稠油注蒸汽開采蒸汽腔擴展形態(tài)4D微重力測量技術

李玉君，任芳祥，楊立強，周大勝，田鑫

（1.中國石油遼河油田公司特種油開發(fā)公司；2.中國石油遼河油田公司）

0 引言

微重力測量（Microgravimetry）是指在一個較小范圍內進行的高精度重力測量，其主要特點在于：探測對象小，測量范圍??；測量精度高，可達微伽級[1-3]。

20世紀50至70年代微重力測量首先興起于歐美，并得到廣泛應用。80年代中國引進了一批拉科斯特重力儀，在地球動力學研究、地基勘測、資源探察等方面取得了良好的效果并積累了一些經(jīng)驗[4-5]。

4D微重力測量主要利用不同時期重復測量的重力數(shù)據(jù)來研究地下介質，特別是地下流體的變化狀態(tài)及過程[6]。

遼河油田杜84塊館陶組超稠油油藏含油面積0.55 km2，地質儲量791×104t，儲集層孔隙度36.3%，滲透率5.54 μm2，油層深度640～780 m，平均油層厚度78.6 m，50 ℃時原油黏度為23.19×104mPa·s。該油藏自2005年轉入蒸汽輔助重力泄油（SAGD）方式開采，連續(xù)注蒸汽采油引起的地下物質密度（稠油密度約2.43 g/cm3，蒸汽密度約1.98 g/cm3）變化可達0.45 g/cm3左右，由此引起的重力變化約為幾十微伽至近 200 μGal[7-9]，因而可通過目的層 4D微重力觀測監(jiān)測蒸汽腔形態(tài)及其變化，并指導開發(fā)方案的調整。本文利用4D微重力測量技術，在建立研究區(qū)重力變化計算模型的基礎上，通過分析目的層流體微重力場變化，確定SAGD工區(qū)蒸汽腔形態(tài)，并指導調整注汽方案。

1 微重力測量原理

以地面某點作為坐標原點，z軸方向沿重力方向，x、y軸在水平面上，則任意形態(tài)地質體的重力異常表達式為：

在4D微重力觀測中，首先測得研究區(qū)4D微重力場，然后利用小波多尺度變換、小波三階逼近剝離目的層區(qū)域場，得到反映目的層中流體分布的剩余重力異常：

在注蒸汽開發(fā)（蒸汽吞吐、蒸汽驅或SAGD生產(chǎn)方式）的稠油或超稠油油藏中，隨著生產(chǎn)的深入，油藏中的稠油或超稠油被蒸汽（或蒸汽冷凝形成的水）驅替，蒸汽與稠油或超稠油密度的差異將引起重力場變化：

式中 ΔG——重力異常，μGal；G——萬有引力常數(shù)，6.67×1011N·m2/kg2；σ——地質體剩余密度，kg/m3；ξ，ζ，η——所測地質體的坐標，m；V——所測地質體的體積，m3；ΔGr——剩余重力異常，μGal；ΔGR——區(qū)域重力異常，μGal；Δg——剩余重力異常變化，μGal；ΔGr（t1），ΔGr（t2）——t1、t2時刻剩余重力異常，μGal。

因而分析不同時期觀測的微重力異常，可得到蒸汽腔疊合圖，進而可分析不同時期蒸汽腔形態(tài)、數(shù)量及變化。

2 微重力變化計算模型的建立

采油和注汽均可使地質體的密度發(fā)生變化（尤其是注汽過程，其產(chǎn)生的最大密度差可達0.45 g/cm3），從而引起重力異常的變化。為了分析蒸汽腔形態(tài)及其變化，建立目的層微重力變化計算模型：目的層深度（包括注汽層和稠油層）為650～780 m，厚度130 m，上層注汽，下層采油。由于含油層總厚度一定，隨注汽量增大，注汽層厚度不斷加大，油層厚度相應減小，注汽層密度隨之減小，從而引起重力異常變化。為了使模型更具有實用性，同時減少計算量，注汽層從原始油層深度650 m（此時，剛開始注汽，注汽層厚度為0）開始，以10 m為步長逐漸增厚，注汽層厚度每增加10 m，由于含油層總厚度一定，則稠油油層減少10 m。計算模型具體參數(shù)及模型計算得到的重力變化值見表1。

表1 模型參數(shù)及重力變化計算值

由模型計算結果可以看出，稠油注汽開采中注汽層密度變化引起的重力異常變化為 7.87～191.49 μGal。由此可見，通過4D微重力觀測完全能監(jiān)測油田開采中目的層流體重力異常變化。

3 微重力變化計算模型的應用

遼河油田杜84塊館陶組超稠油油藏自2005年利用SAGD技術進行開發(fā)以來，累計注蒸汽達385.648 1×104t（截至2012年6月）。為了表征注入蒸汽的運移及形態(tài)，于2009年、2010年2次測量研究區(qū)微重力場，結合不同深度油層的注汽量和產(chǎn)油、產(chǎn)水量，圈定測區(qū)重力異常區(qū)，分析蒸汽腔的變化，從而得出油藏的動用情況[10-11]。

基于不同時期測得的研究區(qū)4D微重力場，首先利用小波多尺度變換、小波三階逼近剝離目的層區(qū)域場，得到反映目的層中流體分布的剩余重力異常（見圖1），以?20 μGal為主體異常，預測蒸汽腔分布。圖2為根據(jù) 2次觀測的微重力異常分析得到的蒸汽腔疊合圖，基本能反映不同時期蒸汽腔形態(tài)、數(shù)量及變化。

從蒸汽腔平面變化分析：兩個時期（2009年、2010年）蒸汽腔分布大體一致，部分蒸汽腔有一定的偏移，微重力異常分析得到的蒸汽腔分布與2009年6月及2010年 9月數(shù)值模擬結果（見圖 3）基本相符，均反映了 4號蒸汽腔變大，1號、2號、3號蒸汽腔向d58-56井偏移。井溫測試曲線（見圖4）也表明，2號蒸汽腔有擴大趨勢，與微重力測試解釋結果相符（見圖2）?？梢?，數(shù)值模擬及井溫測試均驗證該項技術在理論上可行，實踐上可靠。

根據(jù)2010年11月微重力監(jiān)測結果，4號蒸汽腔在向d58-54井擴張的同時，在d56-154井范圍（即Gh12井方向）有縮小趨勢（見圖2），Gh12井的產(chǎn)油量明顯降低，由2009年5月的平均日產(chǎn)84.2 t，下降至2010年5月的65.4 t。

圖1 剩余重力異常圖

圖2 2009年、2010年預測蒸汽腔疊合圖

為了提高 Gh12井的產(chǎn)量，2011年初對研究區(qū)油藏開發(fā)方案（主要是注汽方案）進行調整，加大d56-154井注汽量，對4號蒸汽腔進行改善，經(jīng)過近1年的恢復，Gh12井的產(chǎn)量明顯提高，2012年5月日產(chǎn)油已恢復至82.8 t，效果顯著。

圖3 蒸汽腔分布數(shù)值模擬結果

圖4 Gg3井井溫變化（反映2號蒸汽腔不斷變大）曲線

4 結論

稠油注蒸汽開發(fā)過程中，蒸汽腔變化導致目的層流體密度的變化，從而引起地表的微重力變化，測量研究區(qū)地質體重力異常，經(jīng)小波變換剝離目的層區(qū)域場，可得到反映注汽層和稠油層流體密度的剩余重力異常。

由數(shù)據(jù)模擬結果以及井溫測試曲線可知，4D微重力解釋結果基本能反映蒸汽腔形態(tài)及其變化，可用于分析油藏注蒸汽開發(fā)動態(tài)，為調整注采方案、改善油藏開發(fā)效果提供指導。

[1]劉國印, 燕長海, 趙建敏, 等.微重力法與可控源音頻大地電磁法組合在豫西尋找隱伏鋁土礦中的應用[J].地質通報, 2008, 27(5):641-648.Liu Guoyin, Yan Changhai, Zhao Jianmin, et al.Application of combined microgravity survey and CSAMT sounding in search for concealed bauxite deposits in western Henan, China[J].Geological Bulletin of China, 2008, 27(5): 641-648.

[2]金文敬, 黃乘利, 唐正宏, 等.從地球重力場測定至引力透鏡的檢測：引力場對天體精確定位的影響[R].上海: 中國科學院上海天文臺, 2004.Jin Wenjing, Huang Chengli, Tang Zhenghong, et al.From determination of the earth gravity to detection of gravitational lensing: Influence of gravitational field on precise positional determinations of celestial bodies[R].Shanghai: Astronomical Observatory, 2004.

[3]王作峰.普通物探新技術[J].中國新技術新產(chǎn)品, 2011(2): 132.Wang Zuofeng.Common new geophysical technology[J].China New Technologies and Products, 2011(2): 132.

[4]奚日升.微重力效應的物理解釋及其應用[J].空間科學學報,2002, 22(4): 346-356.Xi Risheng.A physical explanation of microgravity effects and its applications[J].Chinese Journal of Space Science, 2002, 22(4):346-356.

[5]趙樂濤, 王永章, 韓良德, 等.應用于鐵礦采空區(qū)探測的地球物理方法概述[J].西部探礦工程, 2011, 23(1): 112-114.Zhao Letao, Wang Yongzhang, Han Liangde, et al.Geophysical methods summarize for exploring the mined-out region[J].West-China Exploration Engineering, 2011, 23(1): 112-114.

[6]周錫明, 辛厚勤.微重力異常的變階滑動迭代趨勢分析法在某油田中的應用[J].桂林工學院學報, 2005, 25(1): 19-22.Zhou Ximing, Xin Houqin.Application of variable-order sliding and iterating trend analysis method in microgravity anomaly[J].Journal of Guilin University of Technology, 2005, 25(1): 19-22.

[7]劉志波, 程林松, 紀佑軍, 等.蒸汽與天然氣驅(SAGP)開采特征:與蒸汽輔助重力泄油(SAGD)對比分析[J].石油勘探與開發(fā), 2011,38(1): 79-83.Liu Zhibo, Cheng Linsong, Ji Youjun, et al.Production features of steam and gas push: Comparative analysis with steam assisted gravity drainage[J].Petroleum Exploration and Development, 2011,38(1): 79-83.

[8]趙慶輝, 劉其成, 于濤.蒸汽輔助重力泄油蒸汽腔發(fā)育特征研究[J].西南石油大學學報: 自然科學版, 2008, 30(4): 123-126.Zhao Qinghui, Liu Qicheng, Yu Tao.Research on the characteristics of steam chamber development of steam-assisted gravity drainage[J].Journal of Southwest Petroleum University: Science & Technology Edition, 2008, 30(4): 123-126.

[9]Butler R M.Steam-assisted gravity drainage: Concept, development,performance and future[J].Journal of Canadian Petroleum Technology, 1994, 33(2): 44-50.

[10]姜福杰, 龐雄奇.環(huán)渤中凹陷油氣資源潛力與分布定量評價[J].石油勘探與開發(fā), 2011, 38(1): 23-29.Jiang Fujie, Pang Xiongqi.Quantitative evaluation of hydrocarbon resource potential and its distribution in the Bozhong Sag and surrounding areas, Bohai Bay Basin[J].Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(1): 23-29.

[11]關文龍, 席長豐, 陳亞平, 等.稠油油藏注蒸汽開發(fā)后期轉火驅技術[J].石油勘探與開發(fā), 2011, 38(4): 452-462.Guan Wenlong, Xi Changfeng, Chen Yaping, et al.Fire-flooding technologies in post-steam-injected heavy oil reservoirs[J].Petroleum Exploration and Development, 2011, 38(4): 452-462.