非烴類氣與烴類氣測(cè)井定量區(qū)分方法研究

高 華，何勝林，高楚橋，劉 峰

非烴類氣與烴類氣測(cè)井定量區(qū)分方法研究

高 華1，何勝林1，高楚橋2，劉 峰1

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；2.長江大學(xué)，湖北武漢 430100）

定量計(jì)算非烴類氣體（二氧化碳）的含量在氣藏開發(fā)中至關(guān)重要。在借鑒他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，探索研究并得到二氧化碳在地層溫壓條件下的測(cè)井響應(yīng)值方程，進(jìn)而應(yīng)用地層組分分析采用最優(yōu)化原理計(jì)算地層中非烴類氣體的含量。實(shí)際應(yīng)用表明所提出的方法在南海某盆地應(yīng)用效果較好，實(shí)現(xiàn)了由測(cè)井資料定量計(jì)算烴類氣相對(duì)含量并由此區(qū)分非烴類氣與烴類氣層的應(yīng)用。

二氧化碳；測(cè)井響應(yīng)值；定量計(jì)算；最優(yōu)化方法

隨著南海地區(qū)氣層的進(jìn)一步勘探與開發(fā)，非烴類氣體的識(shí)別和評(píng)價(jià)越來越受到研究人員的重視，從南海地區(qū)現(xiàn)有的氣體組分分析結(jié)果來看，非烴類氣體中CO2占絕大部分，N2等其它非烴類氣含量極少。為了簡化研究模型，本次研究將CO2含量近似為非烴類氣體含量，將CH4含量近似為烴類氣體含量。目前對(duì)非烴（CO2）氣層的識(shí)別多是停留在定性識(shí)別方面。本文探索性的利用他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立CO2在地層溫壓條件的測(cè)井響應(yīng)值方程，在此基礎(chǔ)上利用最優(yōu)化方法對(duì)地層中CO2含量進(jìn)行求解。

1 非烴類氣體與烴類氣體測(cè)井響應(yīng)的差別

在地層條件下，非烴（CO2）氣層與烴氣層相比，非烴（CO2）氣體具有低時(shí)差、高密度、低中子孔隙度即聲波時(shí)差孔隙度、密度孔隙度、中子孔隙度都低的特點(diǎn)[1-2]。圖1、圖2是利用南海某氣田地層測(cè)試資料作出的區(qū)分非烴類與烴類氣層的中子-密度交會(huì)圖和中子-聲波交會(huì)圖，圖中每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為一個(gè)測(cè)試層位。

圖1 中子-密度交會(huì)圖

圖2 中子-聲波交會(huì)圖

由圖1可以看出，CH4與CO2在密度中子交會(huì)圖上落的位置是不一樣的，這是由于二者不同的流體密度和含氫指數(shù)決定的。在儲(chǔ)層溫壓條件下，CO2氣體一般都處于超臨界流體狀態(tài)，這時(shí)CO2氣體的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于甲烷氣體的密度，因而非烴氣層（CO2）的密度測(cè)井值要大于烴類氣層；而由于CO2氣體的含氫指數(shù)為0，甲烷氣體的含氫指數(shù)不為0，故非烴氣層（CO2）的中子測(cè)井值小于烴類氣層。由圖2可見，CH4與CO2在聲波中子交會(huì)圖上落的位置只能單方面由中子區(qū)分，而聲波測(cè)井則對(duì)這兩類氣體的識(shí)別能力相對(duì)較差[3-4]。由圖1、圖2可以看出，烴類氣層與非烴類氣層在中子和密度的測(cè)井響應(yīng)上是有明顯差別的。

定量計(jì)算非烴（CO2）與烴類氣相對(duì)含量時(shí)，主要利用密度和中子等相關(guān)測(cè)井值，本文將簡單討論二氧化碳在地層條件下的密度、中子和聲波測(cè)井響應(yīng)值。

2 非烴氣層定量解釋方法

2.1二氧化碳?xì)怏w測(cè)井響應(yīng)值

作為非烴類氣的二氧化碳在自然界中呈氣態(tài)存在，其臨界溫度為31.06 ℃，臨界壓力7.38 MPa，常溫常壓下CO2是一種無色無味氣體，比重為0.00 198 g/cm3，比空氣略重，受溫度、壓力影響，CO2的密度變化很大。當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)，純CO2為氣相；當(dāng)溫度與壓力低于臨界溫度與臨界壓力時(shí)，CO2為液相；當(dāng)溫度低于-56.6℃、壓力低于0.518 MPa時(shí)，CO2呈現(xiàn)固態(tài)（干冰）。當(dāng)壓力和溫度超過臨界點(diǎn)時(shí)，CO2呈超臨界態(tài)[5-6]。

2.1.1 二氧化碳?xì)怏w密度測(cè)井響應(yīng)值

由于南海地區(qū)油氣勘探的地層深度超過800 m，地層溫度壓力均高于CO2的臨界溫度和臨界壓力，由二氧化碳的物理性質(zhì)我們可以知道，在地層條件下，二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，已不再遵循氣體狀態(tài)方程。

對(duì)于CO2氣體在地層溫壓條件下體積密度的變化規(guī)律，周倫先等人對(duì)CO2氣樣品進(jìn)行模擬物理參數(shù)試驗(yàn)[3]，經(jīng)過分析研究他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到CO2體積密度和溫度壓力的關(guān)系如下：

式中： ρco2— CO2體積密度，g/cm3；

p — 地層壓力，MPa；

t— 地層溫度，℃。

溫壓范圍：14 MPa ＜ p ＜ 60 MPa；38.65 ℃ ＜t ＜ 206.85 ℃，并且滿足：0.15 ＜ p/t ＜ 0.4。

2.1.2 二氧化碳?xì)怏w中子測(cè)井響應(yīng)值

中子測(cè)井曲線記錄的是視含氫指數(shù)，含氫指數(shù)定義為每立方厘米該物質(zhì)氫原子濃度與在75 ℉時(shí)相同體積純水的氫原子濃度之比。根據(jù)定義，純水的含氫指數(shù)為1，CO2中不含氫原子，因而其含氫指數(shù)為0。

2.1.3 二氧化碳?xì)怏w聲波測(cè)井響應(yīng)值

圖3是楊日福等人通過實(shí)驗(yàn)得出的CO2聲速與溫度壓力的關(guān)系圖[7]。由本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到當(dāng)壓力小于20 MPa時(shí)，CO2聲速的計(jì)算公式為

式中：υCO2— CO2的縱波速度，m/s；

p — 地層壓力，MPa；

t — 地層溫度，℃。

溫壓范圍：10 MPa ＜ p ＜ 20 MPa，35 ℃ ＜ t ＜55 ℃，本次的研究對(duì)象地層溫度和壓力在此范圍之內(nèi)。

圖3 二氧化碳聲速與溫度壓力關(guān)系圖

地層溫壓條件下CO2的聲波時(shí)差為式中：二氧化碳縱波時(shí)差，s/m。

2.2非烴氣與烴類氣相對(duì)含量計(jì)算模型與方法

對(duì)于含氣儲(chǔ)集層而言，儲(chǔ)集層可以看成是由具有不同性質(zhì)的組分組成的，這些組分包括：非烴氣、可動(dòng)水、束縛水、烴類氣、泥質(zhì)以及巖石的各種骨架礦物。測(cè)井分析的主要任務(wù)就是求準(zhǔn)這些組分在地層中的相對(duì)含量，人們習(xí)慣使用的“含氣飽和度”和“孔隙度”等參數(shù)都可以由以上的組分含量所導(dǎo)出[7-8]。

在假設(shè)上述組分的相對(duì)含量的基礎(chǔ)上，建立雙水多礦物地層組分分析物理模型和帶約束的測(cè)井超定線性方程組，由線性最小二乘原理，這一帶約束線性方程組的問題可轉(zhuǎn)換成求極值問題，即建立以目標(biāo)函數(shù)為中心的數(shù)學(xué)模型，由于本目標(biāo)函數(shù)不存在多個(gè)局部極小點(diǎn)，所以對(duì)迭代初始值的要求不嚴(yán)，不管迭代初始值怎樣選擇，在有限步長內(nèi)，總可收斂到同一極小點(diǎn)，因而可以排除該方法的多解性。由于本方法用到的數(shù)學(xué)模型和求解算法較為復(fù)雜，詳細(xì)的物理模型、數(shù)學(xué)模型及求解算法請(qǐng)參考專題研究報(bào)告[9]。

從氣體狀態(tài)方程出發(fā)，利用地面條件和地層條件的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，最終由最優(yōu)化算法得到地面條件下烴類氣的相對(duì)含量。

圖4 南海西部盆地A井處理成果圖

3 實(shí)際資料處理

選取南海某盆地實(shí)際資料進(jìn)行處理，圖4、圖5和圖6是利用本文的方法通過定量計(jì)算地層中烴類氣相對(duì)含量來識(shí)別非烴氣層的實(shí)例圖。

圖4、圖5和圖6中第五道解釋成果曲線即為通過定量計(jì)算得到的烴類氣體的相對(duì)含量，由第六道中的烴類氣體相對(duì)含量曲線可以看出，A井物性好，孔隙度為27% ～ 30%，含氣飽和度平均為60%，烴類氣體相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算值在70%左右，解釋為烴類氣層，對(duì)應(yīng)層段取樣結(jié)果烴類氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為74.2%，計(jì)算結(jié)果與取樣結(jié)果接近；B井物性較好，孔隙度為23%，含氣飽和度平均為40%，烴類氣體相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算值在25%左右，解釋為非烴類氣層，本層段的取樣結(jié)果烴類氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%左右，計(jì)算結(jié)果與取樣結(jié)果誤差較小。C井物性差，泥質(zhì)含量高，含氣飽和度較低，烴類氣體計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均20%左右，解釋為非烴類氣層，本層段的測(cè)試結(jié)果為烴類氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81.9%，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果偏差很大[10]。

圖5 南海西部盆地B井處理成果圖

圖6 南海西部盆地C井處理成果圖

通過對(duì)比圖4、圖5和圖6可見，在物性好、含氣飽和度高的氣層利用本文方法計(jì)算得到結(jié)果與測(cè)試結(jié)果很接近，如圖4、圖5；在泥質(zhì)含量高、物性差、含氣飽和度低的儲(chǔ)層計(jì)算結(jié)果與測(cè)試結(jié)果則存在較大的誤差，如圖6，因此本文的方法存在一定的局限性。

4 結(jié)論

利用本文的方法定量計(jì)算非烴類氣體的含量來識(shí)別烴類氣與非烴類氣層，在南海西部氣田中得到廣泛應(yīng)用。通過實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)本文的方法有一定的適用條件，在物性好、含氣飽和度高的好氣層中應(yīng)用效果較好；在泥質(zhì)含量高、物性差的儲(chǔ)層，應(yīng)用效果較差，不建議使用。

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我國計(jì)劃2015年啟動(dòng)開發(fā)可燃冰

由中國地質(zhì)調(diào)查局與中國科學(xué)院主辦的第八屆國際天然氣水合物大會(huì)7月29日在北京開幕。據(jù)悉，我國計(jì)劃于2015年在中國海域?qū)嵤┨烊粴馑衔锏你@探工程，將有力推動(dòng)中國可燃冰勘探與開發(fā)的進(jìn)程，引發(fā)中國能源開發(fā)利用的“革命”。目前，30多個(gè)國家和地區(qū)已經(jīng)進(jìn)行可燃冰的研究與調(diào)查勘探，最近兩年開采試驗(yàn)取得較大進(jìn)展。

近幾年，我國的可燃冰調(diào)查和勘探開發(fā)取得重大突破。中國地質(zhì)調(diào)查局組織實(shí)施天然氣水合物基礎(chǔ)調(diào)查，通過系統(tǒng)的地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和生物等綜合調(diào)查評(píng)價(jià)，初步圈定我國天然氣水合物資源遠(yuǎn)景區(qū)，并于2007年在中國南海北部首次鉆探獲得實(shí)物樣品，2009年在陸域永久凍土區(qū)祁連山鉆探獲得實(shí)物樣品，隨后于2013年在南海北部陸坡再次鉆探獲得新類型的水合物實(shí)物樣品，發(fā)現(xiàn)高飽和度水合物層，同年在陸域祁連山凍土區(qū)再次鉆探獲得水合物實(shí)物樣品。

摘編自《中國海洋石油報(bào)》2014年8月1日

東海麗水36-1氣田投產(chǎn)

中國海洋石油有限公司7月29日宣布麗水36-1氣田已于近期投產(chǎn)。麗水36-1氣田距浙江省溫州市150 km，海域平均水深約84 m，該氣田共有4口生產(chǎn)井，主要生產(chǎn)設(shè)施包括一座綜合平臺(tái)及一個(gè)處理終端。

中海油在麗水36-1氣田擁有51%的權(quán)益，并擔(dān)任作業(yè)者。超準(zhǔn)能源中國有限公司和超準(zhǔn)石油公司作為合作伙伴，分別擁有該氣田36.75%和12.25%的權(quán)益。

摘編自《中國海洋石油有限公司》網(wǎng)站2014年8月1日

Study on the Method for Logging Quantitative Identification of Non-hydrocarbon Gas and Hydrocarbon Gas

GAO Hua1, HE Shenglin1, GAO Chuqiao2, LIU Feng1
（1.Zhangjiang Branchof CNOOC Ltd.,Zhanjiang Guangdong524057,China; 2.Yangtze University,Wuhan Hubei430100,China）

Quantitative calculation of non-hydrocarbon(CO2) gas content is very significant in the development of gas reservoirs. In this paper, by using experiment data from other people, the logging response equation of carbon in formation conditions has been obtained by studying. Based on the principle of composition analysis in stratum and the principle of optimization analysis, the content of carbon dioxide in formation has been obtained. The application results indicated that this quantitative calculation method is suitable for the basin in South China Sea, the relative contents of hydrocarbon gas can be calculated quantitatively with logging data, which can be used to discriminate hydrocarbon and non-hydrocarbon gas.

carbon dioxide; value of logging response; quantitative calculation; optimization method

P631.8

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.081

1008-2336（2014）03-0081-05

2013-11-07；改回日期：2014-05-07

高華，女，1978年生，碩士，工程師，主要從事測(cè)井解釋評(píng)價(jià)工作。E-mail：gaohua6@cnooc.com.cn。