微量物質(zhì)示蹤劑用量設(shè)計(jì)研究

代向輝， 鄭 舉， 山金城， 張延旭， 李 虎

(中國石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司)

經(jīng)過多年的發(fā)展，微量物質(zhì)示蹤劑已成為油田井間示蹤監(jiān)測技術(shù)的主要產(chǎn)品。常用的微量物質(zhì)示蹤劑包括稀土元素絡(luò)合物以及氟苯甲酸類物質(zhì)[1-2]等，由于具有種類多、測試精度高、用量少、性質(zhì)穩(wěn)定、示蹤性能良好等優(yōu)點(diǎn)，已在國內(nèi)外各大油田得到廣泛使用。在微量物質(zhì)示蹤劑測試過程中，用量設(shè)計(jì)是決定后續(xù)見劑判斷及結(jié)果解釋的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。目前常用的設(shè)計(jì)方法中需要人為設(shè)定保障系數(shù)對(duì)示蹤劑運(yùn)移過程中的干擾因素進(jìn)行消除。在設(shè)計(jì)過程中不確定性較大，若保障系數(shù)賦值較小將導(dǎo)致示蹤劑產(chǎn)出峰值不明顯，難以判斷見劑；若保障系數(shù)賦值過大，會(huì)導(dǎo)致用量過大造成藥劑的浪費(fèi)。本文對(duì)用量設(shè)計(jì)公式中的不確定因素進(jìn)行探討，得到各參數(shù)確定方法，并通過現(xiàn)場應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)對(duì)改進(jìn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

一、均勻稀釋模型公式

均勻稀釋模型公式為微量物質(zhì)示蹤劑常用用量設(shè)計(jì)方法[3]，其表達(dá)式為：

Vp=πR2hφSw

(1)

A=μ·MDL·Vp·10-6

(2)

式中：A—示蹤劑有效物質(zhì)加入量，kg；

μ—保障系數(shù)；

MDL—微量物質(zhì)示蹤劑設(shè)備最低檢測限，μg/L(不同種類示蹤劑具有不同的MDL，通常為0.01～0.5 μg/L)；

Vp—目標(biāo)井組預(yù)期的最大稀釋體積，m3；

R—目標(biāo)井組注采井網(wǎng)的平均井距，m；

h—目標(biāo)層位平均有效厚度，m；

Sw—目標(biāo)井組目前的含水飽和度，小數(shù)。

式(1)、式(2)在計(jì)算過程中，主要考慮在注入水可能波及到的所有體積內(nèi)，示蹤劑即使完全稀釋，也可以達(dá)到設(shè)備最低檢測限的數(shù)倍。因此，理論上利用該公式計(jì)算出的微量物質(zhì)示蹤劑用量是足夠的。

但該公式在實(shí)際運(yùn)用過程中存在以下問題：

(1)預(yù)期最大稀釋體積Vp計(jì)算僅考慮的是單層注入，不適用于多層注入時(shí)體積的計(jì)算。

(2)目前對(duì)于保障系數(shù)μ的選擇主要是綜合考慮稀釋、吸附、檢測等因素[4]，但需依靠經(jīng)驗(yàn)確定，無理論定量依據(jù)，不確定性較大，例如文獻(xiàn)中保障系數(shù)取10～20，文獻(xiàn)中取500～1 500，文獻(xiàn)中要求保障系數(shù)大于10即可，文獻(xiàn)中提出保障系數(shù)取100～1 000。針對(duì)上述問題，本文對(duì)最大稀釋體積Vp及保障系數(shù)μ兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行探討。

二、參數(shù)確定

1.預(yù)期最大稀釋體積Vp

若某個(gè)井組有n個(gè)小層需要注入示蹤劑，需要計(jì)算第i小層的最大稀釋體積，再進(jìn)行加和，預(yù)期最大稀釋體積可由式(3)表示：

(3)

式(3)適用于注水井多層注入或部分層位注入示蹤劑的情況。

2.保障系數(shù)μ

為保證注水井注入示蹤劑能夠在油井中有效檢測，需對(duì)影響示蹤劑產(chǎn)出檢測的多個(gè)因素進(jìn)行分析，主要包括：

(1)井筒內(nèi)稀釋作用。示蹤劑目標(biāo)注入井開展分層注入示蹤劑時(shí)(即不同層位注入不同的示蹤劑)，每種示蹤劑在受益油井產(chǎn)出時(shí)，可能受到其它非該示蹤劑目標(biāo)層位產(chǎn)出水的稀釋。

(2)井網(wǎng)外稀釋作用。示蹤劑目標(biāo)井組的受益油井會(huì)受到周圍注水井或天然能量的影響，示蹤劑的產(chǎn)出受到其它井組注入水或邊底水的稀釋。

(3)地層吸附作用。示蹤劑在地層中發(fā)生吸附，造成示蹤劑損失。

(4)檢測干擾。由于受到地層產(chǎn)出水中無機(jī)鹽、有機(jī)物等影響，需在最低檢測限上增加一個(gè)系數(shù)，以保證有效的檢出。

綜合考慮上述四個(gè)因素，本文首次提出將保障系數(shù)μ分解為井筒內(nèi)稀釋系數(shù)μdi，井網(wǎng)外稀釋系數(shù)μdo，地層吸附系數(shù)μad以及檢測校正系數(shù)μde，由式(4)表示。

μ=μdi·μdo/μad·μde

(4)

2.1 井筒內(nèi)稀釋系數(shù)μdi

該系數(shù)主要消除監(jiān)測油井中非示蹤劑注入目標(biāo)層位產(chǎn)出水對(duì)示蹤劑的稀釋作用，可用注入井的全部的吸水量除以示蹤劑目標(biāo)層位吸水量表示，若無吸水量數(shù)據(jù)可用地層系數(shù)計(jì)算，見式(5)、式(6)：

μdi=Qt/Qn

(5)

μdi=Kht/Khn

(6)

式中：Qt—注水井全部吸水量，m3/d；

Qn—蹤劑目標(biāo)層位吸水量，m3/d；

Kht—注入井地層系數(shù)之和；

K—有效滲透率，mD；

h—地層有效厚度，m；

Khn—蹤劑目標(biāo)層位地層系數(shù)之和。

若示蹤劑籠統(tǒng)注入，井筒內(nèi)稀釋系數(shù)為1。

2.2 井網(wǎng)外稀釋系數(shù)μdo

該系數(shù)主要消除周圍井組注入水或邊底水對(duì)示蹤劑的稀釋作用，可用示蹤劑目標(biāo)井組受益井的產(chǎn)水量之和除以目標(biāo)注入井的注水量表示，見式(7)：

μdo=Qp/Qinj

(7)

式中：Qp—目標(biāo)井組產(chǎn)水量之和，m3/d；

Qinj—目標(biāo)注入井注水量，m3/d；

若μdo計(jì)算結(jié)果小于1，可取1。

2.3 地層吸附系數(shù)μad

通常微量物質(zhì)示蹤劑具有地層穩(wěn)定性好，對(duì)地層巖石吸附小的優(yōu)勢(shì)，該系數(shù)可通過室內(nèi)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)得到。例如常用氟苯甲酸類示蹤劑在地層溫度下靜態(tài)吸附后濃度保留率大于80%[9]，則地層吸附系數(shù)可選擇0.8。

2.4 檢測校正系數(shù)μde

該系數(shù)主要用于消除油田產(chǎn)出水樣中的雜質(zhì)、有機(jī)物、無機(jī)鹽等對(duì)檢測的影響，增加該系數(shù)代表即使所注示蹤劑全部均勻稀釋至預(yù)期最大稀釋體積中，示蹤劑井口產(chǎn)出濃度仍為最低檢測限的μde倍。本節(jié)利用物理模擬方法對(duì)該參數(shù)進(jìn)行研究。

2.4.1 實(shí)驗(yàn)方法

利用圖1中的驅(qū)替裝置，按照表1參數(shù)，實(shí)施方案1，向1#巖心注入5 mL濃度為4.7 μg/L的2,3,4,5-四氟苯甲酸示蹤劑溶液，驅(qū)替速度為0.5 mL/min，再利用蒸餾水驅(qū)替，驅(qū)替速度保持0.5 mL/min，在產(chǎn)出口每隔2 min，取樣記錄樣品體積，并測試示蹤劑產(chǎn)出濃度，直至產(chǎn)出濃度為0，結(jié)束方案1。重復(fù)方案2至方案5。2#巖心采用方案6～10驅(qū)替，驅(qū)替速度與1#巖心相同。

圖1 示蹤劑驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置

1平流泵 2六通閥 3中間容器 4精密壓力表 5六通閥 6 1#巖心 7 2#巖心 8量筒 9量筒

2.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖2及圖3可以看出，不同檢測校正系數(shù)對(duì)示蹤劑的見劑快慢，整個(gè)峰值的持續(xù)時(shí)間影響不大。從圖4中看出，隨著檢測校正系數(shù)的增加，1#巖心與2#巖心的示蹤劑產(chǎn)出曲線峰值濃度與檢測校正系數(shù)的比值有小幅增加，但校正系數(shù)100～200后，該值基本趨于穩(wěn)定。上述現(xiàn)象主要由于隨著校正系數(shù)的增加，示蹤劑用量增加，段塞濃度逐漸增加，巖心對(duì)示蹤劑的動(dòng)態(tài)吸附作用會(huì)逐漸達(dá)到平衡。即校正系數(shù)在100～200后，動(dòng)態(tài)吸附作用對(duì)示蹤劑產(chǎn)出的影響基本穩(wěn)定。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氟苯甲酸系列示蹤劑檢測校正系數(shù)μde取100～200為宜。

表1 示蹤劑驅(qū)替參數(shù)表

圖2 1#巖心示蹤劑產(chǎn)出曲線

圖3 2#巖心示蹤劑產(chǎn)出曲線

圖4 檢測校正系數(shù)與峰值濃度/檢測校正系數(shù)比值關(guān)系圖

三、現(xiàn)場驗(yàn)證

結(jié)合上述討論結(jié)果，微量物質(zhì)示蹤劑用量可用式(8)計(jì)算：

(8)

針對(duì)渤海某油田6個(gè)井組，分別利用原用量設(shè)計(jì)方法以及改進(jìn)后用量設(shè)計(jì)方法進(jìn)行氟苯甲酸示蹤劑用量設(shè)計(jì)，結(jié)果如表2所示。表2中，預(yù)期最大稀釋體積采用式(3)進(jìn)行計(jì)算，不同的示蹤劑根據(jù)檢測精度確定不同的最低檢測限。原方法主要參考文獻(xiàn)，利用式(2)計(jì)算，其中保障系數(shù)選擇100～1 000，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整以保證用量在100～200 kg之間，因此表2中的原方法用量設(shè)計(jì)結(jié)果具有很大的不確定性。改進(jìn)后方法，分別利用式(4)～式(7)根據(jù)井組情況對(duì)各系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，地層吸附系數(shù)取0.8，檢測校正系數(shù)取100～200(對(duì)于斷層較多的復(fù)雜井網(wǎng)選擇200，常規(guī)井網(wǎng)選擇100)，最終利用式(8)計(jì)算示蹤劑用量，同時(shí)利用最低檢測限以及檢測校正系數(shù)得到設(shè)計(jì)見劑濃度。

上述各井組采用改進(jìn)后示蹤劑用量方案進(jìn)行注入，分析對(duì)比示蹤劑產(chǎn)出曲線發(fā)現(xiàn)改進(jìn)方法設(shè)計(jì)見劑濃度(MDL×μde)與各井組實(shí)際產(chǎn)出濃度平均值相差不大，實(shí)際濃度與改進(jìn)方法設(shè)計(jì)見劑濃度比值在0.4～1.8之間，如圖5所示。說明改進(jìn)后用量設(shè)計(jì)方法在該油田示蹤劑監(jiān)測應(yīng)用中合理、可靠。

另外，新改進(jìn)方法設(shè)計(jì)用量并非如原經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法所考慮的100～200 kg之間，部分井用量低于100 kg，部分高于200 kg，說明原方法有用量設(shè)計(jì)過多或不夠的現(xiàn)象。

表2 渤海某油田部分井組示蹤劑用量設(shè)計(jì)

圖5 不同井組實(shí)際濃度與設(shè)計(jì)產(chǎn)出濃度對(duì)比

四、結(jié)論及建議

(1)對(duì)目前常用的微量物質(zhì)示蹤劑用量設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足多層注入需求的同時(shí)，確定了保障系數(shù)計(jì)算方法，消除了設(shè)計(jì)中的不確定性。

(2)經(jīng)渤海某油田現(xiàn)場應(yīng)用效果數(shù)理統(tǒng)計(jì)，改進(jìn)后設(shè)計(jì)方法合理可靠。

(3)在實(shí)際推廣過程中，可結(jié)合實(shí)際油田情況及示蹤劑性質(zhì)開展室內(nèi)研究，對(duì)地層吸附系數(shù)及檢測校正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

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