渭河盆地水溶氦氣測井識別方法及解釋標準

冉利民

（1．中國地質大學，湖北 武漢430074；2．中石化華北工程有限公司測井分公司，河南 新鄉(xiāng)453700）

0 引 言

渭河盆地西安斷陷地熱水開發(fā)過程中發(fā)現地熱水中伴生有富氦的天然氣［1］。已經投入開發(fā)的多數地熱井單井氦氣質量分數大于1%，甲烷質量分數在10%～20%之間，CO2質量分數多小于10%［2］。一般認為氦氣含量達到0．1%即可進行工業(yè)開采利用［3］。渭河盆地西安斷陷地熱水中伴生的天然氣雖為富氦天然氣，但由于氦氣在天然氣中所占比例較低，致使含氦氣水層的測井響應與含氣水層測井響應特征差異甚微，給測井資料解釋造成較強的多解性和不確定性。本文在尋求含氣水層和水層的細微差異測井響應特征基礎上，探索了含氣水層與含氦氣水層之間的測井識別方法。優(yōu)選了三孔隙曲線與Pe交會、中子與鉀含量交會以及熱中子成像測井熱中子成像測井（Thermal Neutron Imaging System，TNIS）技術等方法，初步確定了渭河盆地水溶氦氣的測井解釋標準，取得了較好的應用效果。

1 區(qū)域地質特征

渭河盆地是新生代斷陷盆地，發(fā)育在鄂爾多斯盆地與秦嶺造山帶交界部位，其地層系統(tǒng)分屬于華北和秦嶺兩大地層區(qū)［2］。前新生界及花崗巖構成了盆地基底并出露于盆緣山地，巨厚的新生界形成了遼闊的渭河平原。渭河盆地內沉積充填物主要為第三系及第四系，沉積最厚可達7000m，新近系埋深達4800～5000m。自古近紀始新世晚期至第四紀全新世沉積較全。整體沉積面貌為南部厚、北部?。蛔阅隙?，逐層超覆。第三系自始新統(tǒng)至中上新統(tǒng)主要為一套紅色碎屑沉積；上上新統(tǒng)沉積時，氣候濕熱，湖盆面積擴大，湖水加深，沉積物明顯較厚，顏色亦以黑、綠為主。第四系為一套松散砂礫層、黃土及灰黃色砂泥沉積，巖性橫向變化大，巖性復雜。渭河盆地自新近紀以來，一直保持著北淺南深、北緩南陡的箕狀凹陷的形態(tài)，可以分為斜列的2個次一級的沉積凹陷——西安凹陷和固市凹陷。西安凹陷沉積厚度大，但沉積物顏色以紅為主，粒度較粗，以河湖相沉積為主。固市凹陷南部湖相沉積發(fā)育。目前發(fā)現的氦氣富集帶主要集中在灞河組和高陵群。灞河組沉積相類型為洪積相、沖積相、河湖相、淺湖相；高陵群為河流相、湖沼相、沖積—洪積相沉積［4］。

2 水溶氦氣的分布特征及識別方法構建依據

渭河盆地氦氣體積分數較高井臨近與花崗巖有關的磁性體，反映了基底隱伏的花崗巖體是殼源核的來源［5］。渭河斷裂、北秦嶺斷裂等深斷裂及其聯(lián)通的次斷裂，為深源天然氣的運移通道，該區(qū)氦的來源主要為該區(qū)基底和周邊花崗巖放射性成因殼源氦［6］，而鉀巖類礦物（如鉀長石）主要來源于火成巖，且常含液態(tài)和氣態(tài)包裹物，而包裹物主要是氮，其次為碳酸氣、氫和甲烷，有時含氦［7］?？梢耘袛嗪獾暮繎撆c花崗巖的主要礦物成分鉀長石的含量成正相關［8］。根據鉀鹽類礦物的含量可以間接預測氦氣的含量。自然伽馬能譜測井可以較好反映地層鉀元素的含量，可以間接指示氦的富集程度。

現場統(tǒng)計分析發(fā)現，水溶氦氣在不同地質層段賦存的儲層空間條件不一樣，尋找富氦儲層首先要利用常規(guī)測井資料判別氦富集的優(yōu)勢儲集空間，作為識別氦氣的首要條件。

渭河盆地西安斷陷富氦儲層儲集空間流體主要為地層水、天然氣、氦氣等3種，其中天然氣、氦氣的聲學、電學、放射性等特征幾無差異，但三者對熱中子的俘獲能力卻迥然不同。地層水中富含氯根，具有對熱中子最強的俘獲能力，能量的衰減也最大；天然氣中的氫核對熱中子的俘獲能力居中；相比較而言氦氣對熱中子的俘獲能力最低。利用熱中子成像測井（TNIS）記錄地層對中子俘獲后放射的伽馬射線可以有效區(qū)分地熱水中的氦氣含量的多少。

3 水溶氦氣測井識別方法

依據氦氣識別條件的分析建立水溶氦氣的測井識別方法。對于尋找地熱井中的水溶氣乃至水溶氦氣首要任務是先將含氣水層與水層區(qū)分開，然后再進一步探索水溶氦氣與水溶氣之間的差別。

3．1 含氣水層與水層識別方法

對于三孔隙度測井，當儲層含氣時中子測井、密度測井值會降低，對于含氣比較微量的水層，聲波時差值變化不大；當儲層含氣時對應的電阻率值應該相應增大，利用中子—密度交會、中子—電阻率交會識別含氣水層與水層之間的差異，效果較為顯著。

3．2 含氦與非含氦含水氣層識別方法

水溶氦氣中氦氣的含量是極微的，對于含氣水層與含氦氣水層的測井響應特征差異不大。經過統(tǒng)計分析發(fā)現，對于灞河組與高陵群儲層含氦氣水層與含氣水層特征上存在著一定的差異，灞河組含氦氣水層主要集中到中等孔隙空間內，而高陵群則主要集中到大、小孔隙空間內。

（1）三孔隙度—Pe交會圖分析。利用測試含氦氣水層與非氦氣水層數據點進行孔隙曲線—Pe二維交會，建立氦氣與非氦氣層的識別標準（見圖1、圖2、表1）。

（2）中子與鉀含量交會圖分析。氦氣的含量與花崗巖的主要礦物成分鉀長石的含量相關，通過自然伽馬能譜測井中鉀含量判斷儲層中鉀長石的含量（見圖3），進而預測儲層中氦氣的含量。

（3）熱中子成像測井水溶氦氣識別方法。熱中子成像測井是探測快中子經過地層減速后尚未被地層俘獲的熱中子的測量方法，它直接探測、記錄熱中子密度，明顯區(qū)別于傳統(tǒng)的測量俘獲伽馬射線的中子壽命儀器。這種記錄方式可以在較大幅度提高在低礦化度、低孔隙度地層的計數率。圖4中，第1道為巖性剖面；第2道為校對曲線；第3道為測量深度；第4道為含油性曲線；第5道為熱中子成像測井測試曲線；第6道為三孔隙度曲線；第7道為熱中子成像測井處理曲線；第8道為熱中子衰減成像；第9道為熱中子俘獲成像；第10道為熱中子成像測井解釋結論。圖4中，含氣水層、含氦氣水層、水層的熱中子成像測井過套管熱中子成像圖上存在一定的差別，反映熱中子俘獲的Σ值也有明顯區(qū)別，俘獲截面及中子壽命也有明顯的差異。根據其測井響應特征異常，建立了水溶氦氣熱中子成像測井熱中子成像測井識別模式和解釋標準（見表2）。

圖1 灞河組孔隙度測井曲線與光電吸收截面交會圖

圖2 高陵群孔隙度測井曲線與光電吸收截面交會圖

表1 氦氣與非氦氣層孔隙曲線—Pe識別標準

圖3 灞河組、高陵群中子與鉀含量交會圖

3．3 水溶氦氣氣測錄井識別方法

圖4 不同流體熱中子成像測井解釋響應特征圖

表2 不同流體性質熱中子成像測井測井響應模式及解釋標準

氣測識別方法是對測井識別方法的有利補充和完善。氣測錄井除了記錄烴類組分含量外，其記錄的氦氣含量、氦氣含量凈增值對于水溶氦氣的快速識別起到了舉足輕重的作用。利用氣測數據識別水溶氦氣可以作為測井識別方法的有效補充。利用渭河盆地WX1井高陵群3309～3320m實驗室化驗分析含氦氣層的結果標定氣測數據，工業(yè)氦氣儲層的氣測判別標準是氦氣含量大于0．02%，相對于基值的氦氣含量凈增值大于0．02%。

4 實例分析

利用上述方法對渭河盆地×井進行了綜合分析，得到了較好的應用效果，解釋成果圖見圖5。

該段屬于高陵群組，井深3312～3313．5m處，聲波時差221．2μs／m，密度值2．49g／cm3，Pe值2．86b／eV，Th／U為5．35，處于含氦氣層解釋標

圖5 ×井測井解釋成果圖

準區(qū)域。從該段的熱中子成像測井成像測井圖上可以看到，該段長、短源距計數率出現較高計數率，熱中子衰竭譜和熱中子俘獲譜顯示較長的中子壽命值（略低于判斷藍線），Σ值顯示為較高，顯示出含氦氣特征。經實驗室對分離出氣體成分及含量識別，含氦氣量最高為氣體總量的3．936%左右。

5 結 論

（1）根據常規(guī)測井、自然伽馬能譜測井對渭河盆地各組段的典型特征進行了分析，研究了各組段儲層電性特征，探索了含氦氣水層的測井識別方法建立了不同流體性質的分類標準；

（2）應用熱中子成像測井方法初步建立了含氣水層及含氦氣水層的評價標準；

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