郭 曉 王 正 張 鵬 王盤根 劉新光

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司， 北京 100028； 2. 北京斯堪帕維科技有限公司， 北京 100101；3. 中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司， 北京 100029)

根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》(2020年)的全球石油探明儲(chǔ)量排名，加拿大的油砂資源儲(chǔ)量居世界第一[1]。目前，加拿大油砂儲(chǔ)量的1/5可實(shí)現(xiàn)露天開采，4/5需進(jìn)行原地開采[2]。蒸汽輔助重力泄油(SAGD)是目前普遍采用的原地開采技術(shù)。采用該技術(shù)首先需沿油砂儲(chǔ)層底界面布設(shè)2口水平井，上水平井用來注入高溫蒸汽，使固體瀝青受熱后黏度降低，從而在重力和蒸汽壓力的驅(qū)動(dòng)下流入下水平井。瀝青質(zhì)熱溶流走后，其原先所占據(jù)的孔隙即被蒸汽充填，在上水平井的兩側(cè)及上方形成蒸汽腔[3]。蒸汽腔的可擴(kuò)散范圍直接決定了油砂SAGD技術(shù)可動(dòng)用的地質(zhì)儲(chǔ)量。

對(duì)于在生產(chǎn)油砂礦區(qū)，工業(yè)界一致認(rèn)為生產(chǎn)井深度是動(dòng)用儲(chǔ)量的底部界限。各公司均采用隔夾層厚度確定動(dòng)用儲(chǔ)量的頂部界限，但認(rèn)識(shí)差異較大。目前，在生產(chǎn)油田部分井區(qū)的動(dòng)用儲(chǔ)量已突破原劃分頂部界限，動(dòng)用儲(chǔ)量能否精準(zhǔn)確定將直接影響后續(xù)調(diào)整挖潛效果。本次研究以加拿大L油田為例，綜合應(yīng)用巖心、溫度監(jiān)測(cè)井、剩余油飽和度測(cè)井、時(shí)移地震等動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)劃分隔夾層類型并統(tǒng)計(jì)蒸汽腔的發(fā)育現(xiàn)象，定量分析隔夾層對(duì)蒸汽腔的影響程度。

1 L油田概況

L油田位于加拿大阿爾伯塔盆地阿薩巴斯卡地區(qū)，面積約30 km2。L油田于2003年開展SAGD試驗(yàn)，2007年實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。截至目前，油田采出程度達(dá)42%，已進(jìn)入開發(fā)中后期調(diào)整階段。油田的主要目的層為下白堊統(tǒng)McMurray組，自下而上分為3段，依次為Continental、Assemblage2和Assemblage3[4-5]。

其中，Assemblage3儲(chǔ)層較厚，為主力開發(fā)層系，橫向變化快，非均質(zhì)性強(qiáng)，隔夾層分布復(fù)雜。儲(chǔ)層平均厚度約22 m，平均孔隙度約28.9%，平均水平滲透率約4.545 μm2，平均垂向滲透率約3.500 μm2，平均含水飽和度為36%。油藏溫度約6～9 ℃，屬于正常壓力系統(tǒng)。在油藏條件下，瀝青的密度約為1.017 g/cm3，黏度為1 750～3 000 Pa·s。該油藏為典型的超稠油油藏。在油田勘探階段部署了265口探井，其中205口井取心，三維地震資料全區(qū)覆蓋。生產(chǎn)階段，在井場(chǎng)部署21口監(jiān)測(cè)井，實(shí)時(shí)測(cè)量油藏溫度。2014 — 2015年，先后兩次進(jìn)行了時(shí)移地震數(shù)據(jù)采集及剩余飽和度測(cè)井，生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)豐富，為本次研究提供了翔實(shí)的資料基礎(chǔ)。

2 油砂隔夾層分析

2.1 沉積模式

加拿大油砂儲(chǔ)層屬于潮控河口灣類型。Carrigy等人對(duì)加拿大油砂McMurray層沉積進(jìn)行了研究，認(rèn)為McMurray層底部為河流相沉積，中部為河流-河口灣沉積，上部為淺海相沉積[6]。Hein等人對(duì) 45處露頭、140個(gè)巖樣及4 000余口測(cè)井進(jìn)行了分析，將McMurray層劃分為上段和下段，并首次將McMurray層劃分為18種不同巖相及其組合[7]。目前，普遍認(rèn)為Mcmurray組整體為海侵背景下受潮汐影響的河口灣沉積體系(見圖1)，多期砂體垂向疊置，儲(chǔ)層厚度大。L油田為內(nèi)河口灣沉積，發(fā)育受潮汐影響的曲流河砂體，沉積微相包括廢棄河道、點(diǎn)壩、泛濫平原，其中點(diǎn)壩可進(jìn)一步分為下點(diǎn)砂壩(LPB)及上點(diǎn)砂壩(IHS)。下點(diǎn)壩主要發(fā)育砂巖和泥礫巖(Breccia)；上點(diǎn)壩主要發(fā)育砂質(zhì)傾斜側(cè)積層(Sandy IHS)和泥質(zhì)傾斜側(cè)積層(Muddy IHS)。

2.2 巖心描述及隔夾層分類

在油氣勘探開發(fā)過程中，巖心資料是反映地下情況最直觀、最可靠、最珍貴的實(shí)物資料[8-9]。研究區(qū)的巖心照片分辨率高，可以較好地確認(rèn)巖石的類型及其含油性。研究區(qū)儲(chǔ)層整體上以正旋回韻律為主，自下而上依次發(fā)育正韻律陸相河流相、正韻律內(nèi)河口灣復(fù)合點(diǎn)壩沉積、復(fù)合韻律潮坪及區(qū)域廣泛發(fā)育的海相洪泛泥巖。潮控河口灣環(huán)境受到潮汐和河流作用的影響，既有來自河流的沉積物，又有來自海水的沉積物。因此，巖心構(gòu)造較河流相更為復(fù)雜，可見生物擾動(dòng)、交錯(cuò)層理、水平層理、垂直蟲孔及生物潛穴等特征(見圖2)。

圖1 L油田McMurray組沉積模式圖

圖2 研究區(qū)典型巖心照片

通過巖心描述，確定研究區(qū)隔夾層為以下3種類型：

(1) 泥巖。泥巖發(fā)育于廢棄河道或泛濫平原，泥質(zhì)含量高，物性差。

(2) 泥質(zhì)側(cè)積層。受潮汐周期作用的影響，泥質(zhì)側(cè)積層發(fā)育于上點(diǎn)壩，為河流和潮汐雙重作用下的季節(jié)性沉積。受潮汐周期和河流周期的影響，水動(dòng)力能量高時(shí)沉積砂巖，水動(dòng)力能力低時(shí)沉積泥巖，整體泥質(zhì)含量中等，物性較差。

(3) 泥礫巖。砂巖支撐著以泥礫為主的粗碎屑巖，其中泥礫顆粒大小不一、磨圓程度不同、堆積樣式復(fù)雜、撕裂程度差異大。磨圓及分選程度反映的是泥礫再搬運(yùn)的距離，撕裂程度反映的是河流-潮汐混合能量的強(qiáng)弱變化。大多數(shù)泥礫巖沉積于河道底部。

3 蒸汽腔發(fā)育情況分析

3.1 資料評(píng)估

(1) 溫度測(cè)井。井場(chǎng)范圍內(nèi)部署有21口溫度監(jiān)測(cè)井，可通過熱電偶儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油藏內(nèi)部動(dòng)態(tài)。連續(xù)監(jiān)測(cè)所獲數(shù)據(jù)量大，可以連續(xù)反映蒸汽腔向上擴(kuò)散的過程及時(shí)間段。如果部分井點(diǎn)在個(gè)別時(shí)間段出現(xiàn)儀器損壞現(xiàn)象，需先行排除異常點(diǎn)。

(2) 操作壓力。操作壓力屬于油田開發(fā)過程中生產(chǎn)井對(duì)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。連續(xù)監(jiān)測(cè)所獲數(shù)據(jù)量大，可以近似反映油藏內(nèi)部壓力及注汽過程。若個(gè)別時(shí)間段操作頻繁，則需選取操作壓力穩(wěn)定階段的數(shù)據(jù)，以排除人為操作因素的影響。

(3) 時(shí)移地震解釋成果。通過時(shí)移地震監(jiān)測(cè)可獲得油藏流體變化三維成像的過程[10-11]，其結(jié)果可以表征蒸汽腔的空間擴(kuò)散情況。但是，L油田時(shí)移地震解釋難度大，具有較大的不確定性，并且數(shù)據(jù)采集較早，無法反映地下蒸汽腔的當(dāng)前情況。

(4) 剩余油飽和度測(cè)井解釋成果。剩余油飽和度測(cè)井是指在油田開發(fā)過程中，通過測(cè)井儀器測(cè)量油藏目前的飽和度，可直觀獲得測(cè)量時(shí)間點(diǎn)的剩余油位置[12]，進(jìn)而判斷蒸汽腔擴(kuò)散位置。由于采集時(shí)環(huán)境發(fā)生變化，其結(jié)果具有不連續(xù)性和不確定性，但可以在一定程度上驗(yàn)證動(dòng)用儲(chǔ)量劃分的可靠性。

3.2 蒸汽腔擴(kuò)散現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)

基于資料評(píng)估結(jié)果，以巖心、操作壓力及溫度測(cè)井曲線作為硬數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)不同類型隔夾層對(duì)蒸汽腔的影響，總結(jié)其規(guī)律并確定動(dòng)用儲(chǔ)量頂部界限。以飽和度測(cè)井?dāng)?shù)、時(shí)移地震數(shù)據(jù)為第二數(shù)據(jù)，分別在井點(diǎn)和平面上輔助驗(yàn)證動(dòng)用儲(chǔ)量的劃分結(jié)果。

利用操作壓力對(duì)油藏內(nèi)蒸汽腔的飽和溫度進(jìn)行估算，認(rèn)為油藏內(nèi)壓力等于蒸汽井的操作壓力，因此有公式(1)(2)[13]， 溫度誤差為±0.24 ℃。

100 ℃

(1)

0.1

(2)

式中：p—— 操作壓力，MPa；

Ts—— 蒸汽腔飽和溫度，℃；

對(duì)于一口監(jiān)測(cè)井，以其相鄰井對(duì)的最低蒸汽腔飽和溫度作為蒸汽發(fā)生器的溫度界限，逐月核對(duì)監(jiān)測(cè)井溫度測(cè)井資料(見圖3)，記錄蒸汽腔遇到不同類型隔夾層時(shí)的情況，以及相應(yīng)的巖性、厚度、時(shí)間間隔等數(shù)據(jù)(見表1)。

圖3 溫度測(cè)井動(dòng)態(tài)核實(shí)示意圖

4 油砂動(dòng)用儲(chǔ)量界限識(shí)別

4.1 蒸汽腔擴(kuò)散規(guī)律分析

對(duì)多口監(jiān)測(cè)井的蒸汽腔擴(kuò)散現(xiàn)象進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)不同厚度、不同類型隔夾層對(duì)于蒸汽腔的阻擋作用差異較明顯。在穩(wěn)定連續(xù)的生產(chǎn)條件下，蒸汽腔可在一定時(shí)間間隔(4～13月)內(nèi)通過動(dòng)用儲(chǔ)層段內(nèi)部厚度小于2 m的隔夾層，無法通過單個(gè)厚度大于2 m的泥巖或者大于3 m的側(cè)積互層段(見圖4)。

不同類型隔夾層對(duì)于蒸汽腔的阻擋作用差異明顯，其根本原因在于泥巖發(fā)育的沉積環(huán)境不同。本區(qū)發(fā)育的是受潮汐影響的曲流河點(diǎn)壩沉積[14-15]，平面上可進(jìn)一步劃分為壩頭、壩尾、廢棄河道及泛濫平原等構(gòu)型單元(見圖5)。當(dāng)泥巖厚度大于2 m時(shí)，多為廢棄河道或泛濫平原構(gòu)型單元，其泥質(zhì)含量高且分布范圍較廣，可阻擋蒸汽腔的垂向擴(kuò)展。壩頭單元位于來水方向，泥質(zhì)側(cè)積層的縱向集中度低；壩尾單元位于去水方向，泥質(zhì)側(cè)積層的縱向集中度高。當(dāng)多個(gè)泥質(zhì)側(cè)積層集中分布時(shí)，說明其位于壩尾單元，阻擋蒸汽腔擴(kuò)展的不再是單個(gè)泥巖，而是整體泥質(zhì)側(cè)積互層；當(dāng)泥質(zhì)側(cè)積互層段厚度大于3 m時(shí)，雖然泥質(zhì)含量比廢棄河道泥巖略低，但其平面分布范圍更廣，也可以阻擋蒸汽腔的垂向發(fā)育。

表1 X井蒸汽腔擴(kuò)散情況統(tǒng)計(jì)

圖4 L油田隔夾層影響蒸汽腔擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)圖

圖5 L油田儲(chǔ)層構(gòu)型模式圖

4.2 動(dòng)用層位與砂體疊置的關(guān)系

本區(qū)砂體疊置關(guān)系復(fù)雜，垂向上發(fā)育4期河道，接觸關(guān)系多為切疊型和接觸型，每期河道橫向上又存在著橫向切割，使得隔夾層分布更為復(fù)雜。由于SAGD開發(fā)方式的特征，水平開發(fā)井對(duì)的鉆遇層位會(huì)影響到油砂儲(chǔ)層的動(dòng)用層位。

如圖6所示：當(dāng)開發(fā)井對(duì)鉆遇①號(hào)砂體底部時(shí)，該砂體垂向上被③號(hào)砂體的廢棄河道泥巖遮擋，夾層數(shù)量多且儲(chǔ)層質(zhì)量差，動(dòng)用厚度小，形成模式A。當(dāng)開發(fā)井對(duì)鉆遇③號(hào)砂體底部時(shí)，上部發(fā)育切疊型砂體，動(dòng)用厚度大，在④和⑥砂體間切疊程度弱，泥質(zhì)側(cè)積層成為隔層，形成模式A。在⑤和⑥號(hào)砂體間切疊程度強(qiáng)，泥質(zhì)泥質(zhì)側(cè)積層未成為隔層，形成模式B。

地質(zhì)歷史形成的砂體疊置關(guān)系是“物質(zhì)基礎(chǔ)”，開發(fā)井對(duì)的部署位置是“改造裝修”，二者共同決定油砂儲(chǔ)層的動(dòng)用層段。若要提高油砂儲(chǔ)層的動(dòng)用程度，精細(xì)的地質(zhì)研究是基礎(chǔ)，合理的井位部署是保障。

4.3 油砂SAGD動(dòng)用儲(chǔ)量界限

通過在生產(chǎn)油田的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)分析蒸汽腔的擴(kuò)展規(guī)律，總結(jié)動(dòng)靜耦合的油砂動(dòng)用儲(chǔ)量頂部界限(見圖7)。單個(gè)厚度大于2 m的泥巖作為隔層，其底部深度即為動(dòng)用儲(chǔ)量單元的頂部；對(duì)于壩頭構(gòu)型單元，小于2 m的泥巖可以通過，因分布間隔較大不存在累積界限；對(duì)于壩尾構(gòu)型單元，將側(cè)積互層段厚度大于3 m的泥巖集中層作為隔層，其底部深度即動(dòng)用儲(chǔ)量單元的頂界。

圖6 L油田動(dòng)用儲(chǔ)量頂部界限劃分示意圖

圖7 動(dòng)靜耦合的油砂動(dòng)用儲(chǔ)量頂部界限劃分示意圖

5 應(yīng)用效果分析

根據(jù)動(dòng)靜耦合的油砂動(dòng)用儲(chǔ)量頂部界限，可認(rèn)識(shí)油藏的開發(fā)現(xiàn)狀，有效核實(shí)在生產(chǎn)油田的動(dòng)用儲(chǔ)量規(guī)模。針對(duì)L油田，通過重新劃分動(dòng)用儲(chǔ)量頂部界限，在1號(hào)井場(chǎng)上部發(fā)現(xiàn)大量未動(dòng)用儲(chǔ)量單元。此類儲(chǔ)量往往位于隔層上部(見圖8)。雖然蒸汽腔無法直接通過，但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的傳導(dǎo)加熱后瀝青溫度升高而達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)。此時(shí)，通過部署單個(gè)水平生產(chǎn)井即可快速有效地將此部分儲(chǔ)量采出，在節(jié)約蒸汽量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)油田的快速增產(chǎn)。

圖8 L油田典型潛力儲(chǔ)量單元開發(fā)示意圖

6 結(jié) 語

本次研究中，將油砂隔夾層分為泥巖、泥質(zhì)側(cè)積層及泥礫巖等3種類型，明確了沉積作用對(duì)油砂SAGD動(dòng)用儲(chǔ)量界限的控制作用。同時(shí)，按照構(gòu)型單元建立不同的井點(diǎn)劃分界限，理清“SAGD動(dòng)用儲(chǔ)量 — 蒸汽腔擴(kuò)散 — 隔夾層分布 — 沉積相控”的成因關(guān)系鏈。結(jié)合油田開發(fā)實(shí)踐，建立了油砂SAGD動(dòng)用儲(chǔ)量井點(diǎn)劃分界限：以單個(gè)大于2 m的泥巖作為隔層；以壩頭構(gòu)型單元內(nèi)部小于2 m的泥巖作為夾層；以壩尾構(gòu)型單元內(nèi)部大于3 m的側(cè)積互層段作為隔層。采用動(dòng)靜耦合的油砂動(dòng)用儲(chǔ)量界限識(shí)別方法，所得結(jié)果符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)，動(dòng)用儲(chǔ)量劃分可靠。