裂缝性特低渗油藏井间化学示踪监测分类解释模型

景成蒲春生谷潇雨何延龙王博崔淑霞.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.西安石油大学石油工程学院；3.中国石油长庆油田第五采气厂

裂缝性特低渗油藏井间化学示踪监测分类解释模型

景成1蒲春生1谷潇雨1何延龙1王博2，3崔淑霞1
1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.西安石油大学石油工程学院；3.中国石油长庆油田第五采气厂

裂缝性特低渗透油藏天然裂缝广泛发育，人工裂缝使其裂缝系统更加复杂多样。随着注水开发的深入，裂缝系统发生动态变化，现有的孔隙型示踪剂解释模型难以有效表征该类水窜裂缝系统。以鄂尔多斯盆地裂缝性特低渗透油藏为例，通过分析水窜、水淹综合特征，将水窜裂缝系统划分为人工裂缝窜通型、差异裂缝交互型和裂缝相对均匀推进型，等效抽象出不同水窜裂缝系统的物理模型，并依据注入水与示踪剂在裂缝条带中运动的基本假设，建立了Ⅰ类单峰型、Ⅱ类多峰型、Ⅲ类宽台型水窜裂缝系统的示踪剂分类解释模型，实现了非均质问题的相对均质化处理。现场实例验证了该分类模型在裂缝性特低渗透油藏示踪剂解释中的合理性和适用性，为裂缝性特低渗透油藏水窜、水淹治理方案的准确制定和后期精细挖潜提供重要依据，具有广阔的应用价值。

水窜裂缝系统；特低渗透油藏；裂缝条带；示踪剂；解释模型

裂缝性特低渗透油藏的精确油层信息是后期调整挖潜、合理制定挖潜方案和准确计算调驱剂用量等工作的重要前提。井间示踪监测技术广泛运用于确定井间连通性、高渗通道和非均质性等方面。目前定量化解释方法主要有解析法、数值法和半解析法，其中解析法和数值法都是把油藏处理为由均质、互不连通的一些层的组成，半解析法则是利用流线法将数值计算的压力分布与解析法计算的示踪剂浓度联系起来，实现示踪剂产出曲线的解释［1-11］。对于裂缝广泛发育的特低渗透油藏，裂缝是注入水流动的主要通道，解析法、数值法模型以及半解析法中计算压力分布的黑油模型对于该类油藏示踪剂解释并不适用，确定出的高渗裂缝通道参数差异较大，仅可进行定性分析［12-13］。

以鄂尔多斯盆地裂缝性特低渗透油藏为例，通过分析水窜、水淹综合特征，等效抽象出3类水窜裂缝系统的物理模型，把非均质问题转化为相对均质问题来解决，建立了对应水窜裂缝系统的示踪剂分类解释模型，为裂缝性特低渗透油藏水窜水淹治理方案的准确制定和后期精细挖潜提供重要依据。

1 裂缝性特低渗透油藏水窜裂缝综合特征General characteristics of water-channeling fracture systems in fractured ultra-low permeability oil reservoirs

鄂尔多斯盆地裂缝性特低渗储层基质致密，天然裂缝广泛随机发育，储层非均质性强，人工压裂裂缝普遍存在，易形成裂缝性水窜、水淹。水窜、水淹特征为：广泛发育的沉积层理缝和成岩缝具有应力敏感性，在前期强化注水阶段易张开，形成裂缝窜流系统，使油井过早水淹；油水井间水窜裂缝系统形成后，注入水无效循环，使得靠渗吸置换出的原油流入到采油井变得困难，产油量下降，含水率迅速上升；剩余油主要存在于缝网分割的基质岩石内部，需要使注入水尽可能均匀进入所有裂缝条带中，扩大裂缝与基质的渗吸置换接触面积，使后续注入水把裂缝条带中的油驱替出来［12-14］。通过分析将水窜裂缝系统分为3类水淹程度不同的水淹层。

（1）人工裂缝窜通型强水淹、水窜裂缝系统由于注水井为大规模水力压裂油井转注，注入水沿水力压裂裂缝快速窜流，导致油井初期见效快、产量上升快，但持续时间很短，随后含水率快速上升，一般大于70%，产量快速下降，注水井注入压力低、吸水能力强，其水窜方向与最大主应力方向基本一致。该类窜流通道较为单一，示踪剂曲线显示明显的单峰型。

（2）差异裂缝交互型中水淹、水窜裂缝系统注水井大多为小规模水力压裂油井转注或爆燃投注井，注采井间以小规模人工裂缝与天然裂缝组合为主，裂缝间渗透率极差大，注入水非均匀推进，油井初期见效时间中等，产量逐步上升，但持续时间较短，随后含水率逐步上升，一般在40%～70%，产量下降较快，注水井注入压力中等、吸水能力一般。其水窜方向与最大主应力方向部分一致，该类窜流通道参次不齐，具有多峰型示踪剂曲线形态［15-16］。

（3）裂缝相对均匀推进型弱水淹、水窜裂缝系统注水井大多采用爆燃投注或射孔，注采井间以较为均匀分布的天然裂缝为主，裂缝间渗透率极差较小，注入水相对均匀推进，油井见效晚，持续时间较长，产油量缓慢上升，随后含水率缓慢上升，一般小于40%，产量缓慢下降，注水井注入压力较高、吸水能力较弱，其水窜方向无序。该类窜流通道渗流特性趋于一致，但不尽相同，其示踪剂响应曲线具有峰值依次到达的融合宽台型特性。

2 水窜裂缝系统物理模型Physical models of water-channeling fracture systems

2.1基本假设

Basic assumptions

对注入水及示踪剂在该类油藏中的运动做以下基本假设：注入水为连续流动的不可压缩流体；示踪剂在注入过程中类似于水，对示踪剂运动的分析就相当于对水运动的分析；忽略流体重力及毛管力，在裂缝中示踪剂与注入水为流度比等于1的活塞式驱替；忽略示踪剂纬向弥散和分子扩散的影响，示踪剂不吸附到岩石壁面上；忽略基质与裂缝的渗吸置换，流体仅在裂缝中流动；流体在裂缝中的流动符合Hagen-Poiseaille方程。因此，可把不同水窜裂缝系统等效为从注水井到采油井的一系列互不相交的裂缝条带，第i个裂缝条带由ni个长度为Li、当量直径为Di的流管组成的流管束。

2.2物理模型

Physical models

以1/4的五点法注采井网为例，建立物理模型（图1）。人工裂缝窜通型可等效为1条裂缝条带由n个长度为L、当量直径为D的流管组成的流管束（图1-a），示踪剂可以看成是在这裂缝条带中的n个流管中流动，其对应的示踪剂曲线形态为单峰型（图2-a）；差异裂缝交互型可等效为多条裂缝条带，且第i条裂缝条带分布可以看成是由ni个长度为Li、当量直径为Di的流管组成的流管束（图1-b），各裂缝条带之间的渗流差异较大，示踪剂可以看成是在这些条裂缝条带中的ni个流管中流动，其对应的示踪剂曲线形态为多峰型（图2-b）；裂缝相对均匀推进型可等效为多条裂缝条带，且第i条裂缝条带分布可以看出是由ni个长度为Li、当量直径为Di的流管组成的流管束（图1-c），示踪剂在不同流管中依次到达油井，其对应的示踪剂曲线形态为宽台型（图2-c）。

图1　三类裂缝窜流系统流管物理模型Fig.1 Flow tube models of the three types of water-channeling fracture systems

图2　三类裂缝窜流系统对应的示踪剂曲线Fig.2 Tracer curves of the three types of water-channeling fracture systems

3 水窜裂缝系统示踪剂分类解释模型Tracer classification and interpretation models of water-channeling fracture systems

将人工裂缝窜通型、差异裂缝交互型及裂缝相对均匀推进型水窜裂缝系统对应的示踪剂解释模型分别命名为Ⅰ类单峰型、Ⅱ类多峰型及Ⅲ类宽台型示踪剂解释模型。以对流扩散理论为基础，利用等效流管法可推导出示踪剂段塞在第i个裂缝条带任一流管中生产井处的浓度产出方程为

式中，C0为示踪剂初始浓度，g/cm3；Ci为示踪剂在第i个裂缝条带t时刻Li位置的浓度，g/cm3；Li为第i个裂缝条带的长度，m；ΔLi为第i个裂缝条带的示踪剂段塞尺寸，m；σi2为第i个裂缝条带示踪剂的分布曲线的方差；vi为第i个裂缝条带中任一流管的平均流速，m/d；t为时间，d。

示踪剂矿场监测结果为示踪剂产出浓度或标准浓度与时间的曲线图，曲线拟合结果得到不同裂缝条带的ni、Li、Di等参数。对于式（1），只需将ΔLi、vi、σ2等参数用裂缝条带相关参数来表示，3类示踪剂解释模型即为对应的所有裂缝条带等效流管在生产井处的叠加。

3.1Ⅰ类单峰型示踪剂解释模型

ClassⅠ（single-peak） tracer interpretation model

向五点法注采井网注入体积为Vd的示踪剂段塞，示踪剂段塞会按注入水分配系数fj分配到对应的采油井j，对于Ⅰ类人工裂缝窜通型水窜裂缝系统，每根流管分配的示踪剂段塞体积为

式中，Vdi为分配到单一等效流管的示踪剂段塞体积，m3；fj为向采油井j的注入水分配系数，可由各采油井测得的示踪剂产出量占总的示踪剂注入量的比值得到；n为等效流管总个数，个；Vd为示踪剂段塞总注入体积，m3。

式中，ΔL为每条等效流管的示踪剂段塞尺寸，m；A为等效流管横截面积，μm2；D为等效流管的当量直径，μm。

式中，v为每条流管的平均流速，m/s；Q为平均日注入量，m3/d。

σ2=2Kt=2αvt （5）

式中，σ2为等效流管的示踪剂的分布曲线方差；K为水动力弥散系数，m2/d；α为水动力弥散度，m。

将式（3）、（4）和（5）代入（1）式可得Ⅰ类模型中单一裂缝条带中任一流管在L处的示踪剂浓度产出方程为

式中，L为流管的等效长度，m。

井网中任一生产井j的示踪剂产出浓度应为裂缝条带所有等效流管在生产井j处的浓度叠加

式中，C为示踪剂产出浓度，mg/L；q为单一等效流管的流量，m3/d。

将式（6）带入式（7），经变换、化简、量纲分析及单位换算得出人工裂缝窜通单峰型示踪剂解释模型如式（8）。

3.2Ⅱ类多峰型示踪剂解释模型

ClassⅡ（multi-peak） tracer interpretation model

与Ⅰ类单峰型相比，Ⅱ类多峰模型中不同裂缝条带的流管个数、等效流管长度及当量直径均不同，进入不同裂缝条带流管中的示踪剂段塞尺寸、平均流速也不同。不同流管中示踪剂段塞的体积可用流阻的倒数进行劈分，根据Hagen-Poiseuille公式，定义第i个裂缝条带每根等效流管的流阻为

式中，ΔP为等效流管两端的压差即注采压差，MPa；qi为第i个裂缝条带任一等效流管的流量，m3/d；Di为第i个裂缝条带任一等效流管的当量直径，μm；Li为第i个裂缝条带的等效流管长度，m；μ代表流体黏度，mPa·s。

式中，ΔLi为第i个裂缝条带等效流管中的示踪剂段塞尺寸。

式中，vi为第i个裂缝条带等效流管的平均流速，m/s；Q为平均日注水量，m3/d。

式中，σi为第i个裂缝条带等效流管的示踪剂分布曲线方差；Ki为示踪剂在第i个裂缝条带等效流管中的水动力弥散系数，m2/d；αi为示踪剂在第i个裂缝条带等效流管中的水动力弥散常数，m。

Ⅱ类差异裂缝交互多峰型示踪剂解释模型为

3.3Ⅲ类宽台型示踪剂解释模型

ClassⅢ（wide-platform） tracer interpretation model

由于Ⅲ类模型中裂缝条带间各参数极差小，裂缝条带中的每条流管的流阻近似相等，定义M为等效流阻常数为

式中，M 为等效流阻常数，m/μm。

与Ⅱ类多峰型示踪剂推导过程相同，则第i个裂缝条带等效流管中的示踪剂段塞尺寸为

第i个裂缝条带等效流管的平均流速vi可表示为

Ⅲ类相对均匀推进多峰型示踪剂解释模型为

4 矿场应用实例Field cases

GGY油田属于典型的裂缝性特低渗油藏，主力开发层系为三叠系延长组长6油层。T80区块为该油田相对较老的区块，一直采用自然能量开采，于2000年初转注，并陆续投注新的注水井。自转水驱后，注水规模不断扩大，水窜、水淹状况严重。选取该区C25井组进行井间化学示踪动态监测，生产井示踪剂产出曲线形态均为Ⅱ类差异裂缝交互型，利用自动拟合软件1st Opt其计算核心是参数初始值，由1st Opt随机给出，通过独特的全局优化算法找出最优解中的遗传算法对各井示踪剂产出曲线进行反演拟合，得到裂缝窜流系统裂缝条带参数［9］。

图3　C25-1井示踪剂产出曲线Fig.3 Tracer production curve of Well C25-1

如图3所示（标准浓度为示踪剂测试浓度和初始浓度的比值），显示明显的Ⅱ类多峰型曲线特征，该注采井间存在5条窜流裂缝条带，其渗透率在1.15～1.85 D，油水井间水窜、水淹严重，解释结果与该井生产动态资料相吻合。利用C25注水井注入压力与注水层段深度及C25-1采油井动液面测试结果，估算其注采压差为10.53 MPa，与示踪剂产出曲线拟合参数计算（式18）出的11.07 MPa相差0.54 MPa，进一步验证该分类模型在裂缝性特低渗透油藏水窜水淹裂缝解释中的合理性和适用性，所得到的裂缝参数信息可靠。

5 结论Conclusions

（1）以鄂尔多斯盆地裂缝性特低渗透油藏为例，将水窜裂缝系统划分为人工裂缝窜通型、差异裂缝交互型和裂缝相对均匀推进型，等效抽象出了不同水窜裂缝系统的物理模型。

（2） 依据注入水与示踪剂在裂缝条带中运动的基本假设，以对流扩散理论为基础，利用流管法推导和建立了Ⅰ类单峰型、Ⅱ类多峰型、Ⅲ类宽台型水窜裂缝系统的示踪剂分类解释模型，实现了非均质问题的相对均质化处理。

（3） 示踪剂曲线拟合参数估算的注采压差与矿场实测接近，验证了该分类模型在裂缝性特低渗透油藏示踪剂解释中的合理性和适用性，可为裂缝性特低渗透油藏水窜、水淹治理方案的准确制定和后期精细挖潜提供重要依据。

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（修改稿收到日期 2016-02-15）

〔编辑李春燕〕

Classification and interpretation models of inter-well chemical tracer monitoring for fractured ultra-low permeability oil reservoirs

JING Cheng1， PU Chunsheng1， GU Xiaoyu1， HE Yanlong1， WANG Bo2，3， CUI Shuxia1
1. School of Petroleum Engineering， China University of Petroleum， Qingdao，Shandong 266580， China；2. School of Petroleum Engineering， Xi’an Shiyou University， Xi’an， Shaanxi 710065， China；3. No.5 Gas Production Plant， PetroChina Changqing Oilfield Company， Xi’an， Shaanxi 710016， China

In fractured ultra-low permeability oil reservoirs， natural fractures are well developed， while artificial fractures make the fracture systems more complicated. As waterflooding is further promoted in development， the fracture systems change dynamically. The current porous tracer interpretation model cannot be used to effectively characterize such water-channeling fracture systems. In this paper， the general characteristics of water-channeling and water-flooded fracture systems were analyzed for the fractured ultra-low permeability oil reservoirs in the Ordos Basin. The water-channeling fracture systems were divided into three types， i.e. artificial fractures communicated， different fractures interacted， and fractures advanced evenly， and then the physical model was devised equivalently for each type of water-channeling fracture system. Based on the basic assumptions for movements of injected water and tracer in fracturestrips， three classes of tracer interpretation models were established for water-channeling fracture systems， i.e. Class I （single-peak）， Class II （multi-peak） and Class III （wide-platform）. In this way， heterogeneity-related problems were treated as relative homogeneity. Field cases proved the rationality and applicability of these models in tracer interpretation for fractured ultra-low permeability oil reservoirs. The tracer classification and interpretation models can provide important evidences for accurately preparing the water-channeling and water-flooding treatment schemes and thoroughly tapping the potential of fractured ultra-low permeability oil reservoirs.

water-channeling fracture system； ultra-low permeability oil reservoirs； fracture strips； tracer； interpretation model

JING Cheng， PU Chunsheng， GU Xiaoyu， HE Yanlong， WANG Bo， CUI Shuxia. Classification and interpretation models of inter-well chemical tracer monitoring for fractured ultra-low permeability oil reservoirs［J］.Oil Drilling & Production Technology，2016， 38（1）： 226-231.

TE331

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0226-06

10.13639/j.odpt.2016.02.019

国家科技重大专项“复杂油气田地质与提高采收率技术”（编号：2009ZX05009）；国家自然科学基金“延时式可控高能气体压裂技术动力学机理研究”（编号：51104173）。

景成（1987-），中国石油大学（华东）在读博士研究生，主要从事低渗透油藏及致密气藏开发地质、测井储层评价及低渗透油田开发动态监测方面的研究。通讯地址：（266580）山东省青岛市黄岛区长江西路66号。E-mail：jich.0704@163.com

蒲春生（1959-），教授，博士生导师，主要从事低渗、特低渗、稠油、超稠油等特种油气藏物理-化学强化开采及资源环境保护理论与技术方面的研究工作。通讯地址：（266580）山东省青岛市黄岛区长江西路66号。E-mail：chshpu@163.com

引用格式：景成，蒲春生，谷潇雨，何延龙，王博，崔淑霞.裂缝性特低渗油藏井间化学示踪监测分类解释模型［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：226-231.