胡 榮，王雨辰，肖 湘，陳 密，陳 琦

（1. 中國(guó)石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽(yáng)473132；2. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院）

春光油田巖石熱物理參數(shù)的研究及應(yīng)用

胡 榮1，王雨辰2，肖 湘1，陳 密1，陳 琦1

（1. 中國(guó)石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南南陽(yáng)473132；2. 成都理工大學(xué)能源學(xué)院）

我國(guó)特超稠油油藏一般采用注蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)等熱力開發(fā)方式，室內(nèi)測(cè)試獲取的巖石熱物理參數(shù)是數(shù)值模擬優(yōu)化井網(wǎng)、井距和注采參數(shù)的重要依據(jù)。以前對(duì)春光油田的熱力采油區(qū)塊巖石熱物理參數(shù)平面變化規(guī)律缺乏全面認(rèn)識(shí)，影響了開發(fā)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，因此詳細(xì)開展了對(duì)春光油田巖石熱物理參數(shù)測(cè)試及影響因素研究，結(jié)果表明，春10區(qū)塊S1Ⅱ3小層導(dǎo)熱系數(shù)與聲波時(shí)差曲線在剖面上的變化趨勢(shì)具有較好的一致性，并建立了測(cè)井與熱物理參數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)聲波時(shí)差值可以快速計(jì)算巖石密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和熱擴(kuò)散系數(shù)，為不同井區(qū)優(yōu)化開發(fā)方案提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

春光油田；聲波時(shí)差; 熱物理參數(shù)

1 油藏基本地質(zhì)特征

春光油田地處新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依市境內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造上屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起的次一級(jí)構(gòu)造單元。春10區(qū)塊地層為一近東–西走向、傾角3°的單斜構(gòu)造，含油層位主要為S1Ⅱ3小層，巖性以含礫細(xì)砂巖、細(xì)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(chǔ)層膠結(jié)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(zhì)屬特稠油[1]。

2 巖石熱物理參數(shù)影響因素研究

2.1 巖心取樣及測(cè)試結(jié)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(cè)試內(nèi)容包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱和熱擴(kuò)散系數(shù)[2]。測(cè)試儀器為QUCKLINETM–30型熱物性測(cè)定儀，能夠?qū)Υ罅吭紶顟B(tài)的巖樣熱物性進(jìn)行直接測(cè)量；巖石密度測(cè)定時(shí)樣品沒有洗油，測(cè)量密度是含油巖心的平均密度。

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

2.2 巖石密度與聲波時(shí)差關(guān)系

聲波時(shí)差曲線[3]是油田勘探開發(fā)測(cè)井系列中最為常見的內(nèi)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(jié)疏散的巖石，巖石密度越大，聲波傳播速度越快，聲波時(shí)差則越小。根據(jù)這一原理，石油地質(zhì)學(xué)家利用聲波時(shí)差數(shù)據(jù)能夠快速判斷、計(jì)算巖石的密度和物性參數(shù)。

春10井區(qū)塊S1Ⅱ3小層巖石密度實(shí)測(cè)結(jié)果在剖面上的變化趨勢(shì)與聲波時(shí)差曲線具有較好的一致性，表現(xiàn)為聲波時(shí)差越小、巖石密度越大的變化特點(diǎn)，說明聲波時(shí)差能夠較好的表征巖石密度（圖1）。

根據(jù)巖石密度實(shí)測(cè)值（ρ，kg/m3）及聲波時(shí)差（?!，μs/m）讀值，二者具有良好的線性關(guān)系，其回歸關(guān)系式為：

目前，我國(guó)地質(zhì)學(xué)家普遍認(rèn)為沉積巖石的聲波速度主要受巖石密度和地應(yīng)力等環(huán)境控制，表現(xiàn)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(qū)塊S1Ⅱ3層地層厚度僅10 m左右，圍壓及環(huán)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(guān)，該區(qū)塊巖石密度與聲波時(shí)差在剖面上變化趨勢(shì)的一致性也證實(shí)了這一認(rèn)識(shí)。

圖1 巖石聲波時(shí)差曲線與密度關(guān)系

2.3 巖石熱物理參數(shù)影響因素研究

2.3.1 巖石導(dǎo)熱系數(shù)

對(duì)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(dǎo)熱系數(shù)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(cè)試結(jié)果表明，泥巖導(dǎo)熱系數(shù)平均為1.132 W/（m·K），不含油的粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和含礫細(xì)砂巖導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)較低，不含油的砂巖隨著粒度增大其導(dǎo)熱系數(shù)具有增大的趨勢(shì)（圖2）。

（2）含油性。油浸級(jí)別顯示的礫狀砂巖導(dǎo)熱系數(shù)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(shí)，砂巖導(dǎo)熱系數(shù)急劇減小，原因包括兩個(gè)方面，一方面是原油的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.155 W/（m·K），僅為地層水導(dǎo)熱系數(shù)（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(jié)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(dǎo)熱系數(shù)減小。

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

總體上，導(dǎo)熱系數(shù)和含水飽和度的變化趨勢(shì)具有“隨著含水飽和度減少、導(dǎo)熱系數(shù)變小”的分布特點(diǎn)（圖3）。

（4）密度。巖石的導(dǎo)熱機(jī)理與其微觀粒子的運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，熱能的傳導(dǎo)是巖石內(nèi)部微觀粒子相互碰撞與傳遞的結(jié)果，巖石密度越大，內(nèi)部微觀粒子相互碰撞幾率越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大。因此，就同一巖性而言，密度越大、聲波時(shí)差愈小，巖石導(dǎo)熱系數(shù)越大。

圖2 S1Ⅱ3層巖石導(dǎo)熱系數(shù)與巖性、含油性關(guān)系

分析結(jié)果表明，春10區(qū)塊S1Ⅱ3小層含油砂巖（膠結(jié)疏松）導(dǎo)熱系數(shù)最小，其次為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、含礫細(xì)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(dǎo)熱系數(shù)的大小，但導(dǎo)熱系數(shù)與聲波時(shí)差曲線在剖面上的變化趨勢(shì)具有較好的一致性，表現(xiàn)為導(dǎo)熱系數(shù)隨聲波時(shí)差變?。◣r石密度增大）而增大，說明巖石密度是導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)基本相同。

圖3 導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱容與聲波時(shí)差、含水飽和度關(guān)系

巖性從泥巖、泥質(zhì)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(duì)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(jié)致密，體積比熱容明顯升高。

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

2.3.3 巖石熱擴(kuò)散系數(shù)

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

將式（3）代入式（2）得：

結(jié)果表明，巖石熱擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)成正比，

與體積比熱容成反比。

3 巖石熱物理參數(shù)計(jì)算方法

巖石基本熱物理參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、體積比熱容及熱擴(kuò)散系數(shù)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，巖石導(dǎo)熱系數(shù)與密度回歸關(guān)系式為（圖4）：

巖石熱擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)回歸關(guān)系式為（圖5）：

在確定一口井巖性巖石熱力參數(shù)時(shí)，首先根據(jù)測(cè)井資料讀取聲波時(shí)差值，利用式（1）求取巖石密度；其次將巖石密度代入式（5）計(jì)算巖石導(dǎo)熱系數(shù)，再利用式（6）計(jì)算熱擴(kuò)散系數(shù)；最后根據(jù)式（4）求取體積比熱容。

圖4 S1Ⅱ3 層巖石導(dǎo)熱系數(shù)與密度關(guān)系

圖5 S1Ⅱ3 層巖石熱擴(kuò)散系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系

目前，遼河油田和勝利油田針對(duì)巖石熱物理參數(shù)影響因素開展過系統(tǒng)研究，認(rèn)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(zhì)及含量、溫度、壓力等[8]，但還沒有涉及聲波時(shí)差與熱物理參數(shù)的關(guān)系圖版。由于春光油田春10井區(qū)S1Ⅱ3 小層地層厚度僅10 m左右，且儲(chǔ)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(shù)與密度有良好的線性關(guān)系。

因此，針對(duì)多物源方向、多含油層位、含油井段長(zhǎng)的稠油油藏，利用該方法求取巖石熱物理參數(shù)時(shí)，要求同一物源的儲(chǔ)層各自獨(dú)立建立上述圖版，目的是盡可能規(guī)避影響因素，為稠油油藏井網(wǎng)、井距及注采參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

4 成果應(yīng)用

春 10區(qū)塊是春光油田稠油蒸汽吞吐的主力熱采區(qū)塊，在開發(fā)初期，根據(jù)相鄰區(qū)塊勝利油田排6井區(qū)巖石熱物理參數(shù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)研究成果，首先利用聲波時(shí)差測(cè)井資料落實(shí)春10井區(qū)每口井S1Ⅱ3油層及蓋層的熱物理性質(zhì)；其次采用數(shù)值模擬手段優(yōu)化設(shè)計(jì)注采參數(shù)，避免了全區(qū)采用相同熱物理參數(shù)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(jì)產(chǎn)油37×104t，開發(fā)效果得到明顯改善。

5 結(jié)論

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

（2）導(dǎo)熱系數(shù)與聲波時(shí)差曲線在剖面上的變化趨勢(shì)具有較好的一致性，表現(xiàn)為導(dǎo)熱系數(shù)隨聲波時(shí)差變?。◣r石密度增大）而增大，說明巖石密度是導(dǎo)熱系數(shù)的主要影響因素。

（3）該方法能夠根據(jù)測(cè)井系列中聲波時(shí)差值快速計(jì)算巖石密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)稠油油藏蒸汽吞吐優(yōu)化注采參數(shù)具重要作用。

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P631

A

1673–8217（2017）06–0108–04

2017–06–19

胡榮，工程師，1985年生，2009年畢業(yè)于長(zhǎng)江大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，主要從事油氣田開發(fā)方案編制和油藏評(píng)價(jià)工作。

王金旗