基于微重力监测技术的地下储气库库容动用评价方法

廖 伟 刘国良 何国林 郑 强 邓申申 张士杰 张赟新

1.中国石油新疆油田公司呼图壁储气库作业区 2.北京中科地物能源技术有限公司 3.湖北省地质局第三地质大队

0 引言

储气库高速、频繁交替注采过程中的库容动用情况及圈闭动态密封性是储气库注采运行安全管理的重中之重[1]。新疆H储气库已完成8个周期注采运行，设计压力运行区间为18.0～34.0 MPa，注气流压已突破设计运行上限压力，历史最高注末库存量达到103.3×108m3，达容率96.5%，接近满库存状态，且新疆H储气库位于新疆昌吉州国家高新技术开发区内，一旦注采运行期间气体异常扩散、气水边界异常变化，发生天然气泄漏将导致严重的后果。因此，亟需利用先进的圈闭动态密封性监测技术，评估储气库注采运行过程中库容动用情况、天然气在地层内的富集情况和圈闭动态密封性，建立风险预警，保障储气库安全高效调峰运行。

随着重力勘探精度的不断提高，密度变化小的地质体产生的重力异常能够被监测到，从而使得重力资料应用领域不断扩宽[2]。目前，重力勘探方法应用逐步由了解区域构造特征[3]、圈定岩体范围[4]、指示成矿远景区[5]、寻找局部构造[6]、确定地层岩矿体的产状[7]等领域向寻找油气资源[8]、描述油藏内流体动态变化等领域拓展。微重力监测技术是近年来新兴起的油气藏生产动态监测技术[9]，主要应用于油藏注气（汽）开采中气体腔体发育形态描述、剩余油分布刻画、浅层漏气监测[10]以及气藏气水边界监测、剩余气开发潜力评价[11]等。

对于衰竭式开发气藏，在油气开发过程中由于地层压力的不断下降，边底水侵入占据孔隙空间，因为气水密度的差异，从而引起微重力的变化。自世界首例在美国的普拉德霍湾油田[12]实施地面微重力监测气顶注水成功，证实了当重力变化量达到重力仪测量精度时，通过微重力有可能对储层内物质的运移过程进行定性描述。据此先后在挪威北海的Troll油田、Slepner油田、美国盐湖谷等地区进行了实际监测和实验，取得了一定效果[13]。美国科罗拉多矿业学院GMRC小组近10年热衷于研究微重力、微重力梯度的模拟和反演研究，取得了很多可喜的成果。

国内目前这方面的研究较少，从调研看，①2011—2013年期间在涩北2气田开展的监测气田水驱前缘的地面微重力监测[14]；②2009—2018年辽河油田稠油SAGD开发蒸汽腔[15]发育形态的地面重力监测[16]；③2016年至今在新疆油田稠油SAGD、VHSD开发蒸汽腔发育形态刻画的地面微重力监测、CO2气驱油藏优势气驱通道微重力监测和火烧烟道气驱微重力监测，均取得了较好的效果。

因此，微重力监测技术可作为储气库库容动用效果、圈闭动态密封性等常规监测技术的有效补充。利用微重力监测技术落实储气库多周期注采运行后天然气富集区，评价气驱前缘及气水界面变化情况，为实现储气库快速达容达产、高效注采调峰提供决策依据。

1 天然气重力异常特征

众所周知，天然气能否聚集，取决于构造的圈闭条件。根据油气聚集规律，圈闭构造高部位是天然气聚集的有利场所。在非含气构造上，重力呈“正向”构造显示，即重力高往往是构造高部位的反映。但在含气构造上（图1），重力呈“负向”（或镜像）构造显示，即在重力高背景异常上出现局部（次级）重力低异常，局部重力的低值部位对应含气构造的高部位，低值部位的极低值部位是含气构造的高点所在。

图1 天然气重力异常成因示意图

2 微重力监测

2.1 监测异常提取

根据新疆H储气库气藏地质特征，建立了含气区正演模型。通过正演模型参数，密度最大变化量是0.16 g/cm3，计算出不同含气面积在地表的重力变化量，制订地面微重力观测设计方案，共设计2 595个测点，总覆盖面积为249.28 km2。观测区域设计包括核心区域（面积47.84 km2）和扩展区域（面积204.44 km2）两个部分。

2020年11月—2021年2月现场监测录取新疆H储气库微重力观测资料，实际监测微重力测量点共2 584个。微重力野外观测使用2台CG-6型高精度重力仪，野外记录与计算要求均严格按规范执行。对野外采集的微重力数据进行格值计算、固体潮校正、零漂校正、中间层校正、高度校正、正常场校正和地形校正，得到布格重力异常。

地表观测得到的布格重力异常，是微重力勘探区所有密度体产生重力异常的叠加。利用深度递推法[17]将表征的重力异常从布格重力异常中分离，其实现过程如下：

设观测到的布格重力异常为g(x,y, 0)，利用非线性方法的多尺度性，其表达式可表示为：

式中 (x,y, 0)表示地面坐标，g11、g12、g13、…分别表示不同尺度的局部异常，μgal；gr1、gr2、gr3、…分别表示不同尺度的区域场，μgal；[Δgr]i表示第i个尺度下的剩余重力异常，μgal；其中i=1, 2, 3, 4…。

针对不同尺度下的局部场[gr]i，利用二阶曲面拟合法求取。设在某点(m,n, 0)为中心的一个较小区域内，gr表示为：

式中x、y表示区域内点到中心点的距离，m。那么，每点的误差平方和表示为：

式中i、j表示在点(m,n)为中心的区域内取值。

首先采用最小二乘法，求得系数二阶曲面系数(a0,a1,a2,a3,a4,a5)，然后对每个点都进行同样的运算，即可求得对应尺度下每个点的区域场值，再利用式（2）计算对应尺度下的剩余重力异常，最后根据探测目标深度、相关地质资料确定合理的尺度，得到表征微重力探测目标深度范围内密度体产生的剩余重力异常。

假设深度递推分离的剩余重力异常，在该深度上下很小的范围内，密度不随深度变化，那么，可以反演得到密度[18]：

当目标层很薄，格林函数随深度变化很小，也可以近似为：

式中F(ρ)表示密度傅里叶变换，g/cm3；F(D)表示数据的傅里叶变换，μgal；z0、z1表示引力常数，m3/(kg·s2)；G表示波数；k表示层深，m；h表示层厚，m。

2.2 监测成果分析

2.2.1 微重力异常测定流体富集程度

利用深度递推法提取表征储气库注采层内密度体产生的剩余重力异常结果：剩余重力异常是指从布格重力异常中去掉区域重力异常后的剩余部分，它主要反映局部地下流体剩余质量的影响。剩余重力异常反映地下流体富集程度，异常值由高值变为低值，地下流体富集程度高（图2）。剩余重力异常高值区，地下流体富集程度低，说明地下流体相对丰度低；剩余重力异常低值区，地下流体富集程度高，说明地下流体相对丰度高。

图2 注采层剩余重力异常平面等值线图

2.2.2 层密度反演评价气水界面变化

根据层密度反演方法，对储气库注采层剩余重力异常进行密度反演（图3），图中冷色系区域代表低密度区，暖色系区域代表高密度区。

图3 注采层密度反演平面等值线图

因剩余重力负异常区为地下流体富集区，根据剩余重力异常与密度成正比关系，说明低密度区为地下流体富集区。密度值高低反映地下流体物性差异，密度值越低，地下流体物性好，反之，地下流体物性差。

以HUK2井为界，HUK2井以东低密度区值要低于HUK2井以西低密度区值。由气体密度小于液体密度，可评价低密度区地下流体物性特征：相对密度值越低，反映地下流体为气体富集区，即HUK2井以东低值区为天然气富集区；相对密度值越高，反映地下流体为水富集区，即HUK2井以西低值区为边水富集区。

3 应用实例

利用深度递推法提取表征新疆H储气库注采层内密度体产生的剩余重力异常，采用层密度反演方法获得注采层相对密度分布，并通过边缘检测技术确定西区气水边界，最后结合储气库井资料、静态资料和生产动态资料对新疆H储气库历经8个周期注采运行后天然气富集区进行验证，评价库容动用效果。

3.1 气水边界刻画及评价

目前针对储气库气水边界刻画方法是基于数值模拟[19]和井探边测试[20-21]，利用微重力监测技术对储气库气水边界进行刻画为首次。

剩余重力异常是密度与格林函数的褶积，层密度反演过程是进行反褶积处理，而褶积相当于滤波，因此，去除背景值，密度界面反演结果更能准确评价气水边界。基于此思路，利用模型正演技术，通过建立气水界面正演模型，确定气水边界刻画阈值。具体做法如下：

首先建立气水边界正演数学模型：

式中G表示万有引力常数，m3/(kg·s2)；ρ表示场源密度，g/cm3；(x,y,z)表示观测点的坐标，m；(ξ,η,ζ)表示长方体场源点的坐标，m；其对应的积分限变化范围为 (ξ1,ξ2)，(η1,η2)，(ζ1,ζ2)，m。

其次，根据H储气库实际相关基础资料以及数学模型相关参数，设定气水边界模型基本参数（表1），建立了8个气水边界模型。

表1 气水边界模型基本参数表

最后利用式（7）计算含气、含水模型边界目标异常值（表2、图4）。

表2 气水边界模型正演结果统计表

图4 气水边界模型正演结果示意图

第八周期注采情况以及微重力监测时期，储气库含气饱和度约为65%。根据气水边界正演模型结果，以百分比为60.22%作为刻画气水边界的阈值。再结合建库初期气水界面埋深情况，选取埋深3 617 m左右层密度反演边缘检测成果进行气水边界刻画，气水边界在HUK2井与呼2井间靠近HUK2井。

图5为背靠背通过数值模拟技术获得的含气饱和度场，西部H2井与HU2井间区域不含气，为西部气水边界。数值模拟结果与微重力监测气水边界刻画结果一致，验证了微重力监测储气库气水边界的可靠性。

图5 H储气库含气饱和度场图

为了进一步确定气水边界深度，参照注采层构造图，结合相关井资料，制作气水边界几何示意图（图6）。

图6 注采层气水界面计算几何示意图

已知呼2井到HUK2井距离为235 m，HUK2井与呼2井注采层顶界海拔相差13.14 m，圈定气水界面位置到HUK2井距离为22 m，以HUK2井为坐标系中的原点，求取气水界面海拔值，即图7中蓝色点纵坐标值。

图7 监测区注采井生产情况分析图

已知过气水界面点垂直于L线，交横轴于A（22.084，0），设定气水界面位置坐标为B（22，h），过点B垂直横轴于点H，其中HUK2井、呼2井、C点组成一个直角三角形，A、B、H点组成一个直角三角形，因两直角三角形为相似三角形，由此可知：

由上式计算出：h=1.5

参考井资料，计算本次微重力监测期间储气库气水边界海拔为－3 037.5 m。

3.2 库存气相对丰度评价

在剩余重力异常图中，剩余重力异常低值区表征含气丰度相对高区；相反，表征含气丰度相对低区。从注采井所在区域剩余重力异常特征图（图2）可以看出，将注采井所处位置分为两类：第一类井对应剩余重力正异常区为地下流体富集程度低，库存气相对丰度低，包括HUK3、HUK4、HUK12、HUK13井；第二类对应剩余重力负异常区为地下流体富集程度高，库存气相对丰度高，包括HUK14、HUK5、HUK6、HUK15、HUK16井。

结合监测区注采井生产情况验证本次库存气相对丰度预测成果的准确性。监测区注采井生产情况表明：剩余重力异常高值区注采井注采气量低，库存气相对丰度低；剩余重力异常低值区注采井注采气量高，库存气相对丰度高（图7）。微重力监测结果与注采井生产动态吻合，进一步验证了利用剩余重力异常评价储气库库存气相对丰度的准确性。

4 结论

1）储气库多周期注采运行过程中流体密度会发生变化，利用微重力监测技术监测注采层内因流体密度变化产生的重力异常，对储气库内流体的动态变化特征具有一定的指示性。

2）采用深度递推法可以实现区域场与剩余重力异常的有效分离，可获取剩余重力异常的变化来预测地下流体的富集程度。根据层密度反演结果，对地下流体进行气水区分，反演结果显示新疆H储气库监测区HUK2井以东为天然气富集区，HUK2井以西为边水富集区。

3）采用层密度反演边缘检测技术，以异常极值的60.22%作为刻画气水边界的阈值，圈定新疆H储气库目前气水边界，参照井资料计算气水边界海拔约为－3 037.5 m。

4）实际生产动态资料验证，微重力监测结果对储气库气水边界可进行有效判断，对储气库库容动用效果评价，优化调整注采运行方案，提升储气调峰运行效率具有重要指导意义。