CN113931626B - 一种二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，选择气井开展二氧化碳压裂；焖井后进行压裂液返排；压裂液返排过程中对返排液进行气液分离；对分离出的气相进行组分检测、气体流量计量及温压数据监测，获得气体流量和气相二氧化碳所占气相体积比重，计算得到气相二氧化碳累计返排量；对分离出的液相进行液体流量计量、离子组分及浓度变化监测，获得液体流量和注入二氧化碳溶解所形成的HCO3 ‑1和CO3 ‑2离子浓度，得到返排液中溶解的二氧化碳累计返排量；气相二氧化碳累计返排量及返排液中溶解的二氧化碳累计返排量之和即二氧化碳压裂过程中注入二氧化碳的返排量。本发明有效解决了现场二氧化碳压裂后地层埋存量化表征问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法。
背景技术
二氧化碳压裂可以将二氧化碳埋存到储层内，但进入地层的二氧化碳并不会全部被 地层吸收，会有部分二氧化碳以返排液、采出气等各种形式从储层内经过一定时间后逸散重 新进入大气环境。关于二氧化碳压裂后在地层中的具体埋存量是个未知。目前，尚没有相关 方法对二氧化碳压裂后地层埋存量进行监测和计量。
发明内容
本发明旨在针对上述问题，提出一种二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法。
本发明的技术方案在于：
一种二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，方法如下：
选择一口气井；
针对该气井的某一储层开展二氧化碳压裂；
完成二氧化碳压裂后，焖井后开始进行压裂液返排，井口控制放喷；压裂液返排过程中对返 排液进行气液分离和实时监测；
对分离出的气相进行组分检测、气体流量计量及温压数据监测，获得气体流量和气相二氧化 碳所占气相体积比重，进而计算得到气相二氧化碳累计返排量；
对分离出的液相进行液体流量计量、离子组分及浓度变化监测，获得液体流量和注入二氧化 碳溶解所形成的HCO3 -1和CO3 -2离子浓度，进而计算得到返排液中溶解的二氧化碳累计返 排量；
忽略地层原有的二氧化碳，气相二氧化碳累计返排量及返排液中溶解的二氧化碳累计返排量 之和即二氧化碳压裂过程中注入二氧化碳的返排量。
其中，气相二氧化碳累计返排量计算公式：
式中：标况下气相二氧化碳累计返排量,m3；
t，时间，min；
t开始，开始放喷时间，min；
t结束，放喷结束时间，min；
q0(p,t)，气液分离后的气相流量的标况换算流量，m3﹒min-1；
气相中二氧化碳的体积比；
其中，返排液中溶解的二氧化碳累计返排量计算公式：
式中：Q返排液溶解CO2返排量，标况下返排液中溶解的二氧化碳累计返排量，m3；
ql(t)，气液分离后的液相返排液流量的标况换算流量，m3﹒min-1；
返排液中溶解二氧化碳所形成的CO3 -2和HCO3 -1离子换算对应的标况下二氧化碳体积比；
其中：
式中：为由二氧化碳压裂注入的二氧化碳转变成的HCO3 -1离子浓度，mg/L；
为由二氧化碳压裂注入的二氧化碳转变成的CO3 -2离子浓度，mg/L；
为HCO3 -1离子摩尔质量，g/mol；
为CO3 -2离子摩尔质量，g/mol。
还包括：
所述开展二氧化碳压裂前，对该气井的邻井进行气样取样及水样取样，获取同一区域、同一 层位的产出气组分及产出液组分及离子含量；
井口控制放喷，直至气相二氧化碳的浓度达到产出气组分中的二氧化碳的浓度，放喷结束； 对返排液进行离子组分及浓度变化监测，若与邻井产出液组分及离子含量相等，即返排液是 地层水。
还包括：
所述二氧化碳压裂过程中，还伴注有与二氧化碳及甲烷互溶的示踪剂，且伴注过程中分三个 阶段注入不同类型的示踪剂；
通过分析气相二氧化碳中的示踪剂浓度，表明气相中的二氧化碳气体是二氧化碳压裂中注入 的二氧化碳还是地层二氧化碳；
通过分析三个阶段中示踪剂的浓度占比获得三个阶段分别返排出的二氧化碳量。
还包括：
所述对返排液进行离子组分及浓度变化监测，通过分析氯离子浓度变化用以判定出水是注入 水还是地层水。
所述井口控制放喷采用多级喷嘴放喷，放喷压力不超过10MPa。
所述气液分离采用等压分离，即进出口保持气液混相以实现分离后气液相压力相等。
所述气液分离通过相分离装置计量液体流量及气体流量。
所述对分离出的液相进行离子组分及浓度变化监测时，配置有密度计。
所述气液分离采用气液分离系统，对分离出的气相进行组分检测、气体流量计量及 温压数据监测通过气体监测系统实现，对分离出的液相进行液体流量计量、离子组分及浓度 变化监测通过液体监测系统实现。
本发明的技术效果在于：
本发明提供了一种二氧化碳压裂后地层埋存量检测方法，通过对压后返排液进行气液分离和 实时监测，计算得到气相二氧化碳累计返排量和返排液中溶解的二氧化碳累计返排量，从而 得到二氧化碳压裂后地层埋存量，有效解决了现场二氧化碳压裂后地层埋存量化表征问题。
附图说明
图1为本发明一种二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法的流程图。
具体实施方式
具体应用例一
选择一口天然气井y11井X储层开展二氧化碳混合压裂，井深2900m，选用EE级KQ65/70 双翼11阀采气树井口，采用下悬挂，油管用直坐式联接，采用K344-112-120/70耐低温封隔 器保护套管，31/2”油管注入、套管打平衡的压裂方式，前置二氧化碳压裂施工排量为2.0- 2.6m3/min，施工压力32.5-58.7MPa，平均压力47.5MPa，累计注入液态二氧化碳240m3；后 水力加砂压裂，排量为2.5-5.0m3/min，施工压力51.0-57.7MPa，平均压力54.2MPa，累计入 地总净液量578m3，总加砂量为40m3。
施工前对y11井周围选取临近3口X层位的生产井，分别取气样和水样，测得气样天然气组分以及二氧化碳含量，同时对水样组分和离子含量进行测试，测试发现3口井的天然气组分以及二氧化碳含量、水样组分和离子含量均接近，选择其中一口井数据作为对比标 准：天然气组分主要含甲烷94.835％、二氧化碳4.159％、氮气0.678％、乙烷0.247％、氦气 0.062％、丙烷0.016％、异丁烷0.001％、正丁烷0.002％。其中HCO3 -含量3.07×102mg/L，CO3 2-含量为0mg/L，OH-含量为3.07×102mg/L，K+含量为2.08×102mg/L，Na+含量为1.84 ×104mg/L，Fe2+含量5.98×102mg/L，Ca2+含量1.74×104mg/L，Mg2+含量7.96×103mg/L， Ba2+含量为1.35×102mg/L，Sr2+含量为4.34×102mg/L，总矿化度2.10×104mg/L，总碱度 3.07×102mg/L。
在二氧化碳压裂过程中，分三个阶段注入三种示踪剂，即注入前80m3二氧化碳期间 伴注第一种示踪剂SZ1，注入第二个80m3二氧化碳期间伴注第二种示踪剂SZ2，注入最后80m3二氧化碳期间伴注第三种示踪剂SZ3。
压裂后焖井1h，开始进行压裂液返排，井口控制放喷。考虑到φ89mm油管排液困难，压裂后地层能量弱产量小将31/2″油管改为23/8″油管排液。返排过程采用地面管汇上 的硬质合金油嘴来控制，采用多级喷嘴放喷，控制放喷压力不超过10MPa，随着井口压力和 排量的下降，逐步更换由小至大的油嘴，直至油管敞开放喷。
返排液(气液混合液)从井口放喷后采用气液分离系统(相分离装置)气液分离并计量气相流量及液相流量，相分离装置采用等压分离，即进出口保持气液混相以实现分离后 气液相压力相等，从而提高分离效率，分离效率达到90％以上。
返排液经气液分离系统后，气相和液相分离，分别进入气体监测系统和液体监测系 统。
液相监测系统对液相中离子组分及浓度变化进行监测，分析氯离子浓度变化用以判 定出水主要是注入水还是地层水，分析碳酸根含量以及液体酸碱度分析二氧化碳水溶解量， 同时将水样与邻井的产出液水样进行对比，分析溶解二氧化碳含量。
对分离后液相配备密度计，对液相密度进行监测。监测表明，开始放喷时，采用Φ3mm油嘴， 8h后返排液密度为1.01g/cm3，氯根529623mg/L，PH为5；16h后换为Φ5mm油嘴，密度1.01g/cm3， 氯根54718.4mg/L，PH为5；经过24h后换为Φ8mm油嘴，变为密度1.02g/cm3，氯根56493.2mg/L， PH为6；2day后密度1.03g/cm3，氯根68859.9mg/L，PH为6。此后开始敞放，油压为0.3MPa，套压稳 定为1.6MPa，6day后结束放喷，返排液密度1.06g/cm3，氯根79443.5mg/L，PH为6。采出水样氯根浓度 基本稳定，说明返排液为地层水，将返排液进行水样组分及离子含量测试，发现与产出液水样数据接 近，进一步说明返排液为地层水，对放喷阶段监测数据计算，通过监测可以得到任意时刻返排液的流量 和返排液中HCO3 -1和CO3 -2离子浓度。
通过计算出任意时刻HCO3 -1和CO3 -2离子浓度对应的标况下二氧化碳的体积比，再乘以流量，即标况下返排 液溶解的CO2返排量，计算得到返排量约为160.2m3(标况下)。
由于压裂施工时是将储罐中的液态二氧化碳压裂注入地层，为了便于对比计算，将 监测计算得到的标况下的气态二氧化碳返排量进行换算，得到液态二氧化碳体积量，气态二 氧化碳与液态二氧化碳体积换算按500:1，得到所有返排液中溶解二氧化碳折合液态量约 0.32m3。
气体监测系统对分离气相进行组分以及温压数据监测，其中主要监测气体中二氧化 碳、CH4等组分浓度，并将组分浓度跟流量数据、温压数据匹配，计算实际返排液态二氧化 碳量。监测发现，在开始放喷时，二氧化碳浓度占59.8％，8h后二氧化碳浓度降至51.6，16h后二氧化碳浓度降至42.4％，24h后二氧化碳浓度降至31.9％，在放喷2day后，二氧化碳浓度降至26.5％，放喷6day后气体中二氧化碳浓度降至2.94％，甲烷浓度达到95％以上。监测结束后，通过数据计算，气态二氧化碳与液态二氧化碳体积换算按500:1，分离气体中二氧化碳返排量折合液态二氧化碳约94.86m3。对气相中示踪剂连续监测，分析各阶段注入二氧化碳的返排情况，监测结束发现，第一阶段示踪剂SZ1浓度占比约5.56％，第二阶段示踪剂SZ2浓度占比约27.78％，第三阶段示踪剂SZ3浓度占比约66.67％。可以得到三个阶段返排出的二氧化碳量的比值为1:5:12。
对分离出的气相进行组分检测、气体流量计量及温压数据监测时，气相流量需要换 算成标况流量，其换算需要结合温压数据，换算后得到q0(p,t)。根据现有的气体状态方程 (现有的理想气体状态方程pV＝nRT或者较为复杂的气体状态方程等均可)即可进行换算， 公式计算中会用到气体的温度和压力数据。
连续监测直至二氧化碳浓度达到周围邻井采气二氧化碳浓度，即达到原始天然气中 二氧化碳浓度，放喷连续监测结束，监测发现放喷6day后即放喷结束。
对气相监测和液相监测得到的二氧化碳返排量进行核算，累计返排液量384m3，压裂液返排 率66.4％，累计返排液态二氧化碳约95.18m3，即二氧化碳压裂后地层留存量约为 144.82m3，埋存量占比约60.3％。
在不忽略地层原有的二氧化碳的情况时，气相扣除标准为返排气体中二氧化碳浓度 减去临井采出气二氧化碳组分浓度；返排液中溶解的二氧化碳累计返排量扣除标准为返排液 监测离子浓度减去临井采出液中相应离子浓度(地层中本身含有的HCO3 -1和CO3 -2离子)。
具体应用例二
选择一口页岩气井y21井Y储层开展二氧化碳混合压裂，压裂井口选用KQ65/70压裂专用 井口，采用油(27/8″油管)套(51/2″套管)同注，油管二氧化碳排量1.5-2.2m3/min，油管 压力31.2-54.6MPa，平均压力52.3MPa，套管环空二氧化碳排量0.5-2.8m3/min，套压29.7- 52.9MPa，平均压力50.9MPa，油管累计注入液态二氧化碳187m3，套管累计注入液态二氧 化碳245m3，累计注入液态二氧化碳432m3。后水力加砂压裂，油管排量为1.5-2.5 m3/min，油管压力50.0-70.0MPa，平均压力65MPa，套管排量为3.2-6.0m3/min，套管压力 53.2-61.3MPa，累计入地总净液量1111m3，总加砂量为66m3。
施工前对施工井周围选取临近3口X层位的生产井，分别取气样和水样，测得气样天然气组分以及二氧化碳含量，同时对水样组分和离子含量进行测试，测试发现3口井的天然气组分以及二氧化碳含量、水样组分和离子含量均接近，选择其中一口井数据作为对比标 准：天然气组分主要含甲烷96.1562％、二氧化碳2.895％、氮气0.657％、乙烷0.23％、丙烷 0.0138％、氦气0.044％，氢气0.0024％，一氧化碳0.0007％，异丁烷0.0005％、正丁烷0.0008％其中HCO3 -含量3.87×102mg/L，CO3 2-含量为0mg/L，OH-含量为1.97×102mg/L， K+含量为4.2×102mg/L，Na+含量为2.89×104mg/L，Fe2+含量5.16×102mg/L，Ca2+含量 1.84×104mg/L，Mg2+含量8.18×103mg/L，Ba2+含量为1.46×102mg/L，Sr2+含量为4.67× 102mg/L，总矿化度2.40×104mg/L，总碱度2.97×104mg/L。
在二氧化碳压裂施工过程中，分三个阶段注入三种示踪剂，即施工开始注入120m3液态二氧化碳期间伴注第一种示踪剂SZ1，施工注入120m3液态二氧化碳后再注入150m3期间伴注第二种示踪剂SZ2，注入最后162m3二氧化碳期间伴注第三种示踪剂SZ3。
压裂后焖井2.5h，开始进行压裂液返排，井口控制放喷。返排过程采用地面管汇上的硬质合金油嘴来控制，采用多级喷嘴放喷，控制放喷压力不超过10MPa，随着井口压力和排量的下降，逐步更换由小至大的油嘴，直至油管敞开放喷。
返排液(气液混合液)从井口放喷后采用气液分离系统(相分离装置)气液分离并计量气相流量及液相流量，相分离装置采用等压分离，即进出口保持气液混相以实现分离后 气液相压力相等，从而提高分离效率，分离效率达到90％以上。
返排液经气液分离系统后，气相和液相分离，分别进入气体监测系统和液体监测系 统。
液相监测系统对液相中离子组分及浓度变化进行监测，分析氯离子浓度变化用以判 定出水主要是注入水还是地层水，分析碳酸根含量以及液体酸碱度分析二氧化碳水溶解量， 同时将水样与周围井采出水水样对比，分析溶解二氧化碳含量。
对分离后液相配备密度计，对液相密度进行监测。监测表明，开始放喷时，采用Φ3mm油嘴，8h后换为Φ5mm油嘴，返排液密度为1.0g/cm3，氯根42540mg/L，PH为5； 16h后换为Φ8mm油嘴，密度1.02g/cm3，氯根49630mg/L，PH为5；经过24h后换为Φ 10mm油嘴，变为密度1.02g/cm3，氯根56720mg/L，PH为6；2day后密度1.04g/cm3，氯根 73900mg/L，PH为6。此后开始敞放，油压为0.5MPa，套压稳定为3.8MPa，8day后结束 放喷，返排液密度1.05g/cm3，氯根85966mg/L，PH为6。采出水样氯根浓度基本稳定，说 明返排液为地层水，将采出水进行水样组分及离子含量测试，发现与产出液水样接近，进一 步说明返排液为地层水，对放喷阶段监测数据计算，气态二氧化碳与液态二氧化碳体积换算 按500:1，得到所有返排液中溶解二氧化碳折合液态量约0.61m3。
气体监测系统对分离气相进行组分以及温压数据监测，其中主要监测气体中二氧化 碳、CH4等组分浓度，并将组分浓度跟流量数据、温压数据匹配，计算实际返排液态二氧化 碳量。监测发现，在开始放喷时，二氧化碳浓度占65％，8h后二氧化碳浓度降至57.4，16h后二氧化碳浓度降至49.2％，24h后二氧化碳浓度降至38.3％，在放喷2day后，二氧化碳浓度降至33.5％，放喷8day后气体中二氧化碳浓度降至3.18％，甲烷浓度达到95％以上。监测结束后，通过数据计算，气态二氧化碳与液态二氧化碳体积换算按500:1，分离气体中二氧化碳返排量约折合液态151.46m3。对气相中示踪剂连续监测，分析各阶段注入二氧化碳的 返排情况，监测结束发现，第一阶段示踪剂SZ1浓度占比约4.76％，第二阶段示踪剂SZ2浓度占比约28.57％，第三阶段示踪剂SZ3浓度占比约66.67％。可以得到三个阶段返排出的二氧化碳量的比值为1:6:14。
连续监测直至二氧化碳浓度达到周围邻井采气二氧化碳浓度，即达到原始天然气中 二氧化碳浓度，放喷连续监测结束，监测发现放喷8day后即放喷结束。
对气相监测和液相监测得到的二氧化碳返排量进行核算，累计返排液量679m3，压裂 液返排率61.1％，累计返排液态二氧化碳约152.07m3，即二氧化碳压裂后地层留存量约为 279.93m3，埋存量占比约64.8％。
Claims (9)
1.一种二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：方法如下：
选择一口气井；
针对该气井的某一储层开展二氧化碳压裂；
完成二氧化碳压裂后，焖井后开始进行压裂液返排，井口控制放喷；压裂液返排过程中对返排液进行气液分离和实时监测；
对分离出的气相进行组分检测、气体流量计量及温压数据监测，获得气体流量和气相二氧化碳所占气相体积比重，进而计算得到气相二氧化碳累计返排量；
气相二氧化碳累计返排量计算公式：
式中：标况下气相二氧化碳累计返排量,m3；
t，时间，min；
t开始，开始放喷时间，min；
t结束，放喷结束时间，min；
q0(p,t)，气液分离后的气相流量的标况换算流量，m3﹒min-1；
气相中二氧化碳的体积比；
对分离出的液相进行液体流量计量、离子组分及浓度变化监测，获得液体流量和注入二氧化碳溶解所形成的HCO3 -1和CO3 -2离子浓度，进而计算得到返排液中溶解的二氧化碳累计返排量；
返排液中溶解的二氧化碳累计返排量计算公式：
式中：标况下返排液中溶解的二氧化碳累计返排量，m3；
ql(t)，气液分离后的液相返排液流量，m3﹒min-1；
返排液中溶解二氧化碳所形成的CO3 -2和HCO3 -1离子换算对应的标况下二氧化碳体积比；
其中：
式中：为由二氧化碳压裂注入的二氧化碳转变成的HCO3 -1离子浓度，mg/L；
为由二氧化碳压裂注入的二氧化碳转变成的CO3 -2离子浓度，mg/L；
为HCO3 -1离子摩尔质量，g/mol；
为CO3 -2离子摩尔质量，g/mol；
忽略地层原有的二氧化碳，气相二氧化碳累计返排量及返排液中溶解的二氧化碳累计返排量之和即二氧化碳压裂过程中注入二氧化碳的返排量。
2.根据权利要求1所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：
所述开展二氧化碳压裂前，对该气井的邻井进行气样取样及水样取样，获取同一区域、同一层位的产出气组分及产出液组分及离子含量；
井口控制放喷，直至气相二氧化碳的浓度达到产出气组分中的二氧化碳的浓度，放喷结束；
对返排液进行离子组分及浓度变化监测，若与邻井产出液组分及离子含量相等，即返排液是地层水。
3.根据权利要求2所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：
所述二氧化碳压裂过程中，还伴注有与二氧化碳及甲烷互溶的示踪剂，且伴注过程中分三个阶段注入不同类型的示踪剂；
通过分析气相二氧化碳中的示踪剂浓度，表明气相中的二氧化碳气体是二氧化碳压裂中注入的二氧化碳还是地层二氧化碳；
通过分析三个阶段中示踪剂的浓度占比获得三个阶段分别返排出的二氧化碳量。
4.根据权利要求3所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：
所述对返排液进行离子组分及浓度变化监测，通过分析氯离子浓度变化用以判定出水是注入水还是地层水。
5.根据权利要求4所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：所述井口控制放喷采用多级喷嘴放喷，放喷压力不超过10MPa。
6.根据权利要求5所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：所述气液分离采用等压分离，即进出口保持气液混相以实现分离后气液相压力相等。
7.根据权利要求6所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：所述气液分离通过相分离装置计量液体流量及气体流量。
8.根据权利要求7所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：所述对分离出的液相进行离子组分及浓度变化监测时，配置有密度计。
9.根据权利要求8所述二氧化碳压裂后地层埋存量监测方法，其特征在于：所述气液分离采用气液分离系统，对分离出的气相进行组分检测、气体流量计量及温压数据监测通过气体监测系统实现，对分离出的液相进行液体流量计量、离子组分及浓度变化监测通过液体监测系统实现。
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