水平井中固体示踪剂缓释特性实验分析

王强,景成,俞保财,王闫金鑫,邓清勇

(1.西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065;2.西部低渗-特低渗油藏开发与治理教育部工程研究中心,陕西西安710065;3.中国石油集团测井有限公司长庆分公司,陕西西安710201;4.中国地质大学长城学院,河北保定071000)

0 引 言

水平井产水部位、产水时间及主力生产部位的有效监测可为其开发或生产制度调整提供重要依据。常规水平井生产测井技术大多需要一系列组合测井仪器,这些仪器因操作工艺复杂,易出现遇卡、遇阻、难以取出、风险高、测试成本高等问题,因此,水平井生产测井技术在油田中的推广受到一定程度限制[1-9]。与常规水平井生产测井相比,示踪剂监测技术在水平井生产测井中的应用更具优势。示踪剂监测技术只需在井口取样,通过化验分析便能得出结果。该技术在施工操作中不需要对水平井完井设计进行重大改造,能在不干扰油井正常生产的情况下,实时不间断地获取产液剖面、见水时间及见水位置等信息。目前,挪威RESMAN公司和英国TRACERCO公司在智能化学示踪剂技术的研究上较为成熟。该技术向水平井不同水平段一次性固定放置不同类型的缓释型固体示踪剂,由于各类示踪剂随不同水平段油水的产出而释放,基于油溶性与水溶性缓释型示踪剂的差异,通过井口取样检测及简单解释,能持续获取水平井不同井段产液信息。该技术成功解决了水平井产液剖面测试不能持续监测的难题,已在国外众多油田成功应用,发展前景广阔[10-15]。

基于国内外缓释示踪剂技术[16-21],将用于井间监测的示踪剂与高分子物质混合固化制成固体示踪剂,将不同的固体示踪剂安装在水平段完井单元的不同位置,通过监测不同示踪剂的产出情况解释产液剖面或判断出水点。目前此类固体示踪剂解释方法基于假设各水平段示踪剂等速释放,利用水平段不同固体示踪剂产出浓度的相对比例确定其产液分布;由于未考虑井筒流体冲刷速度(流量)对示踪剂缓释速度的影响,随着产液层段差异变大,固体示踪剂向表面缓释的速度差异变大,导致中后期产液剖面解释的误差越来越大[22-27]。目前流速、温度等影响因素对于此类固体示踪剂的缓释机理影响尚不明确。因此,本文通过核磁共振与扫描电镜了解自制固体示踪剂的微观结构,并设计宏观室内实验,深入分析固体示踪剂的缓释机理,模拟固体示踪剂在水平井产液剖面测试中的动力学过程,进一步优化该技术的解释方法,以保证此示踪剂系统长期监测的准确性。

1 自制固体示踪剂

固体示踪剂的组成通常分为2部分。其基底骨架部分是一种高分子聚合物,在示踪剂释放过程中始终保持惰性,由环氧树脂和其他高分子聚合物按照一定比例混合制成;另一部分是固体示踪剂的示踪成分,根据溶解性可划分为油溶性和水溶性示踪成分,每种示踪成分有多种类型,可以满足水平井多井段监测的要求。固体示踪剂的使用年限可以在生产时设置,但使用年限受到井内环境的影响会有所下降。

固体示踪剂类似于一种控释缓释药物,其示踪成分均匀分布在基底骨架内部,基底骨架不会与外界液体反应,也不易发生形变或膨胀。外界液体只能通过固体示踪剂的微小孔隙缓慢渗入内部,相应的示踪成分分子也只能通过基底骨架的孔隙扩散到外界,从而限制示踪成分的快速扩散,使固体示踪剂实现缓释的效果。

本文使用自制的固体示踪剂,该示踪剂借鉴了固体示踪剂方面的研究成果[28],选用溴化钠作为示踪成分。在基底骨架高分子聚合物方面,选择高分子材料A和高分子材料B按照3∶1的比例充分混合,加入固化剂C和促进剂D使高分子材料固化。2种高分子材料混合固化后具有较好的强度和韧性,不易受酸、碱等液体的腐蚀。实验用示踪剂制备过程中,选择混合高分子材料、固化剂C、促进剂D、示踪剂成分的质量比为10∶3∶1∶10和6∶1.8∶0.6∶4,选用直径为18.00 mm、长度为59.50 mm的圆柱形模具,置于120 ℃的烘箱内,2 h内完成固化。

持续释放实验表明自制固体示踪剂具有良好的缓释性能,至少可缓释半年以上,制成的样品韧性消失、硬度增强、脆性增强,外表面略干燥,缺少油性,未出现表面融化、裂痕、断裂等情况。自制的固体示踪剂在一定范围内能够适应井下高温环境,自身不会变性,符合相关性能要求,能正常高效配合井下相关作业。

2 自制固体示踪剂骨架结构特征分析

为了研究自制固体示踪剂样品骨架孔道结构、内部连通情况、示踪有效成分分布,选取所配制的示踪样品,进行送样分析。

2.1 自制固体示踪剂核磁共振扫描结果分析

从3个不同的方向对自制固体示踪剂样品切片,进行核磁共振实验(见图1)。图1中固体示踪剂基底骨架呈现深黑色状,示踪成分(溴化钠粉末)呈现灰白色状,基底骨架与示踪成分交替存在。示踪成分在基底骨架内分布不均匀,其主要原因是自制示踪剂样品采用手工配制,基底骨架与示踪成分在配制初期混合搅拌不均匀,造成固体样品内基底骨架与示踪成分在固化成型后出现不均匀交替分布。

图1 自制固体示踪剂样品核磁共振切片和三维图

从样品核磁共振三维彩图中可以看出,自制固体示踪剂样品内部分布着2种不同颜色的组分物质,即基底骨架与示踪成分。示踪成分组成了类似于岩心孔喉式的分布结构,其相互堆置与连接,形成了具有一定连通性的孔喉骨架特征。

2.2 自制固体示踪剂扫描电镜结果分析

图2为自制固体示踪剂样品扫描电镜图,其中白色反光部分为样品的示踪成分,黑色部分为基底骨架。自制固体示踪剂样品扫描电镜结果与核磁共振实验结果具有相似性,表现为形态不一、相互连通的孔隙结构和喉道结构。

图2 自制固体示踪剂样品扫描电镜图

2.3 自制固体示踪剂释放规律假设

由自制固体示踪剂的骨架结构和示踪成分分布特征,可以了解此种固体示踪剂类似于医药学上的不溶性骨架缓释药物,借鉴医药方面药物释放理论[29-31],将此类固体示踪剂的释放过程分为溶解阶段和扩散阶段。固体示踪剂在接触外界溶剂时,表层示踪成分迅速溶解,外界溶剂利用基底骨架内分布的孔隙结构、微裂缝、喉道结构路径逐渐渗入固体示踪剂内部,使固体示踪剂内部的示踪成分开始溶解,随后在浓度梯度的影响下以对流和扩散的形式逐渐向外运移,缓慢释放到溶剂中。

3 实验方法及实验结果分析

3.1 静态缓释实验

静态缓释实验是在静态环境下研究自制固体示踪剂的缓释规律。该实验模拟研究油井关井状态下固体示踪剂在井筒流体环境中的动态扩散变化规律,为下一步利用自制固体示踪样品进行动态条件下示踪剂缓释实验提供基础保障。

主要实验器材:HH-6型水浴型恒温箱、紫外分光光度仪、schott瓶。具体实验步骤:①准备示踪成分含量分别为32%、42%的示踪剂样品各一块,称取其初始质量,计算每块样品中的示踪成分质量;②调整HH-6型水浴型恒温箱温度为30 ℃,将装有450 mL蒸馏水的schott瓶标记好放入恒温箱中,待恒温箱温度稳定后将每块示踪剂样品分别放入指定的schott瓶中;③每次取10 mL样液使用紫外分光光度仪检测溶液的吸光度,并换算成溶液浓度;④每间隔12 h对schott瓶内溶液取样后,清洗并置换入450 mL的蒸馏水,对每次取样的溶液吸光度值换算成浓度,将所得数据整理并记录,统计每次测试的示踪成分释放量,累积叠加绘制示踪成分累积释放量(见图3)。

图3 静态条件下固体示踪样品缓释实验结果图

图4 自制固体示踪剂动态缓释实验装置

由图3可见:①随着时间的不断推移,2种不同种类示踪样品中示踪成分的累积释放量都在逐渐增大,累积释放量与时间的曲线变化缓慢,示踪成分释放速率稳定;②基底骨架内包埋的示踪成分在缓慢溶解后,利用基底骨架的孔道扩散进入流体溶液中,能够验证自制的基底骨架内部存在能够使示踪成分稳定扩散的孔隙、喉道等通道结构;③该样品可以满足高温溶液的环境需要,而且其自身的孔喉结构、连通喉道能使示踪成分稳定向外扩散,说明使用的药剂配比基本合理,配制样品能够满足固体示踪剂的基本性能要求;④在静态实验初期,2种不同比例的示踪样品内示踪成分累积释放量相差不大,但在实验稳定后,示踪成分含量较大的样品累积释放量高于示踪成分含量较小的样品累积释放量。

3.2 动态模拟冲刷实验

3.2.1 实验方法

动态模拟冲刷实验主要模拟示踪剂在油井正常生产情况下,流体的冲刷速度和环境温度对自制固体示踪剂缓释的影响。实验采用控制变量法,温度设置为室温、50 ℃、80 ℃,流体流量设置为2、4、8 mL/min,使用2种不同示踪成分含量的示踪剂探究温度和流体冲刷速度对固体示踪剂缓释效果影响,具体实验见表1。

表1 自制固体示踪剂动态冲刷实验方案

主要实验器材:101-1B电热恒温干燥箱、KY-300ELI型蠕动泵、紫外分光光度仪、释放腔等,实验装置见图4。具体实验步骤:①研制并筛选出示踪成分含量为42%的示踪剂样块共7块,示踪成分含量为32%的示踪剂样块共5块,所有示踪剂样块尺寸相同,对每个样块标号,并称取其原始质量,计算出所有样品块中的示踪成分含量;②按照图4连接好实验装置,将实验用水加入储水罐中,检查实验装置的漏液情况;③调整实验装置中每条管线的流量并校正,设定每个恒温装置的温度,待整个实验装置稳定后,将各个样块按照次序依次放入对应的缓释腔中;④每隔12 h进行一次取样,使用紫外分光光度仪测定管路内瞬时吸光度以及样品收集器中的溶液吸光度,换算成溶液浓度,记录收集器中溶液体积并计算每12 h示踪剂累积释放质量,绘制累积质量变化曲线。

3.2.2 动态冲刷实验结果

(1)环境温度对示踪剂释放的影响。环境温度对自制固体示踪剂释放影响的实验对比见表2,分析在相同液流冲刷速率下,环境温度对固体示踪剂释放影响规律。

表2 环境温度对自制固体示踪剂释放影响的实验对比

图5(a)为示踪成分含量32%时,不同温度下自制固体示踪剂缓释曲线图。从图5(a)中可以看出,在流体冲刷速率一定的条件下,温度越高,样品内的示踪成分累积释放量越大,释放速率越快;在不同温度条件下,起始阶段示踪成分累积释放量相差不大,但随着时间的不断推移,不同温度下的累积释放量差值越来越大,高温下累积释放量曲线斜率较大,释放速率快,低温下累积释放量曲线斜率较平缓,释放速率较慢。

图5(b)为示踪成分含量42%时,不同的温度下自制固体示踪剂缓释曲线图。从图5(b)中可以看出,在流体冲刷速率相同的条件下,样品处于80 ℃环境下比50 ℃环境下的示踪成分累积释放速率大,但是样品处于常温条件下的释放速率高于50、80 ℃条件下的释放速率,这一实验结果与图5(a)结果不相符。室温条件下9号液流管线出现累积释放量、累积释放速率异常,其主要原因可能是自制示踪剂样品在配制过程中因手工生产导致误差,使示踪成分与骨架混合不均匀,导致示踪成分累积释放量出现异常。

图5 不同温度下示踪剂缓释曲线图

(2)冲刷速率对示踪剂释放的影响。通过自制固体示踪剂动态缓释实验具体实施方案与所得相关实验数据,设置3种对比方案(见表3),分析在相同温度条件下不同液流冲刷速率对固体示踪剂释放的影响规律。

图6为不同对比方案、不同的液流冲刷速率下示踪剂缓释曲线图,从图6中可以看出,在环境温度相同的条件下,流体冲刷速率越大,样品中示踪成分累积释放量越大,释放速率也越大。随着时间的推移,不同液流冲刷速率下,示踪成分累积释放量差异较初期更明显。

表3 冲刷速率对自制固体示踪剂释放的影响对比

图6 不同的液流冲刷速率下示踪剂缓释曲线图

3.3 实验结果分析

通过对自制固体示踪剂静态缓释实验的结果分析可知,由高分子材料与示踪成分按照一定比例混合制成的2种不同的示踪样品具备良好的骨架结构和孔道结构。示踪成分溶解后,能够较稳定地通过其基底骨架缓慢扩散至溶液中,溶液中的示踪成分累积释放量可不断增加,释放速率较为稳定,可验证在该药剂配比下,自制固体示踪剂样品符合长效缓释的要求与基本特性。

在固体示踪剂静态缓释实验评价结果的基础上,结合固体示踪剂动态缓释速率实验评价结果可知:在恒定流体冲刷速度的条件下,探究温度因素对自制固体示踪剂缓释速率影响时,随着固体示踪剂所处环境温度不断升高,采集装置流体样液中示踪成分累积释放量不断增大,示踪成分释放速率变快;在保持温度不变的条件下,探究流体不同的冲刷速率因素对自制固体示踪剂缓释速率影响时,随着流体冲刷速度不断增大,采集装置流体样液中示踪成分累积释放量逐渐变大,示踪成分释放速率变快。

对示踪剂缓释释放规律影响因素进一步分析可知,高温环境和较高的流体冲刷速率能够促进固体示踪剂中示踪成分的释放。随着释放温度环境的增高,示踪成分的溶解度也会增大,其在基底骨架内的扩散能力同样得到提高,使得示踪成分在整个动态释放过程中的释放时间缩短。同理,较高的流体冲刷速率,使得固体示踪剂内外始终保持较高的浓度差,从而加快示踪成分的扩散速度。流速越高,示踪剂内外的浓度差也就越大,示踪成分也就释放得更快。

4 结 论

(1)自制固体示踪样品内部具备良好的孔喉连通骨架结构特征,基底骨架在较高温度下不易受损,且示踪成分溶解后,能够较稳定地利用基底骨架路径溶解并缓慢扩散至溶液中。

(2)在恒定流体冲刷速度的条件下,随着固体示踪剂所处环境温度不断升高,示踪成分累积释放量越大,示踪成分释放速率越快。较高的环境温度可以促进固体示踪剂中示踪成分的释放。

(3)在保持温度不变的条件下,随着流体冲刷速度不断增大,示踪成分累积释放量逐渐变大,示踪成分释放速率变快。较高的液流冲刷速率同样可以促进固体示踪剂中示踪成分的释放。