SPE30794由放射性示踪剂设计的增产措施的经济效益全面分析研究.docx

1、SPE30794由放射性示踪剂设计的增产措施的经济效益全面分析研究由放射性示踪剂设计的增产措施的经济效益全面分析研究摘要水力压裂是增加致密气田产量的一项重要技术。为了估计水力压裂技术的有效性已经采用了多项工艺技术。目前，放射性示踪剂技术在美国所使用的增产措施中占到15%以上。利用正确的资料进行设计施工，示踪剂可以用来检测压裂支撑剂在井眼中的存在和浓度，以此来估计压裂支撑剂在垂向和径向上的分布。一项对100多次压裂措施进行的研究已经结束。在这项研究中，在四个不同的油田分别使用放射性示踪剂、生产测井、应力测井、压裂完成报告和生产历史来分析完井效果。此外，还建立了一套适用于这项技术的经济效益模型来估

2、计效益投入比。前言近几年，像水力压裂这样的增产措施已经被证实是一种增加致密气藏产量的有效措施。然而，只有当增产措施的有效性被彻底估计到的时候才能获得真正的最佳结果。后增产措施能够提供机会来辨别或者改正在措施井中所存在的问题。为了尽可能的使增产效果达到最大化，一些将来的措施或者完井方案可能会改变。最近放射性示踪剂技术方面所取得的进展极大地扩展了最增产措施进行估计的能力。测井工具能够区分多种同位素，因此能够确定裂缝的张开度以及在井眼附近的压裂支撑剂的分布。扫描仪已经消除了“洗刷效应”，因此可以把示踪剂和示踪压裂支撑剂在不同地方消失的可能性降到最低。我们来估计示踪剂来区分没有完全受激励的区域的能力，

3、计算通过改正或避免这些问题而取得的经济效益。这项分析包括了在98口井的四个地层进行的136次压裂措施。我们对比了每口井的压裂方案、示踪剂测井数据、裸眼测井数据以及生产数据。结果显示，将近40%的完井都有一个或多个区域不能受效。利用油藏数值模拟器和拟三维裂缝模型，我们对实际措施、最优措施以及其他可能的结果进行产量和收益预测。我们计算应用示踪剂技术来避免那些非最优的措施所引起的效益和投入。效益投入比显示出：即使完井过程中所存在的问题被改正的可能性很小，经济效益也会极大地超过支出。因为采用其他技术，效益是通过产量的增加而获得的。基于在本次研究中所搜集到的信息，已经制作了用来设计和分析使放射性示踪剂工

4、程取得最大产量和全部利益的标准曲线。增产措施评价在怀俄明州的杏仁砂层、德克萨斯州东部的棉花谷砂层、新墨西哥的特拉华砂层以及俄克拉荷马州的红叉砂层四个地层98口井中进行的136次压裂取得了裸眼测井数据、示踪剂测井数据、裂缝设计和生产数据。对这些数据进行综合分析来决定示踪剂能否区分实际裂缝高度比设计裂缝高度大的地层，或者是哪些地层是未受效和欠受效的。把每个地层的每个问题都区分开，如表1所示。裂缝高度。在四个地层中，通过示踪剂测井得到的裂缝高度都比设计的裂缝高度大。实际裂缝高度要比设计裂缝高度大8%到42%（表1）。这种结果经常出现是由于压裂设计参数的局限与不准确所造成的。2维压裂模型需要使用者输入

5、压裂高度，而在3维压裂模型中则使用垂向应力剖面和岩石性质，这些是由测井数据或者是应力测试得到的。数据的缺乏、测量误差或者是错误的估计都可能导致设计高度比较小的情况（图1）。一些影响裂缝高度的可控制的因素，比如泵速、选择的时机、凝胶的特性或者是工作量，都进行了调节以便对裂缝高度进行控制，确保有支撑剂的裂缝能够穿过产层。我们根据裂缝的设计高度与测量得到的高度比值把裂缝的测量值分为五类，对应的比值分别为：0.33，0.67，1.00，1.33和1.67. 比值为0.33和0.67的两组是裂缝的测量高度比预期的高度大的情况，因此导致了裂缝的长度要比设计的短。我们假设示踪剂测量得到的裂缝高度是一个最小值

6、，如果裂缝的垂向生长偏离了井眼而超过了示踪剂测井的测量深度，就可能存在更高的裂缝。如果这样的话，设计的高度占实际高度的比值将会更小，因此，实际的裂缝长度与最优长度偏差很大。表2列出了每个地层裂缝的测量高度与设计高度的比值。我们列出了属于每一组的压裂措施的比例。总体上来看，大多数的压裂措施的设计高度都等于或者略大于示踪剂测量得到的高度。然而，确实有很大数量的设计高度都比实际的高度要小。未强化的完井层。如果完井层内不包含示踪支撑剂，而在同一个时期的其他层内都含有适量的支撑剂的话，不含失踪支撑剂的完井层就称为未强化的完井层（图2）。这个问题在所研究的各个层里出现是不同的，这是由于限流法射孔、欠平衡或

7、过平衡的程度、在压裂之前使用的破坏技术以及一次施工中的目标层厚度太大等多种原因造成的。在测试过的136个阶段中，有16%的都有一个或多个射孔层都属于欠受效的。这个问题可以通过多种方法来解决：改变完井的数目，大小和相位；增加泵速；划分压裂阶段；或者是改进破裂技术。未受激励的地层。如果用示踪剂只能找到极少甚至找不到压裂支撑剂，那么这种隔夹层就称为未受激励的地层。例如，如果层位在注入高浓度砂砾的泥浆之前就被屏蔽，那么这种情况就会发生。通过利用多种示踪剂来区分已经停止注入的地层，这个问题在57%的井中都确定了。图3说明了这一结果。能够导致未受激励的地层的另一种情况是受到裂缝宽度的严重限制。如果在地层的

8、某些部分示踪剂测井显示少量的或者是没有时间变化，而在其他地方都有充分的支撑剂。就像这项研究中的其它问题一样，这在地层中会有很大的变化。确定这种情况的数量的先进方法最近已经由John.C教授（安柏瑞德航空大学）提出。在另一项研究中，应用蒙特卡洛数值模拟方法，Reis已经提出了支撑裂缝宽度和放射性示踪剂伽马曲线强度之间的数学关系式：这个方程说明测得的伽马射线的峰值强度是与裂缝的张开度或者井口附近的支撑剂含量成比例的。如果裂缝宽度或者是支撑剂的含量比预计的少的地层就认为是未受激励的地层。我们检测示踪剂测井曲线并且确定了每口井中示踪剂含量达到最大含量的100%、50%和0%的地层的厚度，在同一套完井措

9、施内的所有地层都分为一类；我们并没有指出隔层的厚度当作是未受效的厚度。我们通过支撑裂缝的长度是设计长度的100%、50%和0%调整了放射性强度分组。表3表示了每个地层中属于每一组的小层厚度的百分比。不良的结果（未受效的和欠受效的地层）占到了目标地层有效厚度的24%到35%。利用示踪剂可以确定的另一个问题没有包含在这个优点分析中。设计和困难的对比在研究区域的建议既然在研究区域内，油藏参数的差异非常大，所以问题和解决方法都在压裂和完井过程中确定。棉花谷地层：棉花谷地层是德克萨斯州东部1500英尺厚的层状砂泥岩。油层孔隙度平均为6%到8%，渗透率很低，因此需要进行增产措施。典型的棉花谷设计产量与经过

10、增产措施之后的地层总体相比比较低。每英尺的裂缝高度的典型速度大约为0.10桶/分钟。压裂措施所设计的裂缝半长达到800-1200英尺，支撑剂的填充量每阶段达到200000到1000000磅。在棉花谷地层中，示踪剂测井显示低产裂缝的阻挡导致了裂缝的生长高的大于设计的三分之一阶段时的高度。然而，应力差的缺乏也导致了支撑剂很好的覆盖到所有的孔隙中。这个阶段只有11%的空隙没有得到支撑。图1中放射性同位素列举了一个压裂设计的裂缝高度太小的例子。在这口井中，示踪剂测得的裂缝最小高度是400英尺。而设计高度是250英尺。在这种情况下，施工设计的值太小了，因此目标层就是欠受效的。建议在为棉花谷地层进行设计时

11、应该包括流体示踪剂以便来确定制造的缝的高度和滑板的漏失体积。就像在支撑剂包中两个示踪剂（一先一后）来确认并解决多层完井中的欠受效问题。红叉层。红叉层的裂缝高度、未受效和欠受效区域是由油藏透镜体的曲率和透镜体的性质不同而引起的，这在所研究的问题中是唯一的一个。建议在做这个底层的示踪剂设计时应该类似于棉花谷地层：应该检测一下滑板来确定裂缝的高度和漏失量，分别测量早期和后期的支撑剂来确定未受效和欠受效的透镜体。特拉华砂层。特拉华砂体品味很差，周围有低产的裂缝，并且产油层周围有高渗透的水体。这个层中的主要问题是缺少裂缝高度的不足（整个厚度的42%）和欠受效层段（整个厚度的37）。就像红叉层和棉花谷层一

12、样，这个层应该用三个三个探测仪：一个在滑板处来估计裂缝的高速，两个在注支撑剂的前期和后期来更好的估计欠受效层段。杏仁组砂层。杏仁组砂层含有几个潜在的产油层，分别被泥页岩或者煤层分开。层内的隔层的分布以及层内油层物性的变化使得进行最优压裂变得复杂而且可能性较小。个别隔层的厚度可能在4-40英尺范围内变化，而且经常一次性进行压裂的总厚度达到100-400英尺。各目标层之间油藏渗透率和压力的不同可能会降低对多个层进行单次增产措施的效果。假设以下条件都满足：压裂前和压裂后的数据包括示踪剂数据对是否在该地层进行增产措施优化生产具有决定性的作用。目前的研究表明，含有少量或者没有支撑剂的岩样中50%的岩样都

13、在裂缝宽度和导流能力方面有很大的约束。大约有31%的射孔层段欠受效，这说明应该采用更不同的分析技术或者是更有效的射孔程序。两个或三个压裂支撑剂探测器应该来区分欠受效和未受效的结果。经济效益分析就像其他的新压裂措施一样，示踪剂技术并不是适合于每一口井。然而，对大量的油井平均来说，示踪剂技术能够提高油藏采收率10%，因此可以增加收益$100000/井。在上面讨论的四个油层中使用放射性同位素技术的收入与投入比值估计在9:1到12:1的范围内（表4）。尽管实际上的收入与投入比受到地层渗透率和净厚度的影响，这项技术仍然是收益很大的。除此之外，这项研究表明只有10%到20%的井中存在问题，而且时间上只有2

14、0%-50%是可以改正的。收益与投入比还是非常可观的。确定示踪剂的效益。计算模型用来预计潜在的效益。为了计算预期的利润，先建立了一个类似于水力压裂的结果框架。总结一下分析结果列在表2和表3中。建立了15套方案的结果，其中以套是最优结果：设计高度与示踪剂测得的高度比和实际支撑剂长度与设计长度比值都等于1。许多增产问题都不能改正：通常现有的井都没有经济来源，将来的井又会受到油藏非均质性的妨碍。大多数的操作者都认为校正比例达到20%到50%是可能的。校正比例是指那些可以通过修井或者完井作业进行改正或消除的不良结果所占的比例。这些校正比例在表5的最后一列列了出来。进行校正的花费，不管是不是由于较大的处

15、理措施引起的，都包含在了每项方案的花费中。一旦估计出理想结果和不理想结果的几率，那么一个数值油藏模拟器和一个拟三维的裂缝设计模型就可以确定对我们研究的这四个层进行的15种压裂结果的增产措施的成本、产量、折现收益。表5表示了模拟器中需要输入的典型油藏和完井描述的相关信息。结果表明，效益增加量是与油层的有效厚度、渗透率和校正系数成比例的。示踪剂技术的应用能够增加天然气地质储量的1%，因此，储量越大，收益越大。然而，渗透率有不同的影响：当渗透率在微达西范围内增加的时候，效益是增加的；但是当渗透率增加到大约0.05毫达西时，效益开始降低。在很低的渗透率范围内，在低渗范围内，增大增产油层的裂缝长度大大地

16、提高了生产效率。相反，在高渗的情况下，油井的产量更多的受裂缝的宽度和电导率影响，这两个参数在本文中没有进行研究。图4说明了在净生产油层为84英尺的典型红叉油井上，渗透率和示踪剂效益矫正率的相互影响。在红叉油田格局中，增产油层很小的矫正率就比高渗油层获得更高的效益（有的超过10万美元）。图4所示的红叉区的效益与那些其他格式的计算相似。在不同岩性中鉴别地震层析成象可能性对于岩性明显区别于上述砂岩的油藏的其他情况研究显示出相似的成岩潜能和示踪剂技术使用所得到的经济效益。Almond，Cotton Valley，Delaware和Red Fork都为砂岩油藏；然而，南美洲最大的气田Hugoton气田有

17、部分产油层，由粉砂岩分割开的白云岩和灰岩构成。Hugoton在堪萨斯州史蒂文斯县的油井示踪剂测井曲线如图5，6所示。图5中的示踪剂测井曲线表示初始破裂处理。这口井原先采取单段增产即主要通过从X690到X725的射孔填充支撑剂，尽管从X550到X755是畅通的射孔孔眼。根据压裂后示踪剂测井曲线和一个月的产量，操作员选择在X680设置桥塞，并对从X550到X660的射孔进行再增产。上层射孔的成功再增产如图6所示。上层射孔的再增产使产量增大了一倍。图7为压裂前后的产量。在相同流压下，天然气稳产从200Mcfd提高到400Mcfd。研究结果对预测具有相似沉积环境的油藏的净产油层厚度、孔隙度、饱和度、油

18、藏压力和完井技术具有指导作用。其他地区具有类似数据示踪剂测井曲线、裸眼井测井曲线、应力信息、裂缝结构和处理数据可以采用相同的方法来确定典型和非典型的增产效果。示踪剂研究可以用来预测在那个地区最常见的问题。结论现在大量努力致力于降低井的整体运行成本。成本减少包括降低钻井时间，降低服务成本，或者某种技术的漏算。然而，应该对关于油藏价值的成本降低项目的整体效果进行仔细考虑。很容易假定总成本的降低对油藏价值没有负面影响。这项研究表明这一假设在许多情况下是不正确的，成本降低影响了增产效果。除了对诊断能力和放射性示踪剂的效益/成本比的研究，针对预测各种技术的经济效益，例如三维裂缝模型，现场应力剖面观测和压

19、裂液的现场试验质量管理，还进行了多项研究。这些相似的效益分析跟当前研究对比表明，迄今为止，只有使用压裂液质量控制会产生与使用的放射性示踪剂相同的效益成本比。评估潜在修井时机的生产层段，放射性示踪技术即使不适用于所有的，也必须适用于大多数水力压裂井。为了达到最大的经济效益和示踪剂成本效益，从这些完井获取的经验必须适用于改进完井和处理预案。符号说明：Fto ：在地层边缘发射的伽马射线从发射源以任何能量形式到达探测器的百分数。H:探测器的高度。W：裂缝宽度rs：每单位体积的支撑剂发射的伽马射线的数量，Ar.fir(E):伽马射线到达探测器形成的光谱rt：到达探测器的总伽马射线条数t：所有伽马射线的衰

20、变常数Ar：每立方英尺支撑剂的失踪活动fi：发射的具有特殊能量伽马射线的百分数。感谢：作者在此感谢ProTechnics International 管理部和S.A.Holditch & Associates 对本研究的大力支持。同时也要感谢Meridian，UPRC，Enron和Pennzoil提供数据资料并且发布此信息。参考文献：1. Gadeken,L.L. and Smith,H.D.Jr.,“Tracerscan: A Spectroscopy Technique for Determining the Distribution of Multiple Radioactive Tra

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22、tiple Isotope Tracer Tool”, Schlumbergers, SMP-5136,July 91.4. Holditch, S.A., Holcomb,D.L., Rahim, Zillur, Using Tracers to Evaluate Propped Fracture Width”, paper SPE 26922, SPE Eastern Regional Conference, Pittsburgh,Pennsylvania,November2-4,1993.5. Reis, J.C., “A New Method for Obtaining Injecti

23、on Profile sand Fracture Apertures Using Radioactive Tracers,” paper SPE25511, SPE Production Operations Symposium, Oklahoma City, Oklahoma, March 21-23, 1993.6. Holditch, S.A. & Associates Inc.: “SABRE: A General Purpose Three-Dimensional, Three Phase Petroleum Reservoir Simulator; Users Manual, Ve

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26、ng Technology to Devonian Shale Wells;” S.A. Holditch& Associates Inc., Topical Report to the Gas Research Institute, GRI Contract No. 5086-213-1446, GR193/0156 (January 1993).11. Zuber, M.D., Voneiff, G.W., Frantz, J.H., and Gatens, J.M.III: Characterization of Michigan Antrim Shale Reserves Based

27、on Analysis of Field-Level Data,” SPE Paper 29169, presented at the Eastern Regional Meeting, Charleston, W. Va (Nov. 8-10, 1994).表1 油层的完井结果表2 实际的裂缝高度 表3 未受效的地层表4 单井使用放射性示踪剂的优点表5 用于效益分析的典型井的参数图1 棉花谷砂层裂缝高度设计高度图2 红叉砂层最低射孔层欠受效中级射孔层未受效图3 杏仁组砂层未受效图4 使用放射性示踪剂技术的效益在这口红叉砂层的代表井上很清楚图5 在原来的裂缝基础上的伽玛射线测井光谱曲线. Sb-124(11,00W sand) and lr-lS2 (56,00LM sand).图6 图5中的井经过二次压裂以后的伽玛射线测井光谱曲线Sc-46(54,000# sand).Sb-124 and lr-192 经过初次压裂以后所呈现的。图7 Hugoton油田的单井生产速度在二次压裂前后的变化在相同的流动压力下，天然气的稳定产量从200Mcfd增加到400Mcfd。