油田用示踪剂检测方法

‘壹’ 地热回灌示踪试验

示踪试验是获取热储层渗流场特征、回灌流体质点运移方向和速度、采灌井之间水力联系以及研究回灌前后热储层温度场、化学场动态变化的重要技术手段之一,在地热资源开发利用中得到了广泛的应用。一般而言,示踪试验的设计、操作和示踪剂的选取因地热田具体条件不同而有所差别,但其主要目的基本相同。

天津在1999年和2001年分别在同一井场、目的层均为蓟县系雾迷山组(Jxw)热储层中进行了化学示踪和放射性示踪试验。选择的试验井场位置及各地热穗昌井基本资料见图7-3和表7-5。

图7-3 天津示踪试验井场位置图

1—断裂;2—井底位置及井号;3—对井井口位置;4—定向井方位角

(一)化学示踪试验

HX-25为开采井,HX-25B为回灌井。示踪剂投放井为HX25B地热回灌井,回灌流体为经板式换热器间接供暖后的地热循环尾水,回灌流量基本为100m³/h,回灌水温60℃左右,回灌时间为一个供暖期。观测井选择其周围的HX-25,HX-26,HX-14,HX-09共四眼生产井。示踪剂为20kg的碘化钾(KI)。投放时间为1999年1月5日。投入方法是示踪剂加供热尾水稀释后直接用铁皮桶灌入回灌井的测管中。在加入示踪剂的第二天就开始在观测孔中取热水样,每天一次,水样当天送到化验室,另外每周观测一次各生产井的水位、水温。延续一个月后,改为每周取3次样直至采暖期结束。试验结果见图7-4(曾梅香,2008)。

表7-5 示踪试验井场各地热井基础资料

(资料源于《天津市基岩岩溶裂隙热储层回灌研究》,2001)

图7-4 观测井示踪剂I^-响应曲线

从图7-4中可以看出,I^-离子浓度基本在0.09～0.15mg/L之间波动,没有出现峰值,原因可能有:

1)取样延续时间较短,没有观测到峰值。由于受深部地热地质构造、储层结构的影响,溶于回灌井中的示踪剂在岩石储层中传递速度慢,使示踪剂在较短时间内无法到达周围各观测孔中,并从观测孔的热水离子浓度中反映出来。例如HX-25井,根据1997年7月抽水资料求得的渗透系数为K=2.22m/d,HX-25生产井井底距回灌井HX-25B井底距离为850m,从回灌井HX-25B井中注入示踪剂要到达HX-25井中的时间应在一个采暖期以上(120d);

2)回灌井与观测孔之间基本没有水力联系或联系微弱。以往的各种抽水、回灌试验,都选取了观测孔进行同期观测,从监测的结果看,回灌对周围观测孔的温度场、化学场影响微小,可能与低温回灌流体进入储宴芦层后并非水平流向周围开采井有关。或者说是各井之间直接的水力联系不明显,而是回灌流体经深循环后与开采井存在间接的水力联系。因此,在观测孔中要检测到引起热水的某种离子浓度的明显变化将比较困难;

3)相对较大的热储层水体而言,示踪剂的加入剂量较少,在观测孔的离子浓度剂量上示踪剂离子峰值反映不出来。由于地热水中普遍存在碘离子,选择碘化钾作为示踪剂,示踪结果只能依靠示踪离子浓度的突变来表现示踪剂是否达到,因此,示踪剂的选择是不适宜的或者投放量应该是大剂量的。

(二)放射性示踪剂试验

2001年11月天津地热院和北京中国原子能科学研究院国家同位素工程技术研究中心工业应用实验室合晌族带作,进行了地热回灌示踪试验。示踪剂投放井仍为HX-25B,观测取样井分别选HX-25,HX-26,HX-14,HX-13共4眼生产井。选用半衰期较短的同位素³⁵S(

=87d)作示踪剂,其检测灵敏度约为0.5Bq。2001年11月27日,通过分析试验场地的热储条件和流体动态特征,估算在HX-25B回灌井中投放³⁵S350mCi(约1.3×10¹⁰Bq)。取样方法为用5L塑料筒从生产井口取5L水样,取出后立即加1mL稳定剂,盖紧瓶盖,室温放置。样品由北京中国原子能科学研究院国家同位素工程技术研究中心工业应用实验室进行分析。该试验从2001年11月28日开始至2002年5月20日止,共取样551个。

根据样品分析结果,4个观测取样孔中只有HX-14井中分析出了³⁵S,其他3个观测取样孔均未分析出³⁵S。说明HX-14和HX-25井之间存在一定的水力联系,而与其他几眼地热井之间不存在水力联系。HX-14井³⁵S响应曲线见图7-5。从图上可以看出130天左右³⁵S浓度达到了峰值。

图7-5 HX-14地热生产井³⁵S响应曲线图

根据此次示踪试验数据,结合场地地质条件分析,可得出如下经验与认识:

1)此次试验只在HX-14井中检测出示踪剂成分,说明HX-25B与HX-14地热井在采灌条件下有一定的水力联系,间接表明两井之间(NW)有相对直接的联系通道。分析该井场的地热地质条件,海河断裂是一条区域性的深大断裂带,走向NWW。两试验井之间的联系通道除受热储本身裂隙发育、采灌水动力场影响外,主要还受海河断裂带的影响,推测海河断裂南侧影响宽度在2km以上。同时该试验结果也给我们一个提示,在采灌对井布局时,应垂直于区域主构造断裂带走向,以避免低温回灌水在短时间内对开采井的温度场造成影响。

2)试验结果显示在HX-14井中检测到的示踪剂浓度最大只有1.229Bq/L,不到总注入量(1.3×10¹⁰Bq)的十亿分之一。尽管示踪剂会被巨大的热储流场所稀释,但从检测到的浓度较低、时间较短可以看出,回灌流体进入储层后,只有一小部分沿断裂优势方向,在130天左右到达了HX-14井,而绝大部分在因密度差产生的压力下垂向深循环补给到了其他区域。历年的动态观测资料也表明,HX-14井的出水温度多年来基本稳定,没有出现降温现象,表明HX-25B回灌井的低温流体对区域温度场影响甚微。

3)将近40年的勘探、开发表明,在天津地区所有深度在4000m以浅的雾迷山组地热井均有稳定的高产地热流体,而且凡钻遇该层位(无论其在什么构造部位)均出现钻井液(清水)明显漏失现象,出水量稳定(吴铁钧,2005),说明雾迷山组热储层微观结构具岩溶裂隙型各向异性,但在宏观上具有裂隙均一、各向同性的特征,巨大的厚度和良好的渗透性能使雾迷山组成为天津地区最大的地热流体储集层。本次示踪试验雾迷山组HX-25B地热回灌井与其他同层开采井在采灌条件暂未发现水力联系,也说明它们之间无管道流现象,热储裂隙发育均一。

4)目前在地热回灌中,用作示踪剂的主要有:化学示踪剂、放射性同位素和稳定同位素示踪剂、活性示踪剂、荧光染色示踪剂。但无论哪种示踪剂,都应具备以下要求。

示踪材料在热储层中的本底低,样品中产出情况可充分识别、检验分析灵敏度高;

在热储温度、化学、压力条件下,与储层和地热流体不发生反应,具足够的稳定性;

溶于水但不被储层岩石吸附;

与被示踪流体流动特征相似、配伍性好;

放射性同位素示踪剂要有合适的半衰期,安全无毒,具有环保和安全性能;

价格合理,使用数量适中,现场可操作性强并具经济性。

5)尽管示踪试验结果给我们认识沉积盆地地下热流体运移的复杂性有一个判断依据,但仍有一些问题需要我们去思考。比如,流体在储层中运动,会有优势水流问题,那么用示踪剂的试验结果如何去反推地下水流动?

‘贰’ 地下水实际流速和流向的测定

地下水实际流速和流向的测定是密切相关的，在测定地下水实际流速前应先测定或确定地下水流向。

1.地下水流向的测定

地下水的流向是阐明区域地下水径流条件，确定地下水补给方向和流量计算断面的方向、正确布置地下水取水、排水、堵水截流工程设施以及示踪试验井组位置等必不可少的依据。地下水流向的测定（确定）方法主要有：①根据等水线图确定：即垂直等水位线由高到低的方向就是地下水流向；②物探方法：如用充电法确定地下水流向，详见有关物探书籍；③三角形井孔法确定地下水流向：大体按等边三角形布置三个钻孔（图5-15），并测定天然地下水位，用插值的方法作出等水位线，垂直等水位线由高到低的方向即为地下水流向（图5-15）。

2.地下水实际流速测定

地下水实际流速，可直接用于地下水断面流量的计算，判断水流属层流或紊流，可研究化学物质在水中的弥散，确定含水层的一些参数以及作为决定地下水灌浆中一些技术措施的依据等。测定地下水实际流速的方法有两种，其一为示踪试验法，其二为物探方法，这里仅说明前者的试验方法。

（1）测定流速前先测定地下水流向，方法同前。

（2）布置投剂孔（注入孔）和观测孔（接受孔）。在地下水流向已知的基础上，沿地下水流向至少布置两个井孔，上游孔为投示踪剂（或称指示剂）孔或注入水，下游孔为观测孔或接受孔（取样孔），为防止流向偏离，可在下游孔两侧按圆弧相距0.5～5.0m各布置一个辅助观测孔（图5-16）。上游孔与下游孔之间距离主要取决于岩石透水性。如为细砂，一般相距2～5m，透水性好的裂隙岩石一般为10～15m。

（3）选择示踪剂，并在注入孔中投放，在观测孔中进行接受监测。应根据试验条件和要求选择合适的示踪剂，目前我国测定实际流速主要采用的是化学试剂和染料，参见表5-2。进行试验时，首先将示踪剂以瞬时脉冲方式注入投剂孔（注入孔）中的含水层段，然后用定深取样分析方法或定深探头（如离子探针等）定时观测观测井（接受井）中示踪剂的出现，待示踪剂晕的前缘在观测中出现后，应加密观测（取样）次数，以准确的测定出示踪剂前缘和峰值到达观测井的时间。

表5-2 示踪剂类型、特点和应用条件