(xiàn)場試驗

Tracer-based technology in layered productivity tests for CBM wells

AbstractA new technology was developed to estimate the productivity at different layers of coalbed methane(CBM)welIs which are subject to muhilayer fracturing and drainagebased on the study of multilayer fracturing tracers as well as laboratorv and field testsSpecifically,according to water quality background component analysiscompatibility,interference experimentand other laboratory studies,we selected two kinds of multiplayer fracturing tracersammonium thiocyanate and ammonium nitrate,and developed a method of analyzing the tracers with spectr。photometry and reducing the interferences to tracer analysisIn the multilayer fracturing of a CBM wellthe tracer and active water fracturing liquid were mixed to be injected into the targeted layers(one tracer for one layer,but tracer concentration and volume were basically kept equivalent at different layers),  and the flowback water was taken as a sample upon the completion of fracturingthen the tracer concentration was analyzed in the sample,and the productivity was estimated of each layer according to the water yield of a single wellCompared with other productivity testing methods,this method has more advantageslow cost,simple operation,no impact on production,and no damage to reservoirsMoreover,it can not only provide reference for the exploration and development of a multilayer CBM gas fieldbut improve the CBM E&P efficiencv and economic benefits especially at the early stages

Keywordscoalbed methane well,layered fracturingproductivity testing,tracer,absorbance,spectrophotometry,field test

中國煤層氣開發(fā)以中、高煤階為主,屬于低壓、低滲、低飽和儲層,開采難度大,單產(chǎn)產(chǎn)量不高[1],必須走低成本的戰(zhàn)略路線。分層壓裂、合層排采的開發(fā)方式較為經(jīng)濟,在煤層氣井開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。為此,測量氣井各層產(chǎn)水量、分析各層產(chǎn)能,對指導(dǎo)煤層氣高效開發(fā)意義重大?,F(xiàn)有生產(chǎn)測試方法具有錄取參數(shù)多、方法成熟多樣等諸多優(yōu)點,但是存在需要儀器通道、測試周期長、資料處理費時、費用較高,而且可能帶來儲層傷害等缺點。筆者通過室內(nèi)研究和現(xiàn)場試驗,首次提出了用化學(xué)示蹤劑法進行分層壓裂、合層排采的煤層氣井的分層產(chǎn)能測試技術(shù),該技術(shù)在不影響煤層氣井正常生產(chǎn)條件下,能經(jīng)濟、簡單、快捷地進行分層產(chǎn)能測試。

1 示蹤劑的篩選

20世紀50年代出現(xiàn)以來,油田示蹤技術(shù)經(jīng)歷了化學(xué)示蹤劑、放射性同位素示蹤劑、穩(wěn)定性同位素示蹤劑和微量物質(zhì)示蹤劑4個發(fā)展階段。目前,已逐步形成了一套較為完整的理論體系。示蹤劑技術(shù)在油田注水開發(fā)中得到較好的應(yīng)用和發(fā)展,但基本是用于井間的監(jiān)測而不是同一井的分析檢測[3];示蹤劑技術(shù)在煤層氣行業(yè)的應(yīng)用也僅限于用放射性同位素示蹤劑監(jiān)測壓裂裂縫的形態(tài),其他應(yīng)用未見報道。

一種性能優(yōu)良的示蹤劑應(yīng)滿足:在地層中的背景濃度低;在地層表面吸附量少,與地層礦物不發(fā)生反應(yīng);與所指示的流體配伍;具有化學(xué)穩(wěn)定和生物穩(wěn)定性,易檢出、靈敏度高、無毒、安全,對測井無影響;來源廣、成本低等特點。分析4類示蹤劑的優(yōu)缺點,結(jié)合經(jīng)濟、簡便的要求,優(yōu)選出通用的SCN-NO3-兩類無機鹽化學(xué)示蹤劑進行研究,篩選方法參照標(biāo)準《油田注水化學(xué)示蹤劑的選擇方法》(SYT 59251994) [4]。

11 水質(zhì)背景成分分析

將現(xiàn)場所取回的2個區(qū)塊的8個水樣和1個壓裂液配水樣品進行常規(guī)水質(zhì)分析[5],同時進行了SCN-[6]NO3-[7]的檢測。實驗結(jié)果如表l所示。

 

根據(jù)表1的結(jié)果可知,兩個區(qū)塊中的地下水中均不含SCN-但檢出NO3-而且部分數(shù)據(jù)異常高。由于紫外法測定水中硝酸鹽時易受到某些物質(zhì)的干擾,例如鐵離子、亞硝酸鹽等,進而分析了水樣在混合均勻和過濾后兩種情況的總鐵含量[8]。結(jié)果表明兩個區(qū)塊的總鐵含量較高;隨后將樣品用離子色譜檢測NO3-,結(jié)果樣品基本無NO3-。由此可以認為:水樣中NO3-SCN背景濃度滿足要求,可以考慮作為待選示蹤離子,但NO3-的檢出方法在本研究水樣環(huán)境中誤差較大,有待進一步研究。

12 擬示蹤劑之間及擬示蹤劑與水樣的配伍性

在氣藏模擬溫度40℃下,按照標(biāo)準方法將200mgL硫氰酸鉀和200mgL硝酸鉀進行了配伍性實驗,并將這兩種擬示蹤劑與所取地層水、壓裂液配液水和活性水壓裂液分別進行了配伍性實驗,測量其透光率均大于90%。實驗表明,兩種擬示蹤劑之間,地層水、配液水和活性水壓裂液與擬示蹤劑之間配伍性較好。

13 示蹤劑之間干擾實驗

131擬示蹤劑混合液測定

配制兩組擬示蹤劑混合樣品,第一組按照硫氰酸根的檢測方法,在455nm處測量硫氰酸根的吸光度;第二組按照硝酸根的檢測方法,在210nm處測量硝酸根的吸光度,測量結(jié)果如表2所示。

 

2的實驗結(jié)果表明:硝酸根離子在455nm波長處無吸收,NO3-SCN-含量的測定結(jié)果沒有影響(見第l組數(shù)據(jù));SCN-210nm波長處具有較強的吸收,SCN的存在嚴重干擾了NO3-的測定,使測量結(jié)果偏大(見第2組數(shù)據(jù))。為消除或降低影響,進一步研究了不同濃度SCN

光度變化。

132降低SCN-NO3-與測量干擾的研究

分別配制020mgLSCN-標(biāo)準液,按NO3-的檢測方法,在波長210nm處測定溶液吸光度并繪制標(biāo)準曲線。SCN-的濃度與吸光度具有很好的線性關(guān)系,回歸方程為:A201,SCN-0.058C+0.020,R20.999。根據(jù)表2可知,NO3-SCN-的測定結(jié)果沒有影響。因此,可先測定SCN-含量,再通過上面的線性公式可計算SCN-在波長210nm處的吸光度。將水樣在210nm處吸光度減去SCN-的吸光度,則可對NO3吸光度進行修正,即:ANO3-A210-2A275-A210,SCN-。按比例配制不同濃度的擬示蹤劑混合液,測量并修正吸光度,結(jié)果如表3所示。

 

由表3可知,NO3-吸光度經(jīng)修正后,總體偏低,但誤差可控制在7.576%范圍內(nèi)。該修正方法降低了SCN-NO3-測量的影響。

14 靜態(tài)吸附實驗

分別配制10mgL的硝酸鉀、硫氰酸鉀溶液500mL,并測定初始濃度C0。按照標(biāo)準方法,稱取40g煤粉并分別加入硝酸鉀、硫氰酸鉀溶液于三角瓶中,置于40℃模擬溫度下恒溫攪拌,然后在不同時間,取上清液離心后分析擬示蹤劑的濃度Ci,實驗結(jié)果如表4所示。

 

根據(jù)表4結(jié)果表明,煤粉對SCN-NO3-雖具有一定的吸附作用,但每天CiC0的值遞減較慢,4dCiC0均大于0.8,滿足示蹤劑靜態(tài)吸附實驗要求。

通過實驗研究表明,SCN-NO3-滿足示蹤劑的選擇條件,可以作為研究區(qū)塊的示蹤劑進行使用,但NO3-吸光度受區(qū)塊離子干擾大,因而下一步還需進一步研究干擾離子對示蹤劑檢測的影響。

2 示蹤劑檢測方法的改進

實驗證明了硫氰酸鐵光度法測SCN-具有準確度高、干擾因素少、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等優(yōu)點,檢測方法不存在問題,檢測方法的改進主要針對NO3-的檢測。

21 NO3-含量的測定方法

水中硝酸根測定的標(biāo)準方法主要有酚二磺酸法、鎘柱還原法、離子色譜法、氣相分子吸收光譜法、麝香草酚(百里酚)分光光度法、紫外分光光度法等。但酚二磺酸法試劑配備麻煩,樣品前處理煩瑣,轉(zhuǎn)移次數(shù)多,容易損失;鎘柱還原法鎘柱的制備以及老化過程煩瑣,方法操作步驟麻煩,而且使用鎘粉,易造成環(huán)境污染;離子色譜法、氣相分子吸收光譜法儀器昂貴;麝香草酚(百里酚)分光光度法因乙醇易揮發(fā),誤差較大;紫外分光光度法操作簡單,可靠性高,測定范圍寬,抗干擾能力強,所用化學(xué)試劑污染小,分析周期短,適合大批量樣品的測定[9]。通常,紫外分光光度法適用于清潔地面水和未受明顯污染的地下水中硝酸鹽的測定。因此,本項目中硝酸根的測定應(yīng)用的是《地下水質(zhì)檢測方法紫外分光光度法測定硝酸根》(DZT 006459—1993)的標(biāo)準方法。在紫外光譜區(qū),NO3-有強烈的吸收,其吸收值與NO3-的濃度成正比。在波長210220nm處,可測定其吸光度。測定最佳濃度范圍為0.220mgL。水中溶解的有機物,在波長210275nm下均有吸收,而NO3-275nm時沒有吸收。這樣,需在275nm處作一次測定,以校正有機物對NO3-吸光度的影響,即ANO3-A210-2A275

紫外法測定水中硝酸鹽時易受到鐵離子、亞硝酸鹽等物質(zhì)的干擾。亞硝酸鹽和碳酸鹽的干擾通過在待測液中添加適量的氨基磺酸和鹽酸加以掩蔽,但對于去除鐵離子的干擾通常采用的是操作煩瑣、耗時的氫氧化鋁懸濁液吸附——過柱法。前面水質(zhì)分析中已發(fā)現(xiàn)區(qū)塊地層水中鐵離子含量較高,鐵離子對硝酸鹽的測定誤差較大??紤]到檢測需要達到簡單、經(jīng)濟的要求,故進一步系統(tǒng)研究了在目前區(qū)域條件下,鐵對示蹤離子檢測的影響及降低影響的方法。

22 Fe3+NO3-測定結(jié)果的影響

分別按不同比例配制NO3-標(biāo)準液和Fe3+標(biāo)準液的混合液,然后根據(jù)標(biāo)準方法進行硝酸根的檢測,實驗結(jié)果如表5所示。

 

由表5結(jié)果表明:不加Fe3+時,NO3-標(biāo)準液因不含有機物,在275nm處幾乎無吸收,加入Fe3+標(biāo)準液后,溶液在210nm275nm處吸光度明顯提高,這說明Fe3+210nm275nm處均有強烈吸收,對NO3-的測定結(jié)果影響較大,能使測定結(jié)果大大增加。

孫艷芝等研究發(fā)現(xiàn),鐵離子在220nm275nm處都有吸收(這一結(jié)論與我們的結(jié)論一致),而且這兩個吸光度之間具有A220,Fe3+3.8A275,Fe3+的線性關(guān)系,提出了消除鐵離子干擾的新方法[10],即通過測定鐵離子在275nm的吸光度來扣除鐵離子在220nm的吸光度,從而準確快捷地測定硝酸鹽氮的濃度。但表5數(shù)據(jù)顯示,按上述結(jié)論,210nm下的吸光度扣減3.8275nm下的吸光度修正法在實驗環(huán)境中不成立,只能尋找消除或降低Fe3+影響的其他辦法。

23 Fe3+NO3-測定結(jié)果的影響

50mL容量瓶中配制不同濃度NO3-標(biāo)準溶液,一組加入1mL100mgL Fe2+標(biāo)準液作對照,測得的NO3-吸光度如表6所示。

 

從表6的實驗數(shù)據(jù)表明,Fe2+NO3-的測定基本無影響。因此,在測定地層水中NO3-的含量時,需盡量除去Fe3+或?qū)?span lang="EN-US">Fe3+還原成Fe2+后進行NO3-含量的分析。經(jīng)試驗,每5mL水樣加入1mL鹽酸羥胺(100gL),可使水中的Fe3+還原生成Fe2+,從而消除Fe3+NO3-測定的影響。

綜上研究表明,在含兩種指示劑的水樣樣品檢測中,需先對水樣進行沉淀過濾預(yù)處理,除去水樣中Fe2O3Fe(OH)3沉淀物,取水樣上清液過濾后進行分析;使用紫外分光光度法先檢測硫氰酸鹽的濃度;再將水中的Fe3+還原生成Fe2+,檢測NO3-并扣減樣品中硫氰酸鹽在210nm的吸光度,從而準確檢測NO3-濃度。

3 現(xiàn)場試驗

在室內(nèi)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合煤層氣井壓裂現(xiàn)場實際情況,分別在兩個區(qū)塊開展了示蹤劑分層產(chǎn)能測試的現(xiàn)場試驗。選擇無斷層、煤層厚度相當(dāng)?shù)姆謮汉喜擅簩託饩?。將兩種示蹤劑分別單獨配成溶液,考慮地層水和壓裂液對示蹤劑的稀釋作用,以及壓后關(guān)井時間和經(jīng)濟性等因素,示蹤劑的推薦配制濃度為300500mgL。在每層壓裂過程中,通過比例泵將示蹤劑溶液與前置液和攜砂液按比例注入地層,注入頂替液前停止注入示蹤劑溶液。

31 山1

20125月對山12個層進行了壓裂施工,8+9號煤層注入壓裂液975.6m3,加入NaNO3 500kg,示蹤劑在單層壓裂液中的平均濃度約為510mgL;4+5號煤層注入壓裂液1003.5m3,NH4SCN用量500kg,示蹤劑在單層壓裂液中的平均濃度約為500mgL。施工完成后,關(guān)井?dāng)U散壓力。油嘴控制排液,無液體返出。同年1017日進行排采,1023日開始對采出液進行采樣分析,17d內(nèi)取了11個樣,按照前面實驗室分析方法分析SCNNO3-(除鐵,扣減SCN吸光度的方法進行修正),采出水中各種示蹤劑的含量如表7數(shù)據(jù)所示。

 

7數(shù)據(jù)表明,山1井采出水正常,產(chǎn)水量逐漸增加,示蹤劑含量整體呈逐漸下降趨勢,產(chǎn)出水中主要含有示蹤劑NaNO3,僅含有微量的示蹤劑NH4SCN。由于單層注入示蹤劑的體積、濃度、質(zhì)量基本相同,兩種示蹤劑的濃度比可近似為各層的產(chǎn)液量的比值,由此可推測該井8+9號煤為主力產(chǎn)層,而4+5號煤層基本沒有產(chǎn)能。和該區(qū)塊已投產(chǎn)的鄰井進行對比發(fā)現(xiàn),單開4+5號煤的鄰井產(chǎn)氣量低、單開8+9號煤和兩層合采的鄰井產(chǎn)氣量相對較高,這和本實驗的結(jié)論是一致的。通過1.5a排采,該井目前穩(wěn)產(chǎn)約為2000m3d,與單開8+9號煤的鄰井同期產(chǎn)量也基本一致。

32 陜1

201212月對陜1井進行了分層壓裂施工,11號煤壓裂注入壓裂液1153m3,加入NaNO3 500kg,示蹤劑NaNO3在單層壓裂液中的平均濃度約為430mgL;5號煤壓裂,注入壓裂液1135m3,加入NH4SCN 500kg,示蹤劑NH4SCN在單層壓裂液中的平均濃度約為440mgL。壓裂施工完成后,于2013310日開始進行排采,2013315日開始連續(xù)一周每天取樣進行室內(nèi)檢測,按照前面實驗室分析方法分析SCN-NO3-測得采出水中兩種示蹤劑的含量如表8所示。

 

8數(shù)據(jù)表明,陜1井排采初期產(chǎn)水量小,可推斷單井產(chǎn)能不高;產(chǎn)水上升趨勢平穩(wěn),通過計算發(fā)現(xiàn)排采液中兩種示蹤劑的含量相差不大,推斷兩個產(chǎn)層的產(chǎn)能基本相同。韓X井排采1a,目前排采效果暫不明朗,但和測試結(jié)果并不矛盾。陜1井目前液面高于煤層液面超過100m,井底流壓3.38MPa,產(chǎn)水20m3d,未起套壓,未見氣。

33 成本分析

該技術(shù)實施成本主要是現(xiàn)場物料和室內(nèi)檢測成本,其中約95%為示蹤劑物料成本。以已完成的現(xiàn)場試驗為例,兩層分段壓裂,單層壓裂液用量1000m3左右,單井壓兩層示蹤劑物料成本共計約為8500元。當(dāng)壓裂規(guī)??s小時,現(xiàn)場示蹤劑物料成本可同比降低,如壓裂規(guī)模為500m3時,單井壓兩層的物料成本將降至4000余元,而且目前注入濃度已從500mgL降至430mgL,還有進一步降低濃度下限的空間。與其他產(chǎn)能測試方法相比,此種分層產(chǎn)能測試方法,節(jié)約了資金和生產(chǎn)的時間成本并消減了儲層傷害的風(fēng)險,特別是在區(qū)塊勘探開發(fā)初期,煤層氣排采未見效果時,可快速評估區(qū)域煤層氣分層產(chǎn)能,提高開發(fā)效果,減少工程投資。

4 結(jié)論

該項目通過室內(nèi)實驗研究和現(xiàn)場應(yīng)用,得出了以下結(jié)論。

1)兩個煤層氣區(qū)塊地層水中基本無SCN-、NO3-,NO3-SCN-背景濃度滿足示蹤劑篩選要求;硫氰酸鹽、硝酸鹽與地層水、壓裂液配液水配伍性較好;NO3-SCN-的分析無干擾,SCN-NO3-的檢測干擾可進行修正;兩種鹽在煤層中有吸附,但濃度衰減速度差別不大,靜態(tài)吸附達到示蹤劑的選擇條件;SCN-NO3-的鹽可以作為所研究區(qū)塊的示蹤劑。

2)NO3-的檢測受SCN-影響較大,但在NO3-的檢測條件下,SCN-濃度對吸光度的影響具有線性關(guān)系,修正后NO3-吸光度的公式為:ANO3-A210-2A275-A210,SCN-,誤差低于7.576%。

3)區(qū)塊水樣中Fe3+NO3-的檢測影響很大,而Fe2+基本對NO3-的檢測無影響。通過研究,提出了樣品預(yù)處理除鐵、Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+的方法,從而消除或降低了NO3-的檢測誤差。

4)對兩口現(xiàn)場試驗井進行了示蹤劑注入和檢測,其分層產(chǎn)能評估方法大致與實際效果相符,進一步說明了以硫氰酸銨與硝酸鈉作示蹤劑,通過紫外分光光度法檢測示蹤離子,可用于估算分層壓裂、合層排采井的各層產(chǎn)能。與其他產(chǎn)能測試技術(shù)相比,該技術(shù)具有可操作性強、成本低廉、不影響生產(chǎn)和無儲層傷害等優(yōu)點,可為多層系煤層氣井的勘探開發(fā)提供參考和依據(jù),有利于提高煤層氣勘探開發(fā)效率和經(jīng)濟效益。

 

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本文作者:吳慶紅  魏振吉  李治平  何麗萍  袁樸

作者單位:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)

  中石油煤層氣有限責(zé)任公司

  中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司

  中國石油大學(xué)(北京)