注蒸汽稠油熱采開發(fā)區(qū)淺層汽竄的微重力勘探方法

蔡寧驍 王真理 周大勝 王 義

(①中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029；②中國科學院地球科學研究院，北京 100029；③中國科學院大學，北京 100049；④中國石油遼河油田公司，遼寧盤錦 124010)

0 研究背景

世界上稠油資源極其豐富，其地質儲量遠超常規(guī)原油儲量。中國的稠油主要分布于松遼、渤海灣、準噶爾、南襄、二連等含油氣盆地，開發(fā)潛力巨大[1]。注蒸汽稠油熱采技術可大大提高稠油的采收率，但在蒸汽吞吐、蒸汽驅、蒸汽輔助重力泄油等過程中，常常伴隨淺層汽竄現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為蒸汽進入淺層砂層并儲集，當壓力進一步增大時，會沿著薄弱的地層突破至地表，造成地表漏氣。淺層汽竄現(xiàn)象一旦發(fā)生，會因為熱能的損失影響采收率，增加生產成本，還可能造成淺層水污染或安全事故。

關于注蒸汽稠油熱采區(qū)的淺層汽竄現(xiàn)象(圖1)的成因，主要有兩種觀點。王曉惠等[2]認為在蒸汽吞吐開采時，局部高壓將地層壓裂，形成汽竄通道，蒸汽沿通道進入淺層砂層的儲集空間，待壓力大于地表蓋層承受極限時，蒸汽突破至地表。而章敬等[3]則認為，油井經過反復的高溫蒸汽注入，會由于熱脹冷縮，在固井水泥環(huán)與油層套管間產生縫隙，這就是注入蒸汽上竄至淺層的通道。上竄的蒸汽進入淺層砂層中，使地層中的巖石物性發(fā)生變化，這就是應用地球物理方法探測淺層汽竄的物理基礎。

霍進等[4]用井間電位技術監(jiān)測新疆油田重32區(qū)的地表汽竄。胡耀江等[5]基于一維飽和多孔介質模型，在熱液區(qū)為半無限大側向介質導熱時，推導了散熱項和對流項系數隨時間變化的表達式，據此可以計算模型內各點的溫度，并與實驗模型結果對比。

圖1 注蒸汽開發(fā)區(qū)淺層汽竄示意圖

Gudbjerg等[6]提出一個簡化的模型，說明地質條件、蒸汽注入參數和蒸汽排出系統(tǒng)對蒸汽推進的形態(tài)有很大影響。Ochs等[7]進行了一系列二維實驗，研究原始飽和水地層在注入蒸汽時，蒸汽推進的特性，并推導了其數學模型。

前人研究成果表明，當高溫蒸汽注入水飽和的砂層時，會產生一個蒸汽腔，這個蒸汽腔的密度遠小于之前水飽和時的密度。高溫蒸汽腔的形狀受孔隙度、蒸汽輸入速度等因素的制約，一般為卵形或者柱形。

通過地面觀測的重力異常信號，對地下密度異常體的位置和規(guī)模進行求解，屬于地球物理反演問題[8-9]。通常通過分離區(qū)域異常與局部異常提取重力異常，包括多項式曲面擬合法、波長濾波方法、匹配濾波法、小波多尺度分析法以及獨立分量分析法等[10-11]。這些方法由于數學原理及應用前提的不同，在實際操作中具有針對性和選擇性。為研究重力異常與場源埋深的關系，楊輝等[12]在位場延拓理論基礎上，提出一種計算重力異常視深度的方法。郭良輝等[13]通過徑向平均對數功率譜分段的特征，估計各等效層的近似深度。楊文采等[14]通過重力正演引入場寬度概念，提出布格重力異常的尺度與場源埋深呈正相關，并分析小波多尺度變換的尺度—深度轉換規(guī)律。

1 針對淺層汽竄的微重力勘探方法

1.1 微重力方法原理

近年來，隨著重力儀和GPS儀器精度和處理技術的不斷發(fā)展，微重力勘探方法被廣泛應用于探測地下介質密度差異，包括地下陵殿的探查[15]、地下水遷移[16]、油氣儲層流體變化[17]、稠油開發(fā)過程中油藏蒸汽腔擴展的監(jiān)測[18]等。

據萬有引力公式，地質體重力異常為

Δg(x,y,z)

(1)

式中：V為地下密度異常體的空間范圍；σ為剩余密度；G為萬有引力常數。

需要注意的是，重力勘探中現(xiàn)場采集的微重力數據需經過一系列處理才能得到布格重力異常，再分離區(qū)域場，才能得到目標地質體(層)密度差產生的剩余重力異常

Δgr=Δg-ΔgR

(2)

式中ΔgR表示目標體深度之下地層的區(qū)域重力場。

1.2 模型正演分析

為了研究微重力勘探方法如何探測淺層汽竄聚集區(qū)的位置，進行模型正演。研究區(qū)為遼河油田杜84 SAGD開發(fā)區(qū)，根據油藏物性參數，建立了一個包括兩個汽柱狀淺層汽竄異常體(異常體1和2)和兩個薄層狀淺層汽竄異常體(異常體3和4)的模型，其深度和規(guī)模不同(表1)。模型1～4的中心點平面坐標分別為(300m,300m)、(300m,700m)、(700m,300m)和(700m,700m)。設該模型的汽腔內蒸汽密度為0.0006 g/cm3，地層水密度為1.0000 g/cm3，砂層骨架密度為2.6500 g/cm3，砂層孔隙度為0.25，汽腔內含水飽和度為0.1。在汽柱狀區(qū)域，上竄蒸汽進入上覆的較厚砂層，蒸汽腔以向上發(fā)育為主；在薄層狀區(qū)域，上竄蒸汽進入上覆的較薄淺部砂層，上有蓋層，蒸汽腔以橫向發(fā)育為主。

表1 淺層汽竄模型基本參數

模型正演結果顯示，這四個由于淺層汽竄形成的密度異常體各自在地表產生的最大重力異常分別為-9.27、-17.61、-4.62、-12.50μGal，其疊加重力異常場分布如圖2所示?？梢?，異常體1、異場體2和異常體4中心位置的地表微重力絕對異常值都大于10.0μGal，目前常用的微重力儀器(如CG-5型重力儀和貝爾雷斯型重力儀)均滿足可重復測量精度的要求。異常體3的中心位置所對應的地表最大絕對重力異常大于5.0μGal，新一代高精度重力儀(如CG-6型儀器)能達到測量精度要求。

出現(xiàn)淺層汽竄的稠油熱采開發(fā)區(qū)的深部儲層內已經發(fā)育一定規(guī)模的蒸汽腔。不同深度的密度虧空產生的重力效應會疊加到重力異常場上，所以在這個淺層汽竄模型的基礎上，引入了儲層內蒸汽腔的影響。假設在深度500m之下有一個稠油油藏正在進行SAGD開發(fā)，形成了一個大型蒸汽腔，呈水平圓柱狀(參數見表2)，其中心點坐標的平面坐標為(500m,500m)。這個蒸汽腔在地表產生的重力異常(圖3)最小值為-21.18μGal。將這個重力異常場疊加到圖2，以10m為間隔采樣，并加入隨機高斯噪聲,得到綜合疊加重力場(圖4)。

圖2 四個密度異常體疊加產生的重力異常場

參 數 數值油藏頂埋深/m500油藏底埋深/m600蒸汽腔長度/m400蒸汽腔發(fā)育半徑/m50淺層汽腔內蒸汽密度/(g·cm-3)0.0006稠油密度/(g·cm-3)0.9500儲層骨架密度/( g·cm-3)2.6500儲層孔隙度0.25蒸汽腔內含水飽和度0.1

圖3 正常注蒸汽形成的蒸汽腔引起的重力異常場

圖4 加入隨機高斯噪聲的地表重力異常場

1.3 多尺度曲面擬合異常提取方法

采集的微重力數據經常規(guī)處理可以得到布格重力異常場。布格重力異常場由地下不同埋深的不均勻地質體的重力作用疊加而成，它既包括深層的區(qū)域場，也包括目標深度的剩余重力異常場，為此需要提取反映目標體的重力異常。

油藏監(jiān)測工區(qū)面積小，因此對微重力勘探方法的解釋精度要求較高，常用的異常提取方法效果均不盡如人意。經過模型試算與項目實踐，基于多項式曲面理論提出一種多尺度曲面擬合的異常提取方法，提取高精度微重力異常。該方法的原理是構建一種數學模型去逼近區(qū)域場曲面。假設重力場可以用無窮階次的多項式表示

(3)

多尺度曲面法中的尺度指的是曲面擬合局部重力場時的采樣點間隔。多尺度是通過成倍擴大原始重力數據最小采樣間隔實現(xiàn)的。先以相鄰的微重力最小采樣間隔為尺度選取局部曲面，用最小二乘法計算式(3)中的系數擬合局部曲面，提取局部區(qū)域場可得到該尺度下的重力區(qū)域場；然后逐步擴大尺度，重復上述流程，就可以得到不同尺度的重力區(qū)域場和剩余異常場。具體的技術流程見文獻[19]。

考慮地下存在一個密度異常的球體，其地表觀測重力異常場為

(4)

式中：h代表觀測點到異常體中心點的垂直距離；M是異常體質量。

重力異常絕對值的最大值Δgmax出現(xiàn)在密度異常地質體正上方x=0處，當x=Δx時，重力異常值Δg′衰減至最大值的80%，有

(5)

h=2.5Δx

(6)

式中Δx指能反映這個特定異常體形態(tài)的尺度。式(6)即為多尺度曲面擬合異常提取方法中尺度與異常體埋深的關系式。這個關系式是理想情況下的理論公式，由于地下真實情況更為復雜，應用于淺層汽竄的實例之前，還需正演模擬驗證這個關系的準確性。以圖4中的疊加重力異常作為待分離的重力場，使用多尺度曲面擬合法提取了不同尺度的剩余重力異常(圖5)。

第一次曲面擬合選取的尺度為10m，即模擬的最小采樣間隔，得到最小尺度剩余重力異常場(圖5a)?？梢钥闯?，這個尺度的剩余重力異常場以隨機噪聲為主，可見這個尺度下提取的剩余異常場并不能反映異常體的存在，因此需進一步提高曲面擬合的尺度。

圖5 圖4異常場在不同尺度下利用曲面法提取的剩余重力異常及區(qū)域場

對第一次曲面擬合得到的區(qū)域場進行第二次多尺度曲面擬合，得到尺度為20m的剩余重力異常場(圖5b)。可以看出，這個剩余重力異常場仍然包含隨機噪聲，但是出現(xiàn)了異常體4產生的近地表異常，這個異常體是四個密度異常體中最淺的(埋深30～40m)。繼續(xù)擴大曲面擬合尺度到40m，提取到的多尺度曲面擬合異常見圖5c，可以看出，此時隨機噪聲幾乎被完全壓制，除了密度異常體4外，異常體2和異常體3所產生的重力異常也得到了體現(xiàn)。繼續(xù)擴大尺度到80m，從剩余重力異常圖(圖5d)中可以發(fā)現(xiàn)最深的異常體1所產生的重力異常。

當尺度選擇240m時，油藏蒸汽腔產生的重力異常初次出現(xiàn)在該尺度下的剩余重力場中，而尺度為160m的剩余重力異常(圖5e)可以更準確地反映地下四個密度異常體產生的重力異常。區(qū)域場(圖5f)是油藏蒸汽腔正常發(fā)育產生的重力異常，與圖3所示重力異常形態(tài)吻合度較高，數值也非常接近。因此，多尺度曲面擬合方法可以較好地分離區(qū)域場和異常場。

圖6 模型埋深與異常開始顯現(xiàn)時的尺度對應關系曲線

從圖6可見，四個密度異常體對應的重力異常初次出現(xiàn)時的尺度，與其埋深呈正線性相關。因此可以根據異常初次出現(xiàn)時的尺度，較為準確地推算出淺層場源的深度。圖6中的趨勢線的斜率為0.4，驗證了式(6)的準確性。據式(6)，目的層埋深的0.4倍可以作為異常分離時尺度選擇的參考值；反之，如果異常在某尺度初次出現(xiàn)，可根據式(6)得到這個異常的場源深度。

由于重力數據的疊加特性和方法的多解性，某個尺度初次出現(xiàn)的剩余重力異常，在更大尺度的剩余重力異常場中也可能有不同程度的殘留，不同尺度的剩余重力異常不保幅。為了對目標體做定量解釋，將尺度為20、40、80、160m的剩余重力異常場疊加起來，得到同時反映這四個淺層汽竄密度異常體的異常場(圖7)，反映深度為0～400m。從圖7可以看出，異常值與圖2中的正演結果相近，可以作為定量解釋的依據。

圖7 多尺度曲面法提取的剩余重力異常場疊加結果

2 應用實例

近些年，時移微重力勘探方法越來越多地被應用于油藏描述與開發(fā)及動態(tài)監(jiān)測。Alaska Prudhoe Bay氣田的時移微重力監(jiān)測結果驗證了時移微重力異常可以反映儲層內注水產生的密度變化，并指導設計注水方案、提高采收率[17]。挪威海上油田開展的時移微重力監(jiān)測，將改進的重力儀放入海底，監(jiān)測注水氣藏水氣接觸面高度，精度可達米級[20]。

2009年開始對遼河曙光杜84 SAGD先導試驗區(qū)進行了時移微重力監(jiān)測，得到反映注汽層和油儲層的剩余重力異常。結合地質資料和生產實際情況，預測了底線蒸汽腔在空間的發(fā)育過程，用于指導注汽方案[18]。2016年在SAGD先導試驗區(qū)的基礎上，擴大了微重力勘探范圍，測區(qū)覆蓋整個杜84 SAGD區(qū)，點距、線距均選取為16m。這個區(qū)塊的油藏物性參數(埋深、孔隙度、密度)與表3所示的正演油藏模型參數一致，所以可以利用本文多尺度曲面擬合法提取不同深度場源的剩余重力異常場。

分別用最小采樣間隔的1、2、4、8、12倍作為尺度進行多尺度曲面法異常提取(圖8)。根據式(6)可以推斷各尺度下剩余重力異常場源的大致深度，分別為40、80、160、320、480m。由于此區(qū)塊油藏頂埋深大于500m，所以將以上各尺度的剩余重力異常相加，得到SAGD開發(fā)區(qū)油藏頂之上的淺層剩余重力異常場(圖9)。

圖8 杜84 SAGD開發(fā)區(qū)不同尺度剩余重力異常場及區(qū)域場

圖9 SAGD開發(fā)區(qū)多尺度曲面法提取的

圖中的異常極值點是蒸汽上竄至淺層并儲集在淺層砂層中引起的。2017年在這個開發(fā)區(qū)發(fā)現(xiàn)了較嚴重的地表漏氣現(xiàn)象，將該開發(fā)區(qū)部分地表漏氣點標注在圖9中(圖中黑色箭頭)?？梢钥闯?，大多數地表漏氣點位于近地表負異常極值點的周圍，這是因為淺層砂層中的蒸汽腔在擴大過程中會在薄弱的地方突破至地表，形成地表漏氣點。

可以根據近地表異常極值點出現(xiàn)時對應的尺度，判斷近地表蒸汽聚集區(qū)的深度。以觀察井GG-8為例，周圍存在近地表異常極值點(圖9)。在尺度為16m的剩余重力異常圖(圖10a)中，GG-8井附近出現(xiàn)一個長條狀近地表異常，判斷其源的深度大約為40m。而在尺度32m的剩余重力異常圖(圖10b)中，出現(xiàn)一個圓形的近地表異常，由于其形狀和異常中心位置與圖10a中的近地表異常不同，說明在地下約80m深度存在一個淺層蒸汽聚集區(qū)。

圖10 GG-8井附近尺度為16m(a)和32m(b)時提取的剩余重力異常圖

為了驗證對淺層蒸汽聚集區(qū)位置和深度判斷的準確性，對觀察井GG-8進行了放射性測量(圖11)。對比測量結果可知，2012年的測量曲線上并未發(fā)現(xiàn)異常，而2017年的測量結果分別在47m和77m深度處指示了蒸汽產生的異常，這與微重力剩余重力異常的結果吻合。根據微重力勘探方法解釋的淺層蒸汽聚集區(qū)的深度和范圍，遼河油田采取了進一步的措施治理淺層汽竄問題，取得了不錯的成果。

圖11 2012年(左)和2017年(右)GG-8井伽馬測量結果

3 結論

(1)上竄蒸汽進入淺層砂層會引起地層密度的變化。油藏淺層汽竄模型正演表明使用高精度重力儀可以測量這種由于物性變化引起的重力異常，使得用微重力勘探方法探測淺層汽竄聚集區(qū)成為可能。

(2)通過多尺度曲面擬合的異常分離方法，可得到不同尺度的剩余重力異常場，基于深度估算公式可以得到重力異常的場源深度。

(3)遼河油田SAGD開發(fā)區(qū)的實踐證明，微重力勘探作為新興的地球物理手段，可以較好地判斷由于淺層汽竄造成的蒸汽聚集區(qū)的深度和范圍，為探測淺層蒸汽聚集區(qū)、排查淺層汽竄點、治理地表漏氣提供較可靠的依據。