四維地震技術(shù)在SAGD蒸汽腔監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

辛 坤 烈

(中國(guó)石油遼河油田公司特種油開發(fā)公司，遼寧盤錦 124010)

0 引言

遼河油田D84塊館陶油藏為巨厚塊狀超稠油油藏，發(fā)育邊、頂、底水，含油面積為1.92km2，地質(zhì)儲(chǔ)量為2626×104t，儲(chǔ)層孔隙度為36.3%，滲透率為5.54×103mD，油層深度為-550～-700m，平均油層厚度約78.6m，50℃時(shí)脫氣原油黏度為23.19×104mPa·s[1]。該油藏2000年開始蒸汽吞吐開采，2005年轉(zhuǎn)入蒸汽輔助重力泄油(SAGD)開采后，實(shí)現(xiàn)了油藏的重新上產(chǎn)，取得了較好的開發(fā)效果。

隨著開發(fā)的不斷深入，SAGD蒸汽腔描述難導(dǎo)致開采動(dòng)態(tài)調(diào)控及剩余油挖潛難的問題較為突出。國(guó)外在SAGD蒸汽腔監(jiān)測(cè)方面，觀察井井溫、四維地震等方面技術(shù)較為成熟，但國(guó)內(nèi)對(duì)于SAGD蒸汽腔擴(kuò)展形態(tài)的描述仍僅限于觀察井溫度監(jiān)測(cè)，該方法雖然可準(zhǔn)確地判斷SAGD蒸汽腔單點(diǎn)形態(tài)，但控制范圍有限，只能判斷油藏蒸汽腔的單點(diǎn)形態(tài)及變化趨勢(shì)，不能從平面上判斷蒸汽腔的整體擴(kuò)展?fàn)顩r及趨勢(shì)，具有較大局限性。因此，通過調(diào)研國(guó)外SAGD蒸汽腔監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況，針對(duì)館陶組儲(chǔ)層開展了四維地震油藏監(jiān)測(cè)先導(dǎo)試驗(yàn)。

四維地震是一種新興的現(xiàn)代油氣藏管理與監(jiān)測(cè)技術(shù)，目前已在國(guó)內(nèi)外油氣藏動(dòng)態(tài)描述與管理等方面發(fā)揮著重要作用，但在國(guó)內(nèi)SAGD開采領(lǐng)域還沒有應(yīng)用先例。其主要機(jī)理是油藏開采過程中，對(duì)同一油氣田在不同時(shí)間重復(fù)進(jìn)行三維地震測(cè)量，其地震響應(yīng)隨時(shí)間的變化可表征油藏性質(zhì)的變化；通過特殊的四維地震處理技術(shù)、差異分析技術(shù)、差異成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)等描述油藏內(nèi)部物性參數(shù)的變化并追蹤流體前緣。在熱采過程中，隨著儲(chǔ)層溫度的增加，孔隙流體黏度降低，巖石和孔隙流體的壓縮系數(shù)增加，從而導(dǎo)致巖石速度、密度的明顯降低，因此四維地震監(jiān)測(cè)在稠油熱采中是可行的[2-4]。

1 四維地震監(jiān)測(cè)可行性分析

1.1 油層基礎(chǔ)條件

根據(jù)前人研究結(jié)果及礦場(chǎng)實(shí)踐，四維地震主要是由地震響應(yīng)的變化反演油藏特性隨時(shí)間的變化。然而由于注采所造成的地震響應(yīng)的變化因油田、儲(chǔ)層不同而不同，所以只有儲(chǔ)層所有變化的綜合效應(yīng)在給定的地震分辨率范圍內(nèi)存在穩(wěn)定可信的地震差異時(shí)，四維地震才可得到成功應(yīng)用。即四維地震并非適用所有儲(chǔ)層，若要開展四維地震監(jiān)測(cè)，對(duì)儲(chǔ)層條件、注采方式及地震方法本身都有特定要求[5-7]。表1給出了館陶組儲(chǔ)層一些基本靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)與篩選標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比情況，表明館陶油藏儲(chǔ)層條件有利于開展四維地震監(jiān)測(cè)。

表1 D84塊館陶組儲(chǔ)層參數(shù)與四維地震監(jiān)測(cè)理想?yún)?shù)對(duì)比

1.2 巖石注蒸汽驅(qū)油后密度的變化

從注采方式上看，D84塊館陶組儲(chǔ)層為砂礫巖超稠油油藏，目前采用SAGD熱采方式開發(fā)。超稠油油藏開展SAGD熱采后，蒸汽驅(qū)掃帶的地層溫度由原始的30℃升至240℃以上。由于SAGD驅(qū)油效率較高，觀察井巖心分析結(jié)果顯示驅(qū)油效率能達(dá)到90%以上，因此地層中重質(zhì)原油被蒸汽部分替代，導(dǎo)致地層密度降幅逾10%，館陶油層密度測(cè)井的平均值為2.3g/cm3，經(jīng)蒸汽驅(qū)掃后，原來密度比水重的稠油采出而被密度小的蒸汽所填充，油層密度減小(圖1)。根據(jù)王丹等[8-9]的計(jì)算，經(jīng)歷SAGD熱采后區(qū)域，地震波平均速度下降約40%，密度下降約9%。注入蒸汽前、后油層內(nèi)部的聲阻抗產(chǎn)生很大差異，在不同時(shí)期地震資料的振幅有明顯區(qū)別。因此從注采方式看，實(shí)施四維地震監(jiān)測(cè)可獲得較好預(yù)期效果。

1.3 室內(nèi)巖心速度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步論證四維地震在曙一區(qū)D84塊館陶油層SAGD監(jiān)測(cè)的可行性，開展了室內(nèi)巖心速度試驗(yàn)。選取L油層稠油巖心切片，分別做成100%、50%、0(即全含水)三種含油飽和度的巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖2為測(cè)試結(jié)果，可見稠油油層速度、振幅及密度與溫度、含油飽和度存在如下關(guān)系：

(1)100%含油飽和度的稠油巖心，在正常SAGD開采壓力下，溫度由25℃升至200℃時(shí)，地震縱波速度由3500m/s降至1370m/s，下降幅度達(dá)61%；50%含油飽和度的稠油巖心，溫度由25℃升至200℃時(shí)，地震縱波速度由3550m/s降至2050m/s，下降幅度約42%；0含油飽和度的稠油巖心地震縱 波速度由3400m/s降至2450m/s，下降幅度約28%。

圖1 SAGD開采注汽前(a)、后(b)油層巖石切片

圖2 不同含油飽和度稠油巖心縱波速度(a)、初至振幅(b)隨溫度變化

(2)100%含油飽和度的稠油巖心在溫度由25℃升至200℃時(shí)，其歸一化振幅由1.00降至0.02，下降幅度達(dá)98%；50%含油飽和度稠油巖心的歸一化振幅由1.00降至0.28，下降幅度達(dá)72%；0含油飽和度稠油巖心的歸一化振幅由1.00降至0.85，下降幅度為15%。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為在SAGD開采過程中實(shí)施四維地震油藏監(jiān)測(cè)，應(yīng)是現(xiàn)實(shí)且可行的。

2 四維地震歸一化處理

2.1 四維地震數(shù)據(jù)采集

分別于2009年及2011年在研究工區(qū)實(shí)施了兩次三維地震數(shù)據(jù)采集。為提高兩次地震數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，2009年第一期與2011年第二期地震數(shù)據(jù)采集所使用的各項(xiàng)設(shè)備完全相同，觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、激發(fā)參數(shù)及接收參數(shù)見表2。兩次地震數(shù)據(jù)采集過程均達(dá)到技術(shù)設(shè)計(jì)要求，保證了每次三維地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)。

表2 2009、2011年兩次地震觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)歸一化處理

同一地區(qū)在不同時(shí)間采集的地震數(shù)據(jù)，由于采集環(huán)境與采集方法不同，兩者之間存在著非地質(zhì)因素和非油藏因素引起的巨大屬性差異，必須對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)體非油氣藏部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使其盡可能保持剖面一致，從而獲得真正由于油氣藏部分油氣水變化引起的地震屬性差異[10-12]。

本次地震數(shù)據(jù)體歸一化處理方法參考了陳小宏[13]、王新紅[14]、凌云等[15]、張國(guó)才等[16]的研究成果，即利用歸一化軟件和算法，找到一種最佳匹配濾波方法對(duì)工區(qū)每條測(cè)線進(jìn)行整形，使其在非油藏部分與參考測(cè)線的震源信號(hào)相同，求出對(duì)應(yīng)的歸一化算子，然后應(yīng)用于油藏進(jìn)行校正。具體流程為： ①振幅校正，即采用整體歸一化法，在地震剖面上獲得校正因子；②頻率校正，即利用帶通濾波實(shí)現(xiàn)頻帶寬度的一致，并通過功率譜對(duì)比做頻率補(bǔ)償與校正；③相位校正，即采用局部歸一化法，對(duì)每條測(cè)線的每道做相位校正，每道都可得到一個(gè)相位歸一化因子。

圖3a、圖3b分別為2009年、2011年歸一化處理后的典型地震剖面，對(duì)比可見兩期剖面經(jīng)振幅、頻率及相位歸一化處理后，反射特征強(qiáng)，且同相軸連續(xù)性好，非油藏部分特征具有明顯的一致性。2009年與2011年地震數(shù)據(jù)歸一化后之差，即得到地震差異剖面(圖3c)。該差異剖面顯示除了由于油藏開采導(dǎo)致的異常外，其他非油藏部分及未動(dòng)用油藏部分基本無差異。因此，利用該方法歸一化處理的兩期地震數(shù)據(jù)結(jié)果比較好，能夠有效消除非油藏因素引起的地震差異，完全可用于工區(qū)含油層段的屬性差異分析。

圖3 2009(a)、2011(b)年兩期歸一化處理后典型地震剖面及其差異剖面(c)

3 時(shí)移地震屬性差異分析及應(yīng)用

時(shí)移地震監(jiān)測(cè)的核心是根據(jù)地震數(shù)據(jù)體的差異與油藏參數(shù)之間的關(guān)系，分析產(chǎn)生這些差異的原因，進(jìn)而研究地下油藏內(nèi)的變化以及剩余油的分布。合理的地震差異變化是儲(chǔ)層中流體驅(qū)替、儲(chǔ)層溫度、壓力以及巖石物理特征變化的綜合反映。時(shí)移地震屬性的差異分析就是在合理、有效地壓制各期次地震數(shù)據(jù)體噪聲的基礎(chǔ)上，分析油藏參數(shù)的變化，進(jìn)而掌握地下流體變化特征以及剩余油分布，是對(duì)油藏開采過程中的動(dòng)態(tài)分析[17-20]。

分析時(shí)移地震屬性差異主要有兩種方法：一是先對(duì)地震數(shù)據(jù)體求差，然后在差異數(shù)據(jù)體上提取屬性；二是先提取不同時(shí)期數(shù)據(jù)體的相關(guān)屬性，然后再對(duì)所提取的屬性做差。尹成等[21]研究成果表明，從體屬性數(shù)據(jù)上進(jìn)行沿層屬性提取，然后再進(jìn)行時(shí)移求差，獲得的差異效果要比單純從時(shí)移前、后數(shù)據(jù)體上提取屬性再求差效果要好，這是因?yàn)轶w屬性的提取進(jìn)一步提高了地震屬性的抗噪聲能力，突出了真實(shí)差異[22-27]。因此本次研究采用第二種屬性差異提取方法。

盡管各期次匹配數(shù)據(jù)都是針對(duì)目標(biāo)層的振幅、相位、頻率數(shù)據(jù)體進(jìn)行處理，但對(duì)于下伏目標(biāo)層的地震參數(shù)也有一定影響。圖4為2009年和2011年兩期地震數(shù)據(jù)中目標(biāo)層差異屬性，可見實(shí)線圈定的油藏注采區(qū)的均方根振幅屬性(圖4a)有明顯差異，而相位(圖4b)和頻率(圖4c)屬性差異相對(duì)較小。圖中下方紅色虛線圈定區(qū)域是非油藏部位(未注采)，在對(duì)目標(biāo)油藏進(jìn)行注汽開采后，該部位應(yīng)該沒有任何變化，而頻率和相位屬性在此位置產(chǎn)生了顯著差異，故與事實(shí)不符。因此相位和頻率屬性表現(xiàn)的差異是不可靠的，而振幅屬性非儲(chǔ)層部分差異小，即此處屬性差異分析主要是針對(duì)振幅類屬性。

本次研究充分結(jié)合動(dòng)態(tài)開采數(shù)據(jù)、測(cè)井資料，主要闡述時(shí)移地震屬性差異在SAGD開采中的具體響應(yīng)，以及在SAGD蒸汽腔形態(tài)預(yù)測(cè)、深化地質(zhì)認(rèn)識(shí)及剩余油分布預(yù)測(cè)等方面的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

3.1 刻畫蒸汽腔形態(tài)與汽腔前緣

在超稠油SAGD開采中，由于儲(chǔ)層內(nèi)部流體性質(zhì)與特征發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致地震波傳播時(shí)間發(fā)生變化。館陶油藏注汽后地層溫度升高，蒸汽波及區(qū)域最高達(dá)到240℃，且儲(chǔ)層厚度較大。從圖5可見，圖中黃色虛線內(nèi)均為注汽開采區(qū)域，由于該區(qū)域在兩次地震數(shù)據(jù)采集時(shí)都已經(jīng)注汽，三維地震監(jiān)測(cè)剖面中出現(xiàn)時(shí)間滯后現(xiàn)象，可以見到注汽區(qū)地震同相軸明顯下拉，地層“增厚”的現(xiàn)象，這反映出反射波傳播時(shí)間發(fā)生了變化，這可以用來輔助刻畫SAGD蒸汽腔的形態(tài)，但單從地震剖面上看到的差別并不明顯，因此對(duì)蒸汽腔范圍的預(yù)測(cè)難度較大，且精度較低，僅可輔助判斷SAGD蒸汽腔形態(tài)及汽腔前緣。

從圖6所示的時(shí)移地震振幅屬性差異剖面可見，注汽區(qū)域的屬性差異明顯，清晰反映了時(shí)移前、后油藏中注汽區(qū)向未注汽區(qū)由于汽相到液相的變化引起的密度變化，且在汽液混合區(qū)呈現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，即蒸汽波及的前緣地帶，而在未注汽區(qū)域幾乎沒有屬性差異。圖中橢圓虛線圈定位置存在的差異更明顯，且顯示為傾斜的，而SAGD蒸汽腔發(fā)育的邊緣一般是傾斜的，推測(cè)異常剖面中傾斜的部位就對(duì)應(yīng)于蒸汽腔邊緣的位置，據(jù)此推斷此處就是蒸汽波及到達(dá)的最遠(yuǎn)部位。據(jù)該特征即可判斷蒸汽波及范圍，注入蒸汽后流體形態(tài)變化，進(jìn)而通過分析地震屬性差異的強(qiáng)弱情況，反推蒸汽波及區(qū)，進(jìn)一步預(yù)測(cè)剩余油分布。

圖4 2009年與2011年兩期地震數(shù)據(jù)的振幅(a)、相位(b)、瞬時(shí)頻率(c)差異屬性對(duì)比

圖5 2009(a)、2011(b)年兩期三維地震剖面特征對(duì)比

圖6 2009年與2011年兩期地震振幅差異剖面

通過地震屬性差異分析結(jié)果，結(jié)合測(cè)井等資料，聯(lián)合開展了館陶SAGD蒸汽腔發(fā)育形態(tài)預(yù)測(cè)及刻畫(圖7)，并根據(jù)預(yù)測(cè)的蒸汽腔發(fā)育形態(tài)，在井區(qū)采取主體汽腔降低注汽量、加強(qiáng)邊部注汽及實(shí)施注氮?dú)廨o助SAGD的調(diào)控措施。實(shí)施后，先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的4個(gè)井組邊部油藏得到更好的動(dòng)用，井組產(chǎn)量由240t/d提高至408t/d， 4個(gè)井組日產(chǎn)油量全部達(dá)到百噸以上，油汽比由調(diào)整前的0.27提高至0.38，取得較好開采效果。

3.2 深化地質(zhì)認(rèn)識(shí)，指導(dǎo)動(dòng)態(tài)調(diào)控

在SAGD開采中，油藏是否連續(xù)發(fā)育，是蒸汽腔能否向上擴(kuò)展的最主要因素，油藏內(nèi)連續(xù)發(fā)育的隔層對(duì)蒸汽腔垂向擴(kuò)展有重要的影響。圖8是數(shù)值模擬的隔層對(duì)汽腔的抑制作用，在連續(xù)油藏區(qū)域，汽腔一般連片發(fā)育并持續(xù)向上擴(kuò)展，直到達(dá)到油藏頂界，但在隔層發(fā)育區(qū)域，蒸汽腔無法向上擴(kuò)展，導(dǎo)致蒸汽腔縱向上發(fā)育不均衡。

圖7 館陶組油藏SAGD蒸汽腔聯(lián)合解釋圖

圖8 隔層發(fā)育油藏蒸汽腔擴(kuò)展形態(tài)數(shù)值模擬圖

由于油田SAGD實(shí)際開采中，最常用的觀察井井溫監(jiān)測(cè)資料有限，導(dǎo)致蒸汽腔空間發(fā)育形態(tài)很難精細(xì)描述，隔層等因素對(duì)汽腔的控制作用更是難以確定。但通過時(shí)移地震屬性差異，可以較為清晰地觀測(cè)到隔層對(duì)蒸汽腔的抑制作用。

圖9是館陶油藏H井區(qū)均方根振幅差異剖面圖，圖10是對(duì)應(yīng)井區(qū)R5砂層組內(nèi)隔層厚度等值圖。在圖9中，兩個(gè)強(qiáng)差異區(qū)域?yàn)檎羝话l(fā)育區(qū)，在它們之間，有一個(gè)明顯的弱差異區(qū)，表明蒸汽腔在這個(gè)區(qū)域不發(fā)育，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，弱差異區(qū)域的底部(綠線位置)與圖10黑線位置對(duì)應(yīng)，即隔層發(fā)育區(qū)域，正是隔層的存在，抑制了蒸汽腔的向上擴(kuò)展。這種地震屬性差異在其他區(qū)域都有明顯的響應(yīng)，經(jīng)過與地質(zhì)資料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基本都是隔層發(fā)育區(qū)域。由此可判斷，在井網(wǎng)完善、注采均勻的條件下，在強(qiáng)差異區(qū)域內(nèi)部的弱差異區(qū)處一般發(fā)育隔夾層。通過上述地震屬性差異與隔層發(fā)育對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究結(jié)果，可通過提取不同層的差異屬性，根據(jù)所得屬性強(qiáng)弱差異分布，結(jié)合開發(fā)動(dòng)態(tài)、測(cè)井資料，輔助預(yù)測(cè)油層內(nèi)隔夾層的分布位置、范圍以及其對(duì)開采過程的影響程度，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了較好的應(yīng)用。2011年后利用該技術(shù)，結(jié)合其他動(dòng)態(tài)、靜態(tài)資料，綜合描述了井區(qū)隔夾層的分布狀況，并在井區(qū)實(shí)施了低物性段射孔改造，即在低物性段上部實(shí)施補(bǔ)層后注汽。實(shí)施后，蒸汽腔突破低物性段的滲流屏障，上部新層得到動(dòng)用，SAGD蒸汽腔加速向隔層上部上升25m，實(shí)施區(qū)域5個(gè)井組日產(chǎn)油量增加了270t/d，年產(chǎn)油量增加10.0×104t。

圖9 館陶油藏均方根振幅差異剖面圖

圖10 圖9對(duì)應(yīng)井區(qū)R5砂層組內(nèi)隔層厚度等值圖

3.3 預(yù)測(cè)剩余油分布，指導(dǎo)油藏挖潛

根據(jù)時(shí)移地震監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，兩期地震均方根振幅差異強(qiáng)區(qū)域?yàn)檎羝皡^(qū)域，均方根振幅差異弱區(qū)域?yàn)槲床皡^(qū)域，即剩余油富集區(qū)域。對(duì)油藏任一深度區(qū)間內(nèi)小層提取2009年、2011年兩期地震數(shù)據(jù)的均方根振幅屬性，然后做差，就得到地震差異屬性平面圖(圖11)，冷色調(diào)區(qū)域表明二次地震的振幅弱于一次地震的振幅，暖色調(diào)區(qū)域說明二次地震的振幅強(qiáng)于一次地震的振幅，圖中虛線范圍內(nèi)呈明顯的強(qiáng)差異特征，表明該區(qū)域蒸汽腔發(fā)育較好，而其他弱差異區(qū)域則表明蒸汽腔發(fā)育較差。利用軟件將圖11中弱差異部位抹成綠色，強(qiáng)差異部位抹成藍(lán)色就得到了更為直觀的剩余油分布圖(圖12)。從圖中可見，藍(lán)色區(qū)域?yàn)镾AGD蒸汽腔發(fā)育較好，剩余油飽和度低區(qū)域，而綠色區(qū)域反映蒸汽腔發(fā)育較差，為剩余油富集區(qū)域，是下步開發(fā)調(diào)整的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域。

依據(jù)時(shí)移地震監(jiān)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)館陶油藏已動(dòng)用面積小于1.10km2，動(dòng)用儲(chǔ)量?jī)H57.3%，預(yù)測(cè)未動(dòng)用儲(chǔ)量約1121×104t，剩余油大多仍聚集于油藏邊部。基于上述精細(xì)油藏研究結(jié)果，2015年在地震屬性差異小的區(qū)域部署了A-B雙水平SAGD井組合(圖13)，該井在2016年轉(zhuǎn)SAGD開采，目前產(chǎn)液量為187t/d，產(chǎn)油達(dá)到80t/d，含水僅60%，開采效果良好，驗(yàn)證了時(shí)移地震油藏監(jiān)測(cè)技術(shù)在剩余油預(yù)測(cè)方面的實(shí)用性。

圖11 館陶組油層時(shí)移地震均方根振幅差異圖

圖12 館陶組油層剩余油平面分布圖

圖13 時(shí)移地震監(jiān)測(cè)的汽腔形態(tài)及擴(kuò)邊井部署位置圖

4 結(jié)論

(1)遼河D84塊SAGD開采的油藏、注采及地震等條件顯示，實(shí)施四維地震監(jiān)測(cè)是可行的。

(2)根據(jù)研究結(jié)果，時(shí)移地震的振幅屬性差異與SAGD開采動(dòng)態(tài)有較大關(guān)系，可監(jiān)測(cè)溫度場(chǎng)及飽和度場(chǎng)的變化，判斷蒸汽腔空間展布及擴(kuò)展趨勢(shì)。

(3)利用四維地震監(jiān)測(cè)資料，較好地指導(dǎo)了SAGD動(dòng)態(tài)調(diào)整及剩余油挖潛，提高了SAGD開采效益。