天然氣水合物的測井評價(jià)方法綜述

趙軍, 武延亮, 周燦燦, 及成林, 韓能潤

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京 100083; 3.中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部, 陜西 西安 710220; 4.中國石油西部鉆探工程有限公司測井公司, 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

天然氣水合物分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中,在合適的溫度(低于300 K)、壓力(大于6 MPa)、氣體飽和度、水的鹽度和pH值等條件下由輕烴、二氧化碳以及硫化物等小分子與水相互作用形成類冰的、非化學(xué)計(jì)量的籠形固體結(jié)晶化合物。自然界中存在的天然氣水合物的主要成分是甲烷(>90%),所以又常稱天然氣水合物為甲烷水合物[1]。

對天然氣水合物資源量的研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始,由于評價(jià)方法不同及評價(jià)參數(shù)差異大,不同的學(xué)者估算得到的資源量值相差幾個(gè)數(shù)量級[2]。目前天然氣水合物中甲烷儲量的計(jì)算已趨理性,仍然需要高分辨率的測量手段。地球物理測井方法能夠在原位地層壓力和溫度條件下測量地層物理特性,在天然氣水合物探測和儲量評價(jià)中是其他勘探方法所不能替代的[3]。通過對國內(nèi)外天然氣水合物地球物理測井響應(yīng)的特征以及現(xiàn)有測井評價(jià)方法的了解和研究,對于加快中國天然氣水合物勘探與開發(fā)具有重要的促進(jìn)作用。

1 天然氣水合物的巖石物理實(shí)驗(yàn)

水合物的巖石物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪墙⒃谄湓诳紫吨匈x存模式的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同賦存狀態(tài)建立水合物實(shí)驗(yàn)研究的巖石物理模型?？紫吨胁煌奶烊粴馑衔镔x存模式對儲層的物理平衡具有深遠(yuǎn)的影響,Ecker C、Helgerud等以及王祝文、李舟波等先后對水合物的賦存模式進(jìn)行研究分類。Xu等[4]在前人研究的基礎(chǔ)之上提出了較為全面的6種水合物賦存模型:①水合物分布于顆粒的交接處,起膠結(jié)作用;②水合物包裹巖石骨架顆粒;③水合物生長在骨架的內(nèi)部,與顆粒共同承擔(dān)著圍壓;④水合物占據(jù)較大的巖石粒間孔隙;⑤水合物像冰層一樣分布于凍土的巖石骨架之中,呈包裹體結(jié)構(gòu);⑥水合物呈結(jié)核狀分布,或充填在裂縫當(dāng)中(見圖1)。李景葉等根據(jù)天然氣水合物在儲層中的賦存狀態(tài)不同建立了4種不同巖石物理模型分析水合物,并給出了相應(yīng)模型的彈性力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法。

圖1 天然氣水合物在地層中的分布模式

國外學(xué)者在模擬海相沉積物中甲烷水合物的形成時(shí)介紹了一種先進(jìn)的計(jì)算模型(無網(wǎng)格基于粒子的模型),用來模擬孔隙級的流體流動、熱量和物質(zhì)傳送,以及水合物的形成?；诖四Ｐ?能夠預(yù)測水合物形成過程中孔隙空間分布及滲透率的變化。以無網(wǎng)格為基礎(chǔ)的水合物形成模型,包括宏觀和介觀2種模型。宏觀模型提供了系統(tǒng)級水平的形成過程,而介觀模型提供了水合物內(nèi)或沉積物表面的物理化學(xué)反應(yīng)信息。

2 天然氣水合物的測井響應(yīng)特征及定性識別

常溫常壓條件下,天然氣水合物不穩(wěn)定。地球物理測井評價(jià)方法,尤其是隨鉆測井評價(jià)方法具有直接測量原位狀態(tài)下的天然氣水合物儲層的物理性質(zhì)的優(yōu)勢,相對于取心測量既有經(jīng)濟(jì)性和連續(xù)性等特點(diǎn),又充分顯示了地球物理測井在天然氣水合物勘探、評價(jià)和生產(chǎn)工作中的特殊優(yōu)勢。

2.1 天然氣水合物儲層測井響應(yīng)特征

天然氣水合物的地球物理性質(zhì)與地層中的巖石骨架、油層、氣層和水層在很多物理性質(zhì)上存在較大差異,這些差異必然在測井曲線上有其特殊的反映。綜合深海鉆探計(jì)劃、大洋鉆探計(jì)劃和永久凍土帶天然氣水合物產(chǎn)出地的常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)的分析結(jié)果,根據(jù)其物理特征與對測井結(jié)果的影響方式,通過總結(jié)前人研究成果,得到天然氣水合物儲層的地球物理測井響應(yīng)特征[3,5-9](見表1)。

2.2 天然氣水合物儲層測井定性識別

Collett等[10]在阿拉斯加北坡普拉德霍灣和庫帕勒克河地區(qū)利用測井曲線確定水合物存在的過程中,總結(jié)出利用測井評價(jià)技術(shù)鑒別天然氣水合物層段的4個(gè)條件:①較高的電阻率值(大約是水電阻率值的50倍以上);②聲波傳播時(shí)間短(大約比水低131 s/m);③在鉆進(jìn)過程中有明顯的氣體排放(氣體的體積濃度為50‰～100‰);④測井解釋出的天然氣水合物儲層至少要存在于有2口或多口鉆井的地區(qū)(僅在布井密度高的地區(qū))。

由于天然氣水合物的物理性質(zhì)與儲層骨架以及油氣不同,因此,天然氣水合物層段無論是在常規(guī)測井曲線上有明顯的特征(低自然伽馬、井徑擴(kuò)大、高電阻率、低密度、高中子孔隙度以及低聲波時(shí)差等),還是在電成像測井(顯示高亮)和核磁共振孔隙度測井(總孔隙度明顯減小)等,都有較為明顯的顯示。根據(jù)上述測井響應(yīng)特征(見表1)定性識別天然氣水合物是判斷天然氣水合物儲層的重要依據(jù)。

表1 天然氣水合物儲層的測井響應(yīng)特征

*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3 天然氣水合物儲層定量測井評價(jià)

定量評價(jià)天然氣水合物的地球物理測井方法基本延用常規(guī)油氣藏測井評價(jià)理論與方法。水合物測井評價(jià)包括水合物的分布形態(tài)、地層孔隙、水合物飽和、水合物的資源潛力等,同時(shí)也涉及到儲層滲透性的評價(jià),總體上,儲層孔隙度和飽和度仍是測井評價(jià)的重點(diǎn)。對天然水合物儲層的評價(jià)基本圍繞結(jié)合Collett的多組分模型(將天然氣水合物儲層的多組分體積模型歸納為如圖2所示的4類,同時(shí)與常規(guī)油氣評價(jià)儲層多組分體積模型進(jìn)行對比,Sh是天然氣水合物飽和度)[11]。

圖2 常規(guī)油氣評價(jià)與天然氣水合物儲層評價(jià)的多組分體積模型

3.1 天然氣水合物孔隙度評價(jià)

儲層孔隙度的準(zhǔn)確性直接影響天然氣水合物儲層和天然氣儲量的正確評價(jià),也是天然氣水合物儲層最難計(jì)算的參數(shù)之一?？紫抖瘸Ｓ玫脑u價(jià)方法是密度測井評價(jià)方法、中子測井評價(jià)方法和核磁共振測井評價(jià)方法,聲波和電阻率測井曲線特征明顯,也可用來評價(jià)天然氣水合物儲層的孔隙度。利用2種和2種以上測井資料綜合求取天然氣水合物儲層孔隙度也有了新的應(yīng)用。依據(jù)巖石物理體積模型的加權(quán)平均方法,結(jié)合不同測井方法的原理,總結(jié)前人研究的成果,可以得到各種不同測井評價(jià)方法的孔隙度計(jì)算模型[3,6-8,12](見表2)。

表2中,Rt、Rw分別為地層和孔隙中水的電阻率;φ為地層孔隙度;a、m為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);Rr為在參照溫度Tr( ℃)時(shí)給定鹽度下水的電阻率;Δtpma、Δtpf分別為巖石骨架以及孔隙中流體的縱波時(shí)差;ρb、ρf、ρma分別為地層、地層流體和地層巖石骨架密度;ρh為天然氣水合物的密度;Sh為天然氣水合物的飽和度;ρsh為泥質(zhì)的密度;Vsh為泥質(zhì)含量;ρi為冰的密度;φf、φh、φma、φNsh分別為地層流體、天然氣水合物、巖石骨架和泥質(zhì)的中子響應(yīng);φi為孔隙中冰的響應(yīng);φDC、φNC分別為用泥質(zhì)含量修正后的密度測井孔隙度、中子測井孔隙度;φDsh、φNsh為密度測井及中子測井中泥質(zhì)的等價(jià)孔隙度;vw、vh和vma分別為孔隙水、水合物和巖石骨架的聲波縱波速度,m/s;vp為由聲波測井得到的水合物儲層的縱波速度,m/s。

表2 天然氣水合物孔隙度評價(jià)方法及計(jì)算公式

3.2 天然氣水合物飽和度評價(jià)

天然氣水合物飽和度Sh是天然氣水合物評價(jià)過程中非常重要的一個(gè)參數(shù)。飽和度的評價(jià)方法除常用的電阻率和聲波測井外,還有核磁共振測井和電磁波測井。其中,密度-核磁共振聯(lián)合解釋DMR(Density-Magnetic Resonance)方法所獲得的水合物飽和度通常被假定為準(zhǔn)確的飽和度并對其他測井評價(jià)結(jié)果進(jìn)行校正。不過對于薄的天然氣水合物層,由于電磁波測井具有較高的分辨率,其所獲得的飽和度估算結(jié)果甚至可以比NMR測井更為準(zhǔn)確。評價(jià)時(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意天然氣水合物物性與水、天然氣的不同之處和相似之處,根據(jù)實(shí)際的地層條件選用不同的地層模型計(jì)算飽和度[7-8,12-18](見表3)。

表3中,Sw為含水飽和度;

R0為100%含水時(shí)

地層電阻率;Rt為含天然氣水合物的地層真電阻率;n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);α為固結(jié)參數(shù),γ=(1+2α)/(1+α);φh=φSh;φas=φw+εφh;φw=φ(1-Sh);ε推薦取0.12;Kma、Kw和Kh分別為骨架基質(zhì)、水和水合物的體積模量,MPa;Gma為骨架基質(zhì)的剪切模量,MPa;可以通過Hill提出的平均方程得出;vp/vs為縱波與橫波波速比;Δts為橫波時(shí)差;aw、bw為常數(shù)。C/O為碳氧比值;A為碳和氧元素相對非彈性中子界面決定的常數(shù),大多數(shù)地層中取0.75;μ為結(jié)構(gòu)Ⅰ型甲烷水合物中氧的豐度;α、β為骨架、地層孔隙中碳原子豐度;γ、δ為骨架、地層孔隙中氧原子豐度;χ為孔隙中天然氣中碳原子豐度;ρh為純天然氣水合物的密度,約為0.91 g/cm3;cCl,pw為實(shí)測孔隙水中氯離子的濃度;cCl,sw為正?？紫端新入x子的濃度;LN和LF為2個(gè)接收天線的信號電平;L為2個(gè)接收天線的距離;tpw、tph、tpma分別為電磁波在水、天然氣水合物和巖石骨架中的時(shí)差;εr為相對介電常數(shù);σ為電導(dǎo)率,S/m;C為光在真空中的傳播速度,0.3 m/ns;f為正弦儀器頻率,EPT為11 GHz;ρma、ρh、ρw、ρc分別為巖石骨架、天然氣水合物、水和黏土的密度;εrma、εrh、εrw、εrc分別為巖石的骨架、天然氣水合物、水和黏土的相對介電常數(shù);Swc為黏土骨架和水的飽和度之和。

3.3 天然氣水合物儲層的滲透率估算

含天然氣水合物地層滲透率的確定方法存在一定的局限性,測量誤差比較大,測量技術(shù)需要進(jìn)一步提高。測量原位狀態(tài)下與天然氣水合物地層滲透率相關(guān)的參數(shù)是關(guān)鍵技術(shù),也是天然氣水合物研究的熱點(diǎn)之一。含天然氣水合物滲透率的計(jì)算模型主要依賴于孔隙度和飽和度,其中與孔隙度相關(guān)滲透率計(jì)算模型是SDR模型,與飽和度相關(guān)的滲透率計(jì)算模型有平行毛細(xì)管模型、Kozeny顆粒模型以及Masuda下降模型。

SDR模型是石油工業(yè)中廣泛使用、接受的滲透率計(jì)算模型[19-20]。該模型是在Kozeny模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合核磁共振測量,由Kleinberg等[20]提出。滲透率的計(jì)算關(guān)系式為

(1)

含天然氣水合物地層中的相對滲透率為[21]

(2)

式中,K(Sh)天然氣水合物飽和度為Sh時(shí)的滲透率;K0為不含天然氣水合物儲層的滲透率。

平行毛細(xì)管模型由Kleinberg等[20]在模擬多孔介質(zhì)時(shí)提出,假設(shè)模型是由相同半徑的一束平行毛細(xì)管組成。當(dāng)水合物占據(jù)毛孔時(shí),附著在毛細(xì)管壁上,使得孔隙度和毛細(xì)管半徑降低。

(3)

式中,K為含水合物地層的絕對滲透率;Sh為地層的天然氣水合物飽和度。

Kleinberg等在分析含水合物地層滲透率時(shí)認(rèn)為多孔介質(zhì)中孔隙空間是不規(guī)則的,流動路徑不是一條直線。因此,提出了針對水合物地層的Kozeny顆粒模型。當(dāng)水合物占據(jù)毛孔時(shí),曲折度發(fā)生變化。

(4)

式中,指數(shù)n取15,00.8,水的相對滲透率相當(dāng)小,n的增加只有輕微的影響。

Masuda下降模型是平行毛細(xì)管模型和Kozeny顆粒模型的擴(kuò)展。在這個(gè)模型中,含水合物地層的相對滲透率隨水合物飽和度的增加以指數(shù)形式下降。影響水合物地層滲透率反映在指數(shù)上。隨著影響地層滲透率因素的增加,指數(shù)也增加[23-25]。地層相對滲透率為

(5)

式中,N為滲透率下降指數(shù),在2～15之間變化[26]。

4 天然氣水合物儲層評價(jià)的難點(diǎn)及前景展望

4.1 天然氣水合物儲層評價(jià)的難點(diǎn)

天然氣水合物儲層評價(jià)的難點(diǎn)包括4個(gè)方面。①對于固結(jié)不好的天然氣水合物儲層,井壁不穩(wěn)定并存在較深的侵入,使得測井曲線質(zhì)量很差。測井曲線能識別天然氣水合物儲層,但可能得到不同的解釋結(jié)論,因此,獲取原位狀態(tài)下準(zhǔn)確的測井響應(yīng)最好選用隨鉆測井,以減少隨時(shí)間變化引起的儲層性質(zhì)改變。②某些非天然氣水合物組分的性質(zhì)和天然氣水合物儲層類似,或者由于采集時(shí)某些偶然因素的影響,使單條測井曲線難以實(shí)現(xiàn)對天然氣水合物的識別,所以在實(shí)際工作中應(yīng)視具體情況選用多種測井方法并結(jié)合其他的方法來判識天然氣水合物儲層。③天然氣水合物儲層所含組分復(fù)雜,為避免多解性,確定儲層溫壓條件及地層孔隙中的組分,根據(jù)不同地層模型選用合適的測井方法及評價(jià)方法就很重要。定量求解地層孔隙度及天然氣水合物飽和度通常要進(jìn)行相應(yīng)校正,并采用聯(lián)合求解的方法,從而獲取準(zhǔn)確的地球物理參數(shù)。④對于同一個(gè)深度點(diǎn),常規(guī)測井資料只能提供1個(gè)測量數(shù)據(jù),不能反映天然氣水合物空間分布特征;隨鉆測井和電纜測井井眼之間存在橫向非均質(zhì)性,導(dǎo)致隨鉆測井?dāng)?shù)據(jù)和電纜測井?dāng)?shù)據(jù)之間存在一定的深度差異,難以對電纜測井?dāng)?shù)據(jù)和深側(cè)向紐扣電極方位電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行定量對比。

4.2 天然氣水合物將是21世紀(jì)最具潛力的新能源

隨著石油、煤等傳統(tǒng)型能源的日益枯竭,人們對環(huán)保型能源需求不斷加大,天然氣水合物作為一種清潔、高效、綠色、儲量巨大的潛在替代新型能源越來越受到世界各國的高度重視,各國紛紛開展了國家層面的天然氣水合物資源調(diào)查、勘探并制定了開發(fā)研究計(jì)劃,在石油工業(yè)中發(fā)揮巨大作用的測井技術(shù)必然在天然氣水合物勘探中占有一席之地[2-3]。各國科學(xué)家對天然氣水合物資源量的估算值差別很大,一致地認(rèn)為其資源總量約為(18～21)×1016m3。中國具有可形成天然氣水合物天然條件的地區(qū)遼闊,其儲量巨大。據(jù)中國科學(xué)院戴金星院士估計(jì)全國天然氣水合物總資源量不少于100×1012m3。天然氣水合物必將替代煤和石油成為21世紀(jì)能源,或者說天然氣水合物是未來能源[27]。

4.3 天然氣水合物未來研究的方向及思路

天然氣水合物有巨大的能源前景,隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展,開發(fā)天然氣水合物已成為一種必然趨勢。預(yù)測今后的發(fā)展趨勢將是地質(zhì)學(xué)、地球物理和地球化學(xué)等多種學(xué)科相互結(jié)合,進(jìn)一步認(rèn)清天然氣水合物形成的控制因素及其分布規(guī)律,較準(zhǔn)確地估算其資源量,減少天然氣水合物分解和開采帶來的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境效應(yīng),最終合理開發(fā)利用這一潛在的巨大資源。另外,水合物儲層是一個(gè)比常規(guī)油氣地層更為復(fù)雜的系統(tǒng),能否準(zhǔn)確識別復(fù)雜水合物儲層并對其進(jìn)行精細(xì)定量評價(jià)是當(dāng)前及今后天然氣水合物勘探技術(shù)研究的重點(diǎn),也是水合物開發(fā)利用和環(huán)境影響評價(jià)的基礎(chǔ)。目前對復(fù)雜水合物儲層的測井評價(jià)技術(shù)研究還較少,尤其是非孔隙填充型泥質(zhì)水合物儲層和夾層交界附近的測井研究,還需進(jìn)一步針對具體儲層研究適用的巖石物理模型和評價(jià)方法。

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