存儲式多參數(shù)測試技術(shù)在注CO2井中的應(yīng)用

劉 欣，尤立忠，程子陽，張進平，石建喜，劉 鵬，趙躍華，鄧 兵

(中國石油大港油田分公司測試公司 天津 300280)

0 引 言

CO2溶于原油易與原油形成混相，在一定條件下可以將地層原油驅(qū)入井筒。注CO2工藝作為一種提高石油采收率的有效方法，越來越得到廣泛應(yīng)用。大港油田近年來開發(fā)了注CO2區(qū)塊，并開展了一系列的現(xiàn)場試驗。注CO2井由于注入溫度低(井口達-16 ℃)、壓力高(超過20 MPa)以及注入介質(zhì)的特殊性(在井筒和地層中相態(tài)變化復(fù)雜，呈液態(tài)和超臨界兩種狀態(tài))，且井下流體具有較強腐蝕性，使得常規(guī)測試工藝不能滿足注CO2井的測試需求，目前各油田大都采用脈沖中子氧活化測井技術(shù)和五參數(shù)測井技術(shù)來進行注CO2井的測試[1]。本文針對注CO2井的特點，有針對性地進行測試技術(shù)和施工工藝優(yōu)選，選用鋼絲高壓注脂+存儲多參數(shù)的測試工藝，在確?，F(xiàn)場施工安全的同時，獲取到準(zhǔn)確的測試資料，并在高壓密封、井口防凍、測試工具防腐幾方面進行了工藝改進，開發(fā)相態(tài)分布程序獲取井筒相態(tài)分布圖，為優(yōu)化注CO2井的開發(fā)方案和評價注入效果提供可靠依據(jù)。

1 注CO2井特點

1.1 CO2相態(tài)變化特征

CO2在常溫常壓下是一種無色無味略帶酸味的氣體，當(dāng)溫度壓力發(fā)生變化時，呈現(xiàn)出復(fù)雜的相態(tài)變化特性。圖1為CO2相態(tài)變化圖，壓力7.39 MPa、溫度31.06 ℃為CO2的臨界點，臨界密度為467 kg/m3。當(dāng)壓力、溫度處于臨界點之上時 ,CO2進入超臨界狀態(tài)[2]。超臨界CO2流體既不是氣體，也不是液體，但是兼具氣體和液體的雙重特性：密度是氣體的幾百倍, 接近液體；黏度近于氣體，與液體相比，要小2個數(shù)量級，擴散系數(shù)介于氣體和液體之間，約為氣體的1/100，比液體大幾百倍，因而具有較好的流動性和擴散性。

圖1 CO2相態(tài)變化圖

注CO2井井口注入壓力16～32 MPa，平均壓力為20 MPa以上，正常注入時CO2在井筒內(nèi)呈液態(tài)和超臨界流體2種相態(tài)。

1.2 注CO2井測試作業(yè)風(fēng)險分析

綜合考慮注CO2井高壓、低溫和井筒相態(tài)復(fù)雜的特點，以及CO2本身具有的泄漏危害和腐蝕性，測試過程中存在下列風(fēng)險：1)窒息：CO2泄漏后，井場施工人員存在窒息傷害風(fēng)險?？諝庵械腃O2含量超過10%時，會滯留在人體內(nèi)，導(dǎo)致呼吸性酸中毒和中樞麻醉窒息。2)凍傷：CO2注入溫度約為-16 ℃，徒手觸摸注入管線或井口易造成粘連、凍傷。3)凍堵：測前打開閘門或測后放空時，極易形成水合物，“凍”住鋼絲或儀器串。防噴密封不嚴(yán)，泄漏的CO2從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，易造成防噴盒凍堵。4)腐蝕：一是鐵與二氧化碳和水反應(yīng)生成了碳酸亞鐵和氫氣，從而造成電纜外鎧、鋼絲和井下儀器的腐蝕[3]；二是CO2易侵蝕橡膠密封件，破壞地面防噴裝置和儀器的密封性能。

2 測試工藝和相態(tài)解釋模型

2.1 低溫、高壓、防腐蝕工藝研究

2.1.1 測試工藝選材

結(jié)合CO2的特點，測試施工時選用耐腐蝕材質(zhì)鋼絲或電纜，選用316不銹鋼等相應(yīng)材質(zhì)。由于電纜外鎧一般由15～18根較細(xì)的鋼絲組成，各鋼絲之間有絞結(jié)縫隙，而測試用鋼絲則為單根，表面光滑，使得鎧裝電纜整體與井內(nèi)流體的接觸面積要大于鋼絲，鎧裝電纜腐蝕的概率大于鋼絲。因此，同種材質(zhì)，鋼絲測試工藝在測試過程中的密封可靠性有顯著優(yōu)勢[4]。

2.1.2 密封件比選研究

為了明確在CO2環(huán)境下不同密封件的影響，確保測試過程中的井控和儀器安全，對防噴裝置和儀器的密封件進行了CO2密閉環(huán)境下的高壓腐蝕試驗。試驗環(huán)境溫度為60～80 ℃，壓力為5～10 MPa,時間為7 d。選用V90氟膠和氫化丁腈2種材質(zhì)進行試驗。橡膠件試驗前后對比如圖2所示，圖(a)、圖(b)為試驗前后丁腈和氟膠密封膠塊，試驗前二者形狀相同，試驗后差異較大。圖(a)試驗后丁腈橡膠膠墩出現(xiàn)嚴(yán)重裂痕，圖(b)試驗后氟橡膠膠墩輕微膨脹。圖(c)、圖(d)為試驗前后丁腈和氟膠密封圈，圖(c)試驗后的丁腈密封圈發(fā)生嚴(yán)重膨脹變形，圖(d)試驗后的氟膠密封圈有輕微變形。因此，在注CO2井的測試中，優(yōu)選更耐腐蝕的氟膠密封件來進行密封。

圖2 橡膠件試驗前后對比圖

2.1.3 測試技術(shù)優(yōu)選

對現(xiàn)有的注入剖面測試技術(shù)開展適應(yīng)性評價[5]，評價分析及結(jié)論見表1。

表1 注入剖面測試技術(shù)適應(yīng)性分析表

探索使用存儲式多參數(shù)組合儀來進行注CO2井吸氣和井筒相態(tài)剖面測試。存儲式多參數(shù)組合儀器由存儲短節(jié)、電池筒、石英壓力磁定位儀、自然伽馬、音叉密度儀、在線流量計、溫度持水流量測井儀組成，一次下井，可以同時錄取7個參數(shù)。溫度、壓力曲線和流量曲線相結(jié)合可以判定各層的吸氣情況，通過溫度、壓力、密度和持水可以分析得出井筒內(nèi)的相態(tài)分布剖面情況。

2.1.4 人員傷害防護措施

將施工設(shè)施和人員置于上風(fēng)口，如遇無風(fēng)天氣，需在測試設(shè)備和井口之間靠近井口處設(shè)置鼓風(fēng)機造風(fēng)。同時，現(xiàn)場設(shè)置CO2氣體檢測儀，明確設(shè)置報警值。在井口管匯及防噴裝置上纏繞保溫帶，施工人員帶好勞保手套，做好防凍傷保護。

2.1.5 測前防噴裝置保護液注入和測后快速放空工藝

測試前安裝防噴裝置，與井口連接完畢后，先通過一套注入裝置將防噴裝置內(nèi)注滿保護液(密度小于CO2且不與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，選用柴油或乙二醇)，再開啟測試閘門，將儀器下井進行測試。該工藝的實施，緩沖開井瞬時防噴裝置內(nèi)增加的壓力，同時由于保護液密度小于液態(tài)CO2，測試過程中保護液始終處于防噴裝置腔體內(nèi)，有效隔離了CO2對密封件和防噴本體的影響[6]。

測試完畢后，上起儀器，確認(rèn)儀器進入防噴管內(nèi)后，關(guān)閉測試閘門2/3，停止注入CO2，接著關(guān)閉總閘門、生產(chǎn)閘門，在相關(guān)方配合下執(zhí)行流程放空閘門，放壓時使用延長管線，使出氣口在下風(fēng)處并遠離人員，確保施工人員的人身安全。

2.1.6 高壓注脂工藝

測試全程采用高壓注脂工藝，通過注脂阻流管處注脂管線注入高粘度密封脂，填充鋼絲和阻流管間隙，有效防止防噴管內(nèi)流體進入阻流管，達到密閉施工效果。開閘門前將注脂壓力設(shè)置為高于井口油壓5 MPa以上，使之形成循環(huán)注脂，實現(xiàn)全程高壓密封[7]。

2.2 建立井筒相態(tài)模型

根據(jù)傳熱學(xué)知識和流體力學(xué)原理，建立了注CO2井井筒溫度和壓力數(shù)理模型，利用差分方程，編制迭代程序，獲得注CO2井井筒相態(tài)模型[8]。

1)井筒溫度模型

由能量守恒原理可知，井筒微元段內(nèi)的徑向熱流量等于單位時間內(nèi)單位質(zhì)量 CO2流體吸收的熱量,等于周圍地層到水泥環(huán)外緣傳遞的徑向熱流量，即：

(1)

求解式(1)可得：

(2)

式中：Ф為熱流量，kJ·h-1；W為CO2流體注入速度,kg/s；C為CO2的比熱容,J/(kg·K)；T為井筒該點處的溫度,K;rw為油管外徑, m;U為微元段井筒總傳熱系數(shù),W/(m2· K);Th為水泥環(huán)與地層交界面處溫度,K;kr為地層的熱傳導(dǎo)率，W/(m·K) ;a為地溫梯度,K/m;z為垂向距離,m;b為地面平均溫度,K;t為注 CO2時間,s;rk為水泥環(huán)半徑, m；A為系數(shù)，無因次；z為垂向距離,m。

其中：

(3)

式(3)中A為式(2)中的系數(shù)，可以通過其他參數(shù)計算得出。

求解式(2)微分方程，得：

(4)

式中：T0為井口處CO2流體的注入溫度,K。

2)井筒壓力模型

根據(jù)氣井流壓力的實用微分方程[9]，算出注CO2井井筒微元段內(nèi)的壓力梯度公式為：

(5)

式中：P為井筒該點處的壓力,Pa；ρ為CO2流體的密度,kg/m3；g為重力加速度，m/s2;θ為井筒軸線與水平方向的夾角，(°);V為CO2流體在井筒內(nèi)的流速,m/s; λ為CO2流體摩阻系數(shù),無因次;rn為油管內(nèi)徑, m。

計算公式(5)可以獲得各深度點的壓力值，繪制井筒壓力分布曲線[10]。

由以上公式可以計算出各深度點的溫度、壓力參數(shù)，編制計算程序，按照上述算法進行迭代計算，可得到完整的井筒溫度、壓力曲線，結(jié)合圖1的CO2相態(tài)變化圖，從而獲得井筒相態(tài)分布圖。

3 現(xiàn)場測試技術(shù)應(yīng)用

2019年10月～11月，應(yīng)用鋼絲存儲測試工藝完成了葉XX井注入期間吸氣剖面和井筒相態(tài)剖面測試和停注燜井期間井筒相態(tài)剖面測試。

3.1 測試井概況

測試井葉XX井完井日期為2012年07月07日，完鉆井深4 051 m，最大井斜為2 958.06 m/27.15°，管柱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 葉XX井管柱示意圖

測試目的：獲取溫度、壓力、密度數(shù)據(jù)，了解各層吸氣情況。

射孔情況：2012年7月射開121#、125#、129#、130#、131#、133#、136#、138#、139#層，2012年8月第1次壓裂，封隔器位于3 785 m；2013年7月射開113#、115#層，隨后第2次壓裂。共射孔11層，49.5 m。

注氣情況：2019年9月開始注CO2，2019年10月27日，日注入量95.58 m3/d，累計注入量960 m3，油壓18.4 MPa，套壓0。

3.2 吸氣剖面測試成果

本井井口注入流體為液態(tài)CO2，注入井內(nèi)以后，在一定深度、溫度、壓力條件下，逐步轉(zhuǎn)換為超臨界CO2。本次測試采用存儲多參數(shù)儀進行測試，可以同時錄取自然伽馬、磁定位、持率、密度、溫度、壓力和流量7個參數(shù),測得多參數(shù)曲線如圖4所示，根據(jù)圖4測試資料分析，本井主要吸氣層段為Ek22層段的121#、125#、131#、133#層，各層相對吸氣量分別占總注入量的15.11%、18.82%、30.30%、17.40%，Ek21層段的113#、115#層以及Ek22層段的138#層少量吸氣。

圖4 葉XX井吸氣剖面成果圖

3.3 兩次井筒相態(tài)剖面測試對比分析

本次測試采取下測的方式進行了連續(xù)溫度、壓力、密度測試，由于重力分異及流體推動，本井內(nèi)流體可以分辨出明顯的相態(tài)分布界面。圖5為正常注入CO2時測試的相態(tài)分布界面圖，其中井口-4 006.6 m、4 006.6～4 008.8 m、4 008.8～4 014.5 m、4 014.5～4 027.1 m、4 027.1～4 033.0 m對應(yīng)的流體性質(zhì)分別為：液態(tài)及超臨界CO2、死油、含油水、水、黏質(zhì)體；圖6為停注時測試的相態(tài)分布界面圖，其中井口-3 846.4 m、3 846.4～3 864.2 m、3 864.2～3 981.3m、3 981.3～4 017.5 m對應(yīng)的流體性質(zhì)分別為：液態(tài)及超臨界CO2、死油、含油水、水。根據(jù)圖5和圖6測試資料分析，兩次測試時射孔層段流體界面位置發(fā)生了較大變化，第二次測試時死油、含油水、水的界面均有一定程度的上移，表明在停注期間，井筒與地層之間發(fā)生了流體交換，部分二氧化碳繼續(xù)進入地層，排替出其中的油和水，通過射孔段進入井筒[11]。

圖5 葉XX井第一次測試相態(tài)分布界面圖

圖6 葉XX井第二次測試相態(tài)分布界面圖

4 結(jié)論及建議

1)注CO2井在進行吸氣剖面測試時，井口使用的防噴裝置、注脂系統(tǒng)及輔助管線等均應(yīng)滿足低溫、高壓測試條件，密封件選用耐腐蝕材質(zhì)，確保井口高壓密封。

2)測前在防噴管內(nèi)加入保護液，防止液體CO2返入防噴管，有效隔離了CO2對密封件和防噴本體的影響。

3)采用存儲多參數(shù)測試技術(shù)，通過高壓密封、井口防凍、測試工具防腐工藝改進，實現(xiàn)了注CO2井的測試，依據(jù)建立的注CO2井井筒溫度和壓力數(shù)理模型進行計算，結(jié)合CO2相態(tài)變化圖，可獲得完整的井筒相態(tài)分布圖，確定井筒內(nèi)各流體的界面位置。

4)在后續(xù)動態(tài)監(jiān)測工作中加大組合測井的力度，嘗試開展電纜+氧活化和集流傘+渦輪的測試方法，運用多種組合手段有效地進行動態(tài)監(jiān)測工作。集流傘可以解決低流量條件下存儲多參數(shù)儀器渦輪轉(zhuǎn)動不暢的問題，求取更加準(zhǔn)確的分層吸氣量。