CN105201493A - 一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法 - Google Patents

Abstract

一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，该方法通过利用两种扩散系数存在明显差别的示踪剂A和B识别水驱油藏储层非均质性，其特征在于：两种扩散系数存在明显差别的示踪剂A和B分别反映非均质多孔介质的总孔隙体积大小和非均质多孔介质内流动区的孔隙体积大小，从而定量识别非均质多孔介质中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况；本发明可以定量识别水驱油藏储层中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况；矿场工作量小，成本低；数据解释方便快捷，可操作性强，可用于矿场实际生产以及室内评价物理模拟模型的非均质性以及各种注水井调驱剂的调驱性能。

Description

一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法

技术领域

本发明涉及一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，属于油藏非均质性识别技术领域。

背景技术

油藏的储层非均质性严重影响油田的注水开发效果；非均质储层受水油流度比、注采差异以及注入水的长期冲刷、剥蚀等影响，出现差异渗流现象，逐渐产生优势渗流通道，进而形成大孔道，表现为注入水快速突进、高注入量、强水淹、高采出程度、高水油比等特征，注入水的波及效率低，油田的开发效果差；因此，为了采取措施提高注入水的波及效率，识别油藏的储层非均质性具有重要的意义。

试井监测判别技术是定性判别水驱油藏储层中大孔道的一种主要方法，通过压降、压力恢复和干扰试井判断水驱油藏储层中大孔道的存在及其方向。

井口压降曲线监测技术可定性和定量判别水驱油藏储层中大孔道的存在，注采井间形成大孔道时，注采井间渗流阻力减小，注入水大量通过大孔道直接进入采油井而采出地层，在注入井表现出井口压力大幅度降低；对大孔道封堵后，由于封堵剂优先进入大孔道，使得注水井注入压力增加，表现在注水井井口压力上升。

井间示踪剂监测技术是目前常用的一种识别水驱油藏储层非均质性的方法，该方法通过对注入示踪剂井的周围井进行监测，示踪剂最先突破出现见剂现象的井方向即为优势流动方向，发育水流优势通道。

目前，井间示踪剂监测技术已成功应用于同位素找水、查找输油管道泄漏、井间示踪检测、单井化学示踪测定残余油饱和度等方面；应用示踪剂技术进行岩心驱替实验和调驱机理的研究，能够有效地反映岩心驱替过程中流体的分布状态和流动规律，可以掌握注入水的推进方向、驱替速度、波及状况以及岩心的非均质情况、剩余油饱和度分布和渗透率的变化等。

现有水驱油藏储层非均质性识别技术的主要缺点：①试井监测判别技术无法定量识别储层非均质性，且利用的基础数据需要专门的仪器进行矿场测量，矿场工作量大，成本高；②井口压降曲线监测技术可以定量判别水驱油藏储层中大孔道的存在，但该方法的资料来源少，不利于准确判断，多解性强；③井间示踪剂监测技术的实际矿场可操作性强，有利于在基层推广使用，但单一示踪剂方法的解释过程比较复杂。

发明内容

针对现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种识别水驱油藏非均质性的双示踪剂方法，该方法通过利用两种扩散系数存在明显差别的示踪剂分别反映非均质多孔介质的总孔隙体积和非均质多孔介质内流动区的孔隙体积，从而定量识别非均质多孔介质中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，该方法利用两种扩散系数存在明显差别的示踪剂分别反映非均质多孔介质的总孔隙体积大小和非均质多孔介质内流动区的孔隙体积大小，从而定量识别非均质多孔介质中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况。

本发明所述的一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，该方法的基本原理如下：

(1)示踪剂的迁移过程：示踪剂作为一种溶质，其在多孔介质中的迁移过程主要包括对流、弥散和扩散；对流是指示踪剂随着流动的流体在多孔介质中迁移；对流是示踪剂迁移的主要方式，只要有流体流动，就存在对流迁移，且流体的流动速度越大，对流作用越强；弥散是指示踪剂在对流迁移过程中，由于多孔介质的不均匀性引起流体流速以及流线的改变而产生的示踪剂在横向和纵向上的分散现象；这些变化可以是孔隙壁面与流体之间的摩擦引起的，也可以是孔径尺寸不等或者流路长度变化而产生的；扩散是由于浓度梯度和无规则运动引起的分散现象；扩散存在于示踪剂的所有运动过程中，即使没有流动，示踪剂也会从高浓度区域向低浓度区域迁移；

(2)对流—扩散系统：考虑示踪剂在非均质多孔介质中的迁移过程，根据非均质多孔介质的特点和流体在非均质多孔介质内的流动特征，可将整个多孔介质研究区域划分为两个不同又共存的体系，分别称为流动区和非流动区；参考图1所示，在流动区，示踪剂的迁移以对流为主；而在非流动区，示踪剂的迁移以扩散为主；

(3)示踪剂的穿透曲线：在上述对流—扩散系统的基础上，考虑三种不同的示踪剂迁移系统，分析弥散作用和扩散作用对示踪剂迁移的影响；参考图2所示，在整个多孔介质研究区域的入口端面上以一定的注入速率Q连续注入浓度为C₀的示踪剂，并考察在出口端面上示踪剂的无因次产出浓度(C/C₀)随时间(t)的变化曲线，即穿透曲线：

①对于非均匀的单一对流系统I，即假设多孔介质研究区域存在非流动区，且不考虑弥散作用和扩散作用时，示踪剂的整个对流迁移前缘以完全一致的速度向前推进，并在t₄时刻到达出口端，产生穿透曲线l_I(即对流峰l_I)；

②对于非均匀的对流—弥散系统II，即假设多孔介质研究区域存在非流动区，考虑弥散作用但不考虑扩散作用时，从t₂时刻开始，穿透曲线l_II在弥散过程中产生，并在对流锋l_I两侧形成一个置换液体和被置换液体的混合带；混合带的大小直接反映了弥散作用的强弱；混合带越大，弥散作用就越强；假设没有弥散作用，则穿透曲线l_II将与对流锋l_I完全重合；

③在非均匀的对流—扩散系统III中，考虑同时存在弥散作用和扩散作用的情况，从t₂时刻开始，穿透曲线l_III在弥散和扩散过程中产生；在这类体系中，示踪剂扩散进入非流动区，减少了流动区中对流迁移的示踪剂质量，降低了示踪剂呈指状在流动区内长距离迁移的趋势，其结果是与仅考虑流动区内示踪剂的对流迁移(系统II)相比，示踪剂的分布更均匀，示踪剂的迁移也更慢；这一特征体现在穿透曲线上，表现为穿透曲线l_III与穿透曲线l_II之间存在一个封闭区域Ω；封闭区域Ω的面积越大，示踪剂在非流动区内的扩散作用就越强；假设没有扩散作用，则穿透曲线l_III将与穿透曲线l_II完全重合；

(4)双示踪剂方法的理论推导：从示踪剂迁移的角度来考察穿透曲线l_II与穿透曲线l_III之间存在封闭区域Ω的物理意义；仍然以非均匀的对流—扩散系统III为研究对象，并假设非均质多孔介质的总孔隙体积为V_t、流动区的孔隙体积为V_m、非流动区的孔隙体积为V_im，则非均质多孔介质的体积波及系数E_v可表示为流动区的孔隙体积V_m与非均质多孔介质的总孔隙体积V_t之比，即：

$E_v=\frac{V_m}{V_t}=\frac{V_t-V_{im}}{V_t}=1-\frac{V_{im}}{V_t}---\left(1\right)$

式中：E_v为非均质多孔介质的体积波及系数，无因次；V_t为非均质多孔介质的总孔隙体积，mL；V_m为非均质多孔介质内流动区的孔隙体积，mL；V_im为非均质多孔介质内非流动区的孔隙体积，mL。

多孔介质中示踪剂的迁移过程实质上是一个流体置换或流体改变的过程；在流动区，示踪剂主要以对流的方式置换其中的流体(流体驱替过程)；而在非流动区，示踪剂主要以扩散的方式改变其中的流体(示踪剂浓度变化过程)；当示踪剂的无因次产出浓度C/C₀达到100％时，整个流体置换或流体改变的过程结束。

基于上述分析，在不存在示踪剂损耗的情况下，可将多孔介质中的流体置换率或流体改变率f_v表示为相同时间内流入和流出多孔介质的示踪剂体积之差与非均质多孔介质的总孔隙体积V_t的比值，即：

$f_v=\frac{{\∫}_0^{t_f}Q\left(1-\frac{C}{C_0}\right)dt}{V_t}---\left(2\right)$

式中：f_v为多孔介质中的流体置换率或流体改变率，无因次；t_f为示踪剂的注入时间，min；Q为示踪剂的注入速率，mL/min；C/C₀为示踪剂的无因次产出浓度。

从理论上讲，如果存在两种扩散系数存在明显差别的示踪剂A和B，并同时在非均质多孔介质的入口端面上以恒定的注入速率Q连续注入，且这两种示踪剂之间互不干扰；其中，示踪剂A几乎不能扩散进入非流动区(对应穿透曲线l_II)，而示踪剂B可以充分扩散进入并填满整个非流动区(对应穿透曲线l_III)，并假设穿透曲线l_II与穿透曲线l_III之间封闭区域Ω的面积为S_Ω，则有：

$S_{\mathrm{\Ω}}={\∫}_0^{t_f}\left(\frac{C_A}{C_{0A}}-\frac{C_B}{C_{0B}}\right)dt---\left(3\right)$

$V_m={\∫}_0^{t_f}Q\left(1-\frac{C_A}{C_{0A}}\right)dt---\left(4\right)$

$V_t={\∫}_0^{t_f}Q\left(1-\frac{C_B}{C_{0B}}\right)dt---\left(5\right)$

$V_{im}=V_t-V_m=Q\·{\∫}_0^{t_f}\left(\frac{C_A}{C_{0A}}-\frac{C_B}{C_{0B}}\right)dt=Q\·S_{\mathrm{\Ω}}---\left(6\right)$

式中：C_A/C_0A为示踪剂A的无因次产出浓度；C_B/C_0B为示踪剂B的无因次产出浓度；S_Ω为穿透曲线l_II与l_III之间封闭区域Ω的面积，min。

此时，多孔介质中的流体置换率或流体改变率f_v可表示为：

$f_v=\left\{\begin{array}{cc}{V}_m/V_t=E_v& (l=l_{II})\\ V_t/V_t=1& (l=l_{III})\end{array}\right.---\left(7\right)$

由上述分析可以看出，示踪剂A的穿透曲线l_II可以反映非均质多孔介质内流动区的孔隙体积大小，示踪剂B的穿透曲线l_III可以反映非均质多孔介质的总孔隙体积大小，穿透曲线l_II与穿透曲线l_III之间存在封闭区域Ω的面积S_Ω与注入速率Q的乘积可以反映非均质多孔介质内非流动区的孔隙体积大小；在合适的注入速率Q_c条件下，可以用示踪剂A和B的流体置换率或流体改变率f_v-A和f_v-B值所对应的V_m-A值和V_t-B值分别作为非均质多孔介质内流动区孔隙体积V_m和非均质多孔介质总孔隙体积V_t的近似值，从而识别非均质多孔介质中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况。

与现有技术相比，本发明所提供的一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法具有下述优点：①可以定量识别水驱油藏储层中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况；②只需要现场采集产出液，不需要专门的仪器进行矿场测量，矿场工作量小，成本低；③数据解释方便快捷，可操作性强，不但可以用于矿场实际生产，还可以用于室内评价物理模拟模型的非均质性以及各种注水井调驱剂的调驱性能。

附图说明

图1为非均质多孔介质中渗流与示踪剂迁移示意图。

图2为非均质多孔介质中弥散和扩散对示踪剂迁移的影响示意图。

图3为本发明一个实施例中均质多孔介质中KBr和Cdot的穿透曲线。

图4为本发明一个实施例中非均质多孔介质中KBr和Cdot的穿透曲线。

图5为本发明一个实施例中非均质多孔介质中KBr和Cdot的f_v值变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

在本发明的一个实施例中，一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，该方法解决其技术问题所采用的技术方案是这样实现的：

首先，根据双示踪剂方法的基本思路以及油田示踪剂的筛选标准，选择两种扩散系数存在明显差别的示踪剂A和B，A是颗粒型荧光标记示踪剂-荧光碳纳米颗粒(记为Cdot)，B是阴离子型化学示踪剂-溴化钾(记为KBr)。

Cdot是近几年发展起来的一种新型荧光标记示踪剂，该示踪剂是采用来源广泛的单水柠檬酸为碳源、乙醇胺为辅剂(摩尔比例为1:3)，通过一步水热反应合成的一种具有高荧光强度和强表面亲水性的碳纳米颗粒，具有荧光稳定性强、在高离子强度的水溶液中可以稳定存在的优点。

本发明所选用的Cdot荧光激发波长为358nm，荧光发射波长峰值为460nm；粒径分布范围为2–5nm，平均粒径为3.9nm，在pH值为7的水溶液中，其Zeta电位约为-5mV。根据斯托克斯–爱因斯坦方程，在25℃下，Cdot的扩散系数平均值约为1.25×10^-6cm²/s。KBr是油田常用的一种示踪剂，在25℃下，其扩散系数约为2.45×10^-5cm²/s。KBr作为化学示踪剂的一种，具有在油田地层水中得含量极少；易溶于水而不溶于油，溶于水后完全电离且水溶液呈中性；在地层中的吸附量少且耐高温、不易与地层流体和岩石发生化学反应；灵敏度高、容易检测；无毒、无污染等优点。

接下来，用模拟地层水(矿化度为5000mg/L的NaCl水溶液)配制KBr和Cdot的混合溶液，其中：KBr的浓度为1000mg/L、Cdot的浓度为50mg/L；选用粒径为177–250μm和74–106μm的两种石英砂充填填砂管制作一组非均质单管模型，用来模拟非均匀的对流—扩散系统；填砂管的长度为17.50cm，内径为1.95cm，以填砂管中心轴线为轴心的直径为1.04cm的圆柱区域用粒径大小范围为177–250μm石英砂充填，渗透率约为23.87μm²；其余的环形区域用粒径大小范围为74–106μm的石英砂充填，渗透率约为3.28μm²；两个区域通过直径为1.04cm的环形铜网分隔。

将非均质单管模型抽真空饱和模拟地层水后接入实验流程；然后，从注入端以一定的注入速率Q注入两种示踪剂KBr和Cdot的混合溶液，同时在产出端收集产出液。

实验设定的四种注入速率Q依次为1/60、0.1、1.0、10mL/min；在注入KBr和Cdot混合溶液的过程中，通过自动取样器收集产出液(取样间隔为2mL)，注入量为4.0PV；为了对比，选用粒径为177–250μm的石英砂充填填砂管制作一组均质单管模型，用来模拟均匀的对流—弥散系统；填砂管的长度为17.50cm，内径为1.95cm，渗透率约为23.87μm²；注入速率Q为0.1mL/min。

实验结束后，分别采用美国JencoInstruments公司6230N微机型精密溴离子浓度计和美国MolecularDevices公司SpectraMaxM2e型荧光分光光度计测量KBr和Cdot的产出浓度，并利用下述公式计算KBr和Cdot的流体置换率或流体改变率f_v值，并绘制两种示踪剂的无因次产出浓度C/C₀和f_v值随注入孔隙体积倍数的变化曲线，进而选择合适的注入速率Q_c。

$f_v=\frac{{\∫}_0^{t_f}Q\left(1-\frac{C}{C_0}\right)dt}{V_t}$

式中：f_v为多孔介质中的流体置换率或流体改变率，无因次；t_f为示踪剂的注入时间，min；Q为示踪剂的注入速率，mL/min；C/C₀为示踪剂的无因次产出浓度。

参考图3(均质多孔介质中KBr和Cdot的穿透曲线)，在注入KBr和Cdot混合溶液的过程中，注入的KBr和Cdot主要以对流的方式在均质多孔介质中迁移，当注入KBr和Cdot混合溶液0.80PV左右时，KBr和Cdot开始从多孔介质中产出，随着KBr和Cdot混合溶液的不断注入，KBr和Cdot的产出浓度均呈直线增加，当注入KBr和Cdot混合溶液1.20PV左右时，KBr和Cdot的产出浓度均达到100％；KBr和Cdot的穿透曲线均在1.00PV左右两侧形成一个置换液体和被置换液体的混合带，说明KBr和Cdot在均质多孔介质中的迁移均受到了一定程度的弥散作用的影响；虽然KBr和Cdot的扩散系数相差较大(相差20倍左右)，但两者的穿透曲线基本重合，说明KBr和Cdot在均质多孔介质中的迁移受扩散作用的影响较小。

参考图4(非均质多孔介质中KBr和Cdot的穿透曲线)，非均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线与均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线之间存在明显的差别；在非均质条件下，当注入KBr和Cdot混合溶液0.23PV左右时，KBr和Cdot便开始从多孔介质中产出，而当注入KBr和Cdot混合溶液2.85PV左右时，KBr和Cdot的产出浓度才能达到100％；非均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线在1.00PV左右两侧形成的置换液体和被置换液体的混合带均明显增大；非均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线呈现出台阶状变化特征，且注入速率越大，这种台阶状变化特征越明显；不同的注入速率条件下，KBr和Cdot的穿透曲线均不重合，说明KBr和Cdot在非均质多孔介质中的迁移受扩散作用的影响较大，且注入速率越小，扩散作用的影响越明显。

注入速率反映了KBr和Cdot混合溶液的注入强度和流体在多孔介质中的流动状况，进而影响非均质条件下KBr和Cdot的产出规律。

参考图4，KBr的穿透曲线和Cdot的穿透曲线之间均存在一个封闭区域Ω，且KBr的穿透曲线在下方，Cdot的穿透曲线在上方；随着注入速率Q的增加，KBr的穿透曲线和Cdot的穿透曲线之间封闭区域Ω的面积先增大后减小，在实验设定的四种注入速率中，当注入速率Q为0.1mL/min时，该封闭区域的面积最大；当注入速率Q为10mL/min时，即较高的注入速率情况下，KBr的穿透曲线和Cdot的穿透曲线均呈现出明显的台阶状变化特征，且两者基本重合，说明此时KBr和Cdot主要在非均质多孔介质内的流动区发生对流迁移，而在非均质多孔介质内非流动区的扩散迁移较弱；当注入速率Q为1/60mL/min时，即较低的注入速率情况下，KBr和Cdot的穿透曲线均向右下方移动，且台阶状变化特征基本消失，说明此时KBr和Cdot在非均质多孔介质内非流动区的扩散迁移比较明显。

参考图5(非均质多孔介质中KBr和Cdot的f_v值变化曲线)，在较大的注入速率下，示踪剂没有充足的时间扩散进入非均质多孔介质内的非流动区，此时，f_v→V_m/V_t；在较小的注入速率下，示踪剂有充足的时间扩散进入非均质多孔介质内的非流动区，此时，f_v→V_t/V_t；当注入速率Q为10mL/min的较大值时，KBr和Cdot的穿透曲线基本重合，且KBr和Cdot的f_v值相差很小，其中，f_v-KBr值为0.7809，f_v-Cdot值为0.7444，差值仅为0.0365；当注入速率Q较小时，KBr和Cdot的穿透曲线产生明显的分离，且两者的f_v值相差较大，与注入速率Q为1.0、0.1、1/60mL/min相对应，f_v-KBr值依次为0.8925、0.9708、0.9904，f_v-Cdot值依次为0.7464、0.7633、0.8726，差值依次为0.1461、0.2074、0.1218；当注入速率Q为1/60mL/min的较小值时，KBr能够充分扩散进入并填满非均质多孔介质内的非流动区，f_v-KBr值与1之间的差距仅为0.0096，此时，f_v-Cdot值与1之间仍存在0.1274的差距。

通过对比不同注入速率情况下非均质多孔介质中KBr和Cdot的f_v值变化曲线，在注入速率分别为0.1和1/60mL/min两种情况下，f_v-KBr值差别不大；在注入速率分别为0.1、1.0和10mL/min三种情况下，f_v-Cdot值差别不大。

因此，合适的注入速率Q_c为0.1mL/min；以注入速率为0.1mL/min情况下f_v-KBr值和f_v-Cdot值所对应的V_t-KBr值和V_m-Cdot值分别作为非均质多孔介质总孔隙体积V_t和非均质多孔介质内流动区孔隙体积V_m的近似值，则注入水的波及系数 $E_v=V_m/V_t\≈{(f_{v-\mathrm{Cdot}}/f_{v-\mathrm{KBr}})}_{Q_c=0.1\mathrm{mL}/\min }=0.7633/0.9708=0.7862,$ 表明模型的非均质性较强(模型中存在高渗透层，且注入水的波及状况较差)。

综上所述，均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线基本重合，非均质条件下KBr和Cdot的穿透曲线产生分离，且在注入速率为0.1mL/min的条件下，可以用f_v-KBr值和f_v-Cdot值来定量识别非均质多孔介质中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况，从而验证了双示踪剂方法识别水驱油藏储层非均质性的正确性和有效性。

上述实施方式旨在举例说明本发明可为本领域专业技术人员实现或使用，对上述实施方式进行修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，故本发明包括但不限于上述实施方式，任何符合本权利要求书或说明书描述，符合与本文所公开的原理和新颖性、创造性特点的方法、工艺、产品，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，该方法通过利用两种扩散系数存在明显差别的示踪剂A和B识别水驱油藏储层非均质性，其特征在于：两种扩散系数存在明显差别的示踪剂A和B分别反映非均质多孔介质的总孔隙体积大小和非均质多孔介质内流动区的孔隙体积大小，从而定量识别非均质多孔介质中高渗透层的存在情况和评价注入水的波及状况。

2.根据权利要求1所述的一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，通过对比分析所述两种扩散系数存在明显差别的示踪剂A和B的穿透曲线来识别水驱油藏的储层非均质性，其特征在于：示踪剂A和B的穿透曲线基本重合，且流体置换率或流体改变率(f_v)值均接近于1，说明油藏为不存在高渗透层的均质油藏；示踪剂A和B的穿透曲线发生分离，且呈现台阶状变化特征，说明油藏为存在高渗透层的非均质油藏；一种示踪剂的f_v值接近于1，而另一种示踪剂的f_v值越接近于1，说明油藏的均质性和水驱波及状况越好；一种示踪剂的f_v值接近于1，而另一种示踪剂的f_v值越小，说明油藏的非均质性越强，水驱波及状况越差。

3.根据权利要求1所述的一种识别水驱油藏储层非均质性的双示踪剂方法，所述流体置换率或流体改变率(f_v)值通过下述公式计算：

$f_v=\frac{{\∫}_0^{t_f}Q(1-\frac{C}{C_0})dt}{V_t}$

式中：f_v为多孔介质中的流体置换率或流体改变率，无因次；t_f为示踪剂的注入时间，min；Q为示踪剂的注入速率，mL/min；C/C₀为示踪剂的无因次产出浓度。