春光油田岩石热物理参数的研究及应用

2017-12-17王雨辰

石油地质与工程 2017年6期

关键词：比热容含油稠油

胡荣，王雨辰，肖湘，陈密，陈琦

（1. 中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳473132；2. 成都理工大学能源学院）

春光油田岩石热物理参数的研究及应用

胡荣1，王雨辰2，肖湘1，陈密1，陈琦1

（1. 中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南南阳473132；2. 成都理工大学能源学院）

我国特超稠油油藏一般采用注蒸汽吞吐和蒸汽驱等热力开发方式，室内测试获取的岩石热物理参数是数值模拟优化井网、井距和注采参数的重要依据。以前对春光油田的热力采油区块岩石热物理参数平面变化规律缺乏全面认识，影响了开发方案优化设计结果，因此详细开展了对春光油田岩石热物理参数测试及影响因素研究，结果表明，春10区块S1Ⅱ3小层导热系数与声波时差曲线在剖面上的变化趋势具有较好的一致性，并建立了测井与热物理参数之间的关系，根据声波时差值可以快速计算岩石密度、导热系数、比热和热扩散系数，为不同井区优化开发方案提供了可靠的地质依据。

春光油田；声波时差; 热物理参数

1 油藏基本地质特征

春光油田地处新疆维吾尔自治区克拉玛依市境内，区域构造上属于准噶尔盆地西部隆起的次一级构造单元。春10区块地层为一近东–西走向、倾角3°的单斜构造，含油层位主要为S1Ⅱ3小层，岩性以含砾细砂岩、细砂岩、粉砂岩与泥岩不等厚互层，油层埋深850～1 200 m，油层厚度3.0～7.0 m；储层胶结疏散，孔隙度为31.1%，渗透率为0.92 μm2；油层温度下脱气原油黏度为22 517 mPa·s，原油性质属特稠油[1]。

2 岩石热物理参数影响因素研究

2.1 岩心取样及测试结果

春10–10112井S1Ⅱ油组共取样15块，其中泥岩3块、不含油砂岩8块、含油砂岩4块；测试内容包括密度、导热系数、体积比热和热扩散系数[2]。测试仪器为QUCKLINETM–30型热物性测定仪，能够对大量原始状态的岩样热物性进行直接测量；岩石密度测定时样品没有洗油，测量密度是含油岩心的平均密度。

测试结果表明，春10–10112井S1Ⅱ油组岩石密度为 1 871～2 586 kg/m3，导热系数为0.847 ～3.118 W/（m·K），体积比热容为（1.446～1.940）×106J/（m3· K），热扩散系数为（0.559～1.838）×10–6m2/s。

2.2 岩石密度与声波时差关系

声波时差曲线[3]是油田勘探开发测井系列中最为常见的内容之一。一般情况下，声波在致密岩石中的传播速度快于胶结疏散的岩石，岩石密度越大，声波传播速度越快，声波时差则越小。根据这一原理，石油地质学家利用声波时差数据能够快速判断、计算岩石的密度和物性参数。

春10井区块S1Ⅱ3小层岩石密度实测结果在剖面上的变化趋势与声波时差曲线具有较好的一致性，表现为声波时差越小、岩石密度越大的变化特点，说明声波时差能够较好的表征岩石密度（图1）。

根据岩石密度实测值（ρ，kg/m3）及声波时差（∆!，μs/m）读值，二者具有良好的线性关系，其回归关系式为：

目前，我国地质学家普遍认为沉积岩石的声波速度主要受岩石密度和地应力等环境控制，表现为沉积岩石的声波速度随着岩石密度和围压的增大而增大[4]。鉴于春10区块S1Ⅱ3层地层厚度仅10 m左右，围压及环境变化不大，因而，沉积岩石声波速度的大小主要与密度有关，该区块岩石密度与声波时差在剖面上变化趋势的一致性也证实了这一认识。

图1 岩石声波时差曲线与密度关系

2.3 岩石热物理参数影响因素研究

2.3.1 岩石导热系数

对于同一物源的稠油油藏而言，相同岩性的矿物成分变化不大，岩石导热系数影响因素主要包括岩性、密度及含油、含水饱和度[5–6]。

（1）岩性。测试结果表明，泥岩导热系数平均为1.132 W/（m·K），不含油的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和含砾细砂岩导热系数平均为1.670 W/（m· K），砾状砂岩平均为2.787 W/（m·K），说明泥岩的导热系数较低，不含油的砂岩随着粒度增大其导热系数具有增大的趋势（图2）。

（2）含油性。油浸级别显示的砾状砂岩导热系数平均为0.910 W/（m·K），较不含油砾状砂岩（平均为 2.787 W/（m·K））小 1.877 W/（m·K），降低三分之二；岩石孔隙中充满原油时，砂岩导热系数急剧减小，原因包括两个方面，一方面是原油的导热系数为 0.155 W/（m·K），仅为地层水导热系数（0.58 W/（m·K））的四分之一；另一方面是饱含稠油的砾状砂岩胶结疏松，岩石颗粒排列不紧密，密度（平均为1 930 kg/m3）较不含油的砾状砂岩（平均密度为2 474 kg/m3）明显偏低，导热系数减小。

（3）含水饱和度。岩石孔隙流体为水时，孔隙中扩散水分子的运动将起主要传热作用。地层水的导热系数（0.58 W/（m· K））比空气的导热系数（0.026 W/（m·K））大20倍左右，比稠油导热系数（0.155 W/（m·K））高4倍左右，导热系数明显升高。

总体上，导热系数和含水饱和度的变化趋势具有“随着含水饱和度减少、导热系数变小”的分布特点（图3）。

（4）密度。岩石的导热机理与其微观粒子的运动密切相关，热能的传导是岩石内部微观粒子相互碰撞与传递的结果，岩石密度越大，内部微观粒子相互碰撞几率越高，导热系数越大。因此，就同一岩性而言，密度越大、声波时差愈小，岩石导热系数越大。

图2 S1Ⅱ3层岩石导热系数与岩性、含油性关系

分析结果表明，春10区块S1Ⅱ3小层含油砂岩（胶结疏松）导热系数最小，其次为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、含砾细砂岩及砾状砂岩。尽管岩性、粒度、密度及含油水饱和度均影响岩石导热系数的大小，但导热系数与声波时差曲线在剖面上的变化趋势具有较好的一致性，表现为导热系数随声波时差变小（岩石密度增大）而增大，说明岩石密度是导热系数的主要影响因素（图3）。

2.3.2 岩石体积比热容

岩石体积比热容是指单位体积的某种岩石升高（降低）单位温度所吸收（释放）的热量，其影响因素与导热系数基本相同。

图3 导热系数、体积比热容与声波时差、含水饱和度关系

岩性从泥岩、泥质粉砂岩到砾状砂岩，体积比热值变化不大，在（1.45～1.94）×106J/（m3·K）之间，但同一种砂岩含油、含水饱和度对体积比热容具有一定的影响。如不含油砾状砂岩体积比热容平均为1.660×106J/（m3·K），较含油砾状砂岩平均值的 1.558×106J/（m3·K）高 0.102×106J/（m3·K）。其原因一方面是水的体积比热容（4.2×106J/（m3·K））比稠油（1.45×106J/（m3·K））大3倍左右，另一方面含水的砾状砂岩胶结致密，体积比热容明显升高。

从体积比热容与声波时差、含水饱和度在纵向上的变化趋势看出，体积比热容和含水饱和度的变化趋势总体上“随着含水饱和度减少而变小”，但与声波时差具有较好的一致性，具有“声波时差越小、岩石密度越大，体积比热容越高”的变化特点（图3）。

2.3.3 岩石热扩散系数

岩石热扩散系数[7]（a，m2/s）表示岩石在加热或冷却时各部分温度趋于一致的能力，主要与岩石导热系数（λ，W/（m·K）)、质量比热容（Cm，J / （kg·K）)和密度（ρ，kg/m3）有关，三者之间关系式为：岩石体积比热容（Cv，J/（m3·K）)与质量比热容（Cm，J /（ kg·K）)的关系式：

将式（3）代入式（2）得：

结果表明，岩石热扩散系数与导热系数成正比，

与体积比热容成反比。

3 岩石热物理参数计算方法

岩石基本热物理参数主要包括导热系数、体积比热容及热扩散系数。根据测试结果，岩石导热系数与密度回归关系式为（图4）：

岩石热扩散系数与导热系数回归关系式为（图5）：

在确定一口井岩性岩石热力参数时，首先根据测井资料读取声波时差值，利用式（1）求取岩石密度；其次将岩石密度代入式（5）计算岩石导热系数，再利用式（6）计算热扩散系数；最后根据式（4）求取体积比热容。

图4 S1Ⅱ3 层岩石导热系数与密度关系

图5 S1Ⅱ3 层岩石热扩散系数与导热系数关系

目前，辽河油田和胜利油田针对岩石热物理参数影响因素开展过系统研究，认为影响因素很多，相互制约，主要包括岩石矿物成分及含量、密度、物性，孔隙中流体性质及含量、温度、压力等[8]，但还没有涉及声波时差与热物理参数的关系图版。由于春光油田春10井区S1Ⅱ3 小层地层厚度仅10 m左右，且储层属于东北部同一物源，其岩石矿物成分及含量、温度和压力均相差不大，岩石的热物理参数与密度有良好的线性关系。

因此，针对多物源方向、多含油层位、含油井段长的稠油油藏，利用该方法求取岩石热物理参数时，要求同一物源的储层各自独立建立上述图版，目的是尽可能规避影响因素，为稠油油藏井网、井距及注采参数优化设计提供可靠的基础地质资料。