聶向榮，江紹靜，余華貴.

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

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基于套管氣監(jiān)測數(shù)據(jù)的CO2運(yùn)移特征研究

聶向榮1，江紹靜2，余華貴2.

(1.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075)

喬家洼油田開展了CO2捕集、利用和埋存(CCUS)示范工程，研究注入地層中的CO2運(yùn)移規(guī)律，對評價(jià)示范工程CO2驅(qū)油和埋存效果具有重要意義。示范區(qū)對套管氣中CO2濃度進(jìn)行了監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了CO2前緣突破采油井時(shí)刻的確定方法；將CO2濃度監(jiān)測曲線劃分為4個(gè)典型階段，分別為未突破段、突破段、竄流段和注入調(diào)整段；CO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示北東-南西方向?yàn)镃O2優(yōu)勢運(yùn)移方向，和數(shù)據(jù)模擬研究結(jié)果相同。分析套管氣中CO2濃度能在一定程度上明確CO2在地層中的運(yùn)移特征。

CO2驅(qū)；濃度；套管氣；驅(qū)替前緣；運(yùn)移

CO2捕集、利用與封存技術(shù)(CO2Capture, Utilization and Storage，簡稱“CCUS”)作為一項(xiàng)大規(guī)模減排手段，是目前在化石能源利用中唯一能夠?qū)崿F(xiàn)CO2零排放的有效技術(shù)[1-2]。通過捕集，將能源化工企業(yè)排放的CO2運(yùn)輸至油田用于驅(qū)油，提高原油采收率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)CO2的地質(zhì)封存，是實(shí)現(xiàn)“驅(qū)油”經(jīng)濟(jì)效益與“減排”社會(huì)效益的雙贏技術(shù)[3-4]，特別適合于“源匯”匹配的鄂爾多斯盆地。陜北斜坡地層穩(wěn)定，構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育，CO2封存安全可靠，地層壓力、溫度有利于CO2保持超臨界狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定封存。延長油田開展基于提高原油采收率技術(shù)的CCUS項(xiàng)目的技術(shù)研究[5]，不但有效解決了注水開發(fā)時(shí)面臨的水資源缺乏的問題[6]，而且為西北地區(qū)煤化工企業(yè)的CO2排放問題提供了解決方案[7]。

CO2監(jiān)測在基于提高原油采收率的CCUS技術(shù)中具有重要意義[8]。監(jiān)測套管氣中CO2的濃度是一種簡便易行的監(jiān)測技術(shù)，其監(jiān)測結(jié)果可為制定CO2驅(qū)油藏工程方案提供依據(jù)，為計(jì)算CO2埋存量提供計(jì)算參數(shù)。

1 先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)概況

靖邊油田喬家洼油田區(qū)域構(gòu)造位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部，地理位置如圖1所示。在晚侏羅世燕山Ⅰ期運(yùn)動(dòng)的影響下，東升西降形成了東(北)高西(南)低的構(gòu)造格局。在大的構(gòu)造背景控制下，因巖性差異壓實(shí)作用和古地形突起披覆構(gòu)造作用，延長、延安組地層中形成了一系列具有明顯繼承性發(fā)育的小隆起帶，小隆起帶上局部突起與巖性的有機(jī)結(jié)合形成構(gòu)造-巖性圈閉。CO2試驗(yàn)區(qū)長62儲(chǔ)層構(gòu)造的基本形態(tài)與區(qū)域構(gòu)造一致，整體為一東高西低的單斜構(gòu)造，局部存在突起，構(gòu)造相對平緩，地層整體向西傾斜，傾角為0.6°左右。井區(qū)位于陜北斜坡中部，遠(yuǎn)離盆地邊緣，地層相對平緩，未見斷裂。

圖1 喬家洼油田地理位置圖Fig.1 The location map of Qiaojiawa oilfield

2012年9月試驗(yàn)區(qū)注氣井陸續(xù)投注后，隨著注氣井和注入量的累積，注氣井、受益井地層壓力不斷上升，地層能量得到補(bǔ)充，受益井不斷見效，產(chǎn)量增加，驅(qū)油效果初步顯現(xiàn)。同時(shí)有部分油井伴生氣中檢測到CO2濃度變化，截至目前已有8口生產(chǎn)井樣品伴生氣中檢測到CO2。

2 套管氣CO2監(jiān)測方法

監(jiān)測儀器采用GA5000型便攜式二氧化碳分析儀，該儀器可以直讀CO2等氣體含量。試驗(yàn)區(qū)采油井套管氣的監(jiān)測流程如圖2所示[9]。首先，需要將卡箍頭拆下，如果不便拆卸，可以安裝一段轉(zhuǎn)接頭，用膠帶將彈性軟管接到套管氣的排放口上。然后安裝流量儀的支撐管及流量儀，慢慢打開套管氣閥門開始測量，至套管氣流速穩(wěn)定后，直讀CO2含量。

圖2 井口套管CO2濃度監(jiān)測示意圖Fig.2 Sketch of monitoring of CO2 concentration in wellhead casing

3 基于CO2監(jiān)測數(shù)據(jù)分析驅(qū)油與運(yùn)移規(guī)律

3.1 CO2前緣突破時(shí)間的確定

注氣井注入CO2后，CO2前緣向周圍推進(jìn)，當(dāng)前緣達(dá)到采油井時(shí)，氣體突破，大量CO2從采油井采出，導(dǎo)致油相相對滲透率降低，產(chǎn)量下降。油井最終采收率與CO2前緣突破時(shí)間密切相關(guān)，因而監(jiān)測CO2前緣突破時(shí)間對CO2驅(qū)油藏有重要意義。

本試驗(yàn)以45586-04井為例，利用油井套管氣CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)確定CO2前緣突破時(shí)間。注CO2之前，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取5口油井進(jìn)行了CO2本底濃度測試，結(jié)果顯示試驗(yàn)區(qū)CO2本底濃度在0～5%范圍內(nèi)變化。

45586-04井的套管氣CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測早期數(shù)據(jù)如圖3所示。2013年6月26日至2013年7月4日，CO2濃度出現(xiàn)了一個(gè)小波峰，跨越了CO2本底濃度基線，這表明注入井的CO2波及了45586-04井；但是2013年7月4日以后，CO2的濃度曲線跌落CO2本底濃度基線以下，說明此時(shí)到達(dá)井底的CO2是不連續(xù)的，有可能是沿高滲層出現(xiàn)了一個(gè)小氣量的氣竄段塞，并不是穩(wěn)定的氣體前緣。

2013年8月10日，CO2濃度急速增大，并且出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)(圖3中藍(lán)色方框標(biāo)注)，這表明有一個(gè)穩(wěn)定的CO2前緣到達(dá)了45586-04井，同時(shí)后期的監(jiān)測曲線沒有濃度跌落基線的數(shù)據(jù)出現(xiàn)，并且呈現(xiàn)增長趨勢，因此可以認(rèn)為該平臺(tái)出現(xiàn)的時(shí)間(2013年8月25日)就是注氣井(45543-05井)CO2前緣突破油井(45586-04井)的時(shí)間。

圖3 套管氣CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測早期曲線Fig.3 The early monitoring curve of CO2 concentration

CO2的注入引起了注入波及部位地層壓力的增加，進(jìn)而引發(fā)微地震。通過對微地震事件的監(jiān)測，可以掌握CO2驅(qū)替前緣位置、波及范圍、不同部位的波及程度等信息。2013年6月28日對45598-04井組進(jìn)行地震前緣檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。可以看出，CO2前緣為不規(guī)則推進(jìn)，且有一部分高濃度CO2提前到達(dá)45586-04井(紅色表示高濃度CO2)，但先到達(dá)45586-04井的CO2只有少部分，沒有形成連續(xù)和穩(wěn)定的前緣，CO2穩(wěn)定前緣還在外圍。地震前緣檢測結(jié)果和套管氣檢測結(jié)果相同。

圖4 45586-04井組地震前緣擬合圖Fig.4 Fitting-figures of seismic fronts for 45586-04 well group

3.2 CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線典型特征

以45586-04井為例，進(jìn)行大時(shí)間尺度上油井套管氣CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線典型特征分析。2013年3月至2016年6月的監(jiān)測曲線如圖5所示，可以將整個(gè)動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線劃分為4個(gè)典型階段，分別為：未突破段、突破段、竄流段、注入調(diào)整段。

未突破段表示CO2注入底層中，其前緣還未到達(dá)采油井，所以采油井監(jiān)測到的CO2只是本底濃度。突破段表示CO2前緣到達(dá)了采油井井底，CO2濃度明顯增加。竄流段表示隨著累積注入CO2量的增加，在注入井和采油井之間形成了一條氣體竄流通道，CO2相對滲透率急劇增加，CO2滲流阻力減小，大量CO2從采油井井口采出。從2014年6月發(fā)現(xiàn)45586-04井CO2濃度急劇增大后，對注氣井的注入量和注入方式進(jìn)行了調(diào)整，降低了日注氣量和水氣交替注入等措施[10-14]。從圖5可以看出，經(jīng)過注入方式調(diào)整后，CO2濃度有明顯降低，該階段被稱為注入調(diào)整段。

圖5 套管氣CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線典型階段Fig.5 Four typical stages of monitoring curve of CO2 concentration

從圖5還可以看出，動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線出現(xiàn)了多峰值，這說明儲(chǔ)層中存在多個(gè)CO2前緣，多個(gè)前緣先后到達(dá)采油井，出現(xiàn)了疊加效果，從而導(dǎo)致CO2濃度曲線出現(xiàn)了鋸齒形的變化。儲(chǔ)層中之所以可以形成多個(gè)CO2前緣，主要有兩方面的因素：一方面，儲(chǔ)層在垂向上存在非均質(zhì)性，在高滲透率條帶，CO2推進(jìn)速度快，前緣最先到達(dá)采油井；在低滲透率條帶，CO2前緣突破時(shí)間相對滯后，從而在垂向形成了多級CO2前緣(圖6(a))。另一方面，試驗(yàn)區(qū)存在多口注氣井，不同注氣井的注氣前緣到達(dá)采油井的時(shí)間不同，從而形成了平面多級前緣(圖6(b))。

圖6 多級CO2前緣示意圖Fig.6 Sketch of multistage CO2 fronts

3.3 CO2優(yōu)勢運(yùn)移方向監(jiān)測

示范區(qū)內(nèi)油井均經(jīng)壓裂投產(chǎn)，水井均由油井轉(zhuǎn)注而來，故井間壓裂裂縫普遍存在。按照油井產(chǎn)量高低，將見效井分為一類見效井和二類見效井。如圖7所示，見效井具有明顯的方向性，處于北東-南西方向上的受益井見效快，增油效果也比較明顯。分析表明，受益井見效方向與區(qū)域裂縫方向基本一致，一類見效井絕大多數(shù)處于該方向上。有少數(shù)處于北東-南西方向兩側(cè)的一類見效井，主要是因注采井距較近(170～220 m)、井間壓裂裂縫溝通性好等因素而見效。

圖7 見效井主力受效方向分布圖Fig.7 The major response map for oil wells

選用通行的油藏?cái)?shù)值模擬軟件ECLIPSE進(jìn)行CO2充注模擬，該軟件含有專門模擬CO2流體在油藏中(EOR或者衰竭油藏二氧化碳封存)的三相組分模型選項(xiàng)，三種相態(tài)分別是氣相(CO2超臨界狀態(tài))、液相、油相。CO2可以以氣相存在，也可以溶于液相和油相。由于水不能溶于氣相和油相中，只能以液相的形式存在，故水并不作為一種組分參與到狀態(tài)方程的計(jì)算中。模擬選用經(jīng)典的Peng-Robinson狀態(tài)方程計(jì)算不同組分的相態(tài)平衡，模型參數(shù)見表1。

表1 模型基本參數(shù)

對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，從CO2濃度示意圖(圖8)可以看出，CO2的優(yōu)勢運(yùn)移方向也為北東-南西方向。套管氣CO2監(jiān)測和數(shù)值模擬的預(yù)測結(jié)果表現(xiàn)出了一致性，和區(qū)域性裂縫發(fā)育方向一致。

圖8 CO2濃度場數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Numerical simulation results of CO2 concentration fields

4 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

(1)提出了利用生產(chǎn)井套管氣CO2濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)確定CO2前緣突破時(shí)間的方法。

(2)將大時(shí)間尺度上CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線劃分為4個(gè)典型階段，分別為：未突破段、突破段、竄流段、注入調(diào)整段，明確了CO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測曲線的基本特征。

(3)CO2在地層中運(yùn)移會(huì)形成多個(gè)前緣，表現(xiàn)為垂向多級前緣和平面多級前緣，多個(gè)前緣在不同時(shí)刻到達(dá)采油井，從而在監(jiān)測曲線上形成了多峰值的特征。

(4)生產(chǎn)井套管氣CO2濃度監(jiān)測可以在一定程度上顯現(xiàn)CO2優(yōu)勢運(yùn)移方向，與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗(yàn)證。結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)CO2優(yōu)勢運(yùn)移方向?yàn)楸睎|-南西方向。

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Study on CO2Migration Features Based on Casing Gas Monitoring Data

Nie Xiangrong1, Jiang Shaojing2, Yu Huagui2

(1.College of Petroleum Engineering, Xi＇an Shiyou University, Xi＇an, Shaanxi 710065, China;2.Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)Co., Ltd., Xi＇an, Shaanxi 710075, China)

A demonstration project about Carbon Capture Use and Storage (CCUS) was conducted in Qiaojiawa oilfield. The CO2migration features have significances on effectiveness evaluation for sweep and storage. The CO2concentration in casing gas was monitored. A method was proposed about the time of the breakthrough for CO2flooding frontier based on monitoring data. The monitoring curve of CO2concentration was divided four typical stages, such as not breakthrough stage, breakthrough stage, channeling stage and flooding adjust stage. The dominant migration direction of CO2is northeast to southwest，which has the same result with numerical simulation. The CO2migration features can be studied by analyzing casing gas monitoring data.

CO2displacement; concentration; casing gas; displacement front; migration

項(xiàng)目資助：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術(shù)示范”(2012BAC26B00)、陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目“陜北致密砂巖油藏 CO2驅(qū)提高采收率關(guān)鍵技術(shù)研究及先導(dǎo)試驗(yàn)”(2014KTZB03-02)聯(lián)合資助。

聶向榮(1986—)，男，博士，工程師，主要從事油氣田開發(fā)方向研究。郵箱：nxrcup@163.com.

P642.5

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