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水平井多級壓裂是目前非常規油氣藏勘探開發的主流應用技術，為了提高經濟效益，近年來，地質工程一體化綜合研究被廣泛應用于非常規油氣勘探中。在一體化研究中，最終的檢驗目標為產量，目前大多以井口產量作為評價一體化效果的主要依據。對于水平井各段的產量貢獻比一直是一個難題。傳統的生產測井使用電纜或連續油管，可以測量流速，但不能區分氣、水兩相，在水平井段存在卡堵等施工風險。同時，結果僅為測量期間的“瞬時產量”，如果要獲得不同時期的產量數據，需要多次關井作業，影響正常生產。而化學示蹤劑僅能提供定性的數據，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能數據，對于頁巖儲層質量再認識和壓裂設計優化都具有重要的意義。 改變傳統研發思路，根據頁巖油氣的特點，從微觀(納米級)的角度研發新技術，從而實現水平井監測技術的新突破。量子點技術與油氣監測技術的有機結合，產生了一種新型量子點示蹤監測技術，該技術克服了傳統示蹤技術的缺點，提高了監測的精度、簡化了分析的流程，同時將監測周期從幾個月提高到幾年，實現了非常規油氣藏全生命周期的監測需求。
1 技術原理
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體納米結構。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 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體材料施加一定的電場或光壓，吸收光譜后，它們便會發出特定頻率的光，而發出的光的頻率會隨著這種半導體的尺寸的改變而變化。其顯色強度，是普通熒光類物質的 20 倍以上，具有寬吸收光譜和窄的發射光譜，易于識別和分析，從而避免了實驗室分析的失誤。化學組成決定了其比自然熒光粉具有更好穩定性，較傳統的有機染色劑，光漂白效應減弱，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
量子點示蹤監測技術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，內含不同種類和數量的量子點（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記物，總數可高達 63 種，可以滿足目前國內最大水平段數量的監測需求。
圖 2 量子監測支撐劑及其結構
量子點監測代碼為幾百納米的微球，需要特殊載體才能注入地層。不同于化學示蹤劑的液體載體，量子點監測技術以壓裂施工過程中的支撐劑（陶粒或石英砂）為載體，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，聚合物材料分為親水和親油兩種。由于量子點監測代碼為納米級微顆粒，因此在支撐劑涂層內的數量巨大，根據實驗室數據，一公斤支撐劑覆膜中大約包含千億個量子點監測代碼。
支撐劑涂層的厚度非常小，對于支撐劑本身的性能影響很小（圖 3）。在 300 標準大氣壓下，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 量子監測微粒釋放機理
支撐劑涂層的結構包括三部分，首先為功能性填料，這是示蹤量子代碼賦存的基質，遇油或水膨脹，產生量子點擴散通道，使示蹤量子微粒由聚合物內部運移至其表面；其次為不可溶聚合物網絡，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中，為油、水不同相態的高精度指示標志。 隨著壓裂施工，將量子監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，分別泵入不同代碼的量子監測粒加以區分。在地層中不同類型量子監測支撐劑遇水或油，其表面涂層會發生膨脹，產生釋放通道，量子監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測粒會隨著液相或氣相進入井筒，之后涂層內的量子監測粒會持續運移出來，吸附在表面，實現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換。故此，每一種相態的地層流體具有其獨特的示蹤代碼。
圖 4 涂層結構及量子監測特征碼釋放機理示意圖
1.4 釋放速度和監測周期
實驗室試驗證實了量子監測代碼的釋放與流速為正比，成線性關系（圖 5）。為了證實量子監測技術長期有效性，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，連續用水沖刷，線速度為 0.2 米/秒，相當于通過水力裂縫的體積流量為 1000 方/天。實驗結果表明，24 天內共釋放了 8 千萬個量子微粒，相當于 300 克量子支撐劑涂層中總量的 1.6%。據此類推，支撐劑涂層的總量子微粒可以釋放 1500 天，相當于4 年的井下監測周期。實際井產量較實驗日產量低的話，監測的時間會更長。
圖 5 流速與量子特征碼釋放相關圖
2 應用方式 2.1 總體工作流程
量子監測技術實施過程包括三個部分，首先是根據實際水平井的段數和監測相態，在工廠為每段/相合成相應代碼的量子特征碼，然后制備親水、親油的量子支撐劑。在現場實施時，需要更新現有的壓裂設計方案，替代部分常規支撐劑。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，即在倒數第二段加，保證量子監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過程中，從井口取樣，送至實驗室進行處理，上流式細胞儀進行分析，計算出每種代碼的百分比，與水平井各段相對應，從而得到每段地層的產出比例。
圖 6 量子監測技術總體技術流程圖
2.2 典型監測剖面展示
井口采集的產液，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），然后根據井口總產量，最終得到水平井各段油、水產量。
圖 7 量子監測典型油水剖面
3 結論
對于國內非常規開發，在借鑒美國頁巖氣的經驗基礎上，經過不同探索與創新，實現了致密油氣、頁巖油氣的單井產量目標。在降本方面，通過鉆井提速、工廠化作業，部分油田實現了噸油經濟成本目標。為了進一步在降本的基礎上增產，水平井壓后單段產能監測顯得越來越重要。產量是非常規地質工程一體化成功與否的唯一目標，而水平井各段產量，是儲層質量（油藏靜態要素）和工程質量（壓裂施工效果）雙重因素的結果。從動態長期的角度監測產能變化是評價非常規油氣藏的必要手段。目前的產量監測手段對于水平井來講，存在施工風險高、成本大，影響正常生產以及單次、短期的缺陷，僅對壓后短期進行監測，會導致對于儲層認識和壓裂方案優化的誤解。 量子產能監測技術是使用納米級的量子特征碼作為統計手段，以量子監測粒（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，分別泵入不同代碼的量子監測粒。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，作為各段產能評價的依據。 該技術主要優點是隨著壓裂將材料帶至地層，無需專門施工作業，之后僅需在井口取樣，無需關井，實現了定量、長期水平井各段、油水兩相產能監測，可連續獲得 3 年以上井下生產數據。國內非常規頁巖油應用取得了很好的效果，在致密油氣藏多級壓裂水平井產能長期動態監測具有很大的應用前景，對于非常規油氣藏地質工程一體化效果驗證、儲層再認識、壓裂設計方案優化、實現對水平井整個生命周期進行連續監測具有重要應用價值。
（資料整理來源：GeoSplit）
