稠油注蒸汽开采蒸汽腔扩展形态4D微重力测量技术

李玉君，任芳祥，杨立强，周大胜，田鑫

（1.中国石油辽河油田公司特种油开发公司；2.中国石油辽河油田公司）

0 引言

微重力测量（Microgravimetry）是指在一个较小范围内进行的高精度重力测量，其主要特点在于：探测对象小，测量范围小；测量精度高，可达微伽级[1-3]。

20世纪50至70年代微重力测量首先兴起于欧美，并得到广泛应用。80年代中国引进了一批拉科斯特重力仪，在地球动力学研究、地基勘测、资源探察等方面取得了良好的效果并积累了一些经验[4-5]。

4D微重力测量主要利用不同时期重复测量的重力数据来研究地下介质，特别是地下流体的变化状态及过程[6]。

辽河油田杜84块馆陶组超稠油油藏含油面积0.55 km2，地质储量791×104t，储集层孔隙度36.3%，渗透率5.54 μm2，油层深度640～780 m，平均油层厚度78.6 m，50 ℃时原油黏度为23.19×104mPa·s。该油藏自2005年转入蒸汽辅助重力泄油（SAGD）方式开采，连续注蒸汽采油引起的地下物质密度（稠油密度约2.43 g/cm3，蒸汽密度约1.98 g/cm3）变化可达0.45 g/cm3左右，由此引起的重力变化约为几十微伽至近 200 μGal[7-9]，因而可通过目的层 4D微重力观测监测蒸汽腔形态及其变化，并指导开发方案的调整。本文利用4D微重力测量技术，在建立研究区重力变化计算模型的基础上，通过分析目的层流体微重力场变化，确定SAGD工区蒸汽腔形态，并指导调整注汽方案。

1 微重力测量原理

以地面某点作为坐标原点，z轴方向沿重力方向，x、y轴在水平面上，则任意形态地质体的重力异常表达式为：

在4D微重力观测中，首先测得研究区4D微重力场，然后利用小波多尺度变换、小波三阶逼近剥离目的层区域场，得到反映目的层中流体分布的剩余重力异常：

在注蒸汽开发（蒸汽吞吐、蒸汽驱或SAGD生产方式）的稠油或超稠油油藏中，随着生产的深入，油藏中的稠油或超稠油被蒸汽（或蒸汽冷凝形成的水）驱替，蒸汽与稠油或超稠油密度的差异将引起重力场变化：

式中 ΔG——重力异常，μGal；G——万有引力常数，6.67×1011N·m2/kg2；σ——地质体剩余密度，kg/m3；ξ，ζ，η——所测地质体的坐标，m；V——所测地质体的体积，m3；ΔGr——剩余重力异常，μGal；ΔGR——区域重力异常，μGal；Δg——剩余重力异常变化，μGal；ΔGr（t1），ΔGr（t2）——t1、t2时刻剩余重力异常，μGal。

因而分析不同时期观测的微重力异常，可得到蒸汽腔叠合图，进而可分析不同时期蒸汽腔形态、数量及变化。

2 微重力变化计算模型的建立

采油和注汽均可使地质体的密度发生变化（尤其是注汽过程，其产生的最大密度差可达0.45 g/cm3），从而引起重力异常的变化。为了分析蒸汽腔形态及其变化，建立目的层微重力变化计算模型：目的层深度（包括注汽层和稠油层）为650～780 m，厚度130 m，上层注汽，下层采油。由于含油层总厚度一定，随注汽量增大，注汽层厚度不断加大，油层厚度相应减小，注汽层密度随之减小，从而引起重力异常变化。为了使模型更具有实用性，同时减少计算量，注汽层从原始油层深度650 m（此时，刚开始注汽，注汽层厚度为0）开始，以10 m为步长逐渐增厚，注汽层厚度每增加10 m，由于含油层总厚度一定，则稠油油层减少10 m。计算模型具体参数及模型计算得到的重力变化值见表1。

表1 模型参数及重力变化计算值

由模型计算结果可以看出，稠油注汽开采中注汽层密度变化引起的重力异常变化为 7.87～191.49 μGal。由此可见，通过4D微重力观测完全能监测油田开采中目的层流体重力异常变化。

3 微重力变化计算模型的应用

辽河油田杜84块馆陶组超稠油油藏自2005年利用SAGD技术进行开发以来，累计注蒸汽达385.648 1×104t（截至2012年6月）。为了表征注入蒸汽的运移及形态，于2009年、2010年2次测量研究区微重力场，结合不同深度油层的注汽量和产油、产水量，圈定测区重力异常区，分析蒸汽腔的变化，从而得出油藏的动用情况[10-11]。

基于不同时期测得的研究区4D微重力场，首先利用小波多尺度变换、小波三阶逼近剥离目的层区域场，得到反映目的层中流体分布的剩余重力异常（见图1），以−20 μGal为主体异常，预测蒸汽腔分布。图2为根据 2次观测的微重力异常分析得到的蒸汽腔叠合图，基本能反映不同时期蒸汽腔形态、数量及变化。

从蒸汽腔平面变化分析：两个时期（2009年、2010年）蒸汽腔分布大体一致，部分蒸汽腔有一定的偏移，微重力异常分析得到的蒸汽腔分布与2009年6月及2010年 9月数值模拟结果（见图 3）基本相符，均反映了 4号蒸汽腔变大，1号、2号、3号蒸汽腔向d58-56井偏移。井温测试曲线（见图4）也表明，2号蒸汽腔有扩大趋势，与微重力测试解释结果相符（见图2）。可见，数值模拟及井温测试均验证该项技术在理论上可行，实践上可靠。

根据2010年11月微重力监测结果，4号蒸汽腔在向d58-54井扩张的同时，在d56-154井范围（即Gh12井方向）有缩小趋势（见图2），Gh12井的产油量明显降低，由2009年5月的平均日产84.2 t，下降至2010年5月的65.4 t。

图1 剩余重力异常图

图2 2009年、2010年预测蒸汽腔叠合图

为了提高 Gh12井的产量，2011年初对研究区油藏开发方案（主要是注汽方案）进行调整，加大d56-154井注汽量，对4号蒸汽腔进行改善，经过近1年的恢复，Gh12井的产量明显提高，2012年5月日产油已恢复至82.8 t，效果显著。

图3 蒸汽腔分布数值模拟结果

图4 Gg3井井温变化（反映2号蒸汽腔不断变大）曲线

4 结论

稠油注蒸汽开发过程中，蒸汽腔变化导致目的层流体密度的变化，从而引起地表的微重力变化，测量研究区地质体重力异常，经小波变换剥离目的层区域场，可得到反映注汽层和稠油层流体密度的剩余重力异常。

由数据模拟结果以及井温测试曲线可知，4D微重力解释结果基本能反映蒸汽腔形态及其变化，可用于分析油藏注蒸汽开发动态，为调整注采方案、改善油藏开发效果提供指导。

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