基于油砂温敏特征的蒸汽辅助重力泄油蒸汽腔监测

高云峰 ，范廷恩 ，高静怀，李辉，董洪超 ，马时刚，岳庆峰

（1. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2. 海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100028；3. 西安交通大学电子与信息工程学院，海洋石油勘探国家工程实验室，西安 710049；4. 中海石油（中国）有限公司开发生产部，北京 100010；5. 大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆163453）

0 引言

油砂又称为沥青砂，是一种由砂、沥青（或稠油）、矿物质、黏土和水组成的混合物[1]。油砂中含有的稠油、超稠油或沥青是重要的非常规能源，在全世界分布广泛，储量巨大[2]。目前，油砂常用的开采技术有露天开采法、循环蒸汽强化法（CSS）、蒸汽辅助重力泄油技术（SAGD）、出砂冷采法等[3-4]。其中SAGD及其衍生技术已在油砂和特超稠油开发中得到广泛应用。SAGD开发必须采用双水平井（即注汽井和采油井）来实现，采油井位于储集层的底部，注汽井位于其上大约 5 m处。高温（200 ℃以上）蒸汽经注汽井注入油藏，油砂中的沥青或稠油被加热后，其黏度逐渐降低，最终变成可流动的液态。由于液相与气相之间的密度差，蒸汽开始向油藏上部运移并形成一个不断扩展的蒸汽腔。降黏后的原油依靠重力作用沿着蒸汽腔的边缘进入采油井中[5-8]。实际生产中，蒸汽腔发育范围主要受储集层非均质性、隔夹层及地层水分布等因素的影响，空间发育形态往往比较复杂，难以预测[9-15]。

油砂通常埋深较浅，具有高孔高渗、胶结弱、强衰减特征[16]。在油砂SAGD开发过程中，一方面，随着高温蒸汽的不断注入，油砂中所含稠油的密度、黏度和相态都会发生明显变化，进而导致稠油与砂岩骨架之间耦合关系和储集层弹性参数的变化；另一方面，注入的高温蒸汽也存在气态-液态-气态的变化。因此，蒸汽腔温度场的变化会导致储集层岩石物理参数发生较大变化以及时移地震响应的明显差异。近几年，时移地震技术得到了快速发展，适用性也不断增强[17-30]，但在油砂SAGD开发蒸汽腔发育动态监测中的实际应用效果仍不够理想。主要原因之一就是油砂温敏岩石物理特征变化规律复杂，高温实验测量难度大，相关基础研究较薄弱。

在油砂温敏岩石物理特征相关实验研究方面，Han等[31]最早通过实验发现稠油的相态和性质主要受温度影响，随着温度的升高，可以从玻璃态逐渐变为准固态和液态。利用玻璃态温度点和液态温度点，将其分为玻璃态、准固态和液态3个阶段。玻璃态稠油基本以弹性固体形态存在，对岩石骨架起到强化作用；准固态稠油黏度高，可对岩石骨架起到支撑作用，但呈现出强频散现象；液态稠油黏度急剧减小，可完全流动。Li等[32]分别利用玻璃珠骨架和提取稠油后的矿物骨架开展油砂温敏岩石物理实验，发现两种油砂样品的纵、横波速度都随着温度升高而逐渐降低，但是由于提取稠油后的矿物骨架仍具有一定支撑性，和玻璃珠骨架样品相比，其整体速度偏高。Yuan等[33]选取原位和蒸汽驱油后的油砂样品在10～129 ℃温度范围内进行了超声波测量，发现油砂纵、横波速度随着温度升高而逐渐降低，但在不同温度段，纵、横波速度变化率有差异。

在现有油砂岩石物理实验方法和成果认识的基础上，本文首先针对油砂低阻抗特征，改进超声波探头的基座设计材料以提高透射波的能量和信噪比，同时提高测量温度，最高温度可达到175 ℃。通过加拿大Kinosis油砂典型岩心和稠油的温敏超声波测量实验和理论模型计算，结合测井成果资料，分析油砂纵波速度、横波速度、密度等参数随温度和压力的变化规律以及频散特征，建立油砂纵波阻抗与温度之间的定量关系图版，以指导研究区油砂SAGD开发过程中蒸汽腔发育形态的时移地震监测研究。

1 实验原理及方法

1.1 实验原理

本次实验主要测量变温温度条件下油砂中稠油的密度和纵波速度参数，以及油砂的孔隙度和纵、横波速度参数。油砂孔隙度的测量是基于阿基米德原理。具体过程为：首先，基于阿基米德原理得到样品体积；然后，结合已知样品质量，计算得到样品密度；最后，根据已知矿物密度和孔隙流体密度，计算得到油砂原位孔隙度。稠油和油砂样品纵、横波速度测量则是采用超声波脉冲透射法。超声波震源一般是压电晶体，其既能发出声波，还可以接收声波，把接收的声波转换成相应的电压，经过声波仪接收机放大并显示出波形，通常初至波形拾取可得到声波在介质中的传播时间，进而计算波速。

本文实验使用的岩石物理超声测量系统（见图1）主要包括压力控制、样品夹持、温度控制和信号记录4个单元。为了给油砂样品加热，压力釜外包裹一层加热棉。压力控制系统采用两个数字压力泵分别控制样品的围压和孔隙压力，孔隙压力通常比围压小，以保证样品密封性。利用样品夹持系统，可将探头的基座与样品两端紧密耦合，然后用可伸缩胶套将样品和探头基座进行包裹密封，以防止孔压油入侵样品。该系统可测量的温度为10～175 ℃、压力为0～100 MPa。

图1 油砂样品超声测量系统示意图

由于油砂呈弱胶结、易变形、低阻抗（研究区油砂纵波阻抗约为5×106kg/（m2·s））等特点。如果直接利用传统的钛合金（纵波阻抗约为 27×106kg/（m2·s））超声波探头的基座进行超声波测量，主要存在以下问题：①钛合金基座和油砂样品波阻抗差异大，透射波信号能量弱；②油砂中稠油黏度高，信号衰减强，导致初至不明显。因此，根据波的反射和透射原理，本文测量实验利用聚醚醚酮（PEEK）树脂低阻抗（纵波阻抗约为 4.5×106kg/（m2·s））、耐高温（在250 ℃以下热导基本随温度呈线性变化）的特性，改进超声波探头的基座，使更多透射波能穿过样品，得到清晰的初至波形。这在一定程度上提高了纵波和横波波形信号的信噪比以及初至拾取的可靠性。

1.2 实验方法

实验过程中，首先进行油砂样品的选取及制作，根据研究区储集层岩石矿物成分和物性变化情况，选取并制作不同含油饱和度样品（0～90%，共约10个含油饱和度点）；其次，测量并计算样品矿物成分、密度、孔隙度等参数，CT扫描微观孔隙结构；然后，对典型油砂样品进行洗油得到稠油样品，常压条件下测量不同温度点的稠油密度及超声波（0.8 MHz）纵波速度参数，并应用地学流体性质预测与应用软件 FLAG计算稠油的横波速度；最后，测量不同温度、压力条件下的油砂样品超声波纵、横波速度参数。根据研究区油砂开发实际温度和压力变化情况（最高温度可达220 ℃，最大压力近 4 MPa）以及实验设备条件，本文实验测量的温度变化范围为10～175 ℃，压力变化范围为 0.5～3.5 MPa，温度和压力测量间隔分别为10 ℃和0.5 MPa。

根据研究区实际生产情况，本文油砂实验设计压力测量变化范围较小，重点分析油砂及其所含稠油的温敏物性变化特征。具体包括：稠油的密度和弹性波速度参数随温度的变化趋势、频散效应和相态转换温度点；不同含油饱和度油砂弹性波速度随温度变化规律。基于油砂温敏实验测量结果和实际测井数据，以及Cole-Cole衰减模型，建立不同含油饱和度油砂纵波阻抗与温度之间的定量关系图版，以指导蒸汽辅助重力泄油蒸汽腔温度场时移地震反演研究。

2 实验结果及分析

根据实验结果，对研究区 4块典型样品的测量数据进行油砂温敏岩石物理特征分析。样品矿物成分均以石英为主（见表1），其中LLD-1样品石英含量最低（80.2%），黏土含量最高（12.2%）。样品孔隙度36.9%～40.1%，含油饱和度 31.2%～81.4%（见表2）。根据含油饱和度分类标准，LLA-2样品为高含油饱和度油砂（大于等于 70%），LLA-1和 LLD-1样品为中含油饱和度油砂（大于等于 50%且小于 70%），LLB-2样品为低含油饱和度油砂（大于等于 20%且小于50%）。

表1 典型油砂样品矿物成分及含量

表2 典型油砂样品主要参数

基于现有的实验研究结果，稠油会随着温度的升高出现明显的相态和物性变化，是影响油砂温敏岩石物理特征的最重要因素。因此，首先分析稠油物性随温度变化的实验结果，以指导油砂的温敏岩石物理实验结果分析。

2.1 稠油物性随温度的变化特征

图 2为稠油密度、纵波速度和横波速度随温度变化的实验测量结果。图2a显示稠油密度随着温度升高呈线性降低。其主要原因在于温度升高过程中，稠油体积会相应膨胀。图2b和图2c显示稠油的纵、横波速度都随着温度的升高逐渐减小，且在不同温度段速度变化率有明显差异。稠油密度和纵、横波速度随温度变化趋势基本反映了稠油的相态变化特征。

图2 稠油样品密度（a）、纵波速度（b）、横波速度（c）随温度变化趋势

图3为稠油纵、横波速度FLAG模拟结果。可以看出，随着温度升高，稠油的纵、横波速度急剧降低，且在玻璃态温度点（约-34.4 ℃）和液态温度点（约49.0 ℃）之间有强频散特性。例如在 10 ℃左右，当频率从地震频带（50 Hz）升高到超声频带（0.8 MHz），纵波速度逐渐增大，频散约为 25%；横波速度频散作用更加明显，速度可增大5倍。但是当温度逐渐升高，超过其液态温度点后，稠油速度频散现象基本消失，此时稠油完全以孔隙流体形态存在。

图3 不同频率下稠油纵波速度、横波速度随温度变化趋势

2.2 油砂物性随温度变化特征

由图 4可知，对于高含油饱和度样品 LLA-2，纵波速度随着温度升高而逐渐降低，这主要是由于随着温度的升高，稠油逐渐由玻璃态转变为液态。当温度为10 ℃时其纵波速度最大，约为2 500 m/s；当温度为175 ℃时，纵波速度约为1 250 m/s。在测量温度范围内（10～175 ℃），纵波速度下降幅度随着温度升高而逐渐减小。横波速度的整体变化趋势与纵波速度一致。另外，随着压力从0.5 MPa升高到3.5 MPa，纵、横波速度在低温段（120 ℃以下）呈逐渐增大的特征，而在高温段（120 ℃以上）几乎没有变化。

图4 样品LLA-2弹性波速度随温度变化趋势

中含油饱和度样品 LLA-1与高含油饱和度样品LLA-2的埋深（约307 m）、矿物含量相当，弹性波速度随温度变化趋势也类似。但在10 ℃时，样品LLA-1纵波速度更高，约为2 800 m/s（见图5）。结合CT扫描结果分析，原因在于样品LLA-1具有较好的颗粒接触。

图5 样品LLA-1弹性波速度随温度变化趋势

样品 LLD-1也是中含油饱和度样品，与样品LLA-1相比，整体速度也偏高（见图6）。分析原因认为其含油饱和度相对较低（60.1%），密度略高（2.14 g/cm3），黏土含量较高（12.2%），CT扫描显示颗粒间胶结更好。

图6 样品LLD-1弹性波速度随温度变化趋势

样品LLB-2含油饱和度较低（31.2%），其纵、横波速度随温度变化幅度明显较小（见图7）。测量温度从 10 ℃升高到 175 ℃，其纵、横波速度分别降低了约800 m/s和410 m/s，下降幅度分别约为30%和31%。而其他3块样品纵、横波速度下降幅度分别约为50%和40%。

图7 样品LLB-2弹性波速度随温度变化趋势

基于油砂及其所含稠油变温温度条件下实验测量的密度、孔隙度和纵波速度参数，以及研究区测井数据，结合Cole-Cole衰减模型，预测得到全温度段（0～250 ℃）密度、速度与温度的关系，并进行频散校正，建立地震频带油砂纵波阻抗与温度之间的定量关系图版（见图8）。该图版包含了不同含油饱和度油砂的纵波阻抗随温度变化的趋势和范围。利用该图版，再结合目的层油砂测井含油饱和度解释数据，可将时移地震纵波阻抗反演数据体转换为温度场，以监测油砂SAGD开发蒸汽腔发育情况。

图8 不同含油饱和度油砂纵波阻抗与温度之间的定量关系图版

3 油砂温敏岩石物理特征的应用

研究区主要油砂目的层为下白垩统McMurray组，属于河口湾背景下受潮汐影响的曲流河沉积，埋深在150～350 m，平均厚度约30 m。储集层岩性以石英砂岩为主，骨架颗粒间被沥青和黏土混杂胶结物充填。根据岩心实验和测井物性解释结果，油砂呈高孔高渗、低密低速特征：原始地层条件下（温度 7 ℃、压力1 MPa），平均孔隙度约为28.9%，含水饱和度为32%，原油密度为1.025 g/cm3，油砂密度为1.95～2.12 g/cm3，纵波速度为2 100～2 600 m/s。

研究区油砂储集层物性、含油饱和度横向变化较大，且隔夹层发育[34-37]，SAGD开发效果存在较大的不确定性。为此，在开发前期设计了时移地震技术应用研究方案，以监测蒸汽腔发育情况和开发效果。油砂开发前采集了一次三维地震资料作为时移地震基础参考数据，投产后采集了两次时移地震监测数据，间隔时间为两年，如图 9所示。与开发前的时移地震基础参考剖面（见图 9a）对比可以看出，两次时移地震监测剖面（见图 9b、9c）油砂目的层内部（红色框线内）地震反射特征变化和底部同相轴“下拉”现象非常明显（地震波传播时间增加），第2次时移地震监测剖面最大“下拉”时差近20 ms（相当于纵波速度降低了约40%）。其机理就在于SAGD开发过程中，随着高温蒸汽的注入，油砂目的层温度升高、纵波速度降低。

图9 研究区时移地震对比剖面图

通过研究区时移地震反演获得纵波阻抗数据，并利用前文所建立的不同含油饱和度油砂纵波阻抗随温度变化关系图版进行标定，可预测目的层蒸汽腔温度变化情况（见图10）。可以看出，注汽井周边温度都有明显升高，但不同部位温度也存在差异。结合测井解释结果，泥质含量较低的储集层发育区域温度明显高于储集层不发育的区域。因此，预测结果符合地质认识和规律。通过两次时移地震反演预测温度结果的对比，能较好地反映蒸汽腔范围温度变化情况。将研究区12口新钻加密井沿程实测温度与时移地震预测温度进行对比（见图11），预测误差小于5%的监测点比例达到了91.3%。以上结果表明时移地震反演研究能够有效监测蒸汽腔发育情况，进而指导生产措施的优化。

图10 研究区时移地震监测温度变化平面图

图11 研究区加密井沿程温度监测与温度预测对比图

4 结论

对于弱胶结、低阻抗的油砂，超声波岩石物理测量过程中，利用聚醚醚酮树脂代替常规钛合金设计超声波基座进行超声波测试，可以提高信号能量、信噪比，得到更清晰的初至波形。

研究区稠油实验测试结果表明随温度升高稠油黏度急剧下降。其对应的玻璃态温度点和液态温度点分别为-34.4 ℃和49.0 ℃。同时，稠油的纵、横波速度随着温度升高急剧减小，在不同温度段，速度变化率存在差异。温度超过液态温度点后，稠油逐渐由玻璃态转变为液态，横波速度急剧降低到零。玻璃态温度点和液态温度点之间的准固态稠油呈现明显频散现象。

研究区油砂岩石物理特征受温度和压力等多因素影响，变化规律复杂。温度从10 ℃ 提高到175 ℃，纵、横波速度都会显著降低，变化量分别可超过1 000 m/s和500 m/s。不同含油饱和度的油砂弹性参数变化主控因素和规律也不同。高含油饱和度油砂的弹性性质主要由稠油性质决定；低含油饱和度油砂的弹性参数主要受骨架颗粒刚度控制。相对于中、高含油饱和度油砂，在高温条件下，低含油饱和度油砂的纵、横波速度对压力变化响应更敏感。

根据研究区目的层 SAGD低压（最大压力近4 MPa）、高温（最高可达220 ℃）开发的特点，本文研究主要考虑温度对油砂岩石物理特征的影响。基于实验数据建立油砂纵波阻抗与温度之间的定量关系，通过时移地震反演预测油砂SAGD开发蒸汽腔温度变化。研究区12口新钻加密井沿程实测温度与时移地震预测温度对比分析表明，预测误差小于5%的监测点比例达到了91.3%。