水平井油管傳輸標記物分段找水技術(shù)

于永生， 廖漢明， 齊行濤， 劉 賀， 張祖峰， 邵彥峰

（1. 中國石油大港油田分公司石油工程研究院，天津 300280；2. 中國石油大港油田分公司第六采油廠，河北黃驊 061199）

水平井已成為開發(fā)各類油藏的主要技術(shù)手段之一，但地層水的侵入嚴重影響了水平井技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮。因此，采用水平井開發(fā)油氣時，如果產(chǎn)水，需要確定出水層，以控制出水，提高水平井的開發(fā)效果。近年來，國內(nèi)外在水平井找水方面進行大量的研究工作，但未形成成熟有效的技術(shù)方法。目前，國內(nèi)外水平井找水方法大致分為2 類：一是采用爬行器或水力輸送的電纜儀器測試找水，該方法受井筒條件及漏失等復(fù)雜情況的影響，測試儀器有時難以下到目的井段，成功率低；二是采用拖動式封隔器找水，主要應(yīng)用于分段射孔完井的水平井，其找水周期長，可靠性和穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)找水管柱阻卡現(xiàn)象[1-2]。另外，這2 類找水方法的費用較高，難以大規(guī)模應(yīng)用。為此，筆者選取5 種由中子照射產(chǎn)生的自然界中不存在的同位素，利用同位素標記物相互不干擾且易于識別的特性，研發(fā)了油管輸送標記物，形成了油管輸送標記物分段找水技術(shù)，現(xiàn)場試驗3 井次，找水準確率100%。

1 油管傳輸標記物找水原理

模擬試驗發(fā)現(xiàn)，同位素固體標記物的溶解速度與產(chǎn)出水流速和測量時間呈線性關(guān)系。根據(jù)這種線性關(guān)系，采用地面試驗，測量得到的不同流速下、單位時間內(nèi)同位素固體標記物的溶解速率K為常數(shù)。由此得到同位素標記物特征含量強度與流量的關(guān)系為：

式中：M為標記物特征含量強度，s-1；K為溶解速率；Q為流量，m3。

實際測試中，選取A、B 和C 等3 種同位素標記物進行測試，從產(chǎn)出液體中可以檢測到不同標記物的能譜峰面積（特征含量強度）MA，MB和MC，由于流經(jīng)底部標記物的流量QC為油井在測試時間內(nèi)的總流量，為已知量，利用式（1）可求得KC，根據(jù)強度的比值求得KA和KB，從而求得經(jīng)過標記物A 和B 時的流量QA和QB，最終得到油井不同井段的產(chǎn)水剖面。

2 同位素標記物

2.1 標記物元素選取

根據(jù)水平井多段測試的需要，考慮標記元素的豐度、標記元素間γ 峰值的干擾和制備難度等因素，選取了5 種自然界中不存在的同位素作為標記物元素。這5 種標記物元素是通過中子照射產(chǎn)生的，其熱中子捕獲截面較大、半衰期可控且易于制備，并具有獨特的γ 射線強度和特征（見表1），容易檢測識別[3]，不同標記元素的γ 峰值不會相互干擾，且與地層中天然同位素γ 峰值的間距明顯，便于能譜儀器檢測和識別，適用于各類儲層。

2.2 標記物的制備

標記物元素粉末與某可溶鹽載體粉末混合磨細后，采用粉末冶金工藝將混合物料加壓燒結(jié)成致密材料，將標記物元素固態(tài)化，粉末顆粒間通過滑動擴散、再結(jié)晶和熔焊等物理化學(xué)過程成為一種分布均勻且具有一定孔隙度的標記物，其具有獨特的化學(xué)組成、物理性能和特點：

表 1 5 種同位素標記物及其性能參數(shù)Table 1 Five isotope markers and their performance parameters

1）選擇性標記，只溶于水，不溶于油；

2）穩(wěn)定性好，其水溶液顯中性，不受地層水礦化度的影響，與地層流體配伍性較好；

3）在溫度不高于200 ℃、壓力不高于50 MPa 的環(huán)境下為惰性，基本不受高溫高壓的影響；

4）產(chǎn)出液體中的標記物測量精度可達10-10g。

2.3 標記物安全性評價

標記物通過特殊工藝制備，標記物元素的半衰期都較短，一般小于60 d，即60 d 后其活度將衰減50.00%，一年后衰減98.44%。另外，標記物出廠時的活度較低，為105 Bq，按國家法規(guī)為豁免級別?，F(xiàn)場使用時液體中的放射性活度為1 Bq/L，而海水中天然放射性40K 的活度約為4 Bq/L，因此在測試期間，地層產(chǎn)出液中標記物形成的放射性活度基本處于環(huán)境最低水平，對人員和環(huán)境的影響可以忽略。

3 標記物釋放裝置與測試管柱

3.1 標記物釋放裝置的研制

為了保證固體標記物能在井下實時測試，首先要將測試裝置順利下至水平井段，其次要克服下入時修井液對標記物溶解的影響，最后要確保測試裝置順利打開。因此，采用具有限壓打開結(jié)構(gòu)的滑套作為標記物釋放裝置（見圖1），將標記物安裝在滑套內(nèi)，與常用采油管柱連接下入井中[4-5]。

標記物釋放裝置的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)：本體最大外徑93.0 mm，最小內(nèi)徑25.0 mm，長度810.0 mm；工作溫度20～220 ℃，滑套打開壓力5～15 MPa，抗拉強度大于60 kN。

圖 1 固體標記物釋放裝置Fig. 1 Solid marker release device

3.2 測試管柱及工藝

測試管柱主要由采油泵、套壓閥、封隔器、標記物釋放裝置和水平井專用球座組成（見圖2）。具有定比例溶解特征（隨水體流速定比例溶解釋放）的固體標記物5A、5B 和5C 下至井下不同位置[6]，油井正常生產(chǎn)后，生產(chǎn)測試聯(lián)作管柱會使產(chǎn)出水沿“產(chǎn)層—管外環(huán)空—井底—油管—地面”流動，并流經(jīng)3 種標記物。在地面測量采出液中所攜帶標記物的種類及其特征含量，并對其進行分析，以確定水平井的出水部位，計算出產(chǎn)水量。

4 現(xiàn)場試驗

水平井油管傳輸標記物分段找水技術(shù)在大港油田試驗了3 井次，均獲得成功，找水準確率達100%，為后期水平井采取卡、堵水措施提供了準確的依據(jù)。下面以孔X 井為例介紹該技術(shù)的現(xiàn)場試驗情況。

圖 2 測試管柱結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Schematic diagram of test string

孔X 井為大港油田孔二南斷塊的一口生產(chǎn)水平井，完鉆井深1 616.00 m，目的層為館陶組，采用篩管完井方式，表層套管下深498.00 m，油層套管下深1 612.00 m，其中分級箍位于1 420.98～1 422.86 m井段，篩管完井井段1 444.00～1 612.10 m。該井投產(chǎn)以來含水率一直穩(wěn)定在91.0%左右，日產(chǎn)油量3.2 t。2017 年6 月含水率突然升至100%，為確定出水層位，進行了水平井油管傳輸標記物分段找水技術(shù)試驗。

首先下入帶有A、B、C 和D 等4 種標記物的測試管柱，標記物D 下至井深1 451.25 m 處，監(jiān)測油層套管是否存在漏失和管外分隔器、分級箍及水泥環(huán)是否存在密封不嚴的問題；標記物C 下至井深1 527.00 m 處，監(jiān)測水平段跟端是否出水；標記物B 下至井深1 565.40 m 處，監(jiān)測出水部位是否為水平段中部；標記物A 下至井深1 598.00 m 處，監(jiān)測水平段趾端是否出水。然后從套管加壓至12 MP，打開井下測試裝置。最后下入φ70.0 mm 抽油泵生產(chǎn)24 h，生產(chǎn)過程中連續(xù)檢測產(chǎn)出液中的標記物8 h，檢測完成后對檢測數(shù)據(jù)進行分析。

孔X 井生產(chǎn)過程中對產(chǎn)出液中標記物的檢測結(jié)果如圖3 所示，圖中D2，C5，B1 和A6 分別為標記物D、C、B 和A 的檢測結(jié)果。

圖 3 孔X 井找水標記物的信號強度Fig.3 Signal strength of water location marker in Well Kong X

對圖3 中標記物的信號強度進行歸一化處理，濾除井下噪聲信號后，根據(jù)信號強度分量定量計算出流經(jīng)各標記物的產(chǎn)水量，繪制該井的產(chǎn)水剖面，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出：測試井段累計產(chǎn)水量28.0 m3，其中井深1 451.25 m 以淺井段的累計產(chǎn)水量約25.0 m3，由此可初步判斷井深1 451.25 m以淺為主力產(chǎn)水部位。

圖 4 孔X 井產(chǎn)水剖面測試結(jié)果Fig. 4 Water producing profile test results in Well Kong X

由于該井的16#層（1 442.00～1 449.00 m 井段）為低產(chǎn)油層，分析認為大量產(chǎn)出水應(yīng)來自管外封隔器上部的水層。由于長期開采或作業(yè)等原因，造成套漏或套管外水竄，從而使該井含水率突然升至100%。為確定該井是否存在套漏并進行卡堵水作業(yè)，對篩管以上套管進行二次驗證，進行了雙封隔器分段試壓及氧活化測試作業(yè)，證實1 394.00～1 407.00 m 井段存在套漏，套漏點在14#和15#水層，套漏點吸水量為12 m3/h（11 MPa）。采用封隔器卡封漏點后恢復(fù)生產(chǎn)，日產(chǎn)油量約1.5 t，與卡水前相比產(chǎn)量較低，分析認為主要是卡水封隔器密封性能差所致。再次采用化學(xué)堵劑進行定位封堵作業(yè)[7]，作業(yè)后經(jīng)過7 d 排液，恢復(fù)生產(chǎn)，日產(chǎn)油量3.5 t，含水率90%。截至目前，該井產(chǎn)油、產(chǎn)液量一直保持穩(wěn)定，降水增油效果明顯。

5 結(jié)論與建議

1）由于水平井油管傳輸標記物分段找水技術(shù)采用油管傳輸標記物，因此可利用常規(guī)修井設(shè)備將測試管柱下入井眼軌跡復(fù)雜的水平井段內(nèi)，大幅降低了水平井分段找水的作業(yè)難度。

2）水平井油管傳輸標記物分段找水技術(shù)采用同位素固態(tài)封裝、載體釋放，不需要電纜供電和上傳信號，擺脫了電纜測試方法的諸多限制，且標記物通過特殊工藝制備，達到國家法規(guī)規(guī)定的豁免級別。

3）該技術(shù)目前只在3 口采用有桿泵的水平井進行了試驗，建議在采用電動潛油泵、螺桿泵的水平井進行試驗，以提高該技術(shù)的適用性。