水平井中固體示蹤劑緩釋特性實驗分析

王強,景成,俞保財,王閆金鑫,鄧清勇

(1.西安石油大學石油工程學院,陜西西安710065;2.西部低滲-特低滲油藏開發與治理教育部工程研究中心,陜西西安710065;3.中國石油集團測井有限公司長慶分公司,陜西西安710201;4.中國地質大學長城學院,河北保定071000)

0 引 言

水平井產水部位、產水時間及主力生產部位的有效監測可為其開發或生產制度調整提供重要依據。常規水平井生產測井技術大多需要一系列組合測井儀器,這些儀器因操作工藝復雜,易出現遇卡、遇阻、難以取出、風險高、測試成本高等問題,因此,水平井生產測井技術在油田中的推廣受到一定程度限制[1-9]。與常規水平井生產測井相比,示蹤劑監測技術在水平井生產測井中的應用更具優勢。示蹤劑監測技術只需在井口取樣,通過化驗分析便能得出結果。該技術在施工操作中不需要對水平井完井設計進行重大改造,能在不干擾油井正常生產的情況下,實時不間斷地獲取產液剖面、見水時間及見水位置等信息。目前,挪威RESMAN公司和英國TRACERCO公司在智能化學示蹤劑技術的研究上較為成熟。該技術向水平井不同水平段一次性固定放置不同類型的緩釋型固體示蹤劑,由于各類示蹤劑隨不同水平段油水的產出而釋放,基于油溶性與水溶性緩釋型示蹤劑的差異,通過井口取樣檢測及簡單解釋,能持續獲取水平井不同井段產液信息。該技術成功解決了水平井產液剖面測試不能持續監測的難題,已在國外眾多油田成功應用,發展前景廣闊[10-15]。

基于國內外緩釋示蹤劑技術[16-21],將用于井間監測的示蹤劑與高分子物質混合固化制成固體示蹤劑,將不同的固體示蹤劑安裝在水平段完井單元的不同位置,通過監測不同示蹤劑的產出情況解釋產液剖面或判斷出水點。目前此類固體示蹤劑解釋方法基于假設各水平段示蹤劑等速釋放,利用水平段不同固體示蹤劑產出濃度的相對比例確定其產液分布;由于未考慮井筒流體沖刷速度(流量)對示蹤劑緩釋速度的影響,隨著產液層段差異變大,固體示蹤劑向表面緩釋的速度差異變大,導致中后期產液剖面解釋的誤差越來越大[22-27]。目前流速、溫度等影響因素對于此類固體示蹤劑的緩釋機理影響尚不明確。因此,本文通過核磁共振與掃描電鏡了解自制固體示蹤劑的微觀結構,并設計宏觀室內實驗,深入分析固體示蹤劑的緩釋機理,模擬固體示蹤劑在水平井產液剖面測試中的動力學過程,進一步優化該技術的解釋方法,以保證此示蹤劑系統長期監測的準確性。

1 自制固體示蹤劑

固體示蹤劑的組成通常分為2部分。其基底骨架部分是一種高分子聚合物,在示蹤劑釋放過程中始終保持惰性,由環氧樹脂和其他高分子聚合物按照一定比例混合制成;另一部分是固體示蹤劑的示蹤成分,根據溶解性可劃分為油溶性和水溶性示蹤成分,每種示蹤成分有多種類型,可以滿足水平井多井段監測的要求。固體示蹤劑的使用年限可以在生產時設置,但使用年限受到井內環境的影響會有所下降。

固體示蹤劑類似于一種控釋緩釋藥物,其示蹤成分均勻分布在基底骨架內部,基底骨架不會與外界液體反應,也不易發生形變或膨脹。外界液體只能通過固體示蹤劑的微小孔隙緩慢滲入內部,相應的示蹤成分分子也只能通過基底骨架的孔隙擴散到外界,從而限制示蹤成分的快速擴散,使固體示蹤劑實現緩釋的效果。

本文使用自制的固體示蹤劑,該示蹤劑借鑒了固體示蹤劑方面的研究成果[28],選用溴化鈉作為示蹤成分。在基底骨架高分子聚合物方面,選擇高分子材料A和高分子材料B按照3∶1的比例充分混合,加入固化劑C和促進劑D使高分子材料固化。2種高分子材料混合固化后具有較好的強度和韌性,不易受酸、堿等液體的腐蝕。實驗用示蹤劑制備過程中,選擇混合高分子材料、固化劑C、促進劑D、示蹤劑成分的質量比為10∶3∶1∶10和6∶1.8∶0.6∶4,選用直徑為18.00 mm、長度為59.50 mm的圓柱形模具,置于120 ℃的烘箱內,2 h內完成固化。

持續釋放實驗表明自制固體示蹤劑具有良好的緩釋性能,至少可緩釋半年以上,制成的樣品韌性消失、硬度增強、脆性增強,外表面略干燥,缺少油性,未出現表面融化、裂痕、斷裂等情況。自制的固體示蹤劑在一定范圍內能夠適應井下高溫環境,自身不會變性,符合相關性能要求,能正常高效配合井下相關作業。

2 自制固體示蹤劑骨架結構特征分析

為了研究自制固體示蹤劑樣品骨架孔道結構、內部連通情況、示蹤有效成分分布,選取所配制的示蹤樣品,進行送樣分析。

2.1 自制固體示蹤劑核磁共振掃描結果分析

從3個不同的方向對自制固體示蹤劑樣品切片,進行核磁共振實驗(見圖1)。圖1中固體示蹤劑基底骨架呈現深黑色狀,示蹤成分(溴化鈉粉末)呈現灰白色狀,基底骨架與示蹤成分交替存在。示蹤成分在基底骨架內分布不均勻,其主要原因是自制示蹤劑樣品采用手工配制,基底骨架與示蹤成分在配制初期混合攪拌不均勻,造成固體樣品內基底骨架與示蹤成分在固化成型后出現不均勻交替分布。

圖1 自制固體示蹤劑樣品核磁共振切片和三維圖

從樣品核磁共振三維彩圖中可以看出,自制固體示蹤劑樣品內部分布著2種不同顏色的組分物質,即基底骨架與示蹤成分。示蹤成分組成了類似于巖心孔喉式的分布結構,其相互堆置與連接,形成了具有一定連通性的孔喉骨架特征。

2.2 自制固體示蹤劑掃描電鏡結果分析

圖2為自制固體示蹤劑樣品掃描電鏡圖,其中白色反光部分為樣品的示蹤成分,黑色部分為基底骨架。自制固體示蹤劑樣品掃描電鏡結果與核磁共振實驗結果具有相似性,表現為形態不一、相互連通的孔隙結構和喉道結構。

圖2 自制固體示蹤劑樣品掃描電鏡圖

2.3 自制固體示蹤劑釋放規律假設

由自制固體示蹤劑的骨架結構和示蹤成分分布特征,可以了解此種固體示蹤劑類似于醫藥學上的不溶性骨架緩釋藥物,借鑒醫藥方面藥物釋放理論[29-31],將此類固體示蹤劑的釋放過程分為溶解階段和擴散階段。固體示蹤劑在接觸外界溶劑時,表層示蹤成分迅速溶解,外界溶劑利用基底骨架內分布的孔隙結構、微裂縫、喉道結構路徑逐漸滲入固體示蹤劑內部,使固體示蹤劑內部的示蹤成分開始溶解,隨后在濃度梯度的影響下以對流和擴散的形式逐漸向外運移,緩慢釋放到溶劑中。

3 實驗方法及實驗結果分析

3.1 靜態緩釋實驗

靜態緩釋實驗是在靜態環境下研究自制固體示蹤劑的緩釋規律。該實驗模擬研究油井關井狀態下固體示蹤劑在井筒流體環境中的動態擴散變化規律,為下一步利用自制固體示蹤樣品進行動態條件下示蹤劑緩釋實驗提供基礎保障。

主要實驗器材:HH-6型水浴型恒溫箱、紫外分光光度儀、schott瓶。具體實驗步驟:①準備示蹤成分含量分別為32%、42%的示蹤劑樣品各一塊,稱取其初始質量,計算每塊樣品中的示蹤成分質量;②調整HH-6型水浴型恒溫箱溫度為30 ℃,將裝有450 mL蒸餾水的schott瓶標記好放入恒溫箱中,待恒溫箱溫度穩定后將每塊示蹤劑樣品分別放入指定的schott瓶中;③每次取10 mL樣液使用紫外分光光度儀檢測溶液的吸光度,并換算成溶液濃度;④每間隔12 h對schott瓶內溶液取樣后,清洗并置換入450 mL的蒸餾水,對每次取樣的溶液吸光度值換算成濃度,將所得數據整理并記錄,統計每次測試的示蹤成分釋放量,累積疊加繪制示蹤成分累積釋放量(見圖3)。

圖3 靜態條件下固體示蹤樣品緩釋實驗結果圖

圖4 自制固體示蹤劑動態緩釋實驗裝置

由圖3可見:①隨著時間的不斷推移,2種不同種類示蹤樣品中示蹤成分的累積釋放量都在逐漸增大,累積釋放量與時間的曲線變化緩慢,示蹤成分釋放速率穩定;②基底骨架內包埋的示蹤成分在緩慢溶解后,利用基底骨架的孔道擴散進入流體溶液中,能夠驗證自制的基底骨架內部存在能夠使示蹤成分穩定擴散的孔隙、喉道等通道結構;③該樣品可以滿足高溫溶液的環境需要,而且其自身的孔喉結構、連通喉道能使示蹤成分穩定向外擴散,說明使用的藥劑配比基本合理,配制樣品能夠滿足固體示蹤劑的基本性能要求;④在靜態實驗初期,2種不同比例的示蹤樣品內示蹤成分累積釋放量相差不大,但在實驗穩定后,示蹤成分含量較大的樣品累積釋放量高于示蹤成分含量較小的樣品累積釋放量。

3.2 動態模擬沖刷實驗

3.2.1 實驗方法

動態模擬沖刷實驗主要模擬示蹤劑在油井正常生產情況下,流體的沖刷速度和環境溫度對自制固體示蹤劑緩釋的影響。實驗采用控制變量法,溫度設置為室溫、50 ℃、80 ℃,流體流量設置為2、4、8 mL/min,使用2種不同示蹤成分含量的示蹤劑探究溫度和流體沖刷速度對固體示蹤劑緩釋效果影響,具體實驗見表1。

表1 自制固體示蹤劑動態沖刷實驗方案

主要實驗器材:101-1B電熱恒溫干燥箱、KY-300ELI型蠕動泵、紫外分光光度儀、釋放腔等,實驗裝置見圖4。具體實驗步驟:①研制并篩選出示蹤成分含量為42%的示蹤劑樣塊共7塊,示蹤成分含量為32%的示蹤劑樣塊共5塊,所有示蹤劑樣塊尺寸相同,對每個樣塊標號,并稱取其原始質量,計算出所有樣品塊中的示蹤成分含量;②按照圖4連接好實驗裝置,將實驗用水加入儲水罐中,檢查實驗裝置的漏液情況;③調整實驗裝置中每條管線的流量并校正,設定每個恒溫裝置的溫度,待整個實驗裝置穩定后,將各個樣塊按照次序依次放入對應的緩釋腔中;④每隔12 h進行一次取樣,使用紫外分光光度儀測定管路內瞬時吸光度以及樣品收集器中的溶液吸光度,換算成溶液濃度,記錄收集器中溶液體積并計算每12 h示蹤劑累積釋放質量,繪制累積質量變化曲線。

3.2.2 動態沖刷實驗結果

(1)環境溫度對示蹤劑釋放的影響。環境溫度對自制固體示蹤劑釋放影響的實驗對比見表2,分析在相同液流沖刷速率下,環境溫度對固體示蹤劑釋放影響規律。

表2 環境溫度對自制固體示蹤劑釋放影響的實驗對比

圖5(a)為示蹤成分含量32%時,不同溫度下自制固體示蹤劑緩釋曲線圖。從圖5(a)中可以看出,在流體沖刷速率一定的條件下,溫度越高,樣品內的示蹤成分累積釋放量越大,釋放速率越快;在不同溫度條件下,起始階段示蹤成分累積釋放量相差不大,但隨著時間的不斷推移,不同溫度下的累積釋放量差值越來越大,高溫下累積釋放量曲線斜率較大,釋放速率快,低溫下累積釋放量曲線斜率較平緩,釋放速率較慢。

圖5(b)為示蹤成分含量42%時,不同的溫度下自制固體示蹤劑緩釋曲線圖。從圖5(b)中可以看出,在流體沖刷速率相同的條件下,樣品處于80 ℃環境下比50 ℃環境下的示蹤成分累積釋放速率大,但是樣品處于常溫條件下的釋放速率高于50、80 ℃條件下的釋放速率,這一實驗結果與圖5(a)結果不相符。室溫條件下9號液流管線出現累積釋放量、累積釋放速率異常,其主要原因可能是自制示蹤劑樣品在配制過程中因手工生產導致誤差,使示蹤成分與骨架混合不均勻,導致示蹤成分累積釋放量出現異常。

圖5 不同溫度下示蹤劑緩釋曲線圖

(2)沖刷速率對示蹤劑釋放的影響。通過自制固體示蹤劑動態緩釋實驗具體實施方案與所得相關實驗數據,設置3種對比方案(見表3),分析在相同溫度條件下不同液流沖刷速率對固體示蹤劑釋放的影響規律。

圖6為不同對比方案、不同的液流沖刷速率下示蹤劑緩釋曲線圖,從圖6中可以看出,在環境溫度相同的條件下,流體沖刷速率越大,樣品中示蹤成分累積釋放量越大,釋放速率也越大。隨著時間的推移,不同液流沖刷速率下,示蹤成分累積釋放量差異較初期更明顯。

表3 沖刷速率對自制固體示蹤劑釋放的影響對比

圖6 不同的液流沖刷速率下示蹤劑緩釋曲線圖

3.3 實驗結果分析

通過對自制固體示蹤劑靜態緩釋實驗的結果分析可知,由高分子材料與示蹤成分按照一定比例混合制成的2種不同的示蹤樣品具備良好的骨架結構和孔道結構。示蹤成分溶解后,能夠較穩定地通過其基底骨架緩慢擴散至溶液中,溶液中的示蹤成分累積釋放量可不斷增加,釋放速率較為穩定,可驗證在該藥劑配比下,自制固體示蹤劑樣品符合長效緩釋的要求與基本特性。

在固體示蹤劑靜態緩釋實驗評價結果的基礎上,結合固體示蹤劑動態緩釋速率實驗評價結果可知:在恒定流體沖刷速度的條件下,探究溫度因素對自制固體示蹤劑緩釋速率影響時,隨著固體示蹤劑所處環境溫度不斷升高,采集裝置流體樣液中示蹤成分累積釋放量不斷增大,示蹤成分釋放速率變快;在保持溫度不變的條件下,探究流體不同的沖刷速率因素對自制固體示蹤劑緩釋速率影響時,隨著流體沖刷速度不斷增大,采集裝置流體樣液中示蹤成分累積釋放量逐漸變大,示蹤成分釋放速率變快。

對示蹤劑緩釋釋放規律影響因素進一步分析可知,高溫環境和較高的流體沖刷速率能夠促進固體示蹤劑中示蹤成分的釋放。隨著釋放溫度環境的增高,示蹤成分的溶解度也會增大,其在基底骨架內的擴散能力同樣得到提高,使得示蹤成分在整個動態釋放過程中的釋放時間縮短。同理,較高的流體沖刷速率,使得固體示蹤劑內外始終保持較高的濃度差,從而加快示蹤成分的擴散速度。流速越高,示蹤劑內外的濃度差也就越大,示蹤成分也就釋放得更快。

4 結 論

(1)自制固體示蹤樣品內部具備良好的孔喉連通骨架結構特征,基底骨架在較高溫度下不易受損,且示蹤成分溶解后,能夠較穩定地利用基底骨架路徑溶解并緩慢擴散至溶液中。

(2)在恒定流體沖刷速度的條件下,隨著固體示蹤劑所處環境溫度不斷升高,示蹤成分累積釋放量越大,示蹤成分釋放速率越快。較高的環境溫度可以促進固體示蹤劑中示蹤成分的釋放。

(3)在保持溫度不變的條件下,隨著流體沖刷速度不斷增大,示蹤成分累積釋放量逐漸變大,示蹤成分釋放速率變快。較高的液流沖刷速率同樣可以促進固體示蹤劑中示蹤成分的釋放。