電位法在稠油油藏火驅(qū)火線前緣監(jiān)測中的應(yīng)用

李小麗 （長江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

王茹燕 （中石油新疆油田分公司采油研究院，新疆 克拉瑪依834000）

蘇朱劉 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室（長江大學(xué)）

中國石油天然氣集團(tuán)公司物探重點實驗室（長江大學(xué)），湖北 武漢430100

火燒油層［1］也稱火驅(qū)法，是將某種形式的氧化劑注入油層，使其內(nèi)部的油自燃或點燃，并繼續(xù)向油層注入氧化劑助燃，產(chǎn)生大量熱的燃燒帶在油藏中擴展，加熱油層和油層中的流體，并降低原油黏度的熱力采油方法。火驅(qū)技術(shù)是一種重要的稠油熱采技術(shù)。自1958年起，中國先后在新疆、玉門、勝利、吉林和遼河等油田開展了火燒油層室內(nèi)研究和礦場試驗，其中以新疆油田和勝利油田持續(xù)的時間最長［2］。火燒油層實施成功的關(guān)鍵是對前緣位置的準(zhǔn)確監(jiān)測與控制，在目前現(xiàn)場所采用的方法主要有直接測試法、物理監(jiān)測法、計算法和綜合動態(tài)分析法等［3］，其中，直接測試法主要有測溫元件直接觀測火線推進(jìn)情況法、紅外線照相法、地球物理電測法等。

新疆油田紅淺1井區(qū)下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）的目標(biāo)儲層存在橫向和縱向上的非均質(zhì)性以及含水、含油飽和度，溫度場的差異，而火燒驅(qū)油會加劇目標(biāo)油層電阻率的差異，從而引起地面觀測電位梯度的變化，因此通過電位法監(jiān)測會有較明顯的響應(yīng)。經(jīng)過幾年的試驗和生產(chǎn)實踐，紅淺1井區(qū)火燒驅(qū)油項目取得了顯著的成效，但缺少一種有效的動態(tài)監(jiān)測手段，限制了火燒驅(qū)油更進(jìn)一步的調(diào)控引效。為此，筆者利用井間電位法監(jiān)測來最終解析出蒸汽帶，識別出已燃區(qū)和剩余油區(qū)。

1 油藏火驅(qū)火線前緣的電位法監(jiān)測原理

1.1 火驅(qū)驅(qū)油機理

火驅(qū)驅(qū)油機理［4］是在注入井中注入氧化劑（空氣或氧氣）將油層點燃，并繼續(xù)向油層注入氧化劑助燃形成移動的燃燒前緣（又稱“燃燒帶”）。燃燒帶前后的原油受熱蒸餾、裂化，蒸餾的輕質(zhì)油、蒸汽和燃燒煙氣驅(qū)向前方，蒸餾和裂化后殘留的重質(zhì)油變成焦炭作為維持油層燃燒的燃料，使油層燃燒不斷蔓延擴大。在高溫下地層束縛水、注入水蒸發(fā)，裂解生成的氫氣與注入的氧氣合成水蒸汽，攜帶大量的熱量傳遞給前方的油層，使燃燒前緣不斷向生產(chǎn)井推進(jìn)。從注入井到生產(chǎn)井可依次劃分為已燃區(qū)、火墻（燃燒帶）、結(jié)焦帶、蒸汽帶、熱水和輕質(zhì)烴帶、油墻（富油帶）、剩余油區(qū)、原始含油區(qū)等8個區(qū)帶（圖1）［5，6］。

1.2 火驅(qū)驅(qū)油的電阻率公式

由前人研究成果［7］：

圖1 火驅(qū)驅(qū)油的溫度分布及區(qū)帶圖

式中：ρt為地層電阻率，Ω·m；a為常數(shù)；φ為孔隙度，%；m為地層膠結(jié)指數(shù)，1；Swt為地層總的含水飽和度，%；n為飽和度指數(shù)，1；ρz為地層中混合液的電阻率，Ω·m；ρwj為蒸汽電阻率，Ω·m；ρwi為地層原生水電阻率，Ω·m；Swi為地層原生含水飽和度，%。

在文獻(xiàn) ［8］的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的結(jié)果：

式中：ρt1、ρt2分別為火驅(qū)前、后的地層電阻率，Ω·m；σ1、σ2分別為火驅(qū)前、后的孔隙流體電導(dǎo)率，S／m；t1、t2分別為為火驅(qū)前、后的地層溫度，℃；Sw1、Sw2分別為火驅(qū)前、后的地層含水飽和度，%。

由式（1）和式（2）可得到火驅(qū)后的地層電阻率與蒸汽電阻率、溫度及孔隙度等的關(guān)系式：

式中：ρt2（x）為火驅(qū)后的地層電阻率，Ω·m，與位置x有關(guān)；Swt（x）為火驅(qū)后地層總的含水飽和度，%，與位置x有關(guān)；t2（x）為火驅(qū)后的地層溫度，℃，與位置x有關(guān)；x為距離點火井的空間位置，m。

1.3 火驅(qū)各區(qū)帶電阻率變化特征

1.3.1 已燃區(qū)

已經(jīng)燃燒過的區(qū)域，巖心孔隙為注入空氣（高阻）所飽和，只存在氣相。地層電阻率為骨架巖石的電阻率，常溫下電阻率達(dá)106Ω·m。從注入井至燃燒帶，溫度由250℃逐步上升到550℃。骨架巖石的電阻率隨溫度增高而降低，假設(shè)降低1／10，仍可達(dá)105Ω·m。故已燃區(qū)為相對高電阻率區(qū)域。

1.3.2 火墻（燃燒帶）

正在燃燒的狹窄地帶，是發(fā)生高溫氧化反應(yīng)的主要區(qū)域。巖心孔隙為重質(zhì)烴、空氣和廢氣，只存在氣相和固相，是燃燒中的結(jié)焦帶。該區(qū)域氧化反應(yīng)最為劇烈，平均溫度最高，為450～550℃，最高溫度可超過600℃（局部瞬間可以達(dá)到700℃）。由于溫度最高，電阻率比燃燒帶要低，也比結(jié)焦帶要低。故燃燒帶為高電阻率區(qū)域中夾持的相對低電阻率區(qū)域。

1.3.3 結(jié)焦帶

在燃燒帶前緣一個小范圍內(nèi)，有結(jié)焦現(xiàn)象。原油被蒸餾、裂化后殘留的重質(zhì)油變成焦炭（高阻）作為備用燃料。該區(qū)域的氧化反應(yīng)主要為低溫氧化反應(yīng)，溫度僅次于火墻，只存在氣相和固相。由于沒有液相，而溫度比燃燒帶低，即相對于燃燒帶，結(jié)焦帶電阻率略高。故結(jié)焦帶為相對高電阻率區(qū)域。

1.3.4 蒸汽帶

溫度相對于結(jié)焦帶有大幅度下降（300℃以下），原油主要被蒸餾，有固相、氣相和液相。含有由結(jié)焦帶傳導(dǎo)過來的水蒸汽和氣相輕質(zhì)餾分以及原地層的束縛水、油層水、剩余油（重質(zhì)烴）、蒸餾形成的輕質(zhì)烴。蒸汽占主導(dǎo)因素，以蒸汽驅(qū)驅(qū)油機制為主。蒸汽和溫度2種因素影響地層電阻率，蒸汽驅(qū)使得地層電阻率相對于原始含油區(qū)變大；溫度下降使得地層電阻率降低。故綜合結(jié)果，蒸汽帶為相對低電阻率區(qū)域。

1.3.5 熱水和輕質(zhì)烴帶

溫度相對于蒸汽帶有下降，原油主要被熱水驅(qū)，有固相、氣相和液相。蒸汽進(jìn)入溫度相對較低的地帶時，凝析放出大量的加熱油和液體，使原油黏度降低，增加了原油的流動性。熱水占主導(dǎo)因素，以水驅(qū)驅(qū)油機制為主，水驅(qū)和溫度2種因素影響地層電阻率，水驅(qū)的水源主要是凝析的蒸汽，介于淡水驅(qū)和回注水之間的狀態(tài)，且淡水驅(qū)占優(yōu)（蒸汽不攜帶礦物質(zhì)），使得地層電阻率相對于原始含油區(qū)變大；溫度相對較低，使得地層電阻率降低。故綜合結(jié)果，熱水和輕質(zhì)烴帶是地層電阻率變化不大的區(qū)域。

1.3.6 油墻（富油帶）

結(jié)焦帶的輕質(zhì)原油、蒸汽帶的輕質(zhì)烴、熱水帶的剩余油、混合著原始地層油，使得該區(qū)域含油飽和度高，含氣和水飽和度相對較低，也包含原始地層水、傳導(dǎo)過來的水、二氧化碳以及氮氣。3種因素影響地層電阻率，含油飽和度高，地層電阻率高；地層水電阻率接近原生地層水電阻率，地層電阻率低；溫度不太高，地層電阻率略有降低。故綜合結(jié)果，油墻為相對高電阻率區(qū)域。

1.3.7 剩余油區(qū)

火驅(qū)過程中自始至終都有煙道存在。煙道的主要作用在于將火燒油層過程中產(chǎn)生的CO2等氣體排出地層，否則當(dāng)CO2的濃度達(dá)到一定程度就會導(dǎo)致中途滅火。從存在煙道這個角度講，剩余油區(qū)是受蒸汽和煙道氣驅(qū)形成的。因此，其含油飽和度甚至明顯低于原始含油飽和度，可以理解為含水飽和度不變，含油飽和度變小，煙道仍是高電阻率區(qū)域。

1.3.8 原始含油區(qū)

熱力作用尚未影響到的地區(qū)，保持著油層點燃前的狀態(tài)。火驅(qū)隨時間的推移，原始含油區(qū)、剩余油區(qū)、油墻（富油帶）、熱水和輕質(zhì)烴帶、蒸汽帶、結(jié)焦帶、燃燒帶將遞次消失。根據(jù)研究區(qū)的相關(guān)資料，ρwi≈0.02Ω·m；t1≈23.9℃；Swi≈50%；n≈2；m≈2.15（砂巖）；φ≈25.4%；a≈0.62（砂礫巖），可繪制出從點火井到生產(chǎn)井沿線的電阻率分布曲線（圖2）。

圖2 從點火井到生產(chǎn)井沿線電阻率（歸一化）分布曲線

2 實際監(jiān)測資料解釋

在紅淺1井區(qū)J1b油藏火驅(qū)火線前緣7井組區(qū)（hH007、hH008、hH009、hH010、hH011、hH012、hH013井）實施了電位法監(jiān)測。根據(jù)反演結(jié)果，形成了工區(qū)范圍0.35km2內(nèi)J1b油藏火驅(qū)火線前緣油藏2個小層的電阻率分布圖。

圖3為第3次觀測時J1b射孔段上段的電阻率分布平面圖。假定以43.76Ω·m（J1b射孔段上段的平均電阻率，根據(jù)測井資料統(tǒng)計而得）為標(biāo)準(zhǔn)，在測區(qū)范圍內(nèi)，高電阻率（顏色較深的區(qū)域，電阻率大于43.76Ω·m）分布區(qū)基本上反映了已燃區(qū)和剩余油（與原始含油區(qū)電阻率相同）的分布狀況。圖3中的細(xì)黑線框為已燃區(qū)的外邊界，是電阻率突然變小，即高值向低值下降較快的位置；粗黑線框為蒸汽帶的中軸線，由一系列分散的顯示為低電阻率的點或塊區(qū)域聯(lián)結(jié)起來的；粗黑線框以外的區(qū)域，則為剩余油分布區(qū)。

結(jié)合前2次觀測結(jié)果總結(jié)出火驅(qū)運移規(guī)律：

1）火線方向非均質(zhì)。根據(jù)圖3所示的已燃區(qū)分布狀況看，蒸汽帶和火線前緣非圓形，火線有偏向性。hH008井的已燃區(qū)域近于半月型，hH011井和hH013井的已燃區(qū)域近于橢圓形。

2）火線軌跡有進(jìn)有退。總體上，粗黑線框所示的蒸汽帶中點軌跡是向外擴張的，已燃區(qū)面積隨時間變大。但由3次電位法觀測的結(jié)果推測蒸汽帶并非總是單向向外擴張的，有進(jìn)有退。可能的原因是，對單獨一口點火井而言，火線不是一條連續(xù)的弧形線，而是間斷的。在燃燒過程中，剩余油有可能回流到已燃區(qū)。

3）根據(jù)反演的電阻率分布平面圖，可識別出已燃帶（細(xì)黑線框以內(nèi)區(qū)域）和蒸汽帶（介于細(xì)黑線框和粗黑線框之間的區(qū)域），可以間接地基本判定蒸汽帶外圍的剩余油區(qū)域，圖3中A、B、C、D所示區(qū)域是剩余油飽和度比較高的區(qū)域。

圖3 J1b射孔段上段的反演的電阻率分布平面圖（第3次觀測）

3 結(jié)論

1）分析了火驅(qū)驅(qū)油機理，將火驅(qū)分為已燃區(qū)、火墻（燃燒帶）、結(jié)焦帶、蒸汽帶、熱水和輕質(zhì)烴帶、油墻（富油帶）、剩余油區(qū)、原始含油區(qū)等8個區(qū)帶。特別引入溫度變量改進(jìn)了阿爾奇公式，得到新的電阻率模型。解剖分析了各區(qū)帶電阻率變化特征，認(rèn)為已燃區(qū)和剩余油區(qū)為相對高電阻率區(qū)，蒸汽帶為相對低電阻率區(qū)。

2）結(jié)合電位法觀測資料反演后的電阻率分布平面圖，識別出已燃區(qū)和剩余油區(qū)，尤其是較準(zhǔn)確地分辨出具有低電阻特征的蒸汽帶。該認(rèn)識與生產(chǎn)井的動態(tài)監(jiān)測觀察結(jié)果相符合。

3）理論分析和實踐都表明，改進(jìn)的電阻率模型（公式（3））是合理的，對火驅(qū)火線前緣實施電位法監(jiān)測是可行的。

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