木里地区天然气水合物储层参数计算
林振洲1,2, 孔广胜2, 潘和平1, 贾定宇2, 冯杰2, 欧洋2, 张小未3
1. 中国地质大学 地球物理与空间信息学院,湖北 武汉 430074
2. 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
3. 北京中医药大学 东方学院,河北 廊坊 065000
通讯作者:潘和平(1953-),男,教授,博士生导师,长期从事测井与井中物探方面的教学和科研工作。Email:panpinge@163.com

作者简介: 林振洲(1981-),男,高级工程师,现主要从事测井数据处理方法的研究工作。Email:linzhenzhou@igge.cn

摘要

测井作为一种重要的地球物理勘探手段,在天然气水合物资源定量评价中发挥着重要的作用,随着木里地区天然气水合物勘探井的日益增多,需建立一套适合本地区的泥质含量、含水饱和度和孔隙度等储层参数的计算方法,这对储层优选、资源量的评估等具有重要意义。笔者基于国内外文献常用的天然气水合物测井评价模型,选用经过环境校正和标准化处理后的测井数据,定量计算天然气水合物的孔隙度与饱和度等参数,结合岩心测试和岩电资料,修正并完善储层参数的计算模型,分析各种测井评价方法在水合物储层计算当中的优劣。研究结果表明:泥质含量选用自然伽马值求取为宜;孔隙度选用受水合物分解所产生气体影响较小的密度值求取;饱和度的求取需根据水合物含量的不同,分别选用印度尼西亚公式、修正的wood方程或修正的阿尔奇公式。

关键词: 储层参数; 孔隙度; 饱和度; 天然气水合物
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1099-06
Parameters calculation for the gas hydrate reservoir in Muli area
LIN Zhen-Zhou1,2, KONG Guang-Sheng2, PAN He-Ping1, JIA Ding-Yu2, FENG Jie2, OU Yang2, ZHANG Xiao-Wei3
1.Institute of Geophysics and Geomatics,China University of Geosciences (Wuhan),Wuhan 430074,China
2.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,Langfang 065000,China
3.Dongfang College,Beijing University of Chinese Medicine,Langfang 065000,China
Abstract

As an important geophysical exploration means, the well-logging plays an important role in quantitative evaluation/assessment of natural hydrate. With more and more natural gas hydrate being explored in Muli area, a calculation fit for the local shale content, water saturation, porosity and other reservoir parameters is necessary, which is significant for the reservoir optimization and source assessment. Based on the evaluation model of gas hydrate frequently used in the literatures both in China and abroad, the authors consulted the well-logging data of Muli area processed through environment adjustment and standardization, and calculated quantitatively the porosity, saturation and other parameters. With core testing and core electricity data, the authors also amended and improved the parameters calculation models, and analyzed the advantages and disadvantages of different well-logging interpretations applied in gas hydrate reservoir calculation. The results show that the shale content was obtained through natural gamma, the porosity was obtained through gas density resolved by hydrate and had less impact, and saturation was obtained by Indonesia's formula, amended equation and Archie's formulas according to different hydrate values.

Keyword: reservoir parameters; porosity; saturation; gas hydrate
0 引言

木里地区天然气水合物储层的测井响应特征为“ 高电阻率、低声波时差、低密度、低自然伽马” [1], 测井解释主要目的是将岩石的测井响应信息转换成岩石的孔隙度、饱和度等储层参数。目前天然气水合物储层参数的计算通常是借鉴石油测井评价解释的方法, 因此, 需对这些方法在木里地区的适用性进行研究。

天然气水合物测井评价孔隙度模型主要基于体积模型, 该模型将地层结构划分为泥质、骨架和孔隙3部分, 前人计算孔隙度仍然以声波、密度、中子等常规测井方法为主, 由于天然气水合物与孔隙水的密度和含氢指数相差不大, 因此, 在计算时通常将二者合为一项。也有人利用电阻率测井和核磁测井来计算孔隙度, 但由于天然气水合物与孔隙水的电阻率相差较大, 在含天然气水合物的层段, 利用电阻率测井计算的孔隙度比实际值偏低[2, 3, 4, 5, 6, 7]。核磁测井测量的是自由流体的孔隙, 由于天然气水合物为固态, 不能作为自由流体, 因此, 在采用测量地层总孔隙的测井方法时, 利用总孔隙度测量结果减去核磁测井孔隙度即可求出天然气水合物的孔隙度, 进一步求出天然气水合物的饱和度。该方法既简单准确, 同时又消除了其他方法求孔隙度时需确定相关参数的麻烦和主观性, 被认为是有效地求取天然气水合物所占岩石体积百分比的方法之一[8]

天然气水合物饱和度的评价通常是依靠电阻率测井和声波测井完成的, 这是因为天然气水合物的电阻率和声波性质与储层其他组分之间的差异最为显著, 此外, 核磁测井、碳氧比测井、电磁波传播测井等测井新技术也被用于天然气水合物饱和度的计算。利用电阻率测井的饱和度解释模型主要有阿尔奇公式、双水模型、印度尼西亚公式等; 利用声波测井的饱和度解释模型主要有3组分Timur 公式、修正的 Wood 方程、Lee 加权方程、BGTL 模型等[2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12]

笔者在对测井数据进行环境校正和标准化处理后, 考虑泥质含量和压实效应的影响, 采用不同方法对地层孔隙度进行评价, 并与岩心测试孔隙度资料加以比对。在此基础上, 应用基于电学和声学的不同测井解释方法及其改进方法, 对水合物饱和度进行了计算, 通过探讨不同解释方法的评价效果, 确定更加适合本地区储层参数定量评价的方法, 为储层优选、资源量的评估等工作提供依据和参考。

1 地质背景

自2008年, 在中国地质调查局组织下, 已完成13口井的钻探任务, 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(简称“ 物化探所” )承担了8个钻孔的测井工作。施工期间多次钻获得天然气水合物实物样品, 证实祁连山冻土区存在天然气水合物, 使得中国成为第一个在中纬度高山冻土区发现天然气水合物的国家[13]

研究区位于祁连山冻土区木里煤田聚乎更矿区内, 前期的地质工作证实, 木里煤田具有良好的气源条件, 煤层气、烃源岩、油页岩均有可能形成充足的烃类气体, 为形成天然气水合物提供了丰富的气源条件[14]。冻土层厚度则通过研究井温曲线获得, 笔者在冻土层以下拟合一条按正常地温梯度变化的直线, 与井温曲线由高变低再变高的交点即为拐点, 该点可作为冻土层的底界面(图1), 木里地区冻土层底界约为80~150 m。研究结果表明木里煤田聚乎更矿区基本具备形成天然气水合物的温压条件、气源条件和冻土条件, 但因研究区内地质构造复杂、断裂发育、岩性变化较大, 加之水合物赋存状态复杂, 尽管钻孔近在咫尺, 但钻孔间天然气水合物层的横向分布不均匀、不连续。

目前已钻遇天然气水合物均产于冻土层之下, 水合物储层岩性主要为泥岩、油页岩、粉砂岩、细砂岩等, 水合物以片状产于岩层的裂隙中, 或以浸染状产出在岩层的孔隙中[1]

图1 木里地区钻孔井温曲线

2 孔隙度计算方法

测井评价地层中的一项基本任务就是能够精确求取储层的孔隙度值。目前, 利用测井确定天然气水合物储层中的孔隙度方法主要有密度测井(DEN)、中子测井(CNL)、声波测井(AC)、电阻率测井(Rt)及核磁共振测井(NMR)等[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12], 这些测井方法所反映的地层物理响应值均和地层的孔隙度是紧密相关的; 另外自然伽马(GR)、自然电位(SP)及岩心分析等能够表现储层中泥质性质的方法, 对确定储层的孔隙度可起到一定的辅助作用。因木里地区测井系列还是以常规测井方法为主, 电阻率求取的孔隙度为流体所占空间, 未考虑固体水合物所占空间, 计算结果会存在一定误差, 故笔者将采用密度、声波测井方法计算天然气水合物储层的孔隙度。

2.1 泥质含量计算方法

天然气水合物通常赋存在泥质砂岩中, 因此泥质的存在必定会影响到测井响应值, 为了对其造成影响的大小进行估算, 通常采用自然伽马测井值由下列方程来计算砂岩及砾岩中泥质含量Vsh:

Vsh=GR-GRminGRmax-GRmin,

其中:GR为自然伽马测井值; GRmin为纯砂岩段的自然伽马测井值; GRmax为纯泥岩段的自然伽马测井值。上式还需进行非线性校正, 校正公式为:

Vsh=2Vsh·C-12C-1,

其中:C为与地层年代有关的经验系数, 新地层(新近系地层)取3.7; 老地层取2, 木里地区现钻遇的水合物储层主要为新近系地层。

2.2 密度测井计算孔隙度

井径扩孔对密度测井值有一定的影响, 因此在利用密度测井计算地层孔隙度之前要先对密度测井值进行环境校正, 然后再计算地层的孔隙度, 密度测井计算天然气水合物储层孔隙度响应方程如下:

ρb=ρwϕ(1-Sh)+ρhϕSh+ρshVsh+ρma(1-ϕ-Vsh),

其中:ρ b为密度测井值; ρ w为地层水密度; ρ h为天然气水合物密度; ρ sh为泥质密度; ρ ma为岩石骨架密度; Sh为天然气水合物的饱和度; ϕ 为天然气水合物储层的孔隙度。变换为天然气水合物储层孔隙度的表达式时, 则为

ϕ=ρma-ρbρma-ρw(1-Sh)-ρhSh-Vshρma-ρshρma-ρw(1-Sh)-ρhSh,

由于ρ hρ w, 则上式进而可以简化为:

ϕ=ρma-ρbρma-ρw-Vshρma-ρshρma-ρw,

ϕ=ϕD-ϕDshVsh,

在实际的计算过程中, ρ ma=2.65 g/cm3, ρ sh取泥岩段值2.3 g/cm3, ρ w=1.0 g/cm3

2.3 声波测井计算孔隙度

利用声波测井值可以计算孔隙度, 对于砂泥岩储层来说, 声波通过岩层的总时间T等于通过骨架的时间Tma、泥质时间Tsh和液体时间TΦ 之和, 则地层总孔隙度为:

ϕ=AC-ACmaACϕ-ACma,

其中:ACma为砂岩的骨架时差, 在这里可以定为269 μ s/m, ACϕ 为水的声波时差, 可以定为620 μ s/m。

在岩石固结的不是很好的地层还需要对孔隙度值做压实校正:

ϕ=AC-ACmaACϕ-ACma·1Cp,

其中:Cp为压实校正系数, 压实的岩石Cp=1, 未压实的岩石Cp=1.68-0.0002H(H为深度值)。

对砂泥岩地层则需要做泥质校正, 校正后的最终的有效孔隙度公式为:

ϕ=AC-ACmaACϕ-ACma·1Cp-Vshϕsh,

其中:Vsh为泥质含量, ϕ sh= ACsh-ACmaACϕ-ACma

2.4 岩心分析孔隙度

岩心分析孔隙度反映的是100%含水沉积层(即饱和水层)中含水总量在岩石总体积内所占据的比例, 自由水、层间水及束缚水也包括在内。大部分孔隙度测井评价方法所测量的结果代表了沉积物中所包含的总含水量多少, 故岩心分析孔隙度与孔隙度测井所确定的孔隙度之间应该具有一致性。目前所获取的岩心分析样品还较少, 其所测的孔隙度主要代表了岩心样品在经过钻切之后的孔隙度特征, 考虑到研究区内的岩石较多属于致密性的岩石类型, 故现有的岩心分析孔隙度仍能在一定的程度上代表研究区的砂岩孔隙度。 通过前述公式计算出的孔隙度值与岩心分析孔隙度值对比如表1所示。

表1 岩心分析孔隙度统计

从上表中可以看出, 用密度值计算的孔隙度ϕ DEN比声波时差计算的孔隙度ϕ AC更接近岩心测试的孔隙度值。考虑到参与计算的密度和声波时差都已进行过井眼环境校正, 剔除井径变化对密度和声波时差的影响, 分析差异的原因为水合物因钻探过程中温压条件发生变化而分解为天然气, 声波时差测井受泥浆中溶有气体的影响产生周波跳跃现象, 从而导致声波时差值有所偏差, 因此, 在水合物含量较高井段, 建议使用密度值来计算孔隙度。

3 饱和度计算方法
3.1 永久冻土区天然气水合物储层模型

附存有水合物的储层系统结构复杂, 需对储层结构做必要的假设加以简化, 以估算水合物的饱和度, 而估算结果的不确定性也同样也来自这些假设。因此为了提高解释精度, 应根据实际情况, 尽量选择多种方法或储层评价模型进行计算。

考虑到木里地区水合物均出现在冻土层以下, 故采用图2的模型来评价研究区内天然气水合物饱和度, 所采用的方法有阿尔奇公式、修正的阿尔奇公式、印度尼西亚公式、时间平均方程和修正的wood方程。

图2 永久冻土层下天然气水合物储层模型

文中评价水合物的饱和度模型如表2所示。

表2 饱和度计算模型
3.2 应用分析

以DK2井210~300 m井段测井数据为例, 评价结果如图3所示, 阿尔奇公式与印度尼西亚公式计算结果相近, 计算出的天然气水合物饱和度相对较小(20%~35%); 修正阿尔奇公式计算的天然气水合物饱和度最大; 修正的wood方程计算出的结果偏低。目前因缺乏具体实验测定的饱和度参数, 因此如果需要确定木里地区合适的含水饱和度的计算公式、验证饱和度公式计算精度并优选出合适模型, 需要进一步的实验验证和相关计算参数的确定。

下面对导致各种计算公式产生误差的原因进行分析讨论。

1) 阿尔奇公式仅是一个经验表达式, 其反映的是在理想条件中纯砂岩的电阻率、含水饱和度及孔隙度等3者之间的关系。影响阿尔奇公式计算储层中水合物饱和度精度的因素很多, 这就导致了直接利用标准阿尔奇公式计算天然气水合物饱和度与实际的水合物饱和度有较大的差异。

2) 修正阿尔奇公式是标准阿尔奇公式的一种修正形式, 除了与饱和度指数n的取值及测得的视电阻率值有关, 饱和水层电阻率的取值也会引起计算误差。由于目前没有地层水分析资料, 也没有发现井中有饱和水层存在, 故在计算过程中, 取饱和水层电阻率R0的参考值24 Ω · m。

图3 DK2井储层参数计算成果

3) 印度尼西亚公式主要是为了消除砂岩中泥质的存在对测井响应所产生的可能影响, 其求取的饱和度误差产生原因有以下几点:①计算的孔隙度误差, 这与前述阿尔奇公式原因相同; ②估算的泥质含量与泥质电阻率的误差, 在实际计算过程中, 无可直接利用的泥质电阻率, 因此是在求取水合物饱和度时选取自然伽马测井值较高的泥岩层的平均电阻率测井值来代替泥质电阻率; ③阿尔奇常数选取的误差。

4) 时间平均方程和修正的wood方程都是基于声波测井来计算天然气水合物饱和度, 同样受实验分析资料少的影响, 公式中某些参数的选取和计算的孔隙度值都会产生些许误差。不同于电阻率测井, 声波测井值还会受到天然气水合物分解所产生气体的影响, 产生周波跳跃, 这种情况在水合物含量较少井段影响较小, 因此, 声波测井来计算饱和度用于水合物含量较少井段效果更好。

综上所述, 天然气水合物储层与油、气储层不同, 其为一种比较特殊类型的储层, 以上所采用的5种计算水合物饱和度方法主要还是沿用了测井评价油气的原理和方法, 因此需要结合储层内水合物赋存在岩石中实际形态来进行分析研究, 这样才能建立比较适合的天然气水合物储层的评价模型。另外, 求取天然气水合物饱和度的过程比较复杂, 不但和正确选择各项参与计算的参数有关, 还与地层中的泥质密切相关, 水合物在地层中实际的分布形式及对地层的导电机制所产生的影响均是不能忽略的因素。为了简化, 任何一种天然气水合物饱和度的估算方法均做出了一定的假设, 估算的结果就会因为这些假设条件的存在而变得不精确, 这就会造成计算结果的误差。

4 结论与建议

通过木里地区水合物储层参数的计算, 得出如下认识和结论:

1) 木里地区天然气水合物出现在冻土层以下, 附存于已固结成岩的岩石孔隙和裂隙中, 且岩性致密, 属于低孔低渗储层, 这与海域或极地冻土区水合物地层差别较大, 同时还受到少量有机质和导电矿物影响, 测井评价解释难得较大。针对这种情况, 本文借鉴油气测井评价方法进行了尝试, 认为各种评价方法是可行有效的。

2) 泥质含量选用自然伽马求取。电阻率计算的孔隙度为流体所占空间, 不包含固体水合物, 且缺乏准确的地层参数资料; 声波时差受水合物分解时气体的影响, 因此, 孔隙度建议选用密度测井计算, 电阻率和声波时差计算的孔隙度可在不含水合物段提供参考。

3) 饱和度选用5种模型进行了评价, 各种方法受不同因素的影响, 评价结果有所差异, 在分析差异产生原因的基础上, 总结出木里地区所适合的评价模型:在水合物含量较高井段可选用修正的阿尔奇公式求取, 在水合物含量较低井段可选用印度尼西亚公式或修正的wood方程求取。

笔者所尝试的测井解释方法还只是初步的, 建议今后开展大量的岩石物理实验、岩电测试和地层水分析等工作, 这样可完善解释模型、修正经验参数, 进一步提高测井评价解释精度。

致谢:文章编写过程中得到地球物理地球化学勘查研究所高文利、方慧等专家的指导, 在此一并致谢。

(本文编辑:王萌)

The authors have declared that no competing interests exist.

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