摘 要

摘　要：为评估分层压裂、合层排采煤层气井不同产层的产能，以研究分层压裂示踪剂为方向，经室内研究与现场试验，开发了一套评估分层压裂合层排采煤层气井各层产能的新技术。通过室

摘　要：为评估分层压裂、合层排采煤层气井不同产层的产能，以研究分层压裂示踪剂为方向，经室内研究与现场试验，开发了一套评估分层压裂合层排采煤层气井各层产能的新技术。通过室内水质背景成分、配伍性、干扰实验等室内研究，筛选出硫氰酸铵和硝酸铵两种分层压裂示踪剂，并进一步研究出了用分光光度法分析示踪剂，以及降低示踪剂分析干扰的方法。在煤层气井分层压裂中，将示踪剂与活性水压裂液混合，注入目的层，每层注入一种示踪剂，注入中保持两种示踪剂浓度、体积基本一致。在施工完成后，取返排水，分析水样中两种示踪剂的浓度，结合单井产水量，可评估分层产能。应用该方法，分别在山1井和陕1井所在的2个区块进行了测试，符合率较好。与其他产能测试技术相比，该技术具有成本低廉、检测简单、不影响生产和无储层伤害等优点，可快速为多层系煤层气田的勘探开发方案提供参考和依据，有利于在区域勘探或开发初期，提高煤层气勘探开发效率和区域经济效益。

关键词：煤层气井  分层  生产能力测试  示踪剂  吸光度  分光光度法  现场试验

Tracer-based technology in layered productivity tests for CBM wells

Abstract：A new technology was developed to estimate the productivity at different layers of coalbed methane(CBM)welIs which are subject to muhilayer fracturing and drainage，based on the study of multilayer fracturing tracers as well as laboratorv and field tests．Specifically，according to water quality background component analysis，compatibility，interference experiment，and other laboratory studies,we selected two kinds of multiplayer fracturing tracers：ammonium thiocyanate and ammonium nitrate，and developed a method of analyzing the tracers with spectr。photometry and reducing the interferences to tracer analysis．In the multilayer fracturing of a CBM well，the 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 fracturing，then the tracer concentration was analyzed in the sample，and the productivity was estimated of each layer according to the water yield of a single well．Compared with other productivity testing methods，this method has more advantages：low cost，simple operation，no impact on production，and no damage to reservoirs．Moreover，it can not only provide reference for the exploration and development of a multilayer CBM gas field，but improve the CBM E&P efficiencv and economic benefits especially at the early stages．

Keywords：coalbed methane well，layered fracturing，productivity testing，tracer，absorbance，spectrophotometry，field test

中国煤层气开发以中、高煤阶为主，属于低压、低渗、低饱和储层，开采难度大，单产产量不高^[1]，必须走低成本的战略路线。分层压裂、合层排采的开发方式较为经济，在煤层气井开发中得到了广泛应用^[2]。为此，测量气井各层产水量、分析各层产能，对指导煤层气高效开发意义重大。现有生产测试方法具有录取参数多、方法成熟多样等诸多优点，但是存在需要仪器通道、测试周期长、资料处理费时、费用较高，而且可能带来储层伤害等缺点。笔者通过室内研究和现场试验，首次提出了用化学示踪剂法进行分层压裂、合层排采的煤层气井的分层产能测试技术，该技术在不影响煤层气井正常生产条件下，能经济、简单、快捷地进行分层产能测试。

1　示踪剂的筛选

自20世纪50年代出现以来，油田示踪技术经历了化学示踪剂、放射性同位素示踪剂、稳定性同位素示踪剂和微量物质示踪剂4个发展阶段。目前，已逐步形成了一套较为完整的理论体系。示踪剂技术在油田注水开发中得到较好的应用和发展，但基本是用于井间的监测而不是同一井的分析检测^[3]；示踪剂技术在煤层气行业的应用也仅限于用放射性同位素示踪剂监测压裂裂缝的形态，其他应用未见报道。

一种性能优良的示踪剂应满足：在地层中的背景浓度低；在地层表面吸附量少，与地层矿物不发生反应；与所指示的流体配伍；具有化学稳定和生物稳定性，易检出、灵敏度高、无毒、安全，对测井无影响；来源广、成本低等特点。分析4类示踪剂的优缺点，结合经济、简便的要求，优选出通用的SCN^-和NO3^-两类无机盐化学示踪剂进行研究，筛选方法参照标准《油田注水化学示踪剂的选择方法》(SY／T 5925—1994) ^[4]。

1．1　水质背景成分分析

将现场所取回的2个区块的8个水样和1个压裂液配水样品进行常规水质分析^[5]，同时进行了SCN^-[6]和NO3^-[7]的检测。实验结果如表l所示。

 

根据表1的结果可知，两个区块中的地下水中均不含SCN^-但检出NO3^-而且部分数据异常高。由于紫外法测定水中硝酸盐时易受到某些物质的干扰，例如铁离子、亚硝酸盐等，进而分析了水样在混合均匀和过滤后两种情况的总铁含量^[8]。结果表明两个区块的总铁含量较高；随后将样品用离子色谱检测NO3^-，结果样品基本无NO3^-。由此可以认为：水样中NO3^-和SCN背景浓度满足要求，可以考虑作为待选示踪离子，但NO3^-的检出方法在本研究水样环境中误差较大，有待进一步研究。

1．2　拟示踪剂之间及拟示踪剂与水样的配伍性

在气藏模拟温度40℃下，按照标准方法将200mg／L硫氰酸钾和200mg／L硝酸钾进行了配伍性实验，并将这两种拟示踪剂与所取地层水、压裂液配液水和活性水压裂液分别进行了配伍性实验，测量其透光率均大于90％。实验表明，两种拟示踪剂之间，地层水、配液水和活性水压裂液与拟示踪剂之间配伍性较好。

1．3　示踪剂之间干扰实验

1．3．1拟示踪剂混合液测定

配制两组拟示踪剂混合样品，第一组按照硫氰酸根的检测方法，在455nm处测量硫氰酸根的吸光度；第二组按照硝酸根的检测方法，在210nm处测量硝酸根的吸光度，测量结果如表2所示。

 

表2的实验结果表明：硝酸根离子在455nm波长处无吸收，NO3^-对SCN^-含量的测定结果没有影响(见第l组数据)；SCN^-在210nm波长处具有较强的吸收，SCN的存在严重干扰了NO3^-的测定，使测量结果偏大(见第2组数据)。为消除或降低影响，进一步研究了不同浓度SCN

光度变化。

1．3．2降低SCN^-对NO3^-与测量干扰的研究

分别配制0～20mg／L的SCN^-标准液，按NO3^-的检测方法，在波长210nm处测定溶液吸光度并绘制标准曲线。SCN^-的浓度与吸光度具有很好的线性关系，回归方程为：A201,SCN-＝0.058C+0.020，R²＝0.999。根据表2可知，NO3^-对SCN^-的测定结果没有影响。因此，可先测定SCN^-含量，再通过上面的线性公式可计算SCN^-在波长210nm处的吸光度。将水样在210nm处吸光度减去SCN^-的吸光度，则可对NO3吸光度进行修正，即：ANO3-＝A210-2A275-A210，SCN-。按比例配制不同浓度的拟示踪剂混合液，测量并修正吸光度，结果如表3所示。

 

由表3可知，NO3^-吸光度经修正后，总体偏低，但误差可控制在7.576％范围内。该修正方法降低了SCN^-对NO3^-测量的影响。

1．4　静态吸附实验

分别配制10mg／L的硝酸钾、硫氰酸钾溶液500mL，并测定初始浓度C0。按照标准方法，称取40g煤粉并分别加入硝酸钾、硫氰酸钾溶液于三角瓶中，置于40℃模拟温度下恒温搅拌，然后在不同时间，取上清液离心后分析拟示踪剂的浓度Ci，实验结果如表4所示。

 

根据表4结果表明，煤粉对SCN^-和NO3^-虽具有一定的吸附作用，但每天Ci／C0的值递减较慢，4d后Ci／C0均大于0.8，满足示踪剂静态吸附实验要求。

通过实验研究表明，SCN^-与NO3^-满足示踪剂的选择条件，可以作为研究区块的示踪剂进行使用，但NO3^-吸光度受区块离子干扰大，因而下一步还需进一步研究干扰离子对示踪剂检测的影响。

2　示踪剂检测方法的改进

实验证明了硫氰酸铁光度法测SCN^-具有准确度高、干扰因素少、数据稳定等优点，检测方法不存在问题，检测方法的改进主要针对NO3^-的检测。

2．1　NO3^-含量的测定方法

水中硝酸根测定的标准方法主要有酚二磺酸法、镉柱还原法、离子色谱法、气相分子吸收光谱法、麝香草酚(百里酚)分光光度法、紫外分光光度法等。但酚二磺酸法试剂配备麻烦，样品前处理烦琐，转移次数多，容易损失；镉柱还原法镉柱的制备以及老化过程烦琐，方法操作步骤麻烦，而且使用镉粉，易造成环境污染；离子色谱法、气相分子吸收光谱法仪器昂贵；麝香草酚(百里酚)分光光度法因乙醇易挥发，误差较大；紫外分光光度法操作简单，可靠性高，测定范围宽，抗干扰能力强，所用化学试剂污染小，分析周期短，适合大批量样品的测定^[9]。通常，紫外分光光度法适用于清洁地面水和未受明显污染的地下水中硝酸盐的测定。因此，本项目中硝酸根的测定应用的是《地下水质检测方法紫外分光光度法测定硝酸根》(DZ／T 0064．59—1993)的标准方法。在紫外光谱区，NO3^-有强烈的吸收，其吸收值与NO3^-的浓度成正比。在波长210～220nm处，可测定其吸光度。测定最佳浓度范围为0.2～20mg／L。水中溶解的有机物，在波长210及275nm下均有吸收，而NO3^-在275nm时没有吸收。这样，需在275nm处作一次测定，以校正有机物对NO3^-吸光度的影响，即ANO3^-＝A210-2A275。

紫外法测定水中硝酸盐时易受到铁离子、亚硝酸盐等物质的干扰。亚硝酸盐和碳酸盐的干扰通过在待测液中添加适量的氨基磺酸和盐酸加以掩蔽，但对于去除铁离子的干扰通常采用的是操作烦琐、耗时的氢氧化铝悬浊液吸附——过柱法。前面水质分析中已发现区块地层水中铁离子含量较高，铁离子对硝酸盐的测定误差较大。考虑到检测需要达到简单、经济的要求，故进一步系统研究了在目前区域条件下，铁对示踪离子检测的影响及降低影响的方法。

2．2　Fe³⁺对NO3^-测定结果的影响

分别按不同比例配制NO3^-标准液和Fe³⁺标准液的混合液，然后根据标准方法进行硝酸根的检测，实验结果如表5所示。

 

由表5结果表明：不加Fe³⁺时，NO3^-标准液因不含有机物，在275nm处几乎无吸收，加入Fe³⁺标准液后，溶液在210nm、275nm处吸光度明显提高，这说明Fe³⁺在210nm、275nm处均有强烈吸收，对NO3^-的测定结果影响较大，能使测定结果大大增加。

孙艳芝等研究发现，铁离子在220nm和275nm处都有吸收(这一结论与我们的结论一致)，而且这两个吸光度之间具有A220,Fe3+＝3.8A275,Fe3+的线性关系，提出了消除铁离子干扰的新方法^[10]，即通过测定铁离子在275nm的吸光度来扣除铁离子在220nm的吸光度，从而准确快捷地测定硝酸盐氮的浓度。但表5数据显示，按上述结论，210nm下的吸光度扣减3.8倍275nm下的吸光度修正法在实验环境中不成立，只能寻找消除或降低Fe³⁺影响的其他办法。

2．3　Fe³⁺对NO3^-测定结果的影响

在50mL容量瓶中配制不同浓度NO3^-标准溶液，一组加入1mL的100mg／L Fe²⁺标准液作对照，测得的NO3^-吸光度如表6所示。

 

从表6的实验数据表明，Fe²⁺对NO3^-的测定基本无影响。因此，在测定地层水中NO3^-的含量时，需尽量除去Fe³⁺或将Fe³⁺还原成Fe²⁺后进行NO3^-含量的分析。经试验，每5mL水样加入1mL盐酸羟胺(100g／L)，可使水中的Fe³⁺还原生成Fe²⁺，从而消除Fe³⁺对NO3^-测定的影响。

综上研究表明，在含两种指示剂的水样样品检测中，需先对水样进行沉淀过滤预处理，除去水样中Fe2O3或Fe(OH)3沉淀物，取水样上清液过滤后进行分析；使用紫外分光光度法先检测硫氰酸盐的浓度；再将水中的Fe³⁺还原生成Fe²⁺，检测NO3^-并扣减样品中硫氰酸盐在210nm的吸光度，从而准确检测NO3^-浓度。

3　现场试验

在室内研究的基础上，结合煤层气井压裂现场实际情况，分别在两个区块开展了示踪剂分层产能测试的现场试验。选择无断层、煤层厚度相当的分压合采煤层气井。将两种示踪剂分别单独配成溶液，考虑地层水和压裂液对示踪剂的稀释作用，以及压后关井时间和经济性等因素，示踪剂的推荐配制浓度为300～500mg／L。在每层压裂过程中，通过比例泵将示踪剂溶液与前置液和携砂液按比例注入地层，注入顶替液前停止注入示踪剂溶液。

3．1　山1井

2012年5月对山1井2个层进行了压裂施工，8号+9号煤层注入压裂液975.6m³，加入NaNO3 500kg，示踪剂在单层压裂液中的平均浓度约为510mg／L；4号+5号煤层注入压裂液1003.5m³，NH4SCN用量500kg，示踪剂在单层压裂液中的平均浓度约为500mg／L。施工完成后，关井扩散压力。油嘴控制排液，无液体返出。同年10月17日进行排采，10月23日开始对采出液进行采样分析，17d内取了11个样，按照前面实验室分析方法分析SCN和NO3^-(除铁，扣减SCN吸光度的方法进行修正)，采出水中各种示踪剂的含量如表7数据所示。

 

表7数据表明，山1井采出水正常，产水量逐渐增加，示踪剂含量整体呈逐渐下降趋势，产出水中主要含有示踪剂NaNO3，仅含有微量的示踪剂NH4SCN。由于单层注入示踪剂的体积、浓度、质量基本相同，两种示踪剂的浓度比可近似为各层的产液量的比值，由此可推测该井8号+9号煤为主力产层，而4号+5号煤层基本没有产能。和该区块已投产的邻井进行对比发现，单开4号+5号煤的邻井产气量低、单开8号+9号煤和两层合采的邻井产气量相对较高，这和本实验的结论是一致的。通过1.5a排采，该井目前稳产约为2000m³／d，与单开8号+9号煤的邻井同期产量也基本一致。

3．2　陕1井

2012年12月对陕1井进行了分层压裂施工，11号煤压裂注入压裂液1153m³，加入NaNO3 500kg，示踪剂NaNO3在单层压裂液中的平均浓度约为430mg／L；5号煤压裂，注入压裂液1135m³，加入NH4SCN 500kg，示踪剂NH4SCN在单层压裂液中的平均浓度约为440mg／L。压裂施工完成后，于2013年3月10日开始进行排采，2013年3月15日开始连续一周每天取样进行室内检测，按照前面实验室分析方法分析SCN^-和NO3^-测得采出水中两种示踪剂的含量如表8所示。

 

表8数据表明，陕1井排采初期产水量小，可推断单井产能不高；产水上升趋势平稳，通过计算发现排采液中两种示踪剂的含量相差不大，推断两个产层的产能基本相同。韩X井排采1a，目前排采效果暂不明朗，但和测试结果并不矛盾。陕1井目前液面高于煤层液面超过100m，井底流压3.38MPa，产水20m³／d，未起套压，未见气。

3．3　成本分析

该技术实施成本主要是现场物料和室内检测成本，其中约95％为示踪剂物料成本。以已完成的现场试验为例，两层分段压裂，单层压裂液用量1000m³左右，单井压两层示踪剂物料成本共计约为8500元。当压裂规模缩小时，现场示踪剂物料成本可同比降低，如压裂规模为500m³时，单井压两层的物料成本将降至4000余元，而且目前注入浓度已从500mg／L降至430mg／L，还有进一步降低浓度下限的空间。与其他产能测试方法相比，此种分层产能测试方法，节约了资金和生产的时间成本并消减了储层伤害的风险，特别是在区块勘探开发初期，煤层气排采未见效果时，可快速评估区域煤层气分层产能，提高开发效果，减少工程投资。

4　结论

该项目通过室内实验研究和现场应用，得出了以下结论。

1)两个煤层气区块地层水中基本无SCN^-、NO3^-，NO3^-和SCN^-背景浓度满足示踪剂筛选要求；硫氰酸盐、硝酸盐与地层水、压裂液配液水配伍性较好；NO3^-对SCN^-的分析无干扰，SCN^-对NO3^-的检测干扰可进行修正；两种盐在煤层中有吸附，但浓度衰减速度差别不大，静态吸附达到示踪剂的选择条件；SCN^-与NO3^-的盐可以作为所研究区块的示踪剂。

2)NO3^-的检测受SCN^-影响较大，但在NO3^-的检测条件下，SCN^-浓度对吸光度的影响具有线性关系，修正后NO3^-吸光度的公式为：ANO3^-＝A210-2A275-A210,SCN-，误差低于7.576％。

3)区块水样中Fe³⁺对NO3^-的检测影响很大，而Fe²⁺基本对NO3^-的检测无影响。通过研究，提出了样品预处理除铁、Fe³⁺转化为Fe²⁺的方法，从而消除或降低了NO3^-的检测误差。

4)对两口现场试验井进行了示踪剂注入和检测，其分层产能评估方法大致与实际效果相符，进一步说明了以硫氰酸铵与硝酸钠作示踪剂，通过紫外分光光度法检测示踪离子，可用于估算分层压裂、合层排采井的各层产能。与其他产能测试技术相比，该技术具有可操作性强、成本低廉、不影响生产和无储层伤害等优点，可为多层系煤层气井的勘探开发提供参考和依据，有利于提高煤层气勘探开发效率和经济效益。

 

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本文作者：吴庆红  魏振吉  李治平  何丽萍  袁朴

作者单位：中国地质大学(北京)

  中石油煤层气有限责任公司

  中联煤层气国家工程研究中心有限责任公司

  中国石油大学(北京)