CO2驱吸气剖面监测技术研究与应用

2015-12-23董凌辰

江汉石油职工大学学报 2015年6期

董凌辰

（中国石化中原油田分公司石油工程技术研究院，河南濮阳457001）

前言

CO2工艺作为一种提高石油采收率的有效方法，注入油层不仅能有效改变地层的渗透性，解除部分油层污染，而且CO2溶于原油能改变原油的性质。CO2驱不受高温高盐影响，适宜储量规模大。CO2驱不仅适用于水驱完全枯竭的砂岩油藏，也适用于水驱效果差的低渗透油藏。

由于注入介质的特殊性，CO2驱吸气剖面监测面临两大难题:①仪器响应特征及监测技术优选。由于注入介质元素的改变、井筒内CO2流体物性参数不断变化，常用的流量测试方法能否响应，需要逐一研究分析、现场验证做出优选；②流量定量解释。由于介质的改变，不同相态下，流量信号不符合水驱规律，定量解释难度很大。体积不断变化，在100m之内测量井段范围内，采用百分比折算体积流量进行解释，误差较大，能够初步满足现场需要。对于存在漏失的井、生产层段跨度较大，体积流量变化很大且没有固定比例，必须研究质量流量定量解释方法，才能满足监测需要。

中原油田通过吸气剖面监测技术研究，对井筒内CO2介质物性参数变化规律研究，开发了密度计算软件，掌握了井筒内不同位置CO2流体密度；研究了一套CO2注入井吸气剖面监测及漏窜评价技术，满足了不同注入管柱的监测；构建了体积流量、质量流量两种吸气剖面解释方法，为准确评价小层吸气量提供了技术保障。

1 CO2驱吸气剖面监测技术优选

由于CO2介质的特殊性，室内流量测试需要在一定温度压力下进行研究试验，设备条件有很大的局限性，很难模拟现场。因此借鉴吸水剖面监测技术，分析常用测井技术的可行性，优选4种进入现场试验。

1.1 CO2驱注入工艺

同位素吸水剖面在注水井中得到了很好的应用，并且经济性比较高。同位素与CO2能否均匀融合，这是一个关键性问题。

1.2 超声波流量测试技术

CO2地面计量仪表，多数采用超声量计，但用于井下复杂条件下，测井仪器能否有所反应，有用信号能否分离、解析有待试验。

1.3 蜗轮流量计测试技术

蜗轮流量计在笼统注水井及产出剖面中得到了很好的应用，但CO2介质粘度小，井筒内流动状态复杂，同种流量在不同流量速下的反应强度如何，启动排量能否满足要求有待试验。

1.4 氧活化测井技术

氧活化测井技术在水驱井监测中取得了良好的应用效果，广泛应用于油水井找漏、找窜、小层吸水量监测以及产出井小层产液量分析。氧活化测井是利用快中子对周围介质中氧元素的活化反应来实现的。中子发生器发射14MeV的快中子，辐射井眼周围和地层中的物质，其中的16O活化后转化成16N，放射性氮同位素发生β衰变，半衰期是7.13S，通过测量氧活化后发射的特征伽马射线可以探测到氧的存在。在测试中，中子按一定的规律发射，使周围流体中的氧元素被活化，活化流体依次到达各探测器，在各探测器的时间谱上出现一个谱峰。仪器源距L已定，根据时间谱峰位置可知流体到达各探测器的时间T，则活化流体的流动速度V＝L／T；由于井内套管和油管直径D已知，即可算出流体流经的截面积S，则体积流量Q＝VS。

基于氧活化测井原理，井内流体能否含有氧原子是监测能否实现的首要因素。因此CO2分子中有氧原子存在是实施该方法测井的基础。下面以超临界状态下的CO2为例，计算分析单位质量的CO2与单位质量的 H2O含有氧原子的个数比。

式（1）中，ni－每g／m3物质中所包括的原子个数；ρ－该物质的密度，g／m3；N－阿佛伽德罗常数，6.024 86×103；M－该物质的克分子量，g／克分子；Ci－每个分子中第i种元素的个数。

由式（1），

单位质量的CO2与单位质量的H2O含有氧原子的个数比是:

从原理及相对量分析，相同流量下监测到的CO2谱峰计数率与H2O相比有所偏低，解释难度增大。

现场试验测得谱峰与理论分析相吻合，测得的谱峰普遍对称性差，低流量下峰形更加发散，需要针对CO2谱峰特征，建立解释模型（图1，表1）。

图1 CO2流动时间谱

表1 不同测试技术现场试验情况表

通过不同测井技术的现场测试实验得出，CO2流体对活化能谱和涡轮流量两种测试技术有响应。其中涡轮流量用于喇叭口距层上20m笼统注入井测试，氧活化能谱测井可用于笼统注入、分层注入小层流量监测。因此重点研究CO2驱井氧活化吸气剖面监测技术。

2 氧活化吸气剖面监测数据分析

2.1 确定临界点，划分相态

测全井段测四参数即温度、压力、伽马、磁定位，研究温度、压力变化规律及确定井筒内CO2流体的相态（表2，3）。

表2 H1井筒内CO2相态表

表3 H2井内CO2相态表

井筒内CO2临界点的出现与注入压力及注入量相关。目前，该油藏CO2注入井，注入压力在3～15MPa之间，注入量在30～150t／d之间。通过现场试验表明:临界点出现深度在600～1 300m之间。而CO2驱井的生产层段在2 000m以上，由此可见:生产层段CO2流体均处于超临界状态；生产层段温度梯度2.5℃ 左右、压力梯度0.8MPa左右。

2.2 确定总体积流量

氧活化测井体积流量的监测，依赖于流动时间谱，CO2时间谱的谱峰普遍对称性差，低流量下峰形更加发散，要得到准确的流量，必须对谱进行预处理，求准渡越时间，建立适合CO2体积流量解释模型。

时间谱预处理常用的方法有滑动平均法、防脉冲法、EMD法、WT法、EMD＋滑动平均法、EMD＋防脉冲法＋滑动平均法6种，各种方法都各有优缺点（表4），针对CO2间谱进行了优选（图2），可以直观得出结论:一次小波变换滤波或者EMD＋防脉冲＋3次滑动平均的效果优越，所以可以选择上述两种方法之一作为预处理方法。

表4 预处理方法比较表

图2 时间谱预处理不同方法处理图

2.3 渡越时间求解

1）时间谱峰的标准化选取方法。综合所有实测CO2时间谱，对于肉眼能够识别地具有谱峰的时间谱，明显地有对应的背景段。鉴于背景段与谱峰段存在计数率的差异，可采取人工选取背景段的时间谱峰选取方法。记背景段计数率均值为μ，背景段计数率均方差为σ，选取阈值η＝μ＋2σ；以计数率大于阈值，且连续分布的谱点为谱峰段。然后通过选择底部起止点的方式在光滑后的时间谱中选择一段完整的谱峰段，同时明确起止点中的至少一个点的横坐标。

2）确定参与渡越时间解释模型计算的谱峰段A、B、C、D、E。根据步骤1确定的时间谱峰确定参与渡越时间计算的谱峰段A、B、C，其中，谱峰段A对应完整的谱峰，谱峰段B、C、D、E的起止点连线对应于谱峰段A的幅高的0.2、0.4、0.6、0.8倍（图3）。

图3 渡越时间谱峰取方法示意图

针对原始时间谱，进行一次5点滤波。记谱峰段A的起始时刻ta对应的时间谱道数为 TA，1，终止时刻t＇a对应的时间谱道数为TA，2。类似记谱峰段B对应的起始道数为 TB，1，终止道数为TB，2，记谱峰段 C对应的起始道数为TC，1，终止道数为 TC，2，记谱峰段 D对应的起始道数为TD，1，终止道数为TD，2，记谱峰段 E对应的起始道数为TE，1，终止道数为 TE，2，则渡越时间的计算模型为:

其中，yi表示滤波后第i道计数率，yj，yk含义类似；ti表示第i道对应时刻，tj，tk含义类似；th表示中子的持续爆发时间。

3）体积流量解释模型

其中:Pc－管子常数，L－源距，tm－渡越时间，M－校正系数。

4）流量数据分析。100m点测总流量，分析与地面计量的一致性；生产层段上界点测总流量，分析总流量变化幅度（表5）。①井深100m所测流量与站上计量基本相符，误差在2% 以内；②井深2 200m（生产层段），流体处于稳定的超临界状态，体积流量增加32%左右（图4）。

表5 井筒内CO2流量变化表

图4 H3井筒内温度、流量变化图

在临界点以上，所测的体积流量略有增加，由临界点进入超临界状态后，体积流量随深度增加，变化幅度较大，井温达到60℃ 后（井深2 000m左右），体积流量变化趋势较平缓。

2.4 质量流量解释

1）解释模型:Qm＝p×Qv

其中:Qm－表示质量流量，Qv－表示体积流量。

2）关键参数密度p的求解:密度是获取具有可对比性解释流量的关键物性参数。为了获取测点处CO2流体的局部密度，有3种可能的途径方法:一是由压力差计算平均密度；二是根据测量的温度压力，结合已有的CO2温度－压力－密度图版，确定相应温度、压力下的密度；三是利用气体状态方程，对已有的气体状态方程进行优选，计算相应于一定温度、压力的密度。

针对3种确定密度的方法分别加以分析，明确其适用范围及相互间的关系，进而优选出合适的解释方法。方法一的适用条件是停注的静止状态或者测量过程中，CO2流体流动处于稳定状态。此方法快速、直观，但解释精度不能满足高精度解释的需要。而且一般针对注气状态进行测量，且测量过程中井口压力存在较大幅度波动，导致方法一不适用。方法二，存在两个问题:一是已知图版的精确度无从衡量，二是已有图版覆盖的温度、压力范围一般有限，不能完全满足解释需要。所以方法二不能完全满足需要，须采用基于气体状态方程计算局部密度。