四維地震技術在SAGD蒸汽腔監測中的應用

辛 坤 烈

(中國石油遼河油田公司特種油開發公司，遼寧盤錦 124010)

0 引言

遼河油田D84塊館陶油藏為巨厚塊狀超稠油油藏，發育邊、頂、底水，含油面積為1.92km2，地質儲量為2626×104t，儲層孔隙度為36.3%，滲透率為5.54×103mD，油層深度為-550～-700m，平均油層厚度約78.6m，50℃時脫氣原油黏度為23.19×104mPa·s[1]。該油藏2000年開始蒸汽吞吐開采，2005年轉入蒸汽輔助重力泄油(SAGD)開采后，實現了油藏的重新上產，取得了較好的開發效果。

隨著開發的不斷深入，SAGD蒸汽腔描述難導致開采動態調控及剩余油挖潛難的問題較為突出。國外在SAGD蒸汽腔監測方面，觀察井井溫、四維地震等方面技術較為成熟，但國內對于SAGD蒸汽腔擴展形態的描述仍僅限于觀察井溫度監測，該方法雖然可準確地判斷SAGD蒸汽腔單點形態，但控制范圍有限，只能判斷油藏蒸汽腔的單點形態及變化趨勢，不能從平面上判斷蒸汽腔的整體擴展狀況及趨勢，具有較大局限性。因此，通過調研國外SAGD蒸汽腔監測技術應用情況，針對館陶組儲層開展了四維地震油藏監測先導試驗。

四維地震是一種新興的現代油氣藏管理與監測技術，目前已在國內外油氣藏動態描述與管理等方面發揮著重要作用，但在國內SAGD開采領域還沒有應用先例。其主要機理是油藏開采過程中，對同一油氣田在不同時間重復進行三維地震測量，其地震響應隨時間的變化可表征油藏性質的變化；通過特殊的四維地震處理技術、差異分析技術、差異成像技術和計算機可視化技術等描述油藏內部物性參數的變化并追蹤流體前緣。在熱采過程中，隨著儲層溫度的增加，孔隙流體黏度降低，巖石和孔隙流體的壓縮系數增加，從而導致巖石速度、密度的明顯降低，因此四維地震監測在稠油熱采中是可行的[2-4]。

1 四維地震監測可行性分析

1.1 油層基礎條件

根據前人研究結果及礦場實踐，四維地震主要是由地震響應的變化反演油藏特性隨時間的變化。然而由于注采所造成的地震響應的變化因油田、儲層不同而不同，所以只有儲層所有變化的綜合效應在給定的地震分辨率范圍內存在穩定可信的地震差異時，四維地震才可得到成功應用。即四維地震并非適用所有儲層，若要開展四維地震監測，對儲層條件、注采方式及地震方法本身都有特定要求[5-7]。表1給出了館陶組儲層一些基本靜態、動態參數與篩選標準的對比情況，表明館陶油藏儲層條件有利于開展四維地震監測。

表1 D84塊館陶組儲層參數與四維地震監測理想參數對比

1.2 巖石注蒸汽驅油后密度的變化

從注采方式上看，D84塊館陶組儲層為砂礫巖超稠油油藏，目前采用SAGD熱采方式開發。超稠油油藏開展SAGD熱采后，蒸汽驅掃帶的地層溫度由原始的30℃升至240℃以上。由于SAGD驅油效率較高，觀察井巖心分析結果顯示驅油效率能達到90%以上，因此地層中重質原油被蒸汽部分替代，導致地層密度降幅逾10%，館陶油層密度測井的平均值為2.3g/cm3，經蒸汽驅掃后，原來密度比水重的稠油采出而被密度小的蒸汽所填充，油層密度減小(圖1)。根據王丹等[8-9]的計算，經歷SAGD熱采后區域，地震波平均速度下降約40%，密度下降約9%。注入蒸汽前、后油層內部的聲阻抗產生很大差異，在不同時期地震資料的振幅有明顯區別。因此從注采方式看，實施四維地震監測可獲得較好預期效果。

1.3 室內巖心速度試驗

為了進一步論證四維地震在曙一區D84塊館陶油層SAGD監測的可行性，開展了室內巖心速度試驗。選取L油層稠油巖心切片，分別做成100%、50%、0(即全含水)三種含油飽和度的巖心進行實驗。圖2為測試結果，可見稠油油層速度、振幅及密度與溫度、含油飽和度存在如下關系：

(1)100%含油飽和度的稠油巖心，在正常SAGD開采壓力下，溫度由25℃升至200℃時，地震縱波速度由3500m/s降至1370m/s，下降幅度達61%；50%含油飽和度的稠油巖心，溫度由25℃升至200℃時，地震縱波速度由3550m/s降至2050m/s，下降幅度約42%；0含油飽和度的稠油巖心地震縱 波速度由3400m/s降至2450m/s，下降幅度約28%。

圖1 SAGD開采注汽前(a)、后(b)油層巖石切片

圖2 不同含油飽和度稠油巖心縱波速度(a)、初至振幅(b)隨溫度變化

(2)100%含油飽和度的稠油巖心在溫度由25℃升至200℃時，其歸一化振幅由1.00降至0.02，下降幅度達98%；50%含油飽和度稠油巖心的歸一化振幅由1.00降至0.28，下降幅度達72%；0含油飽和度稠油巖心的歸一化振幅由1.00降至0.85，下降幅度為15%。

綜合上述實驗結果，認為在SAGD開采過程中實施四維地震油藏監測，應是現實且可行的。

2 四維地震歸一化處理

2.1 四維地震數據采集

分別于2009年及2011年在研究工區實施了兩次三維地震數據采集。為提高兩次地震數據的可重復性，2009年第一期與2011年第二期地震數據采集所使用的各項設備完全相同，觀測系統參數設計、激發參數及接收參數見表2。兩次地震數據采集過程均達到技術設計要求，保證了每次三維地震數據的品質。

表2 2009、2011年兩次地震觀測系統參數

2.2 數據歸一化處理

同一地區在不同時間采集的地震數據，由于采集環境與采集方法不同，兩者之間存在著非地質因素和非油藏因素引起的巨大屬性差異，必須對兩個數據體非油氣藏部分數據進行歸一化處理，使其盡可能保持剖面一致，從而獲得真正由于油氣藏部分油氣水變化引起的地震屬性差異[10-12]。

本次地震數據體歸一化處理方法參考了陳小宏[13]、王新紅[14]、凌云等[15]、張國才等[16]的研究成果，即利用歸一化軟件和算法，找到一種最佳匹配濾波方法對工區每條測線進行整形，使其在非油藏部分與參考測線的震源信號相同，求出對應的歸一化算子，然后應用于油藏進行校正。具體流程為： ①振幅校正，即采用整體歸一化法，在地震剖面上獲得校正因子；②頻率校正，即利用帶通濾波實現頻帶寬度的一致，并通過功率譜對比做頻率補償與校正；③相位校正，即采用局部歸一化法，對每條測線的每道做相位校正，每道都可得到一個相位歸一化因子。

圖3a、圖3b分別為2009年、2011年歸一化處理后的典型地震剖面，對比可見兩期剖面經振幅、頻率及相位歸一化處理后，反射特征強，且同相軸連續性好，非油藏部分特征具有明顯的一致性。2009年與2011年地震數據歸一化后之差，即得到地震差異剖面(圖3c)。該差異剖面顯示除了由于油藏開采導致的異常外，其他非油藏部分及未動用油藏部分基本無差異。因此，利用該方法歸一化處理的兩期地震數據結果比較好，能夠有效消除非油藏因素引起的地震差異，完全可用于工區含油層段的屬性差異分析。

圖3 2009(a)、2011(b)年兩期歸一化處理后典型地震剖面及其差異剖面(c)

3 時移地震屬性差異分析及應用

時移地震監測的核心是根據地震數據體的差異與油藏參數之間的關系，分析產生這些差異的原因，進而研究地下油藏內的變化以及剩余油的分布。合理的地震差異變化是儲層中流體驅替、儲層溫度、壓力以及巖石物理特征變化的綜合反映。時移地震屬性的差異分析就是在合理、有效地壓制各期次地震數據體噪聲的基礎上，分析油藏參數的變化，進而掌握地下流體變化特征以及剩余油分布，是對油藏開采過程中的動態分析[17-20]。

分析時移地震屬性差異主要有兩種方法：一是先對地震數據體求差，然后在差異數據體上提取屬性；二是先提取不同時期數據體的相關屬性，然后再對所提取的屬性做差。尹成等[21]研究成果表明，從體屬性數據上進行沿層屬性提取，然后再進行時移求差，獲得的差異效果要比單純從時移前、后數據體上提取屬性再求差效果要好，這是因為體屬性的提取進一步提高了地震屬性的抗噪聲能力，突出了真實差異[22-27]。因此本次研究采用第二種屬性差異提取方法。

盡管各期次匹配數據都是針對目標層的振幅、相位、頻率數據體進行處理，但對于下伏目標層的地震參數也有一定影響。圖4為2009年和2011年兩期地震數據中目標層差異屬性，可見實線圈定的油藏注采區的均方根振幅屬性(圖4a)有明顯差異，而相位(圖4b)和頻率(圖4c)屬性差異相對較小。圖中下方紅色虛線圈定區域是非油藏部位(未注采)，在對目標油藏進行注汽開采后，該部位應該沒有任何變化，而頻率和相位屬性在此位置產生了顯著差異，故與事實不符。因此相位和頻率屬性表現的差異是不可靠的，而振幅屬性非儲層部分差異小，即此處屬性差異分析主要是針對振幅類屬性。

本次研究充分結合動態開采數據、測井資料，主要闡述時移地震屬性差異在SAGD開采中的具體響應，以及在SAGD蒸汽腔形態預測、深化地質認識及剩余油分布預測等方面的現場應用情況。

3.1 刻畫蒸汽腔形態與汽腔前緣

在超稠油SAGD開采中，由于儲層內部流體性質與特征發生較大變化，從而導致地震波傳播時間發生變化。館陶油藏注汽后地層溫度升高，蒸汽波及區域最高達到240℃，且儲層厚度較大。從圖5可見，圖中黃色虛線內均為注汽開采區域，由于該區域在兩次地震數據采集時都已經注汽，三維地震監測剖面中出現時間滯后現象，可以見到注汽區地震同相軸明顯下拉，地層“增厚”的現象，這反映出反射波傳播時間發生了變化，這可以用來輔助刻畫SAGD蒸汽腔的形態，但單從地震剖面上看到的差別并不明顯，因此對蒸汽腔范圍的預測難度較大，且精度較低，僅可輔助判斷SAGD蒸汽腔形態及汽腔前緣。

從圖6所示的時移地震振幅屬性差異剖面可見，注汽區域的屬性差異明顯，清晰反映了時移前、后油藏中注汽區向未注汽區由于汽相到液相的變化引起的密度變化，且在汽液混合區呈現明顯拐點，即蒸汽波及的前緣地帶，而在未注汽區域幾乎沒有屬性差異。圖中橢圓虛線圈定位置存在的差異更明顯，且顯示為傾斜的，而SAGD蒸汽腔發育的邊緣一般是傾斜的，推測異常剖面中傾斜的部位就對應于蒸汽腔邊緣的位置，據此推斷此處就是蒸汽波及到達的最遠部位。據該特征即可判斷蒸汽波及范圍，注入蒸汽后流體形態變化，進而通過分析地震屬性差異的強弱情況，反推蒸汽波及區，進一步預測剩余油分布。

圖4 2009年與2011年兩期地震數據的振幅(a)、相位(b)、瞬時頻率(c)差異屬性對比

圖5 2009(a)、2011(b)年兩期三維地震剖面特征對比

圖6 2009年與2011年兩期地震振幅差異剖面

通過地震屬性差異分析結果，結合測井等資料，聯合開展了館陶SAGD蒸汽腔發育形態預測及刻畫(圖7)，并根據預測的蒸汽腔發育形態，在井區采取主體汽腔降低注汽量、加強邊部注汽及實施注氮氣輔助SAGD的調控措施。實施后，先導試驗區的4個井組邊部油藏得到更好的動用，井組產量由240t/d提高至408t/d， 4個井組日產油量全部達到百噸以上，油汽比由調整前的0.27提高至0.38，取得較好開采效果。

3.2 深化地質認識，指導動態調控

在SAGD開采中，油藏是否連續發育，是蒸汽腔能否向上擴展的最主要因素，油藏內連續發育的隔層對蒸汽腔垂向擴展有重要的影響。圖8是數值模擬的隔層對汽腔的抑制作用，在連續油藏區域，汽腔一般連片發育并持續向上擴展，直到達到油藏頂界，但在隔層發育區域，蒸汽腔無法向上擴展，導致蒸汽腔縱向上發育不均衡。

圖7 館陶組油藏SAGD蒸汽腔聯合解釋圖

圖8 隔層發育油藏蒸汽腔擴展形態數值模擬圖

由于油田SAGD實際開采中，最常用的觀察井井溫監測資料有限，導致蒸汽腔空間發育形態很難精細描述，隔層等因素對汽腔的控制作用更是難以確定。但通過時移地震屬性差異，可以較為清晰地觀測到隔層對蒸汽腔的抑制作用。

圖9是館陶油藏H井區均方根振幅差異剖面圖，圖10是對應井區R5砂層組內隔層厚度等值圖。在圖9中，兩個強差異區域為蒸汽腔發育區，在它們之間，有一個明顯的弱差異區，表明蒸汽腔在這個區域不發育，通過對比發現，弱差異區域的底部(綠線位置)與圖10黑線位置對應，即隔層發育區域，正是隔層的存在，抑制了蒸汽腔的向上擴展。這種地震屬性差異在其他區域都有明顯的響應，經過與地質資料對比，發現基本都是隔層發育區域。由此可判斷，在井網完善、注采均勻的條件下，在強差異區域內部的弱差異區處一般發育隔夾層。通過上述地震屬性差異與隔層發育對應關系的研究結果，可通過提取不同層的差異屬性，根據所得屬性強弱差異分布，結合開發動態、測井資料，輔助預測油層內隔夾層的分布位置、范圍以及其對開采過程的影響程度，并在現場得到了較好的應用。2011年后利用該技術，結合其他動態、靜態資料，綜合描述了井區隔夾層的分布狀況，并在井區實施了低物性段射孔改造，即在低物性段上部實施補層后注汽。實施后，蒸汽腔突破低物性段的滲流屏障，上部新層得到動用，SAGD蒸汽腔加速向隔層上部上升25m，實施區域5個井組日產油量增加了270t/d，年產油量增加10.0×104t。

圖9 館陶油藏均方根振幅差異剖面圖

圖10 圖9對應井區R5砂層組內隔層厚度等值圖

3.3 預測剩余油分布，指導油藏挖潛

根據時移地震監測分析結果，兩期地震均方根振幅差異強區域為蒸汽波及區域，均方根振幅差異弱區域為未波及區域，即剩余油富集區域。對油藏任一深度區間內小層提取2009年、2011年兩期地震數據的均方根振幅屬性，然后做差，就得到地震差異屬性平面圖(圖11)，冷色調區域表明二次地震的振幅弱于一次地震的振幅，暖色調區域說明二次地震的振幅強于一次地震的振幅，圖中虛線范圍內呈明顯的強差異特征，表明該區域蒸汽腔發育較好，而其他弱差異區域則表明蒸汽腔發育較差。利用軟件將圖11中弱差異部位抹成綠色，強差異部位抹成藍色就得到了更為直觀的剩余油分布圖(圖12)。從圖中可見，藍色區域為SAGD蒸汽腔發育較好，剩余油飽和度低區域，而綠色區域反映蒸汽腔發育較差，為剩余油富集區域，是下步開發調整的重點目標區域。

依據時移地震監測結果，預測館陶油藏已動用面積小于1.10km2，動用儲量僅57.3%，預測未動用儲量約1121×104t，剩余油大多仍聚集于油藏邊部。基于上述精細油藏研究結果，2015年在地震屬性差異小的區域部署了A-B雙水平SAGD井組合(圖13)，該井在2016年轉SAGD開采，目前產液量為187t/d，產油達到80t/d，含水僅60%，開采效果良好，驗證了時移地震油藏監測技術在剩余油預測方面的實用性。

圖11 館陶組油層時移地震均方根振幅差異圖

圖12 館陶組油層剩余油平面分布圖

圖13 時移地震監測的汽腔形態及擴邊井部署位置圖

4 結論

(1)遼河D84塊SAGD開采的油藏、注采及地震等條件顯示，實施四維地震監測是可行的。

(2)根據研究結果，時移地震的振幅屬性差異與SAGD開采動態有較大關系，可監測溫度場及飽和度場的變化，判斷蒸汽腔空間展布及擴展趨勢。

(3)利用四維地震監測資料，較好地指導了SAGD動態調整及剩余油挖潛，提高了SAGD開采效益。