CO2驅(qū)吸氣剖面監(jiān)測技術(shù)研究與應用

董凌辰

（中國石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽457001）

前 言

CO2工藝作為一種提高石油采收率的有效方法，注入油層不僅能有效改變地層的滲透性，解除部分油層污染，而且CO2溶于原油能改變原油的性質(zhì)。CO2驅(qū)不受高溫高鹽影響，適宜儲量規(guī)模大。CO2驅(qū)不僅適用于水驅(qū)完全枯竭的砂巖油藏，也適用于水驅(qū)效果差的低滲透油藏。

由于注入介質(zhì)的特殊性，CO2驅(qū)吸氣剖面監(jiān)測面臨兩大難題:①儀器響應特征及監(jiān)測技術(shù)優(yōu)選。由于注入介質(zhì)元素的改變、井筒內(nèi)CO2流體物性參數(shù)不斷變化，常用的流量測試方法能否響應，需要逐一研究分析、現(xiàn)場驗證做出優(yōu)選；②流量定量解釋。由于介質(zhì)的改變，不同相態(tài)下，流量信號不符合水驅(qū)規(guī)律，定量解釋難度很大。體積不斷變化，在100m之內(nèi)測量井段范圍內(nèi)，采用百分比折算體積流量進行解釋，誤差較大，能夠初步滿足現(xiàn)場需要。對于存在漏失的井、生產(chǎn)層段跨度較大，體積流量變化很大且沒有固定比例，必須研究質(zhì)量流量定量解釋方法，才能滿足監(jiān)測需要。

中原油田通過吸氣剖面監(jiān)測技術(shù)研究，對井筒內(nèi)CO2介質(zhì)物性參數(shù)變化規(guī)律研究，開發(fā)了密度計算軟件，掌握了井筒內(nèi)不同位置CO2流體密度；研究了一套CO2注入井吸氣剖面監(jiān)測及漏竄評價技術(shù)，滿足了不同注入管柱的監(jiān)測；構(gòu)建了體積流量、質(zhì)量流量兩種吸氣剖面解釋方法，為準確評價小層吸氣量提供了技術(shù)保障。

1 CO2驅(qū)吸氣剖面監(jiān)測技術(shù)優(yōu)選

由于CO2介質(zhì)的特殊性，室內(nèi)流量測試需要在一定溫度壓力下進行研究試驗，設(shè)備條件有很大的局限性，很難模擬現(xiàn)場。因此借鑒吸水剖面監(jiān)測技術(shù)，分析常用測井技術(shù)的可行性，優(yōu)選4種進入現(xiàn)場試驗。

1.1 CO2驅(qū)注入工藝

同位素吸水剖面在注水井中得到了很好的應用，并且經(jīng)濟性比較高。同位素與CO2能否均勻融合，這是一個關(guān)鍵性問題。

1.2 超聲波流量測試技術(shù)

CO2地面計量儀表，多數(shù)采用超聲量計，但用于井下復雜條件下，測井儀器能否有所反應，有用信號能否分離、解析有待試驗。

1.3 蝸輪流量計測試技術(shù)

蝸輪流量計在籠統(tǒng)注水井及產(chǎn)出剖面中得到了很好的應用，但CO2介質(zhì)粘度小，井筒內(nèi)流動狀態(tài)復雜，同種流量在不同流量速下的反應強度如何，啟動排量能否滿足要求有待試驗。

1.4 氧活化測井技術(shù)

氧活化測井技術(shù)在水驅(qū)井監(jiān)測中取得了良好的應用效果，廣泛應用于油水井找漏、找竄、小層吸水量監(jiān)測以及產(chǎn)出井小層產(chǎn)液量分析。氧活化測井是利用快中子對周圍介質(zhì)中氧元素的活化反應來實現(xiàn)的。中子發(fā)生器發(fā)射14MeV的快中子，輻射井眼周圍和地層中的物質(zhì)，其中的16O活化后轉(zhuǎn)化成16N，放射性氮同位素發(fā)生β衰變，半衰期是7.13S，通過測量氧活化后發(fā)射的特征伽馬射線可以探測到氧的存在。在測試中，中子按一定的規(guī)律發(fā)射，使周圍流體中的氧元素被活化，活化流體依次到達各探測器，在各探測器的時間譜上出現(xiàn)一個譜峰。儀器源距L已定，根據(jù)時間譜峰位置可知流體到達各探測器的時間T，則活化流體的流動速度V＝L／T；由于井內(nèi)套管和油管直徑D已知，即可算出流體流經(jīng)的截面積S，則體積流量Q＝VS。

基于氧活化測井原理，井內(nèi)流體能否含有氧原子是監(jiān)測能否實現(xiàn)的首要因素。因此CO2分子中有氧原子存在是實施該方法測井的基礎(chǔ)。下面以超臨界狀態(tài)下的CO2為例，計算分析單位質(zhì)量的CO2與單位質(zhì)量的 H2O含有氧原子的個數(shù)比。

式（1）中，ni－每g／m3物質(zhì)中所包括的原子個數(shù)；ρ－該物質(zhì)的密度，g／m3；N－阿佛伽德羅常數(shù)，6.024 86×103；M－該物質(zhì)的克分子量，g／克分子；Ci－每個分子中第i種元素的個數(shù)。

由式（1），

單位質(zhì)量的CO2與單位質(zhì)量的H2O含有氧原子的個數(shù)比是:

從原理及相對量分析，相同流量下監(jiān)測到的CO2譜峰計數(shù)率與H2O相比有所偏低，解釋難度增大。

現(xiàn)場試驗測得譜峰與理論分析相吻合，測得的譜峰普遍對稱性差，低流量下峰形更加發(fā)散，需要針對CO2譜峰特征，建立解釋模型（圖1，表1）。

圖1 CO2流動時間譜

表1 不同測試技術(shù)現(xiàn)場試驗情況表

通過不同測井技術(shù)的現(xiàn)場測試實驗得出，CO2流體對活化能譜和渦輪流量兩種測試技術(shù)有響應。其中渦輪流量用于喇叭口距層上20m籠統(tǒng)注入井測試，氧活化能譜測井可用于籠統(tǒng)注入、分層注入小層流量監(jiān)測。因此重點研究CO2驅(qū)井氧活化吸氣剖面監(jiān)測技術(shù)。

2 氧活化吸氣剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 確定臨界點，劃分相態(tài)

測全井段測四參數(shù)即溫度、壓力、伽馬、磁定位，研究溫度、壓力變化規(guī)律及確定井筒內(nèi)CO2流體的相態(tài)（表2，3）。

表2 H1井筒內(nèi)CO2相態(tài)表

表3 H2井內(nèi)CO2相態(tài)表

井筒內(nèi)CO2臨界點的出現(xiàn)與注入壓力及注入量相關(guān)。目前，該油藏CO2注入井，注入壓力在3～15MPa之間，注入量在30～150t／d之間。通過現(xiàn)場試驗表明:臨界點出現(xiàn)深度在600～1 300m之間。而CO2驅(qū)井的生產(chǎn)層段在2 000m以上，由此可見:生產(chǎn)層段CO2流體均處于超臨界狀態(tài)；生產(chǎn)層段溫度梯度2.5℃ 左右、壓力梯度0.8MPa左右。

2.2 確定總體積流量

氧活化測井體積流量的監(jiān)測，依賴于流動時間譜，CO2時間譜的譜峰普遍對稱性差，低流量下峰形更加發(fā)散，要得到準確的流量，必須對譜進行預處理，求準渡越時間，建立適合CO2體積流量解釋模型。

時間譜預處理常用的方法有滑動平均法、防脈沖法 、EMD法、WT法 、EMD＋滑動平均法 、EMD＋防脈沖法＋滑動平均法6種，各種方法都各有優(yōu)缺點（表4），針對CO2間譜進行了優(yōu)選（圖2），可以直觀得出結(jié)論:一次小波變換濾波或者EMD＋防脈沖＋3次滑動平均的效果優(yōu)越，所以可以選擇上述兩種方法之一作為預處理方法。

表4 預處理方法比較表

圖2 時間譜預處理不同方法處理圖

2.3 渡越時間求解

1）時間譜峰的標準化選取方法。綜合所有實測CO2時間譜，對于肉眼能夠識別地具有譜峰的時間譜，明顯地有對應的背景段。鑒于背景段與譜峰段存在計數(shù)率的差異，可采取人工選取背景段的時間譜峰選取方法。記背景段計數(shù)率均值為μ，背景段計數(shù)率均方差為σ，選取閾值η＝μ＋2σ；以計數(shù)率大于閾值，且連續(xù)分布的譜點為譜峰段。然后通過選擇底部起止點的方式在光滑后的時間譜中選擇一段完整的譜峰段，同時明確起止點中的至少一個點的橫坐標。

2）確定參與渡越時間解釋模型計算的譜峰段A、B、C、D、E。根據(jù)步驟1確定的時間譜峰確定參與渡越時間計算的譜峰段A、B、C，其中，譜峰段A對應完整的譜峰，譜峰段B、C、D、E的起止點連線對應于譜峰段A的幅高的0.2、0.4、0.6、0.8倍（圖3）。

圖3 渡越時間譜峰取方法示意圖

針對原始時間譜，進行一次5點濾波。記譜峰段A的起始時刻ta對應的時間譜道數(shù)為 TA，1，終止時刻t＇a對應的時間譜道數(shù)為TA，2。類似記譜峰段B對應的起始道數(shù)為 TB，1，終止道數(shù)為TB，2，記譜峰段 C對應的起始道數(shù)為TC，1，終止道數(shù)為 TC，2，記譜峰段 D對應的起始道數(shù)為TD，1，終止道數(shù)為TD，2，記譜峰段 E對應的起始道數(shù)為TE，1，終止道數(shù)為 TE，2，則渡越時間的計算模型為:

其中，yi表示濾波后第i道計數(shù)率，yj，yk含義類似；ti表示第i道對應時刻，tj，tk含義類似；th表示中子的持續(xù)爆發(fā)時間。

3）體積流量解釋模型

其中:Pc－管子常數(shù)，L－源距，tm－渡越時間，M－校正系數(shù)。

4）流量數(shù)據(jù)分析。100m點測總流量，分析與地面計量的一致性；生產(chǎn)層段上界點測總流量，分析總流量變化幅度（表5）。①井深100m所測流量與站上計量基本相符，誤差在2% 以內(nèi)；②井深2 200m（生產(chǎn)層段），流體處于穩(wěn)定的超臨界狀態(tài)，體積流量增加32%左右（圖4）。

表5 井筒內(nèi)CO2流量變化表

圖4 H3井筒內(nèi)溫度、流量變化圖

在臨界點以上，所測的體積流量略有增加，由臨界點進入超臨界狀態(tài)后，體積流量隨深度增加，變化幅度較大，井溫達到60℃ 后（井深2 000m左右），體積流量變化趨勢較平緩。

2.4 質(zhì)量流量解釋

1）解釋模型:Qm＝p×Qv

其中:Qm－表示質(zhì)量流量，Qv－表示體積流量。

2）關(guān)鍵參數(shù)密度p的求解:密度是獲取具有可對比性解釋流量的關(guān)鍵物性參數(shù)。為了獲取測點處CO2流體的局部密度，有3種可能的途徑方法:一是由壓力差計算平均密度；二是根據(jù)測量的溫度壓力，結(jié)合已有的CO2溫度－壓力－密度圖版，確定相應溫度、壓力下的密度；三是利用氣體狀態(tài)方程，對已有的氣體狀態(tài)方程進行優(yōu)選，計算相應于一定溫度、壓力的密度。

針對3種確定密度的方法分別加以分析，明確其適用范圍及相互間的關(guān)系，進而優(yōu)選出合適的解釋方法。方法一的適用條件是停注的靜止狀態(tài)或者測量過程中，CO2流體流動處于穩(wěn)定狀態(tài)。此方法快速、直觀，但解釋精度不能滿足高精度解釋的需要。而且一般針對注氣狀態(tài)進行測量，且測量過程中井口壓力存在較大幅度波動，導致方法一不適用。方法二，存在兩個問題:一是已知圖版的精確度無從衡量，二是已有圖版覆蓋的溫度、壓力范圍一般有限，不能完全滿足解釋需要。所以方法二不能完全滿足需要，須采用基于氣體狀態(tài)方程計算局部密度。

3 吸氣剖面測井技術(shù)應用效果分析

通過14井次吸氣剖面現(xiàn)場試驗表明:監(jiān)測工藝基本滿足現(xiàn)場需要，資料評價方法實現(xiàn)小層吸氣量解釋。達到的指標:流量測試范圍:0～300t／d，井口注入壓力:30 MPa，井口最低溫度 －15.3℃，井筒內(nèi)最高溫度135.9℃。

H1井于2013年10月在注水階段進行了吸水剖面監(jiān)測；2013年11月在注入管柱不變情況下，注入CO2階段進行測試，發(fā)現(xiàn)油管714～1 023m之間滲露，套管1 886.6～1 892m漏失，2014年6月更換管柱，2014年8月監(jiān)測CO2吸氣剖面（表6）。

表6 H1對應油水井動態(tài)數(shù)據(jù)分析

從上表看出:更換管柱后，CO2注入量比前期低，日產(chǎn)油量增加0.8t；出氣量增加1 224m3。說明:由于油管漏失、淺層套管漏失，部分CO2由井口及套漏點流失，沒有起到驅(qū)替效果。充分證明了氧活化測井技術(shù)不僅實現(xiàn)了吸氣剖面監(jiān)測，而且還可準確地識別管柱漏失。

4 結(jié)論與認識

1）氧活化吸氣剖面測井適用于各種不同的注入管柱，既可用于籠統(tǒng)注入又可用于分注管柱，滿足不同CO2注入管柱的監(jiān)測。

2）通過時間譜處理方法研究，求出了準確的渡越時間，提高了體積流量計算的準確性。

3）質(zhì)量流量吸氣剖面解釋方法，實現(xiàn)了定量解釋，為準確評價小層吸氣量提供了技術(shù)保障解釋。

［1］余小愛.超臨界流體技術(shù)的原理及其他應用［EB／OL］.http:／／www.docin.com／p－496630655.html，2012－10－12.