CO2驅(qū)吸氣剖面監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

董凌辰

（中國(guó)石化中原油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng)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?cè)偷男再|(zhì)。CO2驅(qū)不受高溫高鹽影響，適宜儲(chǔ)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(cè)面臨兩大難題:①儀器響應(yīng)特征及監(jiān)測(cè)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(cè)試方法能否響應(yīng)，需要逐一研究分析、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)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(hào)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(cè)量井段范圍內(nèi)，采用百分比折算體積流量進(jìn)行解釋，誤差較大，能夠初步滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。對(duì)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(méi)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(cè)需要。

中原油田通過(guò)吸氣剖面監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，對(duì)井筒內(nèi)CO2介質(zhì)物性參數(shù)變化規(guī)律研究，開(kāi)發(fā)了密度計(jì)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(cè)及漏竄評(píng)價(jià)技術(shù)，滿足了不同注入管柱的監(jiān)測(cè)；構(gòu)建了體積流量、質(zhì)量流量?jī)煞N吸氣剖面解釋方法，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)小層吸氣量提供了技術(shù)保障。

1 CO2驅(qū)吸氣剖面監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)選

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

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(yīng)用，并且經(jīng)濟(jì)性比較高。同位素與CO2能否均勻融合，這是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

1.2 超聲波流量測(cè)試技術(shù)

CO2地面計(jì)量?jī)x表，多數(shù)采用超聲量計(jì)，但用于井下復(fù)雜條件下，測(cè)井儀器能否有所反應(yīng)，有用信號(hào)能否分離、解析有待試驗(yàn)。

1.3 蝸輪流量計(jì)測(cè)試技術(shù)

蝸輪流量計(jì)在籠統(tǒng)注水井及產(chǎn)出剖面中得到了很好的應(yīng)用，但CO2介質(zhì)粘度小，井筒內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，同種流量在不同流量速下的反應(yīng)強(qiáng)度如何，啟動(dòng)排量能否滿足要求有待試驗(yàn)。

1.4 氧活化測(cè)井技術(shù)

氧活化測(cè)井技術(shù)在水驅(qū)井監(jiān)測(cè)中取得了良好的應(yīng)用效果，廣泛應(yīng)用于油水井找漏、找竄、小層吸水量監(jiān)測(cè)以及產(chǎn)出井小層產(chǎn)液量分析。氧活化測(cè)井是利用快中子對(duì)周?chē)橘|(zhì)中氧元素的活化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。中子發(fā)生器發(fā)射14MeV的快中子，輻射井眼周?chē)偷貙又械奈镔|(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(guò)測(cè)量氧活化后發(fā)射的特征伽馬射線可以探測(cè)到氧的存在。在測(cè)試中，中子按一定的規(guī)律發(fā)射，使周?chē)黧w中的氧元素被活化，活化流體依次到達(dá)各探測(cè)器，在各探測(cè)器的時(shí)間譜上出現(xiàn)一個(gè)譜峰。儀器源距L已定，根據(jù)時(shí)間譜峰位置可知流體到達(dá)各探測(cè)器的時(shí)間T，則活化流體的流動(dòng)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(cè)井原理，井內(nèi)流體能否含有氧原子是監(jiān)測(cè)能否實(shí)現(xiàn)的首要因素。因此CO2分子中有氧原子存在是實(shí)施該方法測(cè)井的基礎(chǔ)。下面以超臨界狀態(tài)下的CO2為例，計(jì)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(gè)數(shù)比。

式（1）中，ni－每g／m3物質(zhì)中所包括的原子個(gè)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(gè)分子中第i種元素的個(gè)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(gè)數(shù)比是:

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

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

圖1 CO2流動(dòng)時(shí)間譜

表1 不同測(cè)試技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況表

通過(guò)不同測(cè)井技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)得出，CO2流體對(duì)活化能譜和渦輪流量?jī)煞N測(cè)試技術(shù)有響應(yīng)。其中渦輪流量用于喇叭口距層上20m籠統(tǒng)注入井測(cè)試，氧活化能譜測(cè)井可用于籠統(tǒng)注入、分層注入小層流量監(jiān)測(cè)。因此重點(diǎn)研究CO2驅(qū)井氧活化吸氣剖面監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2 氧活化吸氣剖面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 確定臨界點(diǎn)，劃分相態(tài)

測(cè)全井段測(cè)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(diǎn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明:臨界點(diǎn)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(jiàn):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(cè)井體積流量的監(jiān)測(cè)，依賴于流動(dòng)時(shí)間譜，CO2時(shí)間譜的譜峰普遍對(duì)稱性差，低流量下峰形更加發(fā)散，要得到準(zhǔn)確的流量，必須對(duì)譜進(jìn)行預(yù)處理，求準(zhǔn)渡越時(shí)間，建立適合CO2體積流量解釋模型。

時(shí)間譜預(yù)處理常用的方法有滑動(dòng)平均法、防脈沖法 、EMD法、WT法 、EMD＋滑動(dòng)平均法 、EMD＋防脈沖法＋滑動(dòng)平均法6種，各種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)（表4），針對(duì)CO2間譜進(jìn)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(dòng)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(yù)處理方法。

表4 預(yù)處理方法比較表

圖2 時(shí)間譜預(yù)處理不同方法處理圖

2.3 渡越時(shí)間求解

1）時(shí)間譜峰的標(biāo)準(zhǔn)化選取方法。綜合所有實(shí)測(cè)CO2時(shí)間譜，對(duì)于肉眼能夠識(shí)別地具有譜峰的時(shí)間譜，明顯地有對(duì)應(yīng)的背景段。鑒于背景段與譜峰段存在計(jì)數(shù)率的差異，可采取人工選取背景段的時(shí)間譜峰選取方法。記背景段計(jì)數(shù)率均值為μ，背景段計(jì)數(shù)率均方差為σ，選取閾值η＝μ＋2σ；以計(jì)數(shù)率大于閾值，且連續(xù)分布的譜點(diǎn)為譜峰段。然后通過(guò)選擇底部起止點(diǎn)的方式在光滑后的時(shí)間譜中選擇一段完整的譜峰段，同時(shí)明確起止點(diǎn)中的至少一個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)。

2）確定參與渡越時(shí)間解釋模型計(jì)算的譜峰段A、B、C、D、E。根據(jù)步驟1確定的時(shí)間譜峰確定參與渡越時(shí)間計(jì)算的譜峰段A、B、C，其中，譜峰段A對(duì)應(yīng)完整的譜峰，譜峰段B、C、D、E的起止點(diǎn)連線對(duì)應(yīng)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(shí)間譜峰取方法示意圖

針對(duì)原始時(shí)間譜，進(jìn)行一次5點(diǎn)濾波。記譜峰段A的起始時(shí)刻ta對(duì)應(yīng)的時(shí)間譜道數(shù)為 TA，1，終止時(shí)刻t＇a對(duì)應(yīng)的時(shí)間譜道數(shù)為T(mén)A，2。類似記譜峰段B對(duì)應(yīng)的起始道數(shù)為 TB，1，終止道數(shù)為T(mén)B，2，記譜峰段 C對(duì)應(yīng)的起始道數(shù)為T(mén)C，1，終止道數(shù)為 TC，2，記譜峰段 D對(duì)應(yīng)的起始道數(shù)為T(mén)D，1，終止道數(shù)為T(mén)D，2，記譜峰段 E對(duì)應(yīng)的起始道數(shù)為T(mén)E，1，終止道數(shù)為 TE，2，則渡越時(shí)間的計(jì)算模型為:

其中，yi表示濾波后第i道計(jì)數(shù)率，yj，yk含義類似；ti表示第i道對(duì)應(yīng)時(shí)刻，tj，tk含義類似；th表示中子的持續(xù)爆發(fā)時(shí)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(shí)間，M－校正系數(shù)。

4）流量數(shù)據(jù)分析。100m點(diǎn)測(cè)總流量，分析與地面計(jì)量的一致性；生產(chǎn)層段上界點(diǎn)測(cè)總流量，分析總流量變化幅度（表5）。①井深100m所測(cè)流量與站上計(jì)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(diǎn)以上，所測(cè)的體積流量略有增加，由臨界點(diǎn)進(jìn)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(dá)到60℃ 后（井深2 000m左右），體積流量變化趨勢(shì)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(duì)比性解釋流量的關(guān)鍵物性參數(shù)。為了獲取測(cè)點(diǎn)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(jì)算平均密度；二是根據(jù)測(cè)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(yīng)溫度、壓力下的密度；三是利用氣體狀態(tài)方程，對(duì)已有的氣體狀態(tài)方程進(jìn)行優(yōu)選，計(jì)算相應(yīng)于一定溫度、壓力的密度。

針對(duì)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(jìn)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?fàn)顟B(tài)或者測(cè)量過(guò)程中，CO2流體流動(dòng)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(duì)注氣狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，且測(cè)量過(guò)程中井口壓力存在較大幅度波動(dòng)，導(dǎo)致方法一不適用。方法二，存在兩個(gè)問(wèn)題:一是已知圖版的精確度無(wú)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(jì)算局部密度。

3 吸氣剖面測(cè)井技術(shù)應(yīng)用效果分析

通過(guò)14井次吸氣剖面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明:監(jiān)測(cè)工藝基本滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，資料評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)小層吸氣量解釋。達(dá)到的指標(biāo):流量測(cè)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(jìn)行了吸水剖面監(jiān)測(cè)；2013年11月在注入管柱不變情況下，注入CO2階段進(jìn)行測(cè)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(cè)CO2吸氣剖面（表6）。

表6 H1對(duì)應(yīng)油水井動(dòng)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(shuō)明:由于油管漏失、淺層套管漏失，部分CO2由井口及套漏點(diǎn)流失，沒(méi)有起到驅(qū)替效果。充分證明了氧活化測(cè)井技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了吸氣剖面監(jiān)測(cè)，而且還可準(zhǔn)確地識(shí)別管柱漏失。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）氧活化吸氣剖面測(cè)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(cè)。

2）通過(guò)時(shí)間譜處理方法研究，求出了準(zhǔn)確的渡越時(shí)間，提高了體積流量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3）質(zhì)量流量吸氣剖面解釋方法，實(shí)現(xiàn)了定量解釋，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)小層吸氣量提供了技術(shù)保障解釋。

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