电位法在稠油油藏火驱火线前缘监测中的应用

2015-12-03李小丽长江大学地球物理与石油资源学院湖北武汉430100

长江大学学报(自科版) 2015年5期

李小丽（长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉430100）

王茹燕（中石油新疆油田分公司采油研究院，新疆克拉玛依834000）

苏朱刘油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学）

中国石油天然气集团公司物探重点实验室（长江大学），湖北武汉430100

火烧油层［1］也称火驱法，是将某种形式的氧化剂注入油层，使其内部的油自燃或点燃，并继续向油层注入氧化剂助燃，产生大量热的燃烧带在油藏中扩展，加热油层和油层中的流体，并降低原油黏度的热力采油方法。火驱技术是一种重要的稠油热采技术。自1958年起，中国先后在新疆、玉门、胜利、吉林和辽河等油田开展了火烧油层室内研究和矿场试验，其中以新疆油田和胜利油田持续的时间最长［2］。火烧油层实施成功的关键是对前缘位置的准确监测与控制，在目前现场所采用的方法主要有直接测试法、物理监测法、计算法和综合动态分析法等［3］，其中，直接测试法主要有测温元件直接观测火线推进情况法、红外线照相法、地球物理电测法等。

新疆油田红浅1井区下侏罗统八道湾组（J1b）的目标储层存在横向和纵向上的非均质性以及含水、含油饱和度，温度场的差异，而火烧驱油会加剧目标油层电阻率的差异，从而引起地面观测电位梯度的变化，因此通过电位法监测会有较明显的响应。经过几年的试验和生产实践，红浅1井区火烧驱油项目取得了显著的成效，但缺少一种有效的动态监测手段，限制了火烧驱油更进一步的调控引效。为此，笔者利用井间电位法监测来最终解析出蒸汽带，识别出已燃区和剩余油区。

1 油藏火驱火线前缘的电位法监测原理

1.1 火驱驱油机理

火驱驱油机理［4］是在注入井中注入氧化剂（空气或氧气）将油层点燃，并继续向油层注入氧化剂助燃形成移动的燃烧前缘（又称“燃烧带”）。燃烧带前后的原油受热蒸馏、裂化，蒸馏的轻质油、蒸汽和燃烧烟气驱向前方，蒸馏和裂化后残留的重质油变成焦炭作为维持油层燃烧的燃料，使油层燃烧不断蔓延扩大。在高温下地层束缚水、注入水蒸发，裂解生成的氢气与注入的氧气合成水蒸汽，携带大量的热量传递给前方的油层，使燃烧前缘不断向生产井推进。从注入井到生产井可依次划分为已燃区、火墙（燃烧带）、结焦带、蒸汽带、热水和轻质烃带、油墙（富油带）、剩余油区、原始含油区等8个区带（图1）［5，6］。

1.2 火驱驱油的电阻率公式

由前人研究成果［7］：

图1 火驱驱油的温度分布及区带图

式中：ρt为地层电阻率，Ω·m；a为常数；φ为孔隙度，%；m为地层胶结指数，1；Swt为地层总的含水饱和度，%；n为饱和度指数，1；ρz为地层中混合液的电阻率，Ω·m；ρwj为蒸汽电阻率，Ω·m；ρwi为地层原生水电阻率，Ω·m；Swi为地层原生含水饱和度，%。

在文献［8］的基础上推导出的结果：

式中：ρt1、ρt2分别为火驱前、后的地层电阻率，Ω·m；σ1、σ2分别为火驱前、后的孔隙流体电导率，S／m；t1、t2分别为为火驱前、后的地层温度，℃；Sw1、Sw2分别为火驱前、后的地层含水饱和度，%。

由式（1）和式（2）可得到火驱后的地层电阻率与蒸汽电阻率、温度及孔隙度等的关系式：

式中：ρt2（x）为火驱后的地层电阻率，Ω·m，与位置x有关；Swt（x）为火驱后地层总的含水饱和度，%，与位置x有关；t2（x）为火驱后的地层温度，℃，与位置x有关；x为距离点火井的空间位置，m。

1.3 火驱各区带电阻率变化特征

1.3.1 已燃区

已经燃烧过的区域，岩心孔隙为注入空气（高阻）所饱和，只存在气相。地层电阻率为骨架岩石的电阻率，常温下电阻率达106Ω·m。从注入井至燃烧带，温度由250℃逐步上升到550℃。骨架岩石的电阻率随温度增高而降低，假设降低1／10，仍可达105Ω·m。故已燃区为相对高电阻率区域。

1.3.2 火墙（燃烧带）

正在燃烧的狭窄地带，是发生高温氧化反应的主要区域。岩心孔隙为重质烃、空气和废气，只存在气相和固相，是燃烧中的结焦带。该区域氧化反应最为剧烈，平均温度最高，为450～550℃，最高温度可超过600℃（局部瞬间可以达到700℃）。由于温度最高，电阻率比燃烧带要低，也比结焦带要低。故燃烧带为高电阻率区域中夹持的相对低电阻率区域。

1.3.3 结焦带

在燃烧带前缘一个小范围内，有结焦现象。原油被蒸馏、裂化后残留的重质油变成焦炭（高阻）作为备用燃料。该区域的氧化反应主要为低温氧化反应，温度仅次于火墙，只存在气相和固相。由于没有液相，而温度比燃烧带低，即相对于燃烧带，结焦带电阻率略高。故结焦带为相对高电阻率区域。

1.3.4 蒸汽带

温度相对于结焦带有大幅度下降（300℃以下），原油主要被蒸馏，有固相、气相和液相。含有由结焦带传导过来的水蒸汽和气相轻质馏分以及原地层的束缚水、油层水、剩余油（重质烃）、蒸馏形成的轻质烃。蒸汽占主导因素，以蒸汽驱驱油机制为主。蒸汽和温度2种因素影响地层电阻率，蒸汽驱使得地层电阻率相对于原始含油区变大；温度下降使得地层电阻率降低。故综合结果，蒸汽带为相对低电阻率区域。

1.3.5 热水和轻质烃带

温度相对于蒸汽带有下降，原油主要被热水驱，有固相、气相和液相。蒸汽进入温度相对较低的地带时，凝析放出大量的加热油和液体，使原油黏度降低，增加了原油的流动性。热水占主导因素，以水驱驱油机制为主，水驱和温度2种因素影响地层电阻率，水驱的水源主要是凝析的蒸汽，介于淡水驱和回注水之间的状态，且淡水驱占优（蒸汽不携带矿物质），使得地层电阻率相对于原始含油区变大；温度相对较低，使得地层电阻率降低。故综合结果，热水和轻质烃带是地层电阻率变化不大的区域。

1.3.6 油墙（富油带）

结焦带的轻质原油、蒸汽带的轻质烃、热水带的剩余油、混合着原始地层油，使得该区域含油饱和度高，含气和水饱和度相对较低，也包含原始地层水、传导过来的水、二氧化碳以及氮气。3种因素影响地层电阻率，含油饱和度高，地层电阻率高；地层水电阻率接近原生地层水电阻率，地层电阻率低；温度不太高，地层电阻率略有降低。故综合结果，油墙为相对高电阻率区域。

1.3.7 剩余油区

火驱过程中自始至终都有烟道存在。烟道的主要作用在于将火烧油层过程中产生的CO2等气体排出地层，否则当CO2的浓度达到一定程度就会导致中途灭火。从存在烟道这个角度讲，剩余油区是受蒸汽和烟道气驱形成的。因此，其含油饱和度甚至明显低于原始含油饱和度，可以理解为含水饱和度不变，含油饱和度变小，烟道仍是高电阻率区域。

1.3.8 原始含油区

热力作用尚未影响到的地区，保持着油层点燃前的状态。火驱随时间的推移，原始含油区、剩余油区、油墙（富油带）、热水和轻质烃带、蒸汽带、结焦带、燃烧带将递次消失。根据研究区的相关资料，ρwi≈0.02Ω·m；t1≈23.9℃；Swi≈50%；n≈2；m≈2.15（砂岩）；φ≈25.4%；a≈0.62（砂砾岩），可绘制出从点火井到生产井沿线的电阻率分布曲线（图2）。

图2 从点火井到生产井沿线电阻率（归一化）分布曲线

2 实际监测资料解释

在红浅1井区J1b油藏火驱火线前缘7井组区（hH007、hH008、hH009、hH010、hH011、hH012、hH013井）实施了电位法监测。根据反演结果，形成了工区范围0.35km2内J1b油藏火驱火线前缘油藏2个小层的电阻率分布图。

图3为第3次观测时J1b射孔段上段的电阻率分布平面图。假定以43.76Ω·m（J1b射孔段上段的平均电阻率，根据测井资料统计而得）为标准，在测区范围内，高电阻率（颜色较深的区域，电阻率大于43.76Ω·m）分布区基本上反映了已燃区和剩余油（与原始含油区电阻率相同）的分布状况。图3中的细黑线框为已燃区的外边界，是电阻率突然变小，即高值向低值下降较快的位置；粗黑线框为蒸汽带的中轴线，由一系列分散的显示为低电阻率的点或块区域联结起来的；粗黑线框以外的区域，则为剩余油分布区。

结合前2次观测结果总结出火驱运移规律：

1）火线方向非均质。根据图3所示的已燃区分布状况看，蒸汽带和火线前缘非圆形，火线有偏向性。hH008井的已燃区域近于半月型，hH011井和hH013井的已燃区域近于椭圆形。

2）火线轨迹有进有退。总体上，粗黑线框所示的蒸汽带中点轨迹是向外扩张的，已燃区面积随时间变大。但由3次电位法观测的结果推测蒸汽带并非总是单向向外扩张的，有进有退。可能的原因是，对单独一口点火井而言，火线不是一条连续的弧形线，而是间断的。在燃烧过程中，剩余油有可能回流到已燃区。

3）根据反演的电阻率分布平面图，可识别出已燃带（细黑线框以内区域）和蒸汽带（介于细黑线框和粗黑线框之间的区域），可以间接地基本判定蒸汽带外围的剩余油区域，图3中A、B、C、D所示区域是剩余油饱和度比较高的区域。