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水平井多級壓裂是目前非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)的主流應(yīng)用技術(shù)，為了提高經(jīng)濟效益，近年來，地質(zhì)工程一體化綜合研究被廣泛應(yīng)用于非常規(guī)油氣勘探中。在一體化研究中，最終的檢驗?zāi)繕?biāo)為產(chǎn)量，目前大多以井口產(chǎn)量作為評價一體化效果的主要依據(jù)。對于水平井各段的產(chǎn)量貢獻比一直是一個難題。傳統(tǒng)的生產(chǎn)測井使用電纜或連續(xù)油管，可以測量流速，但不能區(qū)分氣、水兩相，在水平井段存在卡堵等施工風(fēng)險。同時，結(jié)果僅為測量期間的“瞬時產(chǎn)量”，如果要獲得不同時期的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，需要多次關(guān)井作業(yè)，影響正常生產(chǎn)。而化學(xué)示蹤劑僅能提供定性的數(shù)據(jù)，受溫度、酸堿度等因素影響較大。因此，如何獲取不同時期水平井各段產(chǎn)能數(shù)據(jù)，對于頁巖儲層質(zhì)量再認(rèn)識和壓裂設(shè)計優(yōu)化都具有重要的意義。 改變傳統(tǒng)研發(fā)思路，根據(jù)頁巖油氣的特點，從微觀(納米級)的角度研發(fā)新技術(shù)，從而實現(xiàn)水平井監(jiān)測技術(shù)的新突破。量子點技術(shù)與油氣監(jiān)測技術(shù)的有機結(jié)合，產(chǎn)生了一種新型量子點示蹤監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)示蹤技術(shù)的缺點，提高了監(jiān)測的精度、簡化了分析的流程，同時將監(jiān)測周期從幾個月提高到幾年，實現(xiàn)了非常規(guī)油氣藏全生命周期的監(jiān)測需求。
1 技術(shù)原理
1.1 量子點
量子點(quantum dot)是在把激子在三個空間方向上東縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。有時被稱為“人造原子”、“超晶格”、“超原子”或“量子點原子”，是 20 世紀(jì) 90 年代提出來的一個新概念。其為人造的納米級的微顆粒，一般為球形或類球形，其直徑常在 2-20 nm之間（圖1）。
通過對這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場或光壓，吸收光譜后，它們便會發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會隨著這種半導(dǎo)體的尺寸的改變而變化。其顯色強度，是普通熒光類物質(zhì)的 20 倍以上，具有寬吸收光譜和窄的發(fā)射光譜，易于識別和分析，從而避免了實驗室分析的失誤?；瘜W(xué)組成決定了其比自然熒光粉具有更好穩(wěn)定性，較傳統(tǒng)的有機染色劑，光漂白效應(yīng)減弱，同時耐受酸和高溫。
圖1 量子點及其熒光性
1.2 量子支撐劑
量子點示蹤監(jiān)測技術(shù)正是利用量子點的這一特征，使用聚合物材料將多個量子點制作成一個微球，該微球粒徑為幾百納米，內(nèi)含不同種類和數(shù)量的量子點（圖 2）。6 種不同類型量子點的組合可以形成大量獨特且可追蹤識別的示蹤標(biāo)記物，總數(shù)可高達 63 種，可以滿足目前國內(nèi)最大水平段數(shù)量的監(jiān)測需求。
圖 2 量子監(jiān)測支撐劑及其結(jié)構(gòu)
量子點監(jiān)測代碼為幾百納米的微球，需要特殊載體才能注入地層。不同于化學(xué)示蹤劑的液體載體，量子點監(jiān)測技術(shù)以壓裂施工過程中的支撐劑（陶?；蚴⑸埃檩d體，使用聚合物材料將量子代碼附著在支撐劑表面。針對油水不同相態(tài)，聚合物材料分為親水和親油兩種。由于量子點監(jiān)測代碼為納米級微顆粒，因此在支撐劑涂層內(nèi)的數(shù)量巨大，根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)，一公斤支撐劑覆膜中大約包含千億個量子點監(jiān)測代碼。
支撐劑涂層的厚度非常小，對于支撐劑本身的性能影響很?。▓D 3）。在 300 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，涂層前后支撐劑的滲透率差小于 50 達西，至 550，二者滲透率相同。因此在正常的地層壓力下，涂層對于支撐劑本身的滲透性影響可以忽略不計。同時，涂層的強度不低于支撐劑本身的抗壓強度。簡言之，量子點監(jiān)測支撐劑能保證支撐劑本身性能和功能。
圖 3 涂層前后支撐劑滲透率變化
1.3 量子監(jiān)測微粒釋放機理
支撐劑涂層的結(jié)構(gòu)包括三部分，首先為功能性填料，這是示蹤量子代碼賦存的基質(zhì)，遇油或水膨脹，產(chǎn)生量子點擴散通道，使示蹤量子微粒由聚合物內(nèi)部運移至其表面；其次為不可溶聚合物網(wǎng)絡(luò)，為保護性骨架，用于維持涂層強度，避免破壞或改變聚合物顆粒的幾何尺寸；量子示蹤代碼保存在基質(zhì)中，為油、水不同相態(tài)的高精度指示標(biāo)志。 隨著壓裂施工，將量子監(jiān)測支撐劑部署到井下地層中。針對不同的壓裂層段和油、水不同相態(tài)，分別泵入不同代碼的量子監(jiān)測粒加以區(qū)分。在地層中不同類型量子監(jiān)測支撐劑遇水或油，其表面涂層會發(fā)生膨脹，產(chǎn)生釋放通道，量子監(jiān)測粒會從中運移出來，吸附在支撐劑表面。隨著流體或氣體的流動，吸附在支撐劑表面的量子監(jiān)測粒會隨著液相或氣相進入井筒，之后涂層內(nèi)的量子監(jiān)測粒會持續(xù)運移出來，吸附在表面，實現(xiàn)了一個與流速成正比的緩釋過程（圖 4）。由于其為納米級的顆粒，故不具有足夠的能量由一相向另一相轉(zhuǎn)換。故此，每一種相態(tài)的地層流體具有其獨特的示蹤代碼。
圖 4 涂層結(jié)構(gòu)及量子監(jiān)測特征碼釋放機理示意圖
1.4 釋放速度和監(jiān)測周期
實驗室試驗證實了量子監(jiān)測代碼的釋放與流速為正比，成線性關(guān)系（圖 5）。為了證實量子監(jiān)測技術(shù)長期有效性，2019 年 8-9 月開展了為期 24 天的實驗，使用 300 克量子支撐劑放入測試柱中，在 90 度的溫度下，連續(xù)用水沖刷，線速度為 0.2 米/秒，相當(dāng)于通過水力裂縫的體積流量為 1000 方/天。實驗結(jié)果表明，24 天內(nèi)共釋放了 8 千萬個量子微粒，相當(dāng)于 300 克量子支撐劑涂層中總量的 1.6%。據(jù)此類推，支撐劑涂層的總量子微粒可以釋放 1500 天，相當(dāng)于4 年的井下監(jiān)測周期。實際井產(chǎn)量較實驗日產(chǎn)量低的話，監(jiān)測的時間會更長。
圖 5 流速與量子特征碼釋放相關(guān)圖
2 應(yīng)用方式 2.1 總體工作流程
量子監(jiān)測技術(shù)實施過程包括三個部分，首先是根據(jù)實際水平井的段數(shù)和監(jiān)測相態(tài)，在工廠為每段/相合成相應(yīng)代碼的量子特征碼，然后制備親水、親油的量子支撐劑。在現(xiàn)場實施時，需要更新現(xiàn)有的壓裂設(shè)計方案，替代部分常規(guī)支撐劑。原則為每段泵入的量子特征碼不同，但加入量和施工方式一致，即在倒數(shù)第二段加，保證量子監(jiān)測支撐劑保留在近井筒位置，且不被返排出來（圖 6）。在返排及之后的生產(chǎn)過程中，從井口取樣，送至實驗室進行處理，上流式細(xì)胞儀進行分析，計算出每種代碼的百分比，與水平井各段相對應(yīng)，從而得到每段地層的產(chǎn)出比例。
圖 6 量子監(jiān)測技術(shù)總體技術(shù)流程圖
2.2 典型監(jiān)測剖面展示
井口采集的產(chǎn)液，混合了多種代碼的量子示蹤微顆粒，實驗室分析可以將其分離出來。通過統(tǒng)計不同代碼量子示蹤微顆粒的百分比，可得到不同壓裂層段流速百分比（圖 7），然后根據(jù)井口總產(chǎn)量，最終得到水平井各段油、水產(chǎn)量。
圖 7 量子監(jiān)測典型油水剖面
3 結(jié)論
對于國內(nèi)非常規(guī)開發(fā)，在借鑒美國頁巖氣的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，經(jīng)過不同探索與創(chuàng)新，實現(xiàn)了致密油氣、頁巖油氣的單井產(chǎn)量目標(biāo)。在降本方面，通過鉆井提速、工廠化作業(yè)，部分油田實現(xiàn)了噸油經(jīng)濟成本目標(biāo)。為了進一步在降本的基礎(chǔ)上增產(chǎn)，水平井壓后單段產(chǎn)能監(jiān)測顯得越來越重要。產(chǎn)量是非常規(guī)地質(zhì)工程一體化成功與否的唯一目標(biāo)，而水平井各段產(chǎn)量，是儲層質(zhì)量（油藏靜態(tài)要素）和工程質(zhì)量（壓裂施工效果）雙重因素的結(jié)果。從動態(tài)長期的角度監(jiān)測產(chǎn)能變化是評價非常規(guī)油氣藏的必要手段。目前的產(chǎn)量監(jiān)測手段對于水平井來講，存在施工風(fēng)險高、成本大，影響正常生產(chǎn)以及單次、短期的缺陷，僅對壓后短期進行監(jiān)測，會導(dǎo)致對于儲層認(rèn)識和壓裂方案優(yōu)化的誤解。 量子產(chǎn)能監(jiān)測技術(shù)是使用納米級的量子特征碼作為統(tǒng)計手段，以量子監(jiān)測粒（支撐劑涂層）的方式，隨著壓裂施工將量子特征碼部署到地層中。針對水平井不同壓裂段和油、氣、水不同相態(tài)，分別泵入不同代碼的量子監(jiān)測粒。在地層中遇油水，量子特征碼微粒從支撐劑涂層中釋放，吸附在支撐劑表面。隨著流體的流動，吸附在表層的量子特征碼會隨著液相進入井筒。在井口取樣后，實驗室分析可以將其分離出來。通過統(tǒng)計不同代碼量子微粒的百分比，可得到取樣時間段水平井不同段流速百分比，作為各段產(chǎn)能評價的依據(jù)。 該技術(shù)主要優(yōu)點是隨著壓裂將材料帶至地層，無需專門施工作業(yè)，之后僅需在井口取樣，無需關(guān)井，實現(xiàn)了定量、長期水平井各段、油水兩相產(chǎn)能監(jiān)測，可連續(xù)獲得 3 年以上井下生產(chǎn)數(shù)據(jù)。國內(nèi)非常規(guī)頁巖油應(yīng)用取得了很好的效果，在致密油氣藏多級壓裂水平井產(chǎn)能長期動態(tài)監(jiān)測具有很大的應(yīng)用前景，對于非常規(guī)油氣藏地質(zhì)工程一體化效果驗證、儲層再認(rèn)識、壓裂設(shè)計方案優(yōu)化、實現(xiàn)對水平井整個生命周期進行連續(xù)監(jiān)測具有重要應(yīng)用價值。
（資料整理來源：GeoSplit）
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