智能固體示蹤劑在海上水平井產(chǎn)液剖面測試中的應用

劉子民 李海濤 楊靖文 聶松 馬欣 高素娟

1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室；2.川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司

水平井生產(chǎn)段出水是海上油田開采過程中面臨的重要問題，隨著近年來流入控制裝置(AICD)在水平井控水完井技術上的成功應用，有效提高了水平井分段產(chǎn)液平衡控制能力［1-3］，為海上油田穩(wěn)油控水提供了新方法。水平井AICD完井的控水效果要根據(jù)水平井各段產(chǎn)液貢獻變化來分析和評價［4］，因此如何監(jiān)測水平井產(chǎn)液剖面是AICD完井的關鍵。目前監(jiān)測水平井生產(chǎn)動態(tài)常用方法是生產(chǎn)測井工具(PLT)［5］，但海上平臺開發(fā)的復雜性、惡劣的環(huán)境以及昂貴的設備費用導致其應用范圍較窄，并且在測試過程中需要降低水平井生產(chǎn)速度，無法達到與正常生產(chǎn)相匹配，又導致測試結果不準確，因此無法在整個海上油田水平井進行推廣使用［6］。為解決上述問題，提出一種智能固體示蹤劑監(jiān)測水平井生產(chǎn)動態(tài)的新方法［7-10］，該方法基于水平井分段完井和AICD控水完井技術，將不同類型的智能固體示蹤劑安裝在水平井不同生產(chǎn)分段的管柱外側，通過關井靜置使其與目標流體接觸從而釋放示蹤物質(zhì)，形成高濃度示蹤劑團。開井后在井口對產(chǎn)出流體進行取樣化驗，分析示蹤劑返排濃度分布，將結果通過特定的解釋模型進行分析計算，以獲取各段產(chǎn)液剖面、見水時間和見水位置等重要生產(chǎn)參數(shù)。

筆者針對智能固體示蹤劑產(chǎn)液剖面監(jiān)測技術進行了研究，首先對自研智能固體示蹤劑的釋放規(guī)律進行實驗評價，又通過耐溫耐鹽實驗評價固體示蹤劑在井下環(huán)境的釋放能力，驗證固體示蹤劑在現(xiàn)場應用的適用性；根據(jù)實驗得到固體示蹤劑釋放規(guī)律與沖刷流量的關系建立分段水平井產(chǎn)液剖面解釋方法；最后，設計了安裝示蹤劑的配套完井管柱，將智能固體示蹤劑與AICD和主動控水開關同時在渤海油田某水平井進行了現(xiàn)場應用，通過示蹤劑返排濃度解釋出了該井產(chǎn)液剖面，解釋結果對AICD控水效果和主動控水工具調(diào)整起到了指導性作用。

1 智能固體示蹤劑釋放性能實驗評價

智能固體示蹤劑由高分子聚合物骨架和示蹤物質(zhì)兩部分組成［11］，高分子骨架本身具有較強的耐溫耐鹽性并且不溶于地層流體，其作用是作為示蹤物質(zhì)的載體；示蹤物質(zhì)以分子或微粒形式均勻分散在高分子聚合物骨架表面或者內(nèi)部，當與流體接觸后示蹤物質(zhì)釋放并溶出［12-13］。示蹤物質(zhì)自身具有單一敏感性，油溶性固體示蹤劑與油相流體接觸釋放示蹤物質(zhì)，水溶性固體示蹤劑與水相流體接觸釋放示蹤物質(zhì)。固體示蹤劑在制備過程中可以改變形狀，安裝在生產(chǎn)管柱外側，圖1為自研水溶性固體示蹤劑實物圖與其在生產(chǎn)管柱上安裝圖。

圖1 智能固體示蹤劑實物及在完井管柱安裝Fig.1 Photo of intelligent solid tracers and diagram of completion string assembly

智能固體示蹤劑的釋放規(guī)律是決定其工作壽命和產(chǎn)液剖面解釋方法的主要依據(jù)［14］，因此應用前需要通過室內(nèi)實驗對其釋放規(guī)律進行量化研究，以此來設計示蹤物質(zhì)的用量、解釋方法及安裝位置等。此外，固體示蹤劑能否適應井下環(huán)境是保障其測試準確度的重要前提，現(xiàn)場應用前需要對其在不同溫度、礦化度條件下的釋放能力進行評價和對比，確定其在不同環(huán)境下的適應能力［15］。

1.1 實驗方法

1.1.1 實驗藥品與儀器

藥品：自研水溶性固體示蹤劑 (SRWT-1、SRWT-2、SRWT-3)，乙腈 (色譜純)，甲酸，純水。

儀器：液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，冷凍超速離心機，恒溫箱，恒速恒流泵，夾持器。

1.1.2 固體示蹤劑靜態(tài)釋放性能評價方法

靜態(tài)實驗是為了評價示蹤劑的釋放規(guī)律及井下環(huán)境對其影響，通過將固體示蹤劑放入水中浸泡從而獲得累積釋放濃度隨時間的變化關系來進行定量評價。實驗方法是將3種水溶性固體示蹤劑分別放入裝有1 L純水的燒杯中，并將燒杯放置于實驗條件下，每隔一段時間進行一次取樣，每次取樣2 mL，取樣后將燒杯中的水繼續(xù)補至1 L，實驗具體取樣時間見表1。

表1 靜態(tài)實驗取樣設計Table 1 Sampling design for static tests

1.1.3 固體示蹤劑動態(tài)釋放性能評價方法

動態(tài)實驗是為了評價不同沖刷流量對固體示蹤劑的釋放速率的影響。實驗采取恒速恒流泵驅(qū)替的方法，評價在相同時間下不同流量(2、6、10 mL/min)對示蹤劑釋放的影響，具體實驗操作步驟：(1)將固體示蹤劑放入特定夾持器中，關閉出口閥門；(2)打開恒速恒流泵調(diào)節(jié)流速；(3)待泵壓開始上升說明流體已經(jīng)充滿整個流動系統(tǒng)，打開閥門準備取樣。具體取樣方法和時間間隔與靜態(tài)實驗一致(見表1)。

1.2 結果與討論

1.2.1 智能固體示蹤劑緩釋性能評價

圖2是3種水溶性固體示蹤劑在常溫、純水中累積釋放濃度與釋放速率隨時間變化的曲線，可以看出，3種水溶性固體示蹤劑的釋放速率變化規(guī)律基本一致，與流體接觸初期釋放速率較快，隨時間推移釋放速率逐漸放緩直至穩(wěn)定。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是水溶性固體示蹤劑與流體接觸初期，流體進入聚合物骨架孔隙中，在短時間內(nèi)填滿所有孔隙并與示蹤物質(zhì)的接觸面積達到最大，搭載在骨架孔隙表面上的示蹤物質(zhì)開始迅速向水中擴散，此時的擴散路徑最短，釋放速率最快；隨時間的推移，骨架孔隙表面的示蹤物質(zhì)的釋放逐漸穩(wěn)定，骨架內(nèi)部的示蹤物質(zhì)開始釋放，并向流體中逐漸擴散，而此時的擴散路徑變長，示蹤物質(zhì)釋放速率放緩直至穩(wěn)定［16］。

圖2 3種智能固體示蹤劑釋放速率和累積釋放濃度隨時間變化曲線Fig.2 Release rate and cumulative concentration vs.time, three types of intelligent solid tracers

此外，雖然3種水溶性固體示蹤劑的制備工藝一致，但在相同流體中釋放速率存在橫向差異。實

驗結果是累積釋放濃度與接觸時間的關系曲線，通過計算得出3種水溶性固體示蹤劑的釋放速率分別是 0.0045、0.014、0.028 (μg/L)/min。造成釋放速率差異的原因是由于3種示蹤物質(zhì)在水中溶解能力的不同導致其溶解濃度出現(xiàn)高低變化。根據(jù)固體示蹤劑的工作原理，這種差異不會對產(chǎn)液剖面的解釋結果造成影響，因為固體示蹤劑測試是基于封隔器分段完井技術，將生產(chǎn)段劃分成獨立的分段，在關井釋放期間流體處于靜置狀態(tài)與固體示蹤劑接觸釋放，在各油管附近會形成獨立的示蹤劑團，開井后各段示蹤劑團先后流入井口，所得到是每一種示蹤劑在取樣階段的濃度隨取樣時間的變化規(guī)律，橫向產(chǎn)生的濃度差異可通過數(shù)學方法處理，將各段濃度隨時間變化規(guī)律進行直觀對比。

1.2.2 溫度和礦化度對緩釋性能的影響

地層溫度、地層水礦化度對固體示蹤劑的釋放性能的影響決定了其在井下的工作能力，因此需要在模擬地層環(huán)境下對固體示蹤劑釋放能力進行實驗評價。圖3為溫度對SRWT-1固體示蹤劑緩釋性能影響的實驗結果，可以看出，隨著溫度的升高固體示蹤劑的釋放速率加快，常溫下SWRT-1固體示蹤劑1 500 min 的累積釋放濃度 9.26 μg/L，而 80 ℃ 時累積釋放濃度上升至29.01 μg/L，上升趨勢明顯。溫度影響釋放能力變化的主要原因是由于分子熱運動，溫度越高示蹤物質(zhì)在高分子骨架內(nèi)的擴散運動越快，示蹤物質(zhì)在水中溶解速率也相應加快，相同時間下釋放濃度比低溫高，因此會呈現(xiàn)溫度高釋放速率快的變化趨勢。圖4為SRWT-1固體示蹤劑在不同礦化度流體中累積釋放濃度變化曲線，可以看出隨著礦化度從 0 增至 10 000 mg/L，1 500 min 累積釋放濃度由 9.26 μg/L 降低至 5.96 μg/L，表明礦化度的增加對固體示蹤劑的釋放起抑制作用，導致這種現(xiàn)象的原因是示蹤物質(zhì)的溶解速率受流體礦化度的影響，礦化度越高，示蹤物質(zhì)分子在水中的溶解度越低，相對應的釋放速率越慢。

圖3 不同溫度下SRWT-1固體示蹤劑累積釋放濃度隨時間變化曲線Fig.3 Cumulative concentration vs.time at different temperatures, SRWT-1 solid tracer

圖4 SRWT-1固體示蹤劑在不同礦化度流體中累積釋放濃度隨時間變化曲線Fig.4 Cumulative concentration vs.time in fluids with different salinities, SRWT-1 solid tracer

1.2.3 沖刷速度對固體示蹤劑緩釋影響規(guī)律分析

水平井分段完井是通過封隔器將水平段劃分為若干個獨立的生產(chǎn)段，在生產(chǎn)過程中由于每一段地層滲透率和生產(chǎn)壓差的差異會導致每段的產(chǎn)出流量有明顯的差異，因此每段示蹤劑的流體沖刷流量不同。圖5為不同沖刷速度下固體示蹤劑SRWT-1釋放速率隨時間變化曲線，可以看出，高流量下固體示蹤劑釋放初始階段的釋放速率要稍快于低流量，隨沖刷時間推移，穩(wěn)定后各流量下的釋放速率基本一致，因此可以明確沖刷速度對智能固體示蹤劑釋放速率無明顯影響。

圖5 不同流量下SRWT-1固體示蹤劑釋放速率隨時間變化曲線Fig.5 Release rate vs.time at different flow rates,SRTW-1 solid tracer

2 產(chǎn)液剖面解釋方法

由上述實驗結果得知，固體示蹤劑系統(tǒng)釋放示蹤物質(zhì)的速度取決于自身性質(zhì)和井下環(huán)境，與地層

流體的沖刷流量無關，因此產(chǎn)液剖面無法直接從正常生產(chǎn)過程釋放的示蹤物質(zhì)濃度中獲取，需要通過特定的解釋方法來求取。固體示蹤劑測試產(chǎn)液剖面解釋方法的理論依據(jù)是示蹤物質(zhì)的溶解、擴散機理和水平井單相流穩(wěn)態(tài)理論［17］。據(jù)此，將固體示蹤劑測試產(chǎn)液剖面流程分為4個步驟：(1)示蹤劑安裝：智能固體示蹤劑與完井管柱下入井下；(2)關井靜置：使智能固體示蹤劑與井筒周圍的流體充分接觸形成示蹤物質(zhì)段塞；(3)重新開井取樣；(4)樣品地面化驗分析與解釋。

2.1 產(chǎn)液剖面解釋模型

智能固體示蹤劑產(chǎn)液剖面解釋模型是通過示蹤劑濃度峰值到達井口的時間和各段示蹤系統(tǒng)之間井筒體積差值來計算各位置產(chǎn)液貢獻［18］。該方法在進行取樣之前需要進行關井，目的是讓各段流出的流體與示蹤劑充分接觸，使示蹤劑短節(jié)附近釋放出高濃度的示蹤物質(zhì)團。由于采取了封隔器分段完井方式，各段流體流入篩管后會與安裝的固體示蹤劑所對應，保證示蹤劑可以與各段流體準確接觸。

假設固體示蹤劑附近高濃度示蹤物質(zhì)團在關井重啟后以段塞形式運移至井口取樣點，運移過程不發(fā)生擴散、沉降等作用。開井后，環(huán)空內(nèi)釋放出的高濃度示蹤物質(zhì)團隨流體由AICD進液口進入井筒內(nèi)并流至井口。因各段產(chǎn)液量的差異，示蹤物質(zhì)團到達井口的真實時間會偏離模擬均衡生產(chǎn)的到達時間，而通過取樣化驗可獲得每段示蹤物質(zhì)濃度峰值真實到達井口時間。圖6為各個示蹤系統(tǒng)之間井筒體積、各段流量與到達時間的關系示意圖［19］。第1段(跟端)示蹤物質(zhì)濃度峰值到達井口的時間對應流量是各段流量之和，即油井生產(chǎn)總流量，第2段峰值到達井口的時間對應的流量是第2段至最后一段流量的總和，以此類推，最末段(趾端)峰值到達井口的時間對應最末段的流量，準確獲取各個參數(shù)并將其代入到模型中可以計算出各段的產(chǎn)液貢獻。該解釋模型稱為到達時間模型，見式(1)~(3)。

圖6 產(chǎn)液剖面解釋模型Fig.6 Production profile interpretation model

式中，qi為第i段產(chǎn)液流量，m3/d；qt為總產(chǎn)液流量，m3/d；V1為第1段示蹤劑安裝點到井口的井筒體積，m3；Vi(i=2, 3, 4,···,n)為第i段到第i?1 段之間的井筒體積，m3；V為井筒總體積，m3；ti、ti?1分別為第i段、第i?1段示蹤物質(zhì)濃度峰值到井口時間，min。

2.2 瞬態(tài)取樣程序設計

用于產(chǎn)液剖面解釋的取樣方法稱為瞬態(tài)采樣，是在油井關井重新生產(chǎn)后的取樣方法［20］。當水平井關井后，固體示蹤劑與環(huán)空內(nèi)流體充分接觸，釋放出大量的示蹤劑物質(zhì)，形成示蹤物質(zhì)團，此時示蹤劑濃度遠高于正常生產(chǎn)時的釋放濃度形成濃度差。開井后高濃度的示蹤物質(zhì)團以段塞形式隨流體流出井口，根據(jù)水平井單相流穩(wěn)態(tài)模型，可以計算出高濃度示蹤劑分子團流至井口的時間范圍，在該時間段加密取樣，以獲取示蹤劑峰值到達井口的準確時間，減小模型計算誤差。

3 實例井應用

智能固體示蹤劑測試水平井產(chǎn)液剖面基于水平井分段完井技術，通常與AICD控水完井技術協(xié)同

應用，實現(xiàn)找水控水一體化，具體適用技術指標見表2。該技術選井范圍較廣，新井老井均適用，對于新井可測試投產(chǎn)初期水平段產(chǎn)液剖面，實時監(jiān)測出水位置，以優(yōu)化生產(chǎn)制度，實現(xiàn)高效開采；對于高含水老井可測試其各段產(chǎn)液貢獻，準確找到高含水層位，以制定控水方案，實現(xiàn)穩(wěn)油控水。

表2 智能固體示蹤劑適用技術指標Table 2 Technical specifications of intelligent solid tracers

3.1 Q井井況及固體示蹤劑安裝

水平井Q井位于渤海海域某海上平臺，該井水平段儲層非均質(zhì)性較強，滲透率級差大，其中跟段和趾段滲透率在 13 μm2左右，中間段滲透率 4 μm2左右。該井當前日產(chǎn)液量在600 m3/d左右，日產(chǎn)油小于10 m3/d，含水率已經(jīng)高達98%。根據(jù)對Q井井況與地層環(huán)境的分析討論，選擇更換含固體示蹤劑的智能控水完井管柱進行找水和控水作業(yè)，明確各段產(chǎn)液能力并降低油井產(chǎn)水量。

通過井下封隔器將水平段分為3段，每段完井工具中都安裝有主動控水開關、AICD和固體示蹤劑3種工作短節(jié)。由于Q井含水較高，本次試驗只選擇了安裝水溶性固體示蹤劑來進行產(chǎn)液剖面測試，安裝的3種固體示蹤劑分別是SRWT-1、SRWT-2 和SRWT-3。根據(jù)固體示蹤劑釋放影響因素的實驗結果對Q井的井下工況進行了資料分析，Q井地層溫度在 65 ℃左右，產(chǎn)出水礦化度在 7 100 mg/L左右，與固體示蹤劑適用環(huán)境相匹配，不會對固體示蹤劑的釋放性能產(chǎn)生負面影響。

3.2 Q井生產(chǎn)動態(tài)分析及取樣設計

圖7是Q井在更換完井管柱后的生產(chǎn)動態(tài)曲線，可以看出日產(chǎn)液量沒有明顯下降，含水率仍然高達98%以上，沒有起到明顯的增油降水效果，需要進行主動控水來調(diào)整各段產(chǎn)液能力。在進行主動控水前需要明確3段的產(chǎn)液貢獻，以此為依據(jù)進行現(xiàn)場施工設計。2019年10月26日進行了第1次示蹤劑取樣作業(yè)，取樣解釋分析后得到3段產(chǎn)液貢獻，確定了主動控水調(diào)整方案，進行了2次主動控水調(diào)整。調(diào)整后含水率由之前的98%降低至93%左右，日產(chǎn)油量維持在30 m3/d左右，控水增油效果明顯。2019年12月10日進行了第2次取樣，解釋分析主動控水調(diào)整后3段產(chǎn)液貢獻變化。

圖7 Q井更換管柱后的生產(chǎn)動態(tài)曲線Fig.7 Production performance of Well Q after changing the tool string

通過模擬計算確定了3段示蹤劑濃度峰值到達井口時間在開井生產(chǎn)后140~170 min之間，在該時間范圍前取樣稱為預取樣，主要是為了防止由于計算誤差導致示蹤劑濃度峰值提前達到，取樣間隔為5 min；在模擬示蹤劑峰值到達井口區(qū)間進行了取樣間隔的加密，以此找到示蹤劑峰值到達井口的準確時間，該區(qū)間取樣間隔為3 min。當開井時間超過170 min后，此時關井釋放的示蹤劑已經(jīng)全部隨流體流出井口，但由于示蹤劑的釋放特性，生產(chǎn)過程示蹤劑與流體接觸會進行持續(xù)釋放，此后釋放的示蹤劑來自正常生產(chǎn)過程，在該過程中示蹤劑濃度會逐漸下降至穩(wěn)定值。取樣程序在不同的時間間隔有不同的采樣頻率，通常開始時較高，一段時間后降低。

3.3 Q井產(chǎn)液剖面解釋及驗證

Q井更換完井管柱后共進行2次示蹤劑取樣測試，第1次為更換管柱完成后，第2次為調(diào)整主動控水開關的狀態(tài)后。由于3種示蹤劑系統(tǒng)之間示蹤濃度存在著差異，為了更好地比較各示蹤系統(tǒng)的響應形狀，將2次測試結果分別歸一化處理(即通過給定示蹤劑的所有示蹤劑濃度除以該示蹤系統(tǒng)的峰值，所有響應值都在0~1之間)，得到了如圖8和圖9所示的示蹤劑濃度歸一化變化曲線。

圖8 第1次取樣示蹤劑濃度歸一化處理曲線Fig.8 Normalized tracer concentrations for the 1st sampling

圖9 第2次取樣示蹤劑濃度歸一化處理曲線Fig.9 Normalized tracer concentrations for the 2nd sampling

由圖8和圖9可以確定示蹤劑濃度峰值到達井口的準確時間點，將到達時間和井筒體積等產(chǎn)液剖面解釋模型所需的各種參數(shù)(表3)代入到模型中進行計算，得到2次取樣測試的各段產(chǎn)液貢獻。圖10是主動控水調(diào)整前后各段產(chǎn)液貢獻對比，可以看出未進行主動控水調(diào)整前，跟段產(chǎn)液貢獻最大，產(chǎn)水量占比88.57%；中段和趾段供液能力較弱，產(chǎn)水量占比分別5.43%和6%，油井總含水率為98%，說明跟段出水最嚴重。主動控水調(diào)整后，含水率下降至93%，水平段的產(chǎn)液剖面發(fā)生變化，跟段產(chǎn)液占比依舊最高為50%，而中段和趾段產(chǎn)液量提高至17.19%和32.81%，說明主動控水調(diào)整均衡了各段產(chǎn)液貢獻，提高低產(chǎn)液段的供液能力，起到良好的增油控水效果。

圖10 Q井2次測試產(chǎn)液貢獻占比解釋結果Fig.10 Interpreted liquid production contributions of the two tests of Well Q

表3 產(chǎn)液剖面解釋模型參數(shù)Table 3 Parameters of the production profile interpretation model

為了驗證解釋結果的可靠性，使用完井優(yōu)化軟件對該井2次取樣點控水狀態(tài)下的各段產(chǎn)液貢獻進行了模擬計算。從圖11計算結果可以看出，模擬Q井跟段、中段和趾段在第1次取樣點控水狀態(tài)下的各段產(chǎn)液貢獻分別為79.35%、9.08%和11.57%，第2次取樣點控水狀態(tài)下各段產(chǎn)液貢獻分別為49.36%、15.69%和34.93%，與智能固體示蹤劑解釋結果相近，驗證了智能固體示蹤劑解釋產(chǎn)液剖面的可靠性與準確性。

圖11 Q井2次產(chǎn)液貢獻占比軟件模擬結果Fig.11 Simulated liquid production contributions of the two tests of Well Q

4 結論

(1)智能固體示蹤劑的釋放規(guī)律是當其與目標流體接觸初期釋放速率較快，接觸一段時間后釋放速率下降逐漸趨于平穩(wěn)，體現(xiàn)為恒速釋放，沖刷速度不會影響其釋放速率。智能固體示蹤劑具有較好的耐溫耐鹽性能，在井下復雜環(huán)境中具有良好的釋放性能，能夠滿足海上油田水平井產(chǎn)液剖面監(jiān)測條件。

(2)根據(jù)智能固體示蹤劑恒速釋放的特點，提出了相應的產(chǎn)液剖面解釋模型，設計現(xiàn)場應用方案，將智能固體示蹤劑在渤海油田進行了現(xiàn)場應用，通過產(chǎn)液剖面解釋模型，成功解釋出了該水平井控水前后的產(chǎn)液剖面，與商業(yè)軟件模擬結果接近，說明該項技術的測試結果具有可靠性，為海上油田水平井找水、控水及產(chǎn)液剖面定量解釋提供了新的技術思路和實用手段。

(3)智能固體示蹤劑技術目前在我國處于發(fā)展階段，存在較多的技術難點，后續(xù)研究研究重點應放在擴充示蹤劑種類、提出更合理的分段設計、建立更精確的解釋方法以及更簡易的檢測手段等方面。