[科普中国]-示踪剂检测技术

发展概况

20 世纪50 年代，开始使用无机盐、染料、卤代烃和低分子醇等化学示踪剂来定性地了解地下流体的运动情况；

20世纪70年代，出现了以氚及氚化物为代表的放射性同位素示踪剂；

20世纪80年代开始研究和应用以氘及其化合物为代表的稳定性同位素示踪剂。前三代油田示踪剂由于本身的各种缺点，不能满足目前油田开采的要求， 进而促使了微量物质示踪剂的产生；

20世纪60年代中期以来，油田示踪技术在世界上许多国家得到了长足的发展；20世纪80年代开始引入我国，在胜利、大港等油田得到了应用与推广。早期的油田示踪技术仅定性地描述油田注入流体的地下运动方向和油藏非匀质特性。 随着技术的进步和油田开发需求的日益增加， 油田示踪技术已逐步成为油田二次采油和三次采油过程中一种重要的油藏工程手段，并被迅速地推广应用。1

示踪剂的作用将一定浓度的示踪剂从注水井注入, 在周围油井检测采出水中示踪剂浓度随时间的变化, 并绘制示踪剂采出曲线, 通过数值分析求出油层的物性参数。利用所得到的物性参数可以描述油藏, 分析确定油层内有无高渗透层或大孔道, 跟踪注水流向, 分析油水井注采对应关系, 判断断层密封性能, 为选择适用的堵剂和制定合理的堵调方案提供依据。具体说来, 示踪剂有如下作用:

①了解注水井与采油井的连通情况, 若在相邻的油井采出示踪剂, 则说明两井互相连通; 若没有采出示踪剂, 则说明两井不连通或渗透率太低;

②了解注入流体在地层中的渗流速度, 若示踪剂在地层中的吸附量很低, 则示踪剂在地层中的渗流速度可看作与注入液体相同, 从注水井注入带有示踪剂的液体, 测出从相邻油井采出示踪剂的时间, 就可计算出注入液体在地层中的渗流速度;

③了解地层的分层情况。从油井测定出不同时间的示踪剂的采出浓度, 作出浓度随时间变化的关系曲线, 曲线上的峰数即为地层的分层数。通过数值模拟, 可以计算出地层各层的厚度和渗透率大小;

④了解地层中是否存在裂缝。若示踪剂从注入到产出所经历的时间很短, 说明地层有裂缝或特高渗透条带存在;

⑤地层处理效果评价。用示踪剂可以测出地层处理前后所注入的液体的流动方向和流动速度, 以评价地层的处理效果。同时, 示踪剂也可测出油井的来水方向、注入水在各油井的分配及注水采油的体积扫油效率等, 为以后注水的平面调整提供决策依据。

示踪剂分类示踪剂可以按照不同的标准分类。按所指示的流体分类!可分为气体示踪剂和液体示踪剂，其中液体示踪剂又可分为水示踪剂和油示踪剂；按在油水相中的分配分类!可分为油溶性示踪剂、水溶性示踪剂和油水分配示踪剂；按浓度分析分类，可分为放射性示踪剂和化学示踪剂两类。

由于油藏环境的限制，示踪剂必须满足化学稳定性、物理稳定性和生物稳定性 3个方面的要求。

一种性能优良的示踪剂应满足：在地层中的背景浓度低，在地层表面吸附量少；与地层矿物不发生反应；与所指示的流体配伍，具有化学稳定和生物稳定性；易检出、灵敏度高；无毒、安全，对测井无影响；来源广、成本低。

化学示踪剂化学示踪剂主要包括以下几类:

(1)易溶的无机盐。如SCN-,NO3 ,Br-,I-,Cl-等，主要用作水示踪剂。由于砂岩地层表而带负电，这类示踪剂在地层表而吸附少，消耗量小，容易被分光光度计法检出，目前在我国的大港、胜利、吉林等油田应用较多。

(2)荧光染料。像胭脂红、茜素红、曙红Y等阴离子型染料，可提供有机阴离子，用作水示踪剂。但由于在地层表而吸附量大，地层中的一些成分还会干扰分析，所以在地层中停留时间超过Sd就不能使用。由于在裂缝中的停留时间短，吸附损失少，可以用于检测井间地层的裂缝。

(3)卤代烃和低相对分子质量的醇。卤代烃如一氟三氯甲烷、三氯乙烯、二澳丙烷、六氟苯等，可用作油示踪剂和气体示踪剂。它们在地层表而吸附量少，并易为气相色谱法检出，但是对原油的后加工会有影响。像甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇等低分子醇，多用作水示踪剂和油水分配示踪剂。这类示踪剂生物稳定性差，投放和取样时都需加入杀菌剂，以防比因生物降解而引起浓度变化。

化学示踪剂是油藏研究的重要手段之一，它在研究油层连通性、储层物性、断层封闭性、注水对应关系以及注入水推进速度等方而有着重要的作用。

1992年以来，在河南稀油田进行了多次化学示踪剂现场应用，在判断油层连通性、注水对应关系等方而取得了一定效果，对油藏研究、动态调整起到了积极作用。但是近几年来，随着聚合物驱、弱凝胶驱应用范围的扩大，地层水质发生变化，给化学示踪剂的检测和结果分析带来了不少的困难，甚至部分示踪剂检测不到，没有达到预期的效果川。

由于易溶的无机盐、荧光染料、卤代烃和醇类等化学示踪剂需要矿场作业，且用量大，成本高，适应性和选择性差，测试分辨率低，有环境和人员安全问题，这类示踪剂逐渐呈淘汰之势。

放射性同位素示踪剂放射性同位素示踪剂主要是含氖化合物，如氖化氢(3HH) ,氖水(3HHO) ,氖化丁醇(3HC4H8OH ) ,氖化庚烷(3HC7H15)等，可用作水示踪剂、油田示踪剂、气体示踪剂或油水分配示踪剂，目前在大庆油田使用普遍。

放射性同位素示踪剂可以在生产井或观察井中实现分层测试。利用自然γ射线，可以实现不取样检测。这类以氖及氖化物为代表的放射性同位素示踪剂虽具有用量少、检测方便且检测分辨率较高等优点，但由于其具有放射性，对人员、环境安全不利，应用受到限制。

稳定性同位素示踪剂稳定性同位素是指那些没有放射性的同位素，如12C、13C、l5N、18O等。稳定性同位素示踪剂具有无高温转化、无放射性危害、用量少、现场操作简便、测量精度高达10-11等特点，比放射性同位素示踪剂具有更大的优点。

以氖及其化合物为代表的稳定性同位素示踪剂克服了放射性同位素在使用过程中带来的环境和安全问题。但由于稳定性同位素示踪剂品种更少，而且在使用时不能让其在矿场显示出放射性，取样后仍需通过室内的原子反应堆激活，用中子活化法测量其放射性活度，只能由原子能机构进行室内检测操作，其分析测试手段繁杂，费用昂贵，限制了其应用。

微量物质示踪剂微量物质示踪技术是向井中注入微量示踪剂然后按照一定的取样规定严格取样，并利用电感祸合等离子质谱，对样品进行分析，绘制出各个井的产出曲线。根据曲线特征进行拟合处理，从而研究分析储层的地层参数，最后通过数学模型及综合分析解释，研究储层非均质性和剩余油分布规律。

微量物质示踪技术实现了从定性到定量的转变，能有效地反映地下流体的分布状况和运动规律，同时可以取得相关的地层参数，从而定量地评价储层非均质状况。

与前三代油田示踪剂相比，微量物质示踪剂还具有以下优点：

(1)无放射性、无污染、安全稳定性好，用量少，直接从井口加入，价格便宜，成本较低。

(2)分析精度高。一般化学分析只能达到10-6，而微量物质分析可达10-9，可获得前三代示踪剂捕捉不到的信息。

(3)由于加入的微量物质示踪剂，与被跟踪物质形态同步，并直接跟踪物质运行状况，因此分层加入不同示踪流体可以综合解决油水井的连通情况，确定油层平而和纵向上的非均质性，结合其他手段确定压力场的分布、动态流线分布、剩余油饱和度及分布等。

(4)能较好地跟踪多相地下流体的运动状况，既可用于常规水驱，也可用于聚合物驱、气驱、蒸汽吞吐开采以及非混相驱的生产动态监测。

示踪剂用量计算使用示踪剂的目的是为了定性地描述油藏，其主要用途如下’描述注入流体的推进方向和速度，评价体积波及效率，解释注入流体层内指进的原因!描述流动遮挡，发现方向性流动趋势!描述油藏的非匀质特征，测定层内不同注入流体之间的相对运动速度(混相区)，识别双或多空隙，渗透率油藏及其相对体积系数，确定剩余油饱和度及分布，指导设计和执行二次和三次采油项目。其用量计算公式为：

式中: G———示踪剂用量, t ;

h———地层厚度, m;

Sw———含水饱和度(用分数或小数表示) ;

CP ———从油井采出示踪剂的浓度峰值, mg/ L;

a———分散常数, 一般为0 .0153 m;

L———井距, m。2

应用示踪剂应满足以下条件: 在地层中的背景浓度低, 滞留量少, 化学稳定性与生物稳定性好, 与地层流体配伍型好, 检测、分析简单、灵敏度高, 安全无毒、对测井无影响, 货源广、成本低。

油田常用示踪剂: 氚水( 3H2O)、硫氰酸铵(NH4CNS)、硝酸铵(NH4NO3 )、溴化钠(NaBr )、碘化钠(NaI )、氯化钠(NaCl )、荧光素钠(C20H12O5Na2 ) 、乙醇(C2H5OH) 等。2

投放示踪剂前的准备工作①熟悉井史, 根据注水井投注以来水质的变化和对应油井产出水水质的变化, 估计示踪剂可能产出的时间;

②分析背景浓度, 投放示踪剂前, 每天或隔天一次取7～15 个背景数据, 对水井的注入水和对应油井的产出水测定示踪剂的背景浓度, 作为投放示踪剂后判断示踪剂是否到达油井的对比数据;

③订立取样分析制度, 根据预计的突破时间决定取样的时间间隔, 预计突破时间短的每2 h 或4 h 取样一次, 突破时间长的每天、每两天或每周取样一次。遇到异常现象时要加密取样和平行分析次数, 将所有检测结果记录在统一的表格中。

示踪剂的投放: 一般将示踪剂配制成6% ～10% ( 质量) 的溶液, 以10～30 m3/ h 的排量注入地层。投放示踪剂后立即转入注水。2

发展趋势油田示踪技术自20世纪50 年代出现以来，油田示踪技术经历了化学示踪剂)放射性同位素示踪剂)稳定性同位素示踪剂和微量物质示踪剂4个发展阶段，目前，已逐步形成了一套较为完整的理论体系。

目前油田进行测试用的化学示踪剂一般采用硫氰酸铵)溴化钠)碘化钾)异丙醇等物质，大都存在用量大)成本高)检测误差较大的缺点，当井与井之间出现多重交叉时就会分辨不清，有时还会使矿化度增高，直接影响了聚合物溶液的黏度。 而放射性同位素示踪剂也存在使用过程极其复杂、操作严格、易发生放射性事故的缺点；与放射性同位素示踪剂相比，非放射性同位素示踪剂品种更少，取样后仍需通过室内的原子反应堆激活，用中子活化法测量其放射性活度，而且只能由原子能机构进行室内检测操作，分析测试繁杂，费用昂贵，使其应用受限。 与普通示踪剂相比，微量物质示踪剂具有无放射性、无污染、安全稳定性好、用量少、价格便宜、成本较低和分析精度高等优点。 因此，很有必要加大对第四代微量物质示踪剂的研究开发和推广，而且开发和使用高质量的第四代微量物质示踪剂是新型油田示踪剂发展的趋势。1