油田用示蹤劑檢測方法

『壹』 地熱回灌示蹤試驗

示蹤試驗是獲取熱儲層滲流場特徵、回灌流體質點運移方向和速度、采灌井之間水力聯系以及研究回灌前後熱儲層溫度場、化學場動態變化的重要技術手段之一,在地熱資源開發利用中得到了廣泛的應用。一般而言,示蹤試驗的設計、操作和示蹤劑的選取因地熱田具體條件不同而有所差別,但其主要目的基本相同。

天津在1999年和2001年分別在同一井場、目的層均為薊縣系霧迷山組(Jxw)熱儲層中進行了化學示蹤和放射性示蹤試驗。選擇的試驗井場位置及各地熱穗昌井基本資料見圖7-3和表7-5。

圖7-3 天津示蹤試驗井場位置圖

1—斷裂;2—井底位置及井號;3—對井井口位置;4—定向井方位角

(一)化學示蹤試驗

HX-25為開采井,HX-25B為回灌井。示蹤劑投放井為HX25B地熱回灌井,回灌流體為經板式換熱器間接供暖後的地熱循環尾水,回灌流量基本為100m³/h,回灌水溫60℃左右,回灌時間為一個供暖期。觀測井選擇其周圍的HX-25,HX-26,HX-14,HX-09共四眼生產井。示蹤劑為20kg的碘化鉀(KI)。投放時間為1999年1月5日。投入方法是示蹤劑加供熱尾水稀釋後直接用鐵皮桶灌入回灌井的測管中。在加入示蹤劑的第二天就開始在觀測孔中取熱水樣,每天一次,水樣當天送到化驗室,另外每周觀測一次各生產井的水位、水溫。延續一個月後,改為每周取3次樣直至採暖期結束。試驗結果見圖7-4(曾梅香,2008)。

表7-5 示蹤試驗井場各地熱井基礎資料

(資料源於《天津市基岩岩溶裂隙熱儲層回灌研究》,2001)

圖7-4 觀測井示蹤劑I^-響應曲線

從圖7-4中可以看出,I^-離子濃度基本在0.09～0.15mg/L之間波動,沒有出現峰值,原因可能有:

1)取樣延續時間較短,沒有觀測到峰值。由於受深部地熱地質構造、儲層結構的影響,溶於回灌井中的示蹤劑在岩石儲層中傳遞速度慢,使示蹤劑在較短時間內無法到達周圍各觀測孔中,並從觀測孔的熱水離子濃度中反映出來。例如HX-25井,根據1997年7月抽水資料求得的滲透系數為K=2.22m/d,HX-25生產井井底距回灌井HX-25B井底距離為850m,從回灌井HX-25B井中注入示蹤劑要到達HX-25井中的時間應在一個採暖期以上(120d);

2)回灌井與觀測孔之間基本沒有水力聯系或聯系微弱。以往的各種抽水、回灌試驗,都選取了觀測孔進行同期觀測,從監測的結果看,回灌對周圍觀測孔的溫度場、化學場影響微小,可能與低溫回灌流體進入儲宴蘆層後並非水平流向周圍開采井有關。或者說是各井之間直接的水力聯系不明顯,而是回灌流體經深循環後與開采井存在間接的水力聯系。因此,在觀測孔中要檢測到引起熱水的某種離子濃度的明顯變化將比較困難;

3)相對較大的熱儲層水體而言,示蹤劑的加入劑量較少,在觀測孔的離子濃度劑量上示蹤劑離子峰值反映不出來。由於地熱水中普遍存在碘離子,選擇碘化鉀作為示蹤劑,示蹤結果只能依靠示蹤離子濃度的突變來表現示蹤劑是否達到,因此,示蹤劑的選擇是不適宜的或者投放量應該是大劑量的。

(二)放射性示蹤劑試驗

2001年11月天津地熱院和北京中國原子能科學研究院國家同位素工程技術研究中心工業應用實驗室合晌族帶作,進行了地熱回灌示蹤試驗。示蹤劑投放井仍為HX-25B,觀測取樣井分別選HX-25,HX-26,HX-14,HX-13共4眼生產井。選用半衰期較短的同位素³⁵S(

=87d)作示蹤劑,其檢測靈敏度約為0.5Bq。2001年11月27日,通過分析試驗場地的熱儲條件和流體動態特徵,估算在HX-25B回灌井中投放³⁵S350mCi(約1.3×10¹⁰Bq)。取樣方法為用5L塑料筒從生產井口取5L水樣,取出後立即加1mL穩定劑,蓋緊瓶蓋,室溫放置。樣品由北京中國原子能科學研究院國家同位素工程技術研究中心工業應用實驗室進行分析。該試驗從2001年11月28日開始至2002年5月20日止,共取樣551個。

根據樣品分析結果,4個觀測取樣孔中只有HX-14井中分析出了³⁵S,其他3個觀測取樣孔均未分析出³⁵S。說明HX-14和HX-25井之間存在一定的水力聯系,而與其他幾眼地熱井之間不存在水力聯系。HX-14井³⁵S響應曲線見圖7-5。從圖上可以看出130天左右³⁵S濃度達到了峰值。

圖7-5 HX-14地熱生產井³⁵S響應曲線圖

根據此次示蹤試驗數據,結合場地地質條件分析,可得出如下經驗與認識:

1)此次試驗只在HX-14井中檢測出示蹤劑成分,說明HX-25B與HX-14地熱井在采灌條件下有一定的水力聯系,間接表明兩井之間(NW)有相對直接的聯系通道。分析該井場的地熱地質條件,海河斷裂是一條區域性的深大斷裂帶,走向NWW。兩試驗井之間的聯系通道除受熱儲本身裂隙發育、采灌水動力場影響外,主要還受海河斷裂帶的影響,推測海河斷裂南側影響寬度在2km以上。同時該試驗結果也給我們一個提示,在采灌對井布局時,應垂直於區域主構造斷裂帶走向,以避免低溫回灌水在短時間內對開采井的溫度場造成影響。

2)試驗結果顯示在HX-14井中檢測到的示蹤劑濃度最大隻有1.229Bq/L,不到總注入量(1.3×10¹⁰Bq)的十億分之一。盡管示蹤劑會被巨大的熱儲流場所稀釋,但從檢測到的濃度較低、時間較短可以看出,回灌流體進入儲層後,只有一小部分沿斷裂優勢方向,在130天左右到達了HX-14井,而絕大部分在因密度差產生的壓力下垂向深循環補給到了其他區域。歷年的動態觀測資料也表明,HX-14井的出水溫度多年來基本穩定,沒有出現降溫現象,表明HX-25B回灌井的低溫流體對區域溫度場影響甚微。

3)將近40年的勘探、開發表明,在天津地區所有深度在4000m以淺的霧迷山組地熱井均有穩定的高產地熱流體,而且凡鑽遇該層位(無論其在什麼構造部位)均出現鑽井液(清水)明顯漏失現象,出水量穩定(吳鐵鈞,2005),說明霧迷山組熱儲層微觀結構具岩溶裂隙型各向異性,但在宏觀上具有裂隙均一、各向同性的特徵,巨大的厚度和良好的滲透性能使霧迷山組成為天津地區最大的地熱流體儲集層。本次示蹤試驗霧迷山組HX-25B地熱回灌井與其他同層開采井在采灌條件暫未發現水力聯系,也說明它們之間無管道流現象,熱儲裂隙發育均一。

4)目前在地熱回灌中,用作示蹤劑的主要有:化學示蹤劑、放射性同位素和穩定同位素示蹤劑、活性示蹤劑、熒光染色示蹤劑。但無論哪種示蹤劑,都應具備以下要求。

示蹤材料在熱儲層中的本底低,樣品中產出情況可充分識別、檢驗分析靈敏度高;

在熱儲溫度、化學、壓力條件下,與儲層和地熱流體不發生反應,具足夠的穩定性;

溶於水但不被儲層岩石吸附;

與被示蹤流體流動特徵相似、配伍性好;

放射性同位素示蹤劑要有合適的半衰期,安全無毒,具有環保和安全性能;

價格合理,使用數量適中,現場可操作性強並具經濟性。

5)盡管示蹤試驗結果給我們認識沉積盆地地下熱流體運移的復雜性有一個判斷依據,但仍有一些問題需要我們去思考。比如,流體在儲層中運動,會有優勢水流問題,那麼用示蹤劑的試驗結果如何去反推地下水流動?

『貳』 地下水實際流速和流向的測定

地下水實際流速和流向的測定是密切相關的，在測定地下水實際流速前應先測定或確定地下水流向。

1.地下水流向的測定

地下水的流向是闡明區域地下水徑流條件，確定地下水補給方向和流量計算斷面的方向、正確布置地下水取水、排水、堵水截流工程設施以及示蹤試驗井組位置等必不可少的依據。地下水流向的測定（確定）方法主要有：①根據等水線圖確定：即垂直等水位線由高到低的方向就是地下水流向；②物探方法：如用充電法確定地下水流向，詳見有關物探書籍；③三角形井孔法確定地下水流向：大體按等邊三角形布置三個鑽孔（圖5-15），並測定天然地下水位，用插值的方法作出等水位線，垂直等水位線由高到低的方向即為地下水流向（圖5-15）。

2.地下水實際流速測定

地下水實際流速，可直接用於地下水斷面流量的計算，判斷水流屬層流或紊流，可研究化學物質在水中的彌散，確定含水層的一些參數以及作為決定地下水灌漿中一些技術措施的依據等。測定地下水實際流速的方法有兩種，其一為示蹤試驗法，其二為物探方法，這里僅說明前者的試驗方法。

（1）測定流速前先測定地下水流向，方法同前。

（2）布置投劑孔（注入孔）和觀測孔（接受孔）。在地下水流向已知的基礎上，沿地下水流向至少布置兩個井孔，上游孔為投示蹤劑（或稱指示劑）孔或注入水，下游孔為觀測孔或接受孔（取樣孔），為防止流向偏離，可在下游孔兩側按圓弧相距0.5～5.0m各布置一個輔助觀測孔（圖5-16）。上游孔與下游孔之間距離主要取決於岩石透水性。如為細砂，一般相距2～5m，透水性好的裂隙岩石一般為10～15m。

（3）選擇示蹤劑，並在注入孔中投放，在觀測孔中進行接受監測。應根據試驗條件和要求選擇合適的示蹤劑，目前我國測定實際流速主要採用的是化學試劑和染料，參見表5-2。進行試驗時，首先將示蹤劑以瞬時脈沖方式注入投劑孔（注入孔）中的含水層段，然後用定深取樣分析方法或定深探頭（如離子探針等）定時觀測觀測井（接受井）中示蹤劑的出現，待示蹤劑暈的前緣在觀測中出現後，應加密觀測（取樣）次數，以准確的測定出示蹤劑前緣和峰值到達觀測井的時間。

表5-2 示蹤劑類型、特點和應用條件