蔡寧驍 王真理 周大勝 王 義

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；②中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院，北京 100029；③中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；④中國(guó)石油遼河油田公司，遼寧盤錦 124010)

0 研究背景

世界上稠油資源極其豐富，其地質(zhì)儲(chǔ)量遠(yuǎn)超常規(guī)原油儲(chǔ)量。中國(guó)的稠油主要分布于松遼、渤海灣、準(zhǔn)噶爾、南襄、二連等含油氣盆地，開發(fā)潛力巨大[1]。注蒸汽稠油熱采技術(shù)可大大提高稠油的采收率，但在蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)、蒸汽輔助重力泄油等過程中，常常伴隨淺層汽竄現(xiàn)象。具體表現(xiàn)為蒸汽進(jìn)入淺層砂層并儲(chǔ)集，當(dāng)壓力進(jìn)一步增大時(shí)，會(huì)沿著薄弱的地層突破至地表，造成地表漏氣。淺層汽竄現(xiàn)象一旦發(fā)生，會(huì)因?yàn)闊崮艿膿p失影響采收率，增加生產(chǎn)成本，還可能造成淺層水污染或安全事故。

關(guān)于注蒸汽稠油熱采區(qū)的淺層汽竄現(xiàn)象(圖1)的成因，主要有兩種觀點(diǎn)。王曉惠等[2]認(rèn)為在蒸汽吞吐開采時(shí)，局部高壓將地層壓裂，形成汽竄通道，蒸汽沿通道進(jìn)入淺層砂層的儲(chǔ)集空間，待壓力大于地表蓋層承受極限時(shí)，蒸汽突破至地表。而章敬等[3]則認(rèn)為，油井經(jīng)過反復(fù)的高溫蒸汽注入，會(huì)由于熱脹冷縮，在固井水泥環(huán)與油層套管間產(chǎn)生縫隙，這就是注入蒸汽上竄至淺層的通道。上竄的蒸汽進(jìn)入淺層砂層中，使地層中的巖石物性發(fā)生變化，這就是應(yīng)用地球物理方法探測(cè)淺層汽竄的物理基礎(chǔ)。

霍進(jìn)等[4]用井間電位技術(shù)監(jiān)測(cè)新疆油田重32區(qū)的地表汽竄。胡耀江等[5]基于一維飽和多孔介質(zhì)模型，在熱液區(qū)為半無(wú)限大側(cè)向介質(zhì)導(dǎo)熱時(shí)，推導(dǎo)了散熱項(xiàng)和對(duì)流項(xiàng)系數(shù)隨時(shí)間變化的表達(dá)式，據(jù)此可以計(jì)算模型內(nèi)各點(diǎn)的溫度，并與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)果對(duì)比。

圖1 注蒸汽開發(fā)區(qū)淺層汽竄示意圖

Gudbjerg等[6]提出一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，說明地質(zhì)條件、蒸汽注入?yún)?shù)和蒸汽排出系統(tǒng)對(duì)蒸汽推進(jìn)的形態(tài)有很大影響。Ochs等[7]進(jìn)行了一系列二維實(shí)驗(yàn)，研究原始飽和水地層在注入蒸汽時(shí)，蒸汽推進(jìn)的特性，并推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型。

前人研究成果表明，當(dāng)高溫蒸汽注入水飽和的砂層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)蒸汽腔，這個(gè)蒸汽腔的密度遠(yuǎn)小于之前水飽和時(shí)的密度。高溫蒸汽腔的形狀受孔隙度、蒸汽輸入速度等因素的制約，一般為卵形或者柱形。

通過地面觀測(cè)的重力異常信號(hào)，對(duì)地下密度異常體的位置和規(guī)模進(jìn)行求解，屬于地球物理反演問題[8-9]。通常通過分離區(qū)域異常與局部異常提取重力異常，包括多項(xiàng)式曲面擬合法、波長(zhǎng)濾波方法、匹配濾波法、小波多尺度分析法以及獨(dú)立分量分析法等[10-11]。這些方法由于數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用前提的不同，在實(shí)際操作中具有針對(duì)性和選擇性。為研究重力異常與場(chǎng)源埋深的關(guān)系，楊輝等[12]在位場(chǎng)延拓理論基礎(chǔ)上，提出一種計(jì)算重力異常視深度的方法。郭良輝等[13]通過徑向平均對(duì)數(shù)功率譜分段的特征，估計(jì)各等效層的近似深度。楊文采等[14]通過重力正演引入場(chǎng)寬度概念，提出布格重力異常的尺度與場(chǎng)源埋深呈正相關(guān)，并分析小波多尺度變換的尺度—深度轉(zhuǎn)換規(guī)律。

1 針對(duì)淺層汽竄的微重力勘探方法

1.1 微重力方法原理

近年來(lái)，隨著重力儀和GPS儀器精度和處理技術(shù)的不斷發(fā)展，微重力勘探方法被廣泛應(yīng)用于探測(cè)地下介質(zhì)密度差異，包括地下陵殿的探查[15]、地下水遷移[16]、油氣儲(chǔ)層流體變化[17]、稠油開發(fā)過程中油藏蒸汽腔擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)[18]等。

據(jù)萬(wàn)有引力公式，地質(zhì)體重力異常為

Δg(x,y,z)

(1)

式中：V為地下密度異常體的空間范圍；σ為剩余密度；G為萬(wàn)有引力常數(shù)。

需要注意的是，重力勘探中現(xiàn)場(chǎng)采集的微重力數(shù)據(jù)需經(jīng)過一系列處理才能得到布格重力異常，再分離區(qū)域場(chǎng)，才能得到目標(biāo)地質(zhì)體(層)密度差產(chǎn)生的剩余重力異常

Δgr=Δg-ΔgR

(2)

式中ΔgR表示目標(biāo)體深度之下地層的區(qū)域重力場(chǎng)。

1.2 模型正演分析

為了研究微重力勘探方法如何探測(cè)淺層汽竄聚集區(qū)的位置，進(jìn)行模型正演。研究區(qū)為遼河油田杜84 SAGD開發(fā)區(qū)，根據(jù)油藏物性參數(shù)，建立了一個(gè)包括兩個(gè)汽柱狀淺層汽竄異常體(異常體1和2)和兩個(gè)薄層狀淺層汽竄異常體(異常體3和4)的模型，其深度和規(guī)模不同(表1)。模型1～4的中心點(diǎn)平面坐標(biāo)分別為(300m,300m)、(300m,700m)、(700m,300m)和(700m,700m)。設(shè)該模型的汽腔內(nèi)蒸汽密度為0.0006 g/cm3，地層水密度為1.0000 g/cm3，砂層骨架密度為2.6500 g/cm3，砂層孔隙度為0.25，汽腔內(nèi)含水飽和度為0.1。在汽柱狀區(qū)域，上竄蒸汽進(jìn)入上覆的較厚砂層，蒸汽腔以向上發(fā)育為主；在薄層狀區(qū)域，上竄蒸汽進(jìn)入上覆的較薄淺部砂層，上有蓋層，蒸汽腔以橫向發(fā)育為主。

表1 淺層汽竄模型基本參數(shù)

模型正演結(jié)果顯示，這四個(gè)由于淺層汽竄形成的密度異常體各自在地表產(chǎn)生的最大重力異常分別為-9.27、-17.61、-4.62、-12.50μGal，其疊加重力異常場(chǎng)分布如圖2所示?？梢?，異常體1、異場(chǎng)體2和異常體4中心位置的地表微重力絕對(duì)異常值都大于10.0μGal，目前常用的微重力儀器(如CG-5型重力儀和貝爾雷斯型重力儀)均滿足可重復(fù)測(cè)量精度的要求。異常體3的中心位置所對(duì)應(yīng)的地表最大絕對(duì)重力異常大于5.0μGal，新一代高精度重力儀(如CG-6型儀器)能達(dá)到測(cè)量精度要求。

出現(xiàn)淺層汽竄的稠油熱采開發(fā)區(qū)的深部?jī)?chǔ)層內(nèi)已經(jīng)發(fā)育一定規(guī)模的蒸汽腔。不同深度的密度虧空產(chǎn)生的重力效應(yīng)會(huì)疊加到重力異常場(chǎng)上，所以在這個(gè)淺層汽竄模型的基礎(chǔ)上，引入了儲(chǔ)層內(nèi)蒸汽腔的影響。假設(shè)在深度500m之下有一個(gè)稠油油藏正在進(jìn)行SAGD開發(fā)，形成了一個(gè)大型蒸汽腔，呈水平圓柱狀(參數(shù)見表2)，其中心點(diǎn)坐標(biāo)的平面坐標(biāo)為(500m,500m)。這個(gè)蒸汽腔在地表產(chǎn)生的重力異常(圖3)最小值為-21.18μGal。將這個(gè)重力異常場(chǎng)疊加到圖2，以10m為間隔采樣，并加入隨機(jī)高斯噪聲,得到綜合疊加重力場(chǎng)(圖4)。

圖2 四個(gè)密度異常體疊加產(chǎn)生的重力異常場(chǎng)

參 數(shù) 數(shù)值油藏頂埋深/m500油藏底埋深/m600蒸汽腔長(zhǎng)度/m400蒸汽腔發(fā)育半徑/m50淺層汽腔內(nèi)蒸汽密度/(g·cm-3)0.0006稠油密度/(g·cm-3)0.9500儲(chǔ)層骨架密度/( g·cm-3)2.6500儲(chǔ)層孔隙度0.25蒸汽腔內(nèi)含水飽和度0.1

圖3 正常注蒸汽形成的蒸汽腔引起的重力異常場(chǎng)

圖4 加入隨機(jī)高斯噪聲的地表重力異常場(chǎng)

1.3 多尺度曲面擬合異常提取方法

采集的微重力數(shù)據(jù)經(jīng)常規(guī)處理可以得到布格重力異常場(chǎng)。布格重力異常場(chǎng)由地下不同埋深的不均勻地質(zhì)體的重力作用疊加而成，它既包括深層的區(qū)域場(chǎng)，也包括目標(biāo)深度的剩余重力異常場(chǎng)，為此需要提取反映目標(biāo)體的重力異常。

油藏監(jiān)測(cè)工區(qū)面積小，因此對(duì)微重力勘探方法的解釋精度要求較高，常用的異常提取方法效果均不盡如人意。經(jīng)過模型試算與項(xiàng)目實(shí)踐，基于多項(xiàng)式曲面理論提出一種多尺度曲面擬合的異常提取方法，提取高精度微重力異常。該方法的原理是構(gòu)建一種數(shù)學(xué)模型去逼近區(qū)域場(chǎng)曲面。假設(shè)重力場(chǎng)可以用無(wú)窮階次的多項(xiàng)式表示

(3)

多尺度曲面法中的尺度指的是曲面擬合局部重力場(chǎng)時(shí)的采樣點(diǎn)間隔。多尺度是通過成倍擴(kuò)大原始重力數(shù)據(jù)最小采樣間隔實(shí)現(xiàn)的。先以相鄰的微重力最小采樣間隔為尺度選取局部曲面，用最小二乘法計(jì)算式(3)中的系數(shù)擬合局部曲面，提取局部區(qū)域場(chǎng)可得到該尺度下的重力區(qū)域場(chǎng)；然后逐步擴(kuò)大尺度，重復(fù)上述流程，就可以得到不同尺度的重力區(qū)域場(chǎng)和剩余異常場(chǎng)。具體的技術(shù)流程見文獻(xiàn)[19]。

考慮地下存在一個(gè)密度異常的球體，其地表觀測(cè)重力異常場(chǎng)為

(4)

式中：h代表觀測(cè)點(diǎn)到異常體中心點(diǎn)的垂直距離；M是異常體質(zhì)量。

重力異常絕對(duì)值的最大值Δgmax出現(xiàn)在密度異常地質(zhì)體正上方x=0處，當(dāng)x=Δx時(shí)，重力異常值Δg′衰減至最大值的80%，有

(5)

h=2.5Δx

(6)

式中Δx指能反映這個(gè)特定異常體形態(tài)的尺度。式(6)即為多尺度曲面擬合異常提取方法中尺度與異常體埋深的關(guān)系式。這個(gè)關(guān)系式是理想情況下的理論公式，由于地下真實(shí)情況更為復(fù)雜，應(yīng)用于淺層汽竄的實(shí)例之前，還需正演模擬驗(yàn)證這個(gè)關(guān)系的準(zhǔn)確性。以圖4中的疊加重力異常作為待分離的重力場(chǎng)，使用多尺度曲面擬合法提取了不同尺度的剩余重力異常(圖5)。

第一次曲面擬合選取的尺度為10m，即模擬的最小采樣間隔，得到最小尺度剩余重力異常場(chǎng)(圖5a)?？梢钥闯?，這個(gè)尺度的剩余重力異常場(chǎng)以隨機(jī)噪聲為主，可見這個(gè)尺度下提取的剩余異常場(chǎng)并不能反映異常體的存在，因此需進(jìn)一步提高曲面擬合的尺度。

圖5 圖4異常場(chǎng)在不同尺度下利用曲面法提取的剩余重力異常及區(qū)域場(chǎng)

對(duì)第一次曲面擬合得到的區(qū)域場(chǎng)進(jìn)行第二次多尺度曲面擬合，得到尺度為20m的剩余重力異常場(chǎng)(圖5b)?？梢钥闯觯@個(gè)剩余重力異常場(chǎng)仍然包含隨機(jī)噪聲，但是出現(xiàn)了異常體4產(chǎn)生的近地表異常，這個(gè)異常體是四個(gè)密度異常體中最淺的(埋深30～40m)。繼續(xù)擴(kuò)大曲面擬合尺度到40m，提取到的多尺度曲面擬合異常見圖5c，可以看出，此時(shí)隨機(jī)噪聲幾乎被完全壓制，除了密度異常體4外，異常體2和異常體3所產(chǎn)生的重力異常也得到了體現(xiàn)。繼續(xù)擴(kuò)大尺度到80m，從剩余重力異常圖(圖5d)中可以發(fā)現(xiàn)最深的異常體1所產(chǎn)生的重力異常。

當(dāng)尺度選擇240m時(shí)，油藏蒸汽腔產(chǎn)生的重力異常初次出現(xiàn)在該尺度下的剩余重力場(chǎng)中，而尺度為160m的剩余重力異常(圖5e)可以更準(zhǔn)確地反映地下四個(gè)密度異常體產(chǎn)生的重力異常。區(qū)域場(chǎng)(圖5f)是油藏蒸汽腔正常發(fā)育產(chǎn)生的重力異常，與圖3所示重力異常形態(tài)吻合度較高，數(shù)值也非常接近。因此，多尺度曲面擬合方法可以較好地分離區(qū)域場(chǎng)和異常場(chǎng)。

圖6 模型埋深與異常開始顯現(xiàn)時(shí)的尺度對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

從圖6可見，四個(gè)密度異常體對(duì)應(yīng)的重力異常初次出現(xiàn)時(shí)的尺度，與其埋深呈正線性相關(guān)。因此可以根據(jù)異常初次出現(xiàn)時(shí)的尺度，較為準(zhǔn)確地推算出淺層場(chǎng)源的深度。圖6中的趨勢(shì)線的斜率為0.4，驗(yàn)證了式(6)的準(zhǔn)確性。據(jù)式(6)，目的層埋深的0.4倍可以作為異常分離時(shí)尺度選擇的參考值；反之，如果異常在某尺度初次出現(xiàn)，可根據(jù)式(6)得到這個(gè)異常的場(chǎng)源深度。

由于重力數(shù)據(jù)的疊加特性和方法的多解性，某個(gè)尺度初次出現(xiàn)的剩余重力異常，在更大尺度的剩余重力異常場(chǎng)中也可能有不同程度的殘留，不同尺度的剩余重力異常不保幅。為了對(duì)目標(biāo)體做定量解釋，將尺度為20、40、80、160m的剩余重力異常場(chǎng)疊加起來(lái)，得到同時(shí)反映這四個(gè)淺層汽竄密度異常體的異常場(chǎng)(圖7)，反映深度為0～400m。從圖7可以看出，異常值與圖2中的正演結(jié)果相近，可以作為定量解釋的依據(jù)。

圖7 多尺度曲面法提取的剩余重力異常場(chǎng)疊加結(jié)果

2 應(yīng)用實(shí)例

近些年，時(shí)移微重力勘探方法越來(lái)越多地被應(yīng)用于油藏描述與開發(fā)及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。Alaska Prudhoe Bay氣田的時(shí)移微重力監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了時(shí)移微重力異?？梢苑从硟?chǔ)層內(nèi)注水產(chǎn)生的密度變化，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)注水方案、提高采收率[17]。挪威海上油田開展的時(shí)移微重力監(jiān)測(cè)，將改進(jìn)的重力儀放入海底，監(jiān)測(cè)注水氣藏水氣接觸面高度，精度可達(dá)米級(jí)[20]。

2009年開始對(duì)遼河曙光杜84 SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了時(shí)移微重力監(jiān)測(cè)，得到反映注汽層和油儲(chǔ)層的剩余重力異常。結(jié)合地質(zhì)資料和生產(chǎn)實(shí)際情況，預(yù)測(cè)了底線蒸汽腔在空間的發(fā)育過程，用于指導(dǎo)注汽方案[18]。2016年在SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了微重力勘探范圍，測(cè)區(qū)覆蓋整個(gè)杜84 SAGD區(qū)，點(diǎn)距、線距均選取為16m。這個(gè)區(qū)塊的油藏物性參數(shù)(埋深、孔隙度、密度)與表3所示的正演油藏模型參數(shù)一致，所以可以利用本文多尺度曲面擬合法提取不同深度場(chǎng)源的剩余重力異常場(chǎng)。

分別用最小采樣間隔的1、2、4、8、12倍作為尺度進(jìn)行多尺度曲面法異常提取(圖8)。根據(jù)式(6)可以推斷各尺度下剩余重力異常場(chǎng)源的大致深度，分別為40、80、160、320、480m。由于此區(qū)塊油藏頂埋深大于500m，所以將以上各尺度的剩余重力異常相加，得到SAGD開發(fā)區(qū)油藏頂之上的淺層剩余重力異常場(chǎng)(圖9)。

圖8 杜84 SAGD開發(fā)區(qū)不同尺度剩余重力異常場(chǎng)及區(qū)域場(chǎng)

圖9 SAGD開發(fā)區(qū)多尺度曲面法提取的

圖中的異常極值點(diǎn)是蒸汽上竄至淺層并儲(chǔ)集在淺層砂層中引起的。2017年在這個(gè)開發(fā)區(qū)發(fā)現(xiàn)了較嚴(yán)重的地表漏氣現(xiàn)象，將該開發(fā)區(qū)部分地表漏氣點(diǎn)標(biāo)注在圖9中(圖中黑色箭頭)?？梢钥闯?，大多數(shù)地表漏氣點(diǎn)位于近地表負(fù)異常極值點(diǎn)的周圍，這是因?yàn)闇\層砂層中的蒸汽腔在擴(kuò)大過程中會(huì)在薄弱的地方突破至地表，形成地表漏氣點(diǎn)。

可以根據(jù)近地表異常極值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的尺度，判斷近地表蒸汽聚集區(qū)的深度。以觀察井GG-8為例，周圍存在近地表異常極值點(diǎn)(圖9)。在尺度為16m的剩余重力異常圖(圖10a)中，GG-8井附近出現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)條狀近地表異常，判斷其源的深度大約為40m。而在尺度32m的剩余重力異常圖(圖10b)中，出現(xiàn)一個(gè)圓形的近地表異常，由于其形狀和異常中心位置與圖10a中的近地表異常不同，說明在地下約80m深度存在一個(gè)淺層蒸汽聚集區(qū)。

圖10 GG-8井附近尺度為16m(a)和32m(b)時(shí)提取的剩余重力異常圖

為了驗(yàn)證對(duì)淺層蒸汽聚集區(qū)位置和深度判斷的準(zhǔn)確性，對(duì)觀察井GG-8進(jìn)行了放射性測(cè)量(圖11)。對(duì)比測(cè)量結(jié)果可知，2012年的測(cè)量曲線上并未發(fā)現(xiàn)異常，而2017年的測(cè)量結(jié)果分別在47m和77m深度處指示了蒸汽產(chǎn)生的異常，這與微重力剩余重力異常的結(jié)果吻合。根據(jù)微重力勘探方法解釋的淺層蒸汽聚集區(qū)的深度和范圍，遼河油田采取了進(jìn)一步的措施治理淺層汽竄問題，取得了不錯(cuò)的成果。

圖11 2012年(左)和2017年(右)GG-8井伽馬測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)論

(1)上竄蒸汽進(jìn)入淺層砂層會(huì)引起地層密度的變化。油藏淺層汽竄模型正演表明使用高精度重力儀可以測(cè)量這種由于物性變化引起的重力異常，使得用微重力勘探方法探測(cè)淺層汽竄聚集區(qū)成為可能。

(2)通過多尺度曲面擬合的異常分離方法，可得到不同尺度的剩余重力異常場(chǎng)，基于深度估算公式可以得到重力異常的場(chǎng)源深度。

(3)遼河油田SAGD開發(fā)區(qū)的實(shí)踐證明，微重力勘探作為新興的地球物理手段，可以較好地判斷由于淺層汽竄造成的蒸汽聚集區(qū)的深度和范圍，為探測(cè)淺層蒸汽聚集區(qū)、排查淺層汽竄點(diǎn)、治理地表漏氣提供較可靠的依據(jù)。