CO2地质埋存监测技术最新进展

【摘要】近年来，CO2埋存试验工程采用了一些新方法对油气井进行地下监测，以此来获得更多更高质量的井眼信息数据。发展这些新的技术和方法的原因是：（1）评价与CO2运移有关的地下物理和地球化学过程需要获得数据；（2）深井的高成本要求从每口深井中获得尽可能多的数据；（3）观察CO2羽状带的演化发展需要更高的分辨率；（4）在石油和天然气行业中缺少成熟的综合永久性监测工艺流程和技术；（5）对于CO2埋存地点长期特性的确定缺乏数量，类型和监测期限的控制性指导。本文将分析目前油气井监测和整体监测项目的最新的创新进展及应用情况。

【关键词】 CO2的饱和度 电缆测井 地球物理技术 油藏饱和度

1 前言

石油和天然气行业进行井监测的主要目的是提供重要信息用于优化油藏管理和指导安全经济的开发地下油气资源。井的监测过程比较复杂，需要许多技术和设备。在钻井过程中，通常要取出岩心来进行岩石物理性质的测量，以得到流体饱和度信息。电缆测井使用非接触方法（例如地震和无线电波技术）获取信息来定期监测岩层，电缆测井方法还能测量地层压力和收集流体样品。另外安装永久性传感器和重复进行地球物理测量也可以评价地下瞬间的变化。

油藏管理是CO2埋存井监测的一个重要目的。然而，CO2运移的过程对监测数据有更高的要求，因为这种运移在传统的流体生产中并不存在。不同的国家和地区管理CO2埋存规章制度的不同可能会导致未来产生许多复杂问题，所以必须把CO2羽状带限制在法律允许的有效的孔隙空间中。保证CO2的永久埋存必须要理解相互联系的地下过程――包括水文的，力学的，地球化学的信息。注入CO2提高采收率工作已经进行了三十年，为了确保注入的大量CO2的安全长期性埋存，不得不对地下监测措施提出更高的要求。

2 井的监测技术2.1 电缆测井

电缆测井包括一系列的测量技术，将探针放入井内，由传感器获得的数据经电缆传到地面进行记录。通常采用的电缆测井包括伽马射线密度，地层电阻率，声波速度，自然电位，温度和压力测井。油田服务部门正不断发展更加新颖复杂的工具来获取更多更高质量的井筒数据，使用的工具包括地层微成像仪，中子横截面俘获仪（油藏饱和度测量工具）和核磁共振扫描仪。除了放入井内用于收集数据的探针外，也有用于收集流体样品和井壁岩心的电缆工具，例如Kuster流体采样器，斯伦贝谢的模块式地层动态测试器。

一些CO2埋存试点研究使用标准的油田工具来描述地层中CO2分布和饱和度。在长冈盐水饱和砂岩层中进行了CO2注入实验，并对三口观察井进行了重复测井研究。通过测试声波速度的降低和电阻率的升高估计了CO2的饱和度。根据长冈获得的数据，确定了CO2从注入井到观察井的时间和CO2的波及系数。

在2004年进行的Frio盐水先导性试验中向页岩盖层下陡峭倾斜的盐水饱和砂岩层中注入了1600吨的CO2，使用电缆起下的油藏饱和度测量工具（RST）进行了重复性研究。RST工具利用脉冲中子俘获来确定变化的盐水饱和度，RST工具估计的参数Sigma（S），是由热中子俘获速率确定的（主要是氯元素）。由于完井过程中的变化，为了获得如图所示的图像，需要进行仔细的数据修正。CO2对RST测井具有很强的敏感性，因此可以用来推测CO2浓度的变化。但是对于射孔区域的裸眼井段，还难以准确预测更深处地层中的CO2饱和度。

2.2 地球物理技术

Sleipner工程的早期工作显示了表面地震波探测和监测地下CO2的能力。一种常规的增大和调整表面地震波的钻井方法是垂直地震剖面技术，在井眼中安放地震波探测器，记录来自地表震源的数据。在Frio试点工程中延时垂直地震剖面技术成功的用于探测和绘制注入井附近CO2分布图。不过垂直地震剖面技术在空间上仅限于一口井的附近，近井地带对监测CO2带的运移同样是很重要的。如果采用永久传感器，用VSP法长期监测更加划算，在西宾夕法尼亚测试了这种永久性传感器，取得了良好的效果。在Otway项目中，将一套半永久性的VSP传感器与其他设备整合在一起进行了成功的测试。Majer等人在2006年调研了低造价浅井“微型井眼”中延时VSP监测中的使用，井眼传感器也表现了出色的地震微波监测能力。

井间地震成像是一种更加独特的测量技术，它可以提供两口井之间的层析成像图。在20世纪90年代初研发井间地震成像用于油藏监测，能给出高分辨率的地下空间特征图像。理解地震波速度和CO2饱和度之间的关系在CO2埋存中是很重要的，同样也是定量解释表层地震波所必不可少的。在Frio试点工程中，井间地震成像技术成功地对由于CO2注入引起的速度变化进行了成像。在长冈试点工程中是使用延时井间测量和声波测井来测量注入CO2引起的速度变化。

2.3 油气井的全面监测

深井钻完井的高额成本，要求必须获得尽可能多的数据。传统情况下，在井筒中进行连续的测量，同时对于每项独立的测量要进行相应设备的安装和拆除。油气行业已经开始逐步进行永久井下传感器的组合，例如在能进行电缆测井的同时允许进行连续的压力和温度的测量。最近的CO2埋存试验性研究中，由于需要更准确的理解CO2的运移和分布，设备包含了非常复杂的多功能永久使用的传感器串，同时能够使用电缆设备，这就是所指的井的全面监测。

在美国德克萨斯州代顿市的Frio-Ⅱ先导性试验中，同时使用了24个压敏检波器，具有U形管的地球化学取样器和压力/温度变送器，将它们固定在观察井筒2-3/8的套管上。正如前面讨论到的，使用的压电地震源产生CO2带在注入井和观察井间运动的连续图像，U形管流体取样与周期性的电缆测试同时进行。

3 结论

许多标准化的油田工具，例如声速和双感应测井适合于监测油藏中CO2的埋存。地震测井对于CO2取代地层水过程中地震性质的变化尤其敏感。由于现有工具的历史和对它们的熟悉程度，通常将其作为未来监测体系的基础，同时也使用新近研发的工具设备，它们通常对于由于CO2侵入引起的性质改变比较敏感。DTPS监测热导率的降低，这种降低是由CO2的热导率比盐水低导致的。U形管取样器在Frio盐水试验和Otway工程中证明能够在油藏压力条件下收集到相对无污染的多相流体样品。需要进行其他的实验研究来理解不同CO2饱和度对于地震和电学性质的影响；通过这些研究后，井的地球物理研究将能够估计CO2饱和度。全球范围内大量的CO2埋存示范性工程和朝着商业规模多元结合的进步导致了现有及新工具、技术的迅速应用，这些可以监测CO2的地下埋存。

参考文献

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作者简介

蔡晓婷（1985，5，25-），女，2008年毕业于辽宁工业大学，机械设计制造及其自动化 专业，现从事石油装备研究工作。