基于微重力監(jiān)測技術(shù)的地下儲氣庫庫容動用評價方法

廖 偉 劉國良 何國林 鄭 強(qiáng) 鄧申申 張士杰 張赟新

1.中國石油新疆油田公司呼圖壁儲氣庫作業(yè)區(qū) 2.北京中科地物能源技術(shù)有限公司 3.湖北省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì)

0 引言

儲氣庫高速、頻繁交替注采過程中的庫容動用情況及圈閉動態(tài)密封性是儲氣庫注采運(yùn)行安全管理的重中之重[1]。新疆H儲氣庫已完成8個周期注采運(yùn)行，設(shè)計(jì)壓力運(yùn)行區(qū)間為18.0～34.0 MPa，注氣流壓已突破設(shè)計(jì)運(yùn)行上限壓力，歷史最高注末庫存量達(dá)到103.3×108m3，達(dá)容率96.5%，接近滿庫存狀態(tài)，且新疆H儲氣庫位于新疆昌吉州國家高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，一旦注采運(yùn)行期間氣體異常擴(kuò)散、氣水邊界異常變化，發(fā)生天然氣泄漏將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，亟需利用先進(jìn)的圈閉動態(tài)密封性監(jiān)測技術(shù)，評估儲氣庫注采運(yùn)行過程中庫容動用情況、天然氣在地層內(nèi)的富集情況和圈閉動態(tài)密封性，建立風(fēng)險預(yù)警，保障儲氣庫安全高效調(diào)峰運(yùn)行。

隨著重力勘探精度的不斷提高，密度變化小的地質(zhì)體產(chǎn)生的重力異常能夠被監(jiān)測到，從而使得重力資料應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)寬[2]。目前，重力勘探方法應(yīng)用逐步由了解區(qū)域構(gòu)造特征[3]、圈定巖體范圍[4]、指示成礦遠(yuǎn)景區(qū)[5]、尋找局部構(gòu)造[6]、確定地層巖礦體的產(chǎn)狀[7]等領(lǐng)域向?qū)ふ矣蜌赓Y源[8]、描述油藏內(nèi)流體動態(tài)變化等領(lǐng)域拓展。微重力監(jiān)測技術(shù)是近年來新興起的油氣藏生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)測技術(shù)[9]，主要應(yīng)用于油藏注氣（汽）開采中氣體腔體發(fā)育形態(tài)描述、剩余油分布刻畫、淺層漏氣監(jiān)測[10]以及氣藏氣水邊界監(jiān)測、剩余氣開發(fā)潛力評價[11]等。

對于衰竭式開發(fā)氣藏，在油氣開發(fā)過程中由于地層壓力的不斷下降，邊底水侵入占據(jù)孔隙空間，因?yàn)闅馑芏鹊牟町?，從而引起微重力的變化。自世界首例在美國的普拉德霍灣油田[12]實(shí)施地面微重力監(jiān)測氣頂注水成功，證實(shí)了當(dāng)重力變化量達(dá)到重力儀測量精度時，通過微重力有可能對儲層內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)移過程進(jìn)行定性描述。據(jù)此先后在挪威北海的Troll油田、Slepner油田、美國鹽湖谷等地區(qū)進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)，取得了一定效果[13]。美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院GMRC小組近10年熱衷于研究微重力、微重力梯度的模擬和反演研究，取得了很多可喜的成果。

國內(nèi)目前這方面的研究較少，從調(diào)研看，①2011—2013年期間在澀北2氣田開展的監(jiān)測氣田水驅(qū)前緣的地面微重力監(jiān)測[14]；②2009—2018年遼河油田稠油SAGD開發(fā)蒸汽腔[15]發(fā)育形態(tài)的地面重力監(jiān)測[16]；③2016年至今在新疆油田稠油SAGD、VHSD開發(fā)蒸汽腔發(fā)育形態(tài)刻畫的地面微重力監(jiān)測、CO2氣驅(qū)油藏優(yōu)勢氣驅(qū)通道微重力監(jiān)測和火燒煙道氣驅(qū)微重力監(jiān)測，均取得了較好的效果。

因此，微重力監(jiān)測技術(shù)可作為儲氣庫庫容動用效果、圈閉動態(tài)密封性等常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的有效補(bǔ)充。利用微重力監(jiān)測技術(shù)落實(shí)儲氣庫多周期注采運(yùn)行后天然氣富集區(qū)，評價氣驅(qū)前緣及氣水界面變化情況，為實(shí)現(xiàn)儲氣庫快速達(dá)容達(dá)產(chǎn)、高效注采調(diào)峰提供決策依據(jù)。

1 天然氣重力異常特征

眾所周知，天然氣能否聚集，取決于構(gòu)造的圈閉條件。根據(jù)油氣聚集規(guī)律，圈閉構(gòu)造高部位是天然氣聚集的有利場所。在非含氣構(gòu)造上，重力呈“正向”構(gòu)造顯示，即重力高往往是構(gòu)造高部位的反映。但在含氣構(gòu)造上（圖1），重力呈“負(fù)向”（或鏡像）構(gòu)造顯示，即在重力高背景異常上出現(xiàn)局部（次級）重力低異常，局部重力的低值部位對應(yīng)含氣構(gòu)造的高部位，低值部位的極低值部位是含氣構(gòu)造的高點(diǎn)所在。

圖1 天然氣重力異常成因示意圖

2 微重力監(jiān)測

2.1 監(jiān)測異常提取

根據(jù)新疆H儲氣庫氣藏地質(zhì)特征，建立了含氣區(qū)正演模型。通過正演模型參數(shù)，密度最大變化量是0.16 g/cm3，計(jì)算出不同含氣面積在地表的重力變化量，制訂地面微重力觀測設(shè)計(jì)方案，共設(shè)計(jì)2 595個測點(diǎn)，總覆蓋面積為249.28 km2。觀測區(qū)域設(shè)計(jì)包括核心區(qū)域（面積47.84 km2）和擴(kuò)展區(qū)域（面積204.44 km2）兩個部分。

2020年11月—2021年2月現(xiàn)場監(jiān)測錄取新疆H儲氣庫微重力觀測資料，實(shí)際監(jiān)測微重力測量點(diǎn)共2 584個。微重力野外觀測使用2臺CG-6型高精度重力儀，野外記錄與計(jì)算要求均嚴(yán)格按規(guī)范執(zhí)行。對野外采集的微重力數(shù)據(jù)進(jìn)行格值計(jì)算、固體潮校正、零漂校正、中間層校正、高度校正、正常場校正和地形校正，得到布格重力異常。

地表觀測得到的布格重力異常，是微重力勘探區(qū)所有密度體產(chǎn)生重力異常的疊加。利用深度遞推法[17]將表征的重力異常從布格重力異常中分離，其實(shí)現(xiàn)過程如下：

設(shè)觀測到的布格重力異常為g(x,y, 0)，利用非線性方法的多尺度性，其表達(dá)式可表示為：

式中 (x,y, 0)表示地面坐標(biāo)，g11、g12、g13、…分別表示不同尺度的局部異常，μgal；gr1、gr2、gr3、…分別表示不同尺度的區(qū)域場，μgal；[Δgr]i表示第i個尺度下的剩余重力異常，μgal；其中i=1, 2, 3, 4…。

針對不同尺度下的局部場[gr]i，利用二階曲面擬合法求取。設(shè)在某點(diǎn)(m,n, 0)為中心的一個較小區(qū)域內(nèi)，gr表示為：

式中x、y表示區(qū)域內(nèi)點(diǎn)到中心點(diǎn)的距離，m。那么，每點(diǎn)的誤差平方和表示為：

式中i、j表示在點(diǎn)(m,n)為中心的區(qū)域內(nèi)取值。

首先采用最小二乘法，求得系數(shù)二階曲面系數(shù)(a0,a1,a2,a3,a4,a5)，然后對每個點(diǎn)都進(jìn)行同樣的運(yùn)算，即可求得對應(yīng)尺度下每個點(diǎn)的區(qū)域場值，再利用式（2）計(jì)算對應(yīng)尺度下的剩余重力異常，最后根據(jù)探測目標(biāo)深度、相關(guān)地質(zhì)資料確定合理的尺度，得到表征微重力探測目標(biāo)深度范圍內(nèi)密度體產(chǎn)生的剩余重力異常。

假設(shè)深度遞推分離的剩余重力異常，在該深度上下很小的范圍內(nèi)，密度不隨深度變化，那么，可以反演得到密度[18]：

當(dāng)目標(biāo)層很薄，格林函數(shù)隨深度變化很小，也可以近似為：

式中F(ρ)表示密度傅里葉變換，g/cm3；F(D)表示數(shù)據(jù)的傅里葉變換，μgal；z0、z1表示引力常數(shù)，m3/(kg·s2)；G表示波數(shù)；k表示層深，m；h表示層厚，m。

2.2 監(jiān)測成果分析

2.2.1 微重力異常測定流體富集程度

利用深度遞推法提取表征儲氣庫注采層內(nèi)密度體產(chǎn)生的剩余重力異常結(jié)果：剩余重力異常是指從布格重力異常中去掉區(qū)域重力異常后的剩余部分，它主要反映局部地下流體剩余質(zhì)量的影響。剩余重力異常反映地下流體富集程度，異常值由高值變?yōu)榈椭?，地下流體富集程度高（圖2）。剩余重力異常高值區(qū)，地下流體富集程度低，說明地下流體相對豐度低；剩余重力異常低值區(qū)，地下流體富集程度高，說明地下流體相對豐度高。

圖2 注采層剩余重力異常平面等值線圖

2.2.2 層密度反演評價氣水界面變化

根據(jù)層密度反演方法，對儲氣庫注采層剩余重力異常進(jìn)行密度反演（圖3），圖中冷色系區(qū)域代表低密度區(qū)，暖色系區(qū)域代表高密度區(qū)。

圖3 注采層密度反演平面等值線圖

因剩余重力負(fù)異常區(qū)為地下流體富集區(qū)，根據(jù)剩余重力異常與密度成正比關(guān)系，說明低密度區(qū)為地下流體富集區(qū)。密度值高低反映地下流體物性差異，密度值越低，地下流體物性好，反之，地下流體物性差。

以HUK2井為界，HUK2井以東低密度區(qū)值要低于HUK2井以西低密度區(qū)值。由氣體密度小于液體密度，可評價低密度區(qū)地下流體物性特征：相對密度值越低，反映地下流體為氣體富集區(qū)，即HUK2井以東低值區(qū)為天然氣富集區(qū)；相對密度值越高，反映地下流體為水富集區(qū)，即HUK2井以西低值區(qū)為邊水富集區(qū)。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用深度遞推法提取表征新疆H儲氣庫注采層內(nèi)密度體產(chǎn)生的剩余重力異常，采用層密度反演方法獲得注采層相對密度分布，并通過邊緣檢測技術(shù)確定西區(qū)氣水邊界，最后結(jié)合儲氣庫井資料、靜態(tài)資料和生產(chǎn)動態(tài)資料對新疆H儲氣庫歷經(jīng)8個周期注采運(yùn)行后天然氣富集區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，評價庫容動用效果。

3.1 氣水邊界刻畫及評價

目前針對儲氣庫氣水邊界刻畫方法是基于數(shù)值模擬[19]和井探邊測試[20-21]，利用微重力監(jiān)測技術(shù)對儲氣庫氣水邊界進(jìn)行刻畫為首次。

剩余重力異常是密度與格林函數(shù)的褶積，層密度反演過程是進(jìn)行反褶積處理，而褶積相當(dāng)于濾波，因此，去除背景值，密度界面反演結(jié)果更能準(zhǔn)確評價氣水邊界?；诖怂悸?，利用模型正演技術(shù)，通過建立氣水界面正演模型，確定氣水邊界刻畫閾值。具體做法如下：

首先建立氣水邊界正演數(shù)學(xué)模型：

式中G表示萬有引力常數(shù)，m3/(kg·s2)；ρ表示場源密度，g/cm3；(x,y,z)表示觀測點(diǎn)的坐標(biāo)，m；(ξ,η,ζ)表示長方體場源點(diǎn)的坐標(biāo)，m；其對應(yīng)的積分限變化范圍為 (ξ1,ξ2)，(η1,η2)，(ζ1,ζ2)，m。

其次，根據(jù)H儲氣庫實(shí)際相關(guān)基礎(chǔ)資料以及數(shù)學(xué)模型相關(guān)參數(shù)，設(shè)定氣水邊界模型基本參數(shù)（表1），建立了8個氣水邊界模型。

表1 氣水邊界模型基本參數(shù)表

最后利用式（7）計(jì)算含氣、含水模型邊界目標(biāo)異常值（表2、圖4）。

表2 氣水邊界模型正演結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖4 氣水邊界模型正演結(jié)果示意圖

第八周期注采情況以及微重力監(jiān)測時期，儲氣庫含氣飽和度約為65%。根據(jù)氣水邊界正演模型結(jié)果，以百分比為60.22%作為刻畫氣水邊界的閾值。再結(jié)合建庫初期氣水界面埋深情況，選取埋深3 617 m左右層密度反演邊緣檢測成果進(jìn)行氣水邊界刻畫，氣水邊界在HUK2井與呼2井間靠近HUK2井。

圖5為背靠背通過數(shù)值模擬技術(shù)獲得的含氣飽和度場，西部H2井與HU2井間區(qū)域不含氣，為西部氣水邊界。數(shù)值模擬結(jié)果與微重力監(jiān)測氣水邊界刻畫結(jié)果一致，驗(yàn)證了微重力監(jiān)測儲氣庫氣水邊界的可靠性。

圖5 H儲氣庫含氣飽和度場圖

為了進(jìn)一步確定氣水邊界深度，參照注采層構(gòu)造圖，結(jié)合相關(guān)井資料，制作氣水邊界幾何示意圖（圖6）。

圖6 注采層氣水界面計(jì)算幾何示意圖

已知呼2井到HUK2井距離為235 m，HUK2井與呼2井注采層頂界海拔相差13.14 m，圈定氣水界面位置到HUK2井距離為22 m，以HUK2井為坐標(biāo)系中的原點(diǎn)，求取氣水界面海拔值，即圖7中藍(lán)色點(diǎn)縱坐標(biāo)值。

圖7 監(jiān)測區(qū)注采井生產(chǎn)情況分析圖

已知過氣水界面點(diǎn)垂直于L線，交橫軸于A（22.084，0），設(shè)定氣水界面位置坐標(biāo)為B（22，h），過點(diǎn)B垂直橫軸于點(diǎn)H，其中HUK2井、呼2井、C點(diǎn)組成一個直角三角形，A、B、H點(diǎn)組成一個直角三角形，因兩直角三角形為相似三角形，由此可知：

由上式計(jì)算出：h=1.5

參考井資料，計(jì)算本次微重力監(jiān)測期間儲氣庫氣水邊界海拔為－3 037.5 m。

3.2 庫存氣相對豐度評價

在剩余重力異常圖中，剩余重力異常低值區(qū)表征含氣豐度相對高區(qū)；相反，表征含氣豐度相對低區(qū)。從注采井所在區(qū)域剩余重力異常特征圖（圖2）可以看出，將注采井所處位置分為兩類：第一類井對應(yīng)剩余重力正異常區(qū)為地下流體富集程度低，庫存氣相對豐度低，包括HUK3、HUK4、HUK12、HUK13井；第二類對應(yīng)剩余重力負(fù)異常區(qū)為地下流體富集程度高，庫存氣相對豐度高，包括HUK14、HUK5、HUK6、HUK15、HUK16井。

結(jié)合監(jiān)測區(qū)注采井生產(chǎn)情況驗(yàn)證本次庫存氣相對豐度預(yù)測成果的準(zhǔn)確性。監(jiān)測區(qū)注采井生產(chǎn)情況表明：剩余重力異常高值區(qū)注采井注采氣量低，庫存氣相對豐度低；剩余重力異常低值區(qū)注采井注采氣量高，庫存氣相對豐度高（圖7）。微重力監(jiān)測結(jié)果與注采井生產(chǎn)動態(tài)吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了利用剩余重力異常評價儲氣庫庫存氣相對豐度的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

1）儲氣庫多周期注采運(yùn)行過程中流體密度會發(fā)生變化，利用微重力監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測注采層內(nèi)因流體密度變化產(chǎn)生的重力異常，對儲氣庫內(nèi)流體的動態(tài)變化特征具有一定的指示性。

2）采用深度遞推法可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域場與剩余重力異常的有效分離，可獲取剩余重力異常的變化來預(yù)測地下流體的富集程度。根據(jù)層密度反演結(jié)果，對地下流體進(jìn)行氣水區(qū)分，反演結(jié)果顯示新疆H儲氣庫監(jiān)測區(qū)HUK2井以東為天然氣富集區(qū)，HUK2井以西為邊水富集區(qū)。

3）采用層密度反演邊緣檢測技術(shù)，以異常極值的60.22%作為刻畫氣水邊界的閾值，圈定新疆H儲氣庫目前氣水邊界，參照井資料計(jì)算氣水邊界海拔約為－3 037.5 m。

4）實(shí)際生產(chǎn)動態(tài)資料驗(yàn)證，微重力監(jiān)測結(jié)果對儲氣庫氣水邊界可進(jìn)行有效判斷，對儲氣庫庫容動用效果評價，優(yōu)化調(diào)整注采運(yùn)行方案，提升儲氣調(diào)峰運(yùn)行效率具有重要指導(dǎo)意義。