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核能民用新方向!我科學家獨創“神秘大招”,解決了石油開采中的一大難題

在石油、天然氣開采中,水平井作為油田的重要開采技術已經應用到了大多數類型的油氣藏、特別是海上油田的開發中。相比于直井,水平井的優勢在于其水平段長,單井產量一般是直井的2倍至3倍。

然而,一旦水平井出現高含水則“優勢變劣勢”,由于其井況更復雜,常規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異常困難。


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

開采“金鑰匙”也有難題

水平井被譽為提高單井產量的“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量。但隨著開采的深入,水平產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,更容易出現底水脊進和裂縫突進。”核物理與化學研究所水平油井同位素標記找水研究團隊技術負責人黃文說,水平井的出水問題目前已成為困擾其生產的主要因素之一。

“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,有國外企業專門研制的爬行機器人,作為當今行業內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,容易出現井下卡阻,作業風險極高。

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

同位素標記的“新應用”

同位素是具有相同原子序數的同一化學元素的兩種或多種原子之一。由于絕大多數同位素具有放射性,科學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,藥物和代謝物質等)代替相應的非標記化合物。

利用放射性同位素不斷地放出特征射線的核物理性質,就可以用核探測器隨時追蹤它的位置、數量及其轉變等。此前同位素標記已在醫學、生命科學、能量代謝、農業科研、環境科學、分析測試等領域有所應用。

但具體如何運用到水平井找水中?

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

隨后在油田現場,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的油水流動而溶解釋放。這時,通過抽取油水混合液流經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的標記同位素種類及信號強度。

“隨后,我們利用自主研發的‘產層解釋軟件’,通過分析獲取的測試數據,反演出主要出水層位。”李潤東說,這項歷時7年研發的技術,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計”、“井上標記物含量信號探測和出水層位反演算法”3個關鍵技術。

放射性問題微乎其微

目前,通過研究團隊與石油開采企業合作,水平井油管傳輸同位素標記找水技術已在某油田現場實現兩井次測試,井號分別為西H2和孔1033H2,相較于傳統找水方式,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將整個井下裝置,設計為一段外徑小于90毫米的油管短節,它與油管連接并隨之下達井內指定位置,不僅解決了找水可達性難題,還實現了真正意義邊生產、邊測試,確保了測試數據的準確可靠。

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,這樣可使井下部分和井上部分完全處于隔離的狀態,基于油管一次傳輸到位,不需要測量過程中反復移動。

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,遠小于國家規定的職業照射劑量限值——連續5年內,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,按國家法規規定為豁免級別。“在使用現場,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,地層產液中標記物形成的放射性基本處于環境本底水平。

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,對環境影響基本可以忽略。”目前,該技術已經取得國內發明專利5項,同時在美國和加拿大也獲得了相應專利。



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