元素俘獲能譜測(cè)井在神狐海域天然氣水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

康冬菊 梁金強(qiáng) 匡增桂 陸敬安郭依群 梁 勁 蔡慧敏 曲長偉

1.中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 2.斯倫貝謝中國地球科學(xué)與石油工程研究院

0 引言

天然氣水合物(以下簡(jiǎn)稱水合物)的準(zhǔn)確識(shí)別和精細(xì)定量評(píng)價(jià)是自然界水合物開發(fā)利用的基礎(chǔ)[1]。水合物沉積物在利用降壓方式開采時(shí)，沉積物滲透率是其中一個(gè)重要影響因素[2]。而沉積物滲透率受巖性和水合物飽和度的控制。水合物飽和度指水合物占據(jù)的孔隙體積與巖石總孔隙體積之比，若孔隙度計(jì)算不正確，直接導(dǎo)致水合物飽和度估算不合理。因此，精細(xì)評(píng)價(jià)水合物儲(chǔ)層巖性、孔隙度滲透率對(duì)水合物的高效開采顯得尤為重要。

目前應(yīng)用最多的水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)方法是地球物理方式，如地震、測(cè)井和電磁技術(shù)[3]。其中地球物理測(cè)井是除地震和鉆探取心外最有效的原位識(shí)別和評(píng)價(jià)方法[4]。

巖性解釋是水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。常規(guī)巖性解釋主要通過自然伽馬[5-6]、中子孔隙度和密度來確定。南海北部神狐海域GMGS-3鉆探隨鉆測(cè)井（LWD）揭示W(wǎng)18井在深度134.0～157.5 m發(fā)育低伽馬值層段，常規(guī)測(cè)井解釋認(rèn)為低伽馬是由儲(chǔ)層砂質(zhì)成分增多造成的，但根據(jù)巖心XRD測(cè)定的礦物組分顯示，在該層段方解石含量明顯增多。因此，僅利用常規(guī)測(cè)井項(xiàng)目得到的巖性剖面不確定性較強(qiáng)，并且很難求準(zhǔn)地層的碳酸鹽含量[7]。而元素俘獲能譜測(cè)井可以解決這一問題，構(gòu)成地層的礦物如石英、白云石、方解石、黏土等都有特定的化學(xué)元素，這些元素相對(duì)集中于O、Si、Al、Fe、Ca、Mg 等幾種，斯倫貝謝公司研發(fā)的新一代NeoScope無化學(xué)源綜合隨鉆測(cè)井，可提供的測(cè)量包含元素俘獲能譜，對(duì)伽馬譜進(jìn)行剝譜處理，得到地層主要元素的產(chǎn)額，再經(jīng)氧閉合處理及巖性模型確定地層礦物含量，從而能夠獲取更加準(zhǔn)確的巖性剖面[8-9]。韓琳等[10]利用元素俘獲譜測(cè)井準(zhǔn)確識(shí)別火成巖巖性；袁祖貴等[11]利用元素俘獲譜測(cè)井對(duì)王莊油田儲(chǔ)層巖性進(jìn)行了識(shí)別。國外Collett和Lee等[12-13]以及國內(nèi)陸敬安等[3,14-16]對(duì)測(cè)井技術(shù)在水合物儲(chǔ)層解釋和評(píng)價(jià)方面的進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。目前國內(nèi)外沒有將元素俘獲能譜測(cè)井應(yīng)用在水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的情況。

筆者主要利用W18井元素俘獲能譜處理得到的巖性結(jié)果作為ElanPlus[17]處理的輸入，結(jié)合其他常規(guī)測(cè)井資料，確定了該井的巖性剖面。基于元素俘獲能譜測(cè)井處理得到的礦物組分，估算了W18井水合物層的孔隙度、水合物飽和度以及地層基質(zhì)滲透率。

1 元素俘獲能譜測(cè)井原理

NeoScope無化學(xué)源綜合隨鉆測(cè)井（LWD）采用了斯倫貝謝公司開發(fā)的無化學(xué)源技術(shù)，以脈沖中子發(fā)生器（PNG）為核心（圖1），測(cè)井時(shí)PNG發(fā)射的高能中子通過與地層中的原子核發(fā)生彈性和非彈性散射而損失能量。經(jīng)過幾次散射快中子減速變?yōu)闊嶂凶?，熱中子繼續(xù)與地層中的原子核發(fā)生多次碰撞，最后中子被地層中的原子核吸收，也就是中子俘獲，從而釋放出非彈性散射伽馬。非彈性散射伽馬的能量取決于俘獲中子的原子核類型，因此，兩個(gè)伽馬射線探測(cè)器測(cè)量的伽馬射線能量反映了地層中的元素。這些數(shù)據(jù)作為時(shí)間和能量的函數(shù)被記錄下來。通過分析近源伽馬射線探測(cè)器的俘獲伽馬射線能譜，可以得到Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等主要元素的產(chǎn)額，經(jīng)氧閉合處理，可以得到地層中的元素質(zhì)量百分含量，最后根據(jù)巖性模型確定地層礦物含量。NeoScope儀器巖性測(cè)量適用性特別廣，在淡水、飽和鹽水、油基鉆井液、不規(guī)則井眼等都能采集到高質(zhì)量的資料[18]。

圖1 脈沖中子發(fā)生器（PNG）工作原理示意圖

2 元素俘獲能譜在水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

2.1 確定地層礦物類型及含量

圖2 結(jié)合元素俘獲能譜的Elan處理礦物組分與巖心XRD測(cè)試的礦物組成對(duì)比圖

確定地層礦物組分是測(cè)井解釋與評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。元素俘獲能譜測(cè)井可提供直觀的礦物類型及含量，因此可直接應(yīng)用于評(píng)價(jià)地層巖性。圖2是W18井地層元素含量與礦物類型含量成果圖，從圖2中可以看出元素俘獲能譜推導(dǎo)出的礦物含量與巖心XRD測(cè)定的數(shù)據(jù)吻合很好。深度介于145～172 m為水合物發(fā)育層段，準(zhǔn)確的巖性分析對(duì)評(píng)價(jià)水合物儲(chǔ)層是相當(dāng)重要的。如在上部水合物及之上層段（深度介于134.0～157.5 m）自然伽馬曲線明顯降低，初步分析該段砂質(zhì)成分增多，孔隙度、滲透率較為發(fā)育，但通過元素俘獲能譜測(cè)井資料分析發(fā)現(xiàn)在該低伽馬層段鈣質(zhì)成分明顯增多，巖心XRD測(cè)試分析主要是以方解石為主。這個(gè)分析很重要，因?yàn)樯百|(zhì)水合物儲(chǔ)層被認(rèn)為是國際上在當(dāng)前技術(shù)條件下能夠高效試采的重要目標(biāo)[19-21]，按前者分析，該段低伽馬是由于砂質(zhì)成分增加引起的，物性較好；而按元素俘獲能譜資料分析，該段低伽馬是由于方解石增多造成的，這對(duì)水合物試采儲(chǔ)層改造提供了數(shù)據(jù)支撐。通過此例可知，在常規(guī)測(cè)井資料不能反映鈣質(zhì)的存在時(shí)，元素俘獲能譜測(cè)井可以精確地測(cè)量地層礦物組分，這對(duì)評(píng)價(jià)水合物儲(chǔ)層物性是至關(guān)重要的，直接關(guān)系到水合物試采井位的確定。

2.2 估算地層孔隙度

密度測(cè)井是求取水合物儲(chǔ)層孔隙度的主要方法之一，前人在利用密度測(cè)井研究南海神狐海域水合物孔隙度時(shí)通常認(rèn)為巖石骨架密度值不變[22]，當(dāng)?shù)貙雍刑妓猁}巖、綠泥石、黃鐵礦，巖石骨架密度會(huì)受到嚴(yán)重影響[23-24]。通過元素俘獲能譜處理可得出準(zhǔn)確的礦物含量，每種礦物都有其特定的密度值，各種礦物密度的線性組合即巖石骨架密度值，隨著礦物成分及含量的變化，巖石骨架密度值是不同[25-26]，這樣通過密度測(cè)井計(jì)算的總孔隙度將會(huì)更加精確。

巖石骨架密度值為：

式中ρma表示地層骨架密度，g/cm3；Vi表示各礦物的ECS體積百分含量；ρi表示各礦物的骨架密度，g/cm3。

總孔隙度為：

式中φD表示地層孔隙度；ρb表示實(shí)測(cè)地層密度，g/cm3；ρw表示地層水密度，g/cm3，根據(jù)地層水礦化度數(shù)據(jù)，取 ρw=1.03 g/cm3。

圖3為基于元素俘獲能譜資料兩種不同方法計(jì)算的W18井總孔隙度。右數(shù)第一道為測(cè)井解釋孔隙度與巖心分析孔隙度的對(duì)比。紅色線為利用公式（1）、（2）計(jì)算的總孔隙度，藍(lán)色線為將元素俘獲能譜測(cè)井處理得到的礦物組分結(jié)果作為ElanPlus測(cè)井處理的輸入，結(jié)合其他常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算的總孔隙度。從圖3中可知，利用兩種方法計(jì)算的總孔隙度趨勢(shì)基本一致，在水合物層，密度孔隙度整體比ElanPlus處理得到的總孔隙度要大5%左右，后者與巖心分析結(jié)果吻合更好，可能密度測(cè)井易受井徑、鉆井液等其他因素影響。后者計(jì)算的水合物層平均總孔隙度為58.8%。

圖3 基于元素俘獲能譜資料的兩種不同方法求取的孔隙度與巖心分析孔隙度對(duì)比圖

2.3 估算水合物飽和度

用測(cè)井資料計(jì)算水合物飽和度常用的方法有阿爾奇公式法[27-30]、聲波速度法[31-35]、孔隙水氯離子濃度法[28,30]、核磁共振—密度法[28,32,36]、聲波阻抗法[30]等。本文采用阿爾奇公式估算水合物飽和度。即

式中Sh表示水合物飽和度；a、m表示阿爾奇常數(shù)；Rw表示地層原生水電阻率，Ω·m；φ表示元素俘獲能譜結(jié)合其他常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算的孔隙度；Rt表示地層電阻率，Ω·m；n表示飽和度指數(shù)。

根據(jù)前人的相關(guān)研究成果[37]，Rw取值0.25 Ω·m、a取值1.10、m取值2.07；n值采用Pearson等[38]研究計(jì)算的結(jié)果，取值1.94。

圖4為W18井測(cè)井計(jì)算飽和度，從圖中可以看出，用阿爾奇公式估算的水合物飽和度與孔隙水氯離子淡化的飽和度吻合較好，測(cè)井計(jì)算的最大水合物飽和度為58.6%，平均值為29.3%。

2.4 估算地層滲透率

Konno等[39]通過數(shù)值模擬認(rèn)為地層滲透率是水合物試采成功的一個(gè)關(guān)鍵因素，它直接影響水合物的產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量[40]。于倩男等[41]通過實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為當(dāng)儲(chǔ)層整體滲透率較低時(shí)，滲透率增大的影響程度大于非均質(zhì)性的負(fù)面影響。在利用元素俘獲譜測(cè)井精確獲取地層礦物組分的基礎(chǔ)上，能夠很好地估算地層的滲透率[40]，在ElanPlus測(cè)井評(píng)價(jià)中采用HERRON公式估算W18井的滲透率，即

式中K表示儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率，mD；φ表示元素俘獲能譜Elan計(jì)算的儲(chǔ)層粒間孔隙；Bi表示每種礦物的滲透率常數(shù)；Mi表示固體巖石中每種礦物質(zhì)量百分含量。

它們反映礦物成分對(duì)滲透率的影響，不同的黏土類型對(duì)地層滲透率的影響具有明顯的不同，影響程度依次為蒙脫石、伊利石、高嶺石[42]。巖心XRD分析結(jié)果表明W18井的黏土類型以伊利石為主，表1給出了W18井每種礦物的Bi值。

圖4 W18井測(cè)井計(jì)算飽和度與巖心分析飽和度對(duì)比圖

表1 W18井不同礦物組分Bi值表

在精確獲取地層礦物組分的基礎(chǔ)上，利用公式（4）對(duì)W18井進(jìn)行滲透率的計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。表2為輝固公司對(duì)W18井原位測(cè)試的滲透率結(jié)果，圖5顯示基于元素俘獲能譜計(jì)算的滲透率與原位測(cè)試符合率高。

3 結(jié)論

1）應(yīng)用常規(guī)測(cè)井資料很難求準(zhǔn)地層的碳酸鹽含量，而元素俘獲能譜資料可以分析出鈣質(zhì)的存在，求取的巖性剖面更加精確。

圖5 利用元素俘獲能譜資料求取的滲透率與原位測(cè)試滲透率的對(duì)比圖

2）元素俘獲能譜處理得到的礦物組分結(jié)果作為ElanPlus處理的輸入，結(jié)合其他常規(guī)測(cè)井資料，求得的W18井水合物層孔隙度和飽和度與巖心分析結(jié)果吻合得較好。

3）元素俘獲能譜測(cè)井資料對(duì)水合物儲(chǔ)層基質(zhì)滲透率的估算作用更為突出。