春光油田巖石熱物理參數的研究及應用

胡 榮，王雨辰，肖 湘，陳 密，陳 琦

（1. 中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南南陽473132；2. 成都理工大學能源學院）

春光油田巖石熱物理參數的研究及應用

胡 榮1，王雨辰2，肖 湘1，陳 密1，陳 琦1

（1. 中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南南陽473132；2. 成都理工大學能源學院）

我國特超稠油油藏一般采用注蒸汽吞吐和蒸汽驅等熱力開發方式，室內測試獲取的巖石熱物理參數是數值模擬優化井網、井距和注采參數的重要依據。以前對春光油田的熱力采油區塊巖石熱物理參數平面變化規律缺乏全面認識，影響了開發方案優化設計結果，因此詳細開展了對春光油田巖石熱物理參數測試及影響因素研究，結果表明，春10區塊S1Ⅱ3小層導熱系數與聲波時差曲線在剖面上的變化趨勢具有較好的一致性，并建立了測井與熱物理參數之間的關系，根據聲波時差值可以快速計算巖石密度、導熱系數、比熱和熱擴散系數，為不同井區優化開發方案提供了可靠的地質依據。

春光油田；聲波時差; 熱物理參數

1 油藏基本地質特征

春光油田地處新疆維吾爾自治區克拉瑪依市境內，區域構造上屬于準噶爾盆地西部隆起的次一級構造單元。春10區塊地層為一近東–西走向、傾角3°的單斜構造，含油層位主要為S1Ⅱ3小層，巖性以含礫細砂巖、細砂巖、粉砂巖與泥巖不等厚互層，油層埋深850～1 200 m，油層厚度3.0～7.0 m；儲層膠結疏散，孔隙度為31.1%，滲透率為0.92 μm2；油層溫度下脫氣原油黏度為22 517 mPa·s，原油性質屬特稠油[1]。

2 巖石熱物理參數影響因素研究

2.1 巖心取樣及測試結果

春10–10112井S1Ⅱ油組共取樣15塊，其中泥巖3塊、不含油砂巖8塊、含油砂巖4塊；測試內容包括密度、導熱系數、體積比熱和熱擴散系數[2]。測試儀器為QUCKLINETM–30型熱物性測定儀，能夠對大量原始狀態的巖樣熱物性進行直接測量；巖石密度測定時樣品沒有洗油，測量密度是含油巖心的平均密度。

測試結果表明，春10–10112井S1Ⅱ油組巖石密度為 1 871～2 586 kg/m3，導熱系數為0.847 ～3.118 W/（m·K），體積比熱容為（1.446～1.940）×106J/（m3· K），熱擴散系數為（0.559～1.838）×10–6m2/s。

2.2 巖石密度與聲波時差關系

聲波時差曲線[3]是油田勘探開發測井系列中最為常見的內容之一。一般情況下，聲波在致密巖石中的傳播速度快于膠結疏散的巖石，巖石密度越大，聲波傳播速度越快，聲波時差則越小。根據這一原理，石油地質學家利用聲波時差數據能夠快速判斷、計算巖石的密度和物性參數。

春10井區塊S1Ⅱ3小層巖石密度實測結果在剖面上的變化趨勢與聲波時差曲線具有較好的一致性，表現為聲波時差越小、巖石密度越大的變化特點，說明聲波時差能夠較好的表征巖石密度（圖1）。

根據巖石密度實測值（ρ，kg/m3）及聲波時差（?!，μs/m）讀值，二者具有良好的線性關系，其回歸關系式為：

目前，我國地質學家普遍認為沉積巖石的聲波速度主要受巖石密度和地應力等環境控制，表現為沉積巖石的聲波速度隨著巖石密度和圍壓的增大而增大[4]。鑒于春10區塊S1Ⅱ3層地層厚度僅10 m左右，圍壓及環境變化不大，因而，沉積巖石聲波速度的大小主要與密度有關，該區塊巖石密度與聲波時差在剖面上變化趨勢的一致性也證實了這一認識。

圖1 巖石聲波時差曲線與密度關系

2.3 巖石熱物理參數影響因素研究

2.3.1 巖石導熱系數

對于同一物源的稠油油藏而言，相同巖性的礦物成分變化不大，巖石導熱系數影響因素主要包括巖性、密度及含油、含水飽和度[5–6]。

（1）巖性。測試結果表明，泥巖導熱系數平均為1.132 W/（m·K），不含油的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖和含礫細砂巖導熱系數平均為1.670 W/（m· K），礫狀砂巖平均為2.787 W/（m·K），說明泥巖的導熱系數較低，不含油的砂巖隨著粒度增大其導熱系數具有增大的趨勢（圖2）。

（2）含油性。油浸級別顯示的礫狀砂巖導熱系數平均為0.910 W/（m·K），較不含油礫狀砂巖（平均為 2.787 W/（m·K））小 1.877 W/（m·K），降低三分之二；巖石孔隙中充滿原油時，砂巖導熱系數急劇減小，原因包括兩個方面，一方面是原油的導熱系數為 0.155 W/（m·K），僅為地層水導熱系數（0.58 W/（m·K））的四分之一；另一方面是飽含稠油的礫狀砂巖膠結疏松，巖石顆粒排列不緊密，密度（平均為1 930 kg/m3）較不含油的礫狀砂巖（平均密度為2 474 kg/m3）明顯偏低，導熱系數減小。

（3）含水飽和度。巖石孔隙流體為水時，孔隙中擴散水分子的運動將起主要傳熱作用。地層水的導熱系數（0.58 W/（m· K））比空氣的導熱系數（0.026 W/（m·K））大20倍左右，比稠油導熱系數（0.155 W/（m·K））高4倍左右，導熱系數明顯升高。

總體上，導熱系數和含水飽和度的變化趨勢具有“隨著含水飽和度減少、導熱系數變小”的分布特點（圖3）。

（4）密度。巖石的導熱機理與其微觀粒子的運動密切相關，熱能的傳導是巖石內部微觀粒子相互碰撞與傳遞的結果，巖石密度越大，內部微觀粒子相互碰撞幾率越高，導熱系數越大。因此，就同一巖性而言，密度越大、聲波時差愈小，巖石導熱系數越大。

圖2 S1Ⅱ3層巖石導熱系數與巖性、含油性關系

分析結果表明，春10區塊S1Ⅱ3小層含油砂巖（膠結疏松）導熱系數最小，其次為泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、含礫細砂巖及礫狀砂巖。盡管巖性、粒度、密度及含油水飽和度均影響巖石導熱系數的大小，但導熱系數與聲波時差曲線在剖面上的變化趨勢具有較好的一致性，表現為導熱系數隨聲波時差變小（巖石密度增大）而增大，說明巖石密度是導熱系數的主要影響因素（圖3）。

2.3.2 巖石體積比熱容

巖石體積比熱容是指單位體積的某種巖石升高（降低）單位溫度所吸收（釋放）的熱量，其影響因素與導熱系數基本相同。

圖3 導熱系數、體積比熱容與聲波時差、含水飽和度關系

巖性從泥巖、泥質粉砂巖到礫狀砂巖，體積比熱值變化不大，在（1.45～1.94）×106J/（m3·K）之間，但同一種砂巖含油、含水飽和度對體積比熱容具有一定的影響。如不含油礫狀砂巖體積比熱容平均為1.660×106J/（m3·K），較含油礫狀砂巖平均值的 1.558×106J/（m3·K）高 0.102×106J/（m3·K）。其原因一方面是水的體積比熱容（4.2×106J/（m3·K））比稠油（1.45×106J/（m3·K））大3倍左右，另一方面含水的礫狀砂巖膠結致密，體積比熱容明顯升高。

從體積比熱容與聲波時差、含水飽和度在縱向上的變化趨勢看出，體積比熱容和含水飽和度的變化趨勢總體上“隨著含水飽和度減少而變小”，但與聲波時差具有較好的一致性，具有“聲波時差越小、巖石密度越大，體積比熱容越高”的變化特點（圖3）。

2.3.3 巖石熱擴散系數

巖石熱擴散系數[7]（a，m2/s）表示巖石在加熱或冷卻時各部分溫度趨于一致的能力，主要與巖石導熱系數（λ，W/（m·K）)、質量比熱容（Cm，J / （kg·K）)和密度（ρ，kg/m3）有關，三者之間關系式為：巖石體積比熱容（Cv，J/（m3·K）)與質量比熱容（Cm，J /（ kg·K）)的關系式：

將式（3）代入式（2）得：

結果表明，巖石熱擴散系數與導熱系數成正比，

與體積比熱容成反比。

3 巖石熱物理參數計算方法

巖石基本熱物理參數主要包括導熱系數、體積比熱容及熱擴散系數。根據測試結果，巖石導熱系數與密度回歸關系式為（圖4）：

巖石熱擴散系數與導熱系數回歸關系式為（圖5）：

在確定一口井巖性巖石熱力參數時，首先根據測井資料讀取聲波時差值，利用式（1）求取巖石密度；其次將巖石密度代入式（5）計算巖石導熱系數，再利用式（6）計算熱擴散系數；最后根據式（4）求取體積比熱容。

圖4 S1Ⅱ3 層巖石導熱系數與密度關系

圖5 S1Ⅱ3 層巖石熱擴散系數與導熱系數關系

目前，遼河油田和勝利油田針對巖石熱物理參數影響因素開展過系統研究，認為影響因素很多，相互制約，主要包括巖石礦物成分及含量、密度、物性，孔隙中流體性質及含量、溫度、壓力等[8]，但還沒有涉及聲波時差與熱物理參數的關系圖版。由于春光油田春10井區S1Ⅱ3 小層地層厚度僅10 m左右，且儲層屬于東北部同一物源，其巖石礦物成分及含量、溫度和壓力均相差不大，巖石的熱物理參數與密度有良好的線性關系。

因此，針對多物源方向、多含油層位、含油井段長的稠油油藏，利用該方法求取巖石熱物理參數時，要求同一物源的儲層各自獨立建立上述圖版，目的是盡可能規避影響因素，為稠油油藏井網、井距及注采參數優化設計提供可靠的基礎地質資料。

4 成果應用

春 10區塊是春光油田稠油蒸汽吞吐的主力熱采區塊，在開發初期，根據相鄰區塊勝利油田排6井區巖石熱物理參數測試結果進行方案優化設計。

根據研究成果，首先利用聲波時差測井資料落實春10井區每口井S1Ⅱ3油層及蓋層的熱物理性質；其次采用數值模擬手段優化設計注采參數，避免了全區采用相同熱物理參數的問題，吞吐油汽比由初期的0.26提高到目前的0.32，吞吐階段累計產油37×104t，開發效果得到明顯改善。

5 結論

（1）春10區塊S1Ⅱ3小層巖石熱物理參數的影響因素主要包括巖性、粒度、密度、含油水飽和度。

（2）導熱系數與聲波時差曲線在剖面上的變化趨勢具有較好的一致性，表現為導熱系數隨聲波時差變小（巖石密度增大）而增大，說明巖石密度是導熱系數的主要影響因素。

（3）該方法能夠根據測井系列中聲波時差值快速計算巖石密度、導熱系數、比熱容和熱擴散系數，對稠油油藏蒸汽吞吐優化注采參數具重要作用。

[1] 尉雪梅．薄層稠油油藏蒸汽吞吐開發篩選標準研究[D].北京：中國石油大學，2007.

[2] 劉建軍, 劉海蕾．巖石熱物理性質測試與分析[J]. 西部探礦工程，2009，21（4）：144–148.

[3] 趙克超, 陶果, 胡潤苗, 等. 利用聲波資料評價稠油熱采區蒸汽波及范圍的方法與實踐[J]. 測井技術，2006，30（1）：72–75.

[4] 孟召平, 劉常青, 賀小黑, 等. 煤系巖石聲波速度及其影響因素實驗分析[J]. 采礦與安全工程學報，2008，25（4）：389–393.

[5] 徐振章．試論巖石熱物理性質的因素及機制[J]. 石油勘探與開發，1992，19（6）：84–89．

[6] 王余福，謝永利. 巖石導熱系數確定的一種新方法[J].低溫建筑技術，2009，31（9）：11–12．

[7] 牟仁德, 宋希文, 淘春虎, 等．EB–PVD熱障涂層熱擴散系數測試方法與影響因素[J]. 中南大學學報，2008，39（2）：256–261.

P631

A

1673–8217（2017）06–0108–04

2017–06–19

胡榮，工程師，1985年生，2009年畢業于長江大學資源勘查工程專業，主要從事油氣田開發方案編制和油藏評價工作。

王金旗