核能民用新方向，我國科學(xué)家這一招解決了石油開采中一大難題

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科技日報微信公眾號4月11日報道，在石油、天然氣開采中，水平井作為油田的重要開采技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了大多數(shù)類型的油氣藏、特別是海上油田的開發(fā)中。相比于直井，水平井的優(yōu)勢在于其水平段長，單井產(chǎn)量一般是直井的2倍至3倍。

然而，一旦水平井出現(xiàn)高含水則“優(yōu)勢變劣勢”，由于其井況更復(fù)雜，常規(guī)測試儀器不能像在普通直井里那樣依靠自身重力到達井下，為找尋出水點的找水作業(yè)異常困難。

日前，記者從中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所了解到，一種我國科學(xué)家獨創(chuàng)的水平井找水“中國解決方案”——水平井油管傳輸同位素標記找水技術(shù)，已在油田現(xiàn)場完成2井次的找水測試，不僅測試過程、數(shù)據(jù)得到認可，整個測試原理和流程也得到了驗證，目前該技術(shù)已進入推廣應(yīng)用階段。

開采“金鑰匙”也有難題

水平井被譽為提高單井產(chǎn)量的“金鑰匙”，相對于直井，水平井通過增大油氣藏的泄油面積而大幅度提高了產(chǎn)量。但隨著開采的深入，水平產(chǎn)液含水率會呈加速上升的趨勢。

“水平井由于井身與油層平行，更容易出現(xiàn)底水脊進和裂縫突進。”核物理與化學(xué)研究所水平油井同位素標記找水研究團隊技術(shù)負責人黃文說，水平井的出水問題目前已成為困擾其生產(chǎn)的主要因素之一。

“要堵水治水，必須先找水，即要確定水平段出水點的部位。”他說，在直井成功應(yīng)用的找水工具主要靠儀器自身的重力下入井下，但對于水平井它們卻無法順利到達水平段。

此前，有國外企業(yè)專門研制的爬行機器人，作為當今行業(yè)內(nèi)最先進的水平井測試手段，這種機器人可以帶著動力電纜、信號電纜和測試儀器，利用自身的動力裝置爬入水平段。但是爬行器對井眼的要求很高，隨著井眼軌跡的起伏、以及水平段的延長，爬行器的行進會變得困難，容易出現(xiàn)井下卡阻，作業(yè)風險極高。

同時，在使用機器人后，由于水平段的流動環(huán)境和狀態(tài)已被改變，測量數(shù)據(jù)不能完全反映正常的生產(chǎn)狀態(tài)。“這樣就衍生出第二問題，即生產(chǎn)測試的問題，不能生產(chǎn)測試就無法獲得動態(tài)數(shù)據(jù)，會給找水帶來不確定因素。”黃文說。

同位素標記的“新應(yīng)用”

同位素是具有相同原子序數(shù)的同一化學(xué)元素的兩種或多種原子之一。由于絕大多數(shù)同位素具有放射性，科學(xué)家們往往用同位素作為一種標記，制成含有同位素的標記化合物（如標記食物，藥物和代謝物質(zhì)等）代替相應(yīng)的非標記化合物。

利用放射性同位素不斷地放出特征射線的核物理性質(zhì)，就可以用核探測器隨時追蹤它的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等。此前同位素標記已在醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、能量代謝、農(nóng)業(yè)科研、環(huán)境科學(xué)、分析測試等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

但具體如何運用到水平井找水中？

團隊人員、反應(yīng)堆物理學(xué)博士李潤東說，首先在科研人員在工廠內(nèi)通過反應(yīng)堆熱中子活化標記元素，然后將標記元素以化合物形態(tài)結(jié)晶，并將標記物晶體安裝在標記裝置的釋放腔內(nèi)。

隨后在油田現(xiàn)場，工作人員利用采油管將標記裝置下達到水平段需要找水的層位，標記物晶體隨著正常生產(chǎn)的油水流動而溶解釋放。這時，通過抽取油水混合液流經(jīng)井上的油樣收集裝置，科研人員就可利用測試裝置分析油樣收集裝置內(nèi)的標記同位素種類及信號強度。

“隨后，我們利用自主研發(fā)的‘產(chǎn)層解釋軟件’，通過分析獲取的測試數(shù)據(jù)，反演出主要出水層位。”李潤東說，這項歷時7年研發(fā)的技術(shù)，其核心即“標記元素的選取和制備”、“標記物釋放流動過程分析和釋放裝置設(shè)計”、“井上標記物含量信號探測和出水層位反演算法”3個關(guān)鍵技術(shù)。

放射性問題微乎其微

目前，通過研究團隊與石油開采企業(yè)合作，水平井油管傳輸同位素標記找水技術(shù)已在某油田現(xiàn)場實現(xiàn)兩井次測試，井號分別為西H2和孔1033H2，相較于傳統(tǒng)找水方式，其便捷性、準確性均大幅提升。

李潤東說，在便捷性方面新技術(shù)將整個井下裝置，設(shè)計為一段外徑小于90毫米的油管短節(jié)，它與油管連接并隨之下達井內(nèi)指定位置，不僅解決了找水可達性難題，還實現(xiàn)了真正意義邊生產(chǎn)、邊測試，確保了測試數(shù)據(jù)的準確可靠。

同時，研究團隊還提出了同位素分層標記的概念，即在不同層位布置不同特征的同位素，每個標記物分別標記所負責的層位水體流動狀態(tài)，這樣可使井下部分和井上部分完全處于隔離的狀態(tài)，基于油管一次傳輸?shù)轿唬恍枰獪y量過程中反復(fù)移動。

至于同位素標記物放射性的問題，李潤東說，由于采用高精度儀器測量和分析井上產(chǎn)液的標記物含量，并且標記物信號與井下本底信號間距較大，因此實際應(yīng)用中工作人員可以降低標記物信號的原始強度，以最大程度的減少對人員和環(huán)境的消極影響。

同時，標記物樣品表面劑量平均僅為5uGy/h。“在使用時，如果每年測井50口，采用固定單人實施裝配工作，其受照總劑量為0.5mSv，遠小于國家規(guī)定的職業(yè)照射劑量限值——連續(xù)5年內(nèi)，年平均有效劑量率上限值20mSv。”李潤東說。

針對同位素標記物對環(huán)境的影響，李潤東說，一方面制備標記物的元素都具有短的半衰期；另一方面，標記物出廠活度較低，按國家法規(guī)規(guī)定為豁免級別。“在使用現(xiàn)場，按標記物到達井下釋放在100立方米液體里計，每升液體放射性活度僅為1Bq。”

可以參考的是：即便在海水中天然放射性的活度都約為4Bq/升。因此測井期間，地層產(chǎn)液中標記物形成的放射性基本處于環(huán)境本底水平。

并且由于標記物半衰期短，即使為本底水平，很快也會衰變掉，對環(huán)境影響基本可以忽略。”目前，該技術(shù)已經(jīng)取得國內(nèi)發(fā)明專利5項，同時在美國和加拿大也獲得了相應(yīng)專利。 

（原題為《核能民用新方向！我科學(xué)家獨創(chuàng)“神秘大招”，解決了石油開采中的一大難題》）