温度测井在东北冻土区天然气水合物勘查中的应用

引用本文

邱礼泉, 刘东明, 孔广胜, 李洋, 冯杰, 林振洲, 贾定宇, 欧洋. 温度测井在东北冻土区天然气水合物勘查中的应用[J]. 物探与化探, 2017,41(6): 1215-1219.
QIU Li-Quan, LIU Dong-Ming, KONG Guang-Sheng, LI Yang, FENG Jie, LIN Zhen-Zhou, JIA Ding-Yu, OU Yang. The application of temperature logging to the gas hydrate resource exploration in permafrost areas of Northeast China[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2017,41(6): 1215-1219.
Doi:10.11720/wtyht.2017.6.30 复制到剪切板

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温度测井在东北冻土区天然气水合物勘查中的应用

邱礼泉^1,^2,³, 刘东明^1,^2,³, 孔广胜^1,^2,³, 李洋^1,^2,³, 冯杰^1,^2,³, 林振洲^1,^2,³, 贾定宇^1,^2,³, 欧洋^1,^2,³

1.国土资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室,河北廊坊 065000

2.国家现代地质勘查技术研究中心,河北廊坊 065000

3.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

作者简介: 邱礼泉(1964- ),男,高级工程师,主要从事综合地球物理测井技术研究工作。

收稿日期: 2017-09-08

基金: 国家127专项“天然气水合物资源勘查与试采工程”项目(GZHL20110321,GZHL201400303); 国家高技术研究发展计划(“863”计划)课题“金属矿小口径地下物探技术与设备”(2014AA06A608)

摘要

冻土厚度是影响永冻区天然气水合物形成及分布的重要因素,准确地划分多年冻土层底板深度对东北冻土区天然气水合物资源勘查具有重要意义。文中利用温度测井曲线对冻土层的响应特征,建立了地温模型,并对研究区的8个天然气水合物勘查孔的实测温度曲线进行了研究,结果表明:①温度测井曲线在冻土层底板处存在明显的拐点,拐点以上曲线斜率小于拐点以下曲线斜率,可用于准确划分冻土层底板深度;②钻孔涌水或井液平衡时间太短,会影响温度测井的准确性;③日照时间长短影响冻土层发育深度。

关键词: 天然气水合物; 温度测井; 东北多年冻土; 地温模型; 冻土深度

中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)06-1215-05

The application of temperature logging to the gas hydrate resource exploration in permafrost areas of Northeast China

QIU Li-Quan^1,^2,³, LIU Dong-Ming^1,^2,³, KONG Guang-Sheng^1,^2,³, LI Yang^1,^2,³, FENG Jie^1,^2,³, LIN Zhen-Zhou^1,^2,³, JIA Ding-Yu^1,^2,³, OU Yang^1,^2,³

1.Electromagnetic Detection Technology Key Laboratory of the Ministry of Land and Resources,Langfang 065000,China

2.National Modern Geological Exploration Technology Research Center,Langfang 065000,China

3.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China

Abstract

The thickness of permafrost is an important factor for the formation and distribution of gas hydrate in permafrost areas.Recognizing permafrost thickness accurately is significant for gas hydrate resource exploration in permafrost areas of Northeast China.Based on the characteristics of permafrost from temperature logging,the authors established the geothermal temperature model and carried out research on temperature logging data from the nine gas hydrate exploration holes.Some conclusions have been reached:(1) The temperature logging curve has an obvious inflection point at the bottom floor.The slope of the temperature logging curve above the inflection point is less than that under the inflection point.Using the temperature logging data can accurately recognize the permafrost bottom floor.(2) Too short hole over-flow water and drilling fluid equilibrium time can influence the accuracy of temperature logging data.The length of sunshine duration influences the development depth of permafrost.

Keyword: gas-hydrate; temperature logging; permafrost; geothermal temperature model; permafrost bottom depth

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0 引言

天然气水合物是在低温高压下形成的一种主要由甲烷和水组成的似冰状结晶化合物, 是一种规模巨大、能量密度高的潜在新型能源, 广泛分布于海底沉积物和陆上永久冻土带。国外学者已先后在美国的阿拉斯加北坡、加拿大的马更些三角洲和俄罗斯的西西伯利亚等冻土区发现了天然气水合物, 与之同属高纬度冻土区的黑龙江漠河盆地也具有形成天然气水合物的良好条件^[1]。

地球物理测井是天然气水合物资源勘查的有效手段, 其中温度测井能够直接反应冻土层内、冻土与非冻土界面处的温度变化, 而冻土厚度是影响天然气水合物形成及分布的最重要因素, 因此研究如何准确识别冻土层底板深度对天然气水合物资源勘查具有重要意义^[2]。

2010年起, 中国地质调查局在东北冻土区实施了以天然气水合物资源勘查为目标的科学钻探工作, 完成了8个冻土验证孔的温度测井。本文基于温度测井资料, 对研究区冻土层测井响应特征进行了总结, 确定了冻土层底板深度的测井识别方法, 并对研究区冻土层厚度进行了评价, 旨在为研究区天然气水合物资源勘查评价工作提供依据。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省大兴安岭地区漠河县北部, 处于东北永久冻土带的漠河盆地内, 区内8个冻土验证孔的布置见图1。。该区年平均气温为-4.8~-5.4 ℃, 冻结期长达7个月左右, 地表温度约-0.5~-3.0 ℃, 地温梯度约2.2 ℃/100 m左右, 这一地区的永久冻土厚约20~80 m, 最厚可达140余米。这不仅与已发现天然气水合物的我国祁连山地区极为接近, 而且也与西伯利亚Yamal半岛永久冻土带推测的天然气水合物发育深度相当, 具有天然气水合物形成的冰冻条件^[3]。

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	图1 漠河研究区钻孔位置

2 井温数据采集及其影响因素

2.1 数据采集

在本工区井温测量中使用高精度井温仪, 采用点测的工作方式进行数据采集, 点距1.0 m, 自上而下逐点观测。实施测量时钻孔终孔时间超过24 h, 井温探头在每个测点停留6 s以上, 使温度传感器和井液之间的温度达到充分平衡后再采集数据, 确保所测温度准确。

2.2 影响温度测井的因素

在实际井温测量中, 由于钻探施工扰动、钻孔中涌水漏水、地层裂隙发育、破碎带、温度未达到平衡等原因, 造成井温曲线形态发生变化, 同时也存在测量时间的随意性, 影响了井温测量效果, 从而无法判断准确的冻土层深度, 也不能得到准确的地温梯度。

2.2.1 钻孔涌水对温度测井的影响

图2是MP-05孔实测井温曲线, 在进行该孔井温测量时, 钻孔涌水量较大, 实测的井温曲线形态与其他钻孔的井温曲线形态完全不同, 可以根据曲线形态大致推断冻土深度, 但这样推断的冻土深度偏差较大, 要小于实际深度。

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	图2 MP-05钻孔涌水情况下的井温曲线

2.2.2 平衡时间对温度测井的影响

为探讨钻孔终孔后井液平衡时间对井温的影响, 笔者对MP-02、MP-03和MP-07等3个钻孔进行了长期温度观测。图3是MP-02孔终孔后不同时间观测的井温曲线(由于塌孔, 从8月18日开始只能测到81 m)。该孔于2014年7月25日终孔, 温度测井在7月26日到10月28日之间共进行了7次测量。由图可见, 井温随终孔时间的增加, 井温越来越低, 并趋于稳定。

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	图3 MP-02孔多次测量井温曲线

图4为MP-02孔中15、35、50、80 m处井温随时间变化曲线, 由图中可以看出, 终孔后20天内井温快速降低, 然后井温的降低速度越来越慢, 到终孔两个月左右井温基本趋于稳定。

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	图4 MP-02孔井温— 时间变化曲线

综上可知, 井温测量测的是井液的温度, 由于钻探施工扰动、地层破碎涌水、钻孔中井液对流和平衡时间较短等因素, 使实测的温度与原始地温有一定的差值, 在季节性冻土和永久冻土层上偏高, 在非冻土层上偏低。从而导致季节性冻土层厚度偏厚, 永久冻土层厚度减小。

3 测井响应特征及冻土层底板识别

3.1 温度测井响应特征

通过对研究区7个钻孔的实测井温曲线分析, 发现井温曲线整体上呈“ C” 形, 即井温曲线在井口附近(0~12 m)温度显著下降, 接着温度下降变缓并逐渐接近稳定, 而后温度逐渐上升, 最后趋于线性升高(图3、图7)。

基于以上冻土层的测井响应特征, 在季节性冻土、永久冻土、非冻土层的简单模式下, 设计了温度曲线识别冻土层的地温模型。假设每年的最低温度、最高温度和年平均温度(低于0 ℃)不变, 且地层岩性单一、成分均匀的情况下, 地温曲线如图5所示。图中紫色曲线为冬季低温对冻土层(包括季节性冻土和永久冻土)影响最大时的地温曲线; 橙色曲线为夏季高温对冻土层(包括季节性冻土和永久冻土)影响最大时的地温曲线, 此时无季节性冻土, A点为永久冻土层顶界; 蓝色和红色曲线分别为冬季最低气温和夏季最高气温时的地温曲线。图中各曲线在B点以下重合, 表示此点以下的地温不受地表温度影响, 地温随深度的增大而升高, 曲线呈一定斜率的直线, BC段的斜率的倒数即为地温梯度。冻土层导致地温降低, 使得B点以上曲线斜率小于非冻土层段的曲线斜率, 据此判断B点(拐点)为永久冻土层底界。

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	图5 漠河冻土区地温变化示意

3.2 冻土层底板识别

图6是温度测井的实测井温曲线。由图6a可见蓝线上下井温曲线的斜率明显不同(上面较小), 参考地温模型, 采用拐点法推测该孔的冻土深度为136 m, 冻土层温度值高于0℃是由于钻探施工扰动、孔中破碎涌水及井液对流造成的。由图6b可见从蓝线开始往上温度快速下降, 说明冻土层的存在使井液温度降低, 推测该孔的冻土深度为96 m。

图7为8个冻土孔实测井温曲线。参考地温模型, 直接利用井温曲线推断工作区各钻孔冻土层深度结果见表1。

表1 各冻土验证孔冻土深度统计表

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	图6 温度测井曲线推断冻土层深度示例a— MK-03孔; b— MP-08孔

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	图7 各冻土孔实测井温曲线

4 冻土分布评价

将8个冻土孔按照孔口相对高程连成一个剖面, 再把各孔推断的冻土深度简单连接得到冻土深度剖面, 图中蓝色线为冻土底界面(图8)。

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	图8 漠河研究区冻土深度剖面

结合钻孔处的地质情况分析各孔的冻土深度, 发现冻土的发育深度与钻孔所处的地质环境有关。MP-05、MP-07和MP-11等3个孔在阳坡上, 冻土深度相对较浅, 其中MP-05和MP-07两孔在小山沟旁, 冻土稍深(如MP-07孔处, MP-05涌水较大); 其它5个钻孔在阴坡上, 冻土深度较深, 且处于较大阴坡的中下部冻土最深(如MP-10、MP-03、MP-02钻孔处)。

5 结论

本文利用温度测井资料对东北永冻区MP-02等8个天然气水合物勘查孔的冻土深度进行了研究, 取得以下认识:

1)研究区位于大片多年冻土区, 冻土深度在70~130 m之间, 冻土发育程度受日照条件影响较大, 日照条件好的阳坡冻土较浅, 日照条件差的阴坡冻土较深。

2)通过对温度测井资料的分析、研究, 建立了地温模型, 利用该模型的曲线特征能够准确识别出冻土层底板深度。

3)通过分析井温观测资料得出:钻孔涌水或井液平衡时间太短, 会影响温度测井的准确性; 钻孔终孔两个月左右井温基本趋于稳定。

(本文编辑:叶佩)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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赵省民, 邓坚, 李锦平, 等. 漠河多年冻土区天然气水合物的形成条件及成藏潜力研究[J]. 地质学报, 2011, 85(9): 1536-1550.

作为我国多年冻土发育的主要地区之一,漠河地区具有天然气水合物形成的良好条件,发育了天然气水合物的成藏系统.漠河地区发育有多年冻土,一般厚20～80 m,地表温度-0.5℃～-3.0℃,地温梯度1.6℃/100m,具有与已发现天然气水合物的美国阿拉斯加北坡Prudhoe湾、西伯利亚 Messoyakha和我国祁连山木里地区类似的地温条件；漠河盆地中侏罗统厚达千余米的暗色泥岩,204.66×1012 m3的烃类气体生成量,乃天然气水合物形成的重要母质和气体来源；盆内隆起、凸起及其边界断裂和地层裂缝,分别构成了水合物形成聚集的良好圈闭和烃类运移系统,其中的砂岩、粉砂岩为良好储层,上部的巨厚泥岩为封盖层.进一步看,漠河盆地发育的大量方解石脉、后生黄铁矿及钻探烃类异常等天然气水合物赋存标志.所有这些,无不显示该区域天然气水合物形成的良好条件及巨大成藏潜力.

... 国外学者已先后在美国的阿拉斯加北坡、加拿大的马更些三角洲和俄罗斯的西西伯利亚等冻土区发现了天然气水合物,与之同属高纬度冻土区的黑龙江漠河盆地也具有形成天然气水合物的良好条件^[1] ...

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裴发根, 方慧, 杜炳锐, 等. ATM正演模拟及反演求导方法在探测冻土厚度中的应用——以青海木里地区多年冻土层为例[J]. 物探与化探, 2016, 40(2): 405-410.

The thickness of permafrost is an important hydrocarbon accumulation factor for gas hydrate in permafrost areas. There are various exploration methods with different characteristics. In this paper, with the higher cost audio magnetotelluric (AMT) as the detection technology and the Muli area of Qinghai as the study area, AMT forward modeling of numbers of typical models was carried out, then one-dimensional adaptive regularized inversion and analysis were conducted. The results show that the logarithmic derivative curve of one-dimensional regularized inversion (or called the delamination factor curve of stratigraphic interfaces) can be used to divide well the bottom boundary of permafrost. Good results of exploration permafrost thickness application in Muli area were achieved. This means can play an important role in target prediction of gas hydrate in permafrost areas. The study of two cross-sections through the Well DK9 shows that the permafrost thickness near Well DK9 changes little and the permafrost thickness is from 60 meters to 100 m, and these facts provide good conditions for the cap of the gas hydrate concentration. Detection results near Well DK9 are as follows.The permafrost thicknesses of section DK9-2 that is perpendicular to the direction of faults is from 60 meters to 100 m. The permafrost thicknesses of section DK9-1 that is parallel to the direction of faults is from 68 meters to 92 m.

Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang 065000, China

作为冻土区天然气水合物重要的成藏因素-盖层冻土的厚度,其勘探方法多样且各具特点。选择性价比较高的音频大地电磁测深(AMT)为探测技术,以青海木里地区为研究对象,通过多种典型模型的AMT正演模拟,并对正演响应进行一维自适应正则化反演与分析,结果表明一维正则化反演曲线取对数求导曲线(或称地层界面分层因子曲线)可较好地划分多年冻土层底板,并在木里地区划分多年冻土厚度中取得了较好的应用效果,为冻土区天然气水合物靶区预测提供良好的支撑作用。由过井DK9的两条十字剖面研究表明,井DK9附近的多年冻土厚度起伏变化不大,约在60~100m之间变化,为天然气水合物的富集提供了良好的盖层条件。其中,垂直于断裂构造方向DK9-2剖面的多年冻土厚度变化较大,约为60~100m;平行于断裂构造方向的DK9-1剖面的多年冻土厚度变化较小,为68~92m。

... 地球物理测井是天然气水合物资源勘查的有效手段,其中温度测井能够直接反应冻土层内、冻土与非冻土界面处的温度变化,而冻土厚度是影响天然气水合物形成及分布的最重要因素,因此研究如何准确识别冻土层底板深度对天然气水合物资源勘查具有重要意义^[2] ...

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邓磊, 文志刚, 唐婧. 漠河盆地中侏罗统天然气水合物储层特征及评价[J]. 西安石油大学学报: 自然科学版, 2015, 30(2): 8-17.

摘　要：通过实测剖面、岩心观察、镜下薄片鉴定、物性分析、压汞测试等方法,深入剖析了漠河盆地中侏罗统储层的特征,并对其进行了有效评价,以期为区内天然气水合物的勘探提供地质依据及理论指导。结果表明:漠河盆地中侏罗统岩石类型主要为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩,岩屑长石砂岩次之,结构成熟度与成分成熟度均较低,反映近物源沉积的特点;储层物性较差,孔隙度介于0.02%~7.28%之间,平均为1.37%,渗透率介于(0.008~0.256)×10-3μm2之间,平均为0.034×10-3μm2,具典型的特低孔、超低孔-超低渗特征;结合毛细管压力曲线特征将区内孔隙结构划分为3种类型,其中Ⅱ型、Ⅲ型较为常见;压实作用与构造作用对区内孔隙破坏较大,而溶蚀作用在一定程度上改善了储层物性;中侏罗统储层整体评价为Ⅲ~Ⅳ类,其中漠河组储集性能最好,而二十二站组最差。

... 这不仅与已发现天然气水合物的我国祁连山地区极为接近,而且也与西伯利亚Yamal半岛永久冻土带推测的天然气水合物发育深度相当,具有天然气水合物形成的冰冻条件^[3] ...

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Gas hydrate was discovered for the first time on the continent of China, namely in the Qilian Mountain permafrost of Qinghai Province in the winter of 2008 and the summer of 2009. In the field, white icelike gas hydrate and the burning phenomenon were directly observed. Its obvious relevant anomalies were also recorded. These anomalies include phenomena of strongly bubbling and water seeping on the fresh surface of gas hydrate bearing cores, a chain of bubbles coming from under water when gas hydrate bearing cores are submerged, extraordinary gases coming from the well when gas hydrate bearing layers are drilled through, a large amount of gases when gas hydrate bearing cores are extracted under airtight conditions, heavy hydrocarbon traces and residual cellular textures over the surface of gas hydrate bearing cores, concomitant rhombic autogenetic calcite crystals, relatively low temperature signals indicated by infrared camera, etc. Indoor Raman spectrometry excellently detected normal peaks of hydrate water and its caged hydrocarbons. Macroscopically gas hydrate bearing layers corresponded to high electrical resistivity and sonic velocity in the log profile. Generally gas hydrate and its related anomalies occurred either in the pore and fissure of fine sandstone or in the fissure of mudstone, oily shale, siltstone at the 130-400 m interval of the Qilian Mountain permafrost.

2008年冬季和2009年夏天首次在我国陆域祁连山冻土区钻获到天然气水合物实物样品。野外直接观察到白色冰状天然气水合物与点火燃烧现象及其他明显的异常现象，如含天然气水合物岩心表面强烈地冒气泡、渗出水珠、没入水中冒出长串气泡、井中释放异常压力气体、密闭条件下解析出异常含量气体、岩心晾干后留下重烃斑迹、残余细蜂窝状构造、伴生晶型完好的菱形自生方解石矿物、热红外低温异常等现象；室内激光拉曼光谱检测到天然气水合物笼状体峰及其包含的烃类气体峰，宏观地球物理测井曲线上显示含天然气水合物岩心段存在明显偏高的电阻率和声波速度异常。祁连山冻土区天然气水合物及其异常现象主要产出在冻土层下130~400 m之间的细砂岩孔隙与裂隙中及泥岩、油页岩、粉砂岩等裂隙中。

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Qilian Mountain permafrost, with an area of about 10×10��4��km��2��, is located in the north of Qinghai Tibet plateau. It has of perfect conditions and great prospecting potential for gas hydrate. The Scientific Drilling Project of Gas Hydrate in the Qilian Mountain permafrost, which locates at the Jugenghu Mining Area in the Muli Coalfield, Tianjun County, Qinghai Province, has been implemented by China Geological Survey in 2008~2009. Four scientific drilling wells have been completed with a total footage of 2059.13m. Samples of gas hydrate were collected separately in the holes of DK 1, DK 2 and DK 3. Gas hydrate is hosted under permafrost zone at the 133~396m interval. The samples are white or ivory crystal and easily burning. Distinct low temperature anomaly has been identified by infrared camera. The gas hydrate bearing cores strongly bubble in water. Gas bubble and water drop emit from the samples and then retain characteristic honeycombed structure. The typical spectrum curve of gas hydrate is detected using Raman spectrometry. Furthermore, the logging profile also indicates high electrical resistivity and sonic velocity. Gas hydrate in Qilian Mountain is found within a thinner permafrost zone with a shallower buried depth and characterized by more complex gas component and coalbed methane origin, suggesting a new type of hydrate.

祁连山冻土区位于青藏高原北缘，多年冻土面积约10×10????4??km????2??，具有良好的天然气水合物形成条件和找矿前景。2008～2009年间中国地质调查局在青海省天峻县木里煤田聚乎更矿区施工“祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程”，迄今共完成钻探试验井4口，总进尺2059.13m，分别在DK 1、DK 2和DK 3钻井中钻获天然气水合物实物样品，取得了找矿工作的重大突破。天然气水合物产于冻土层之下，埋深133~396m。水合物呈白色、乳白色晶体，点火能燃烧，红外热像仪测温后呈明显的低温异常，放进水里强烈冒泡，水合物分解后能不断冒出气泡和水滴，并残留下特征的蜂窝状构造。激光拉曼光谱仪检测呈现特征的水合物光谱曲线，测井曲线也具有较明显的高电阻率和高波速标志。祁连山天然气水合物具有冻土层薄、埋深浅、气体组分复杂、以煤层气成因为主等明显特征，是一种新类型水合物。这是我国冻土区首次钻获的天然气水合物实物样品，也是全球首次在中低纬度高山冻土区发现天然气水合物实物样品，具有重要的科学意义和经济意义。

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