何勝林 陳 嶸 高楚橋 張海榮

1．中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司 2．油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長(zhǎng)江大學(xué)

鶯歌海盆地中央泥拱帶樂(lè)東氣田的天然氣產(chǎn)自埋深較淺的第四系樂(lè)東組和新近系鶯歌海組一段。儲(chǔ)層巖性以石英砂巖為主，少量巖屑石英砂巖和長(zhǎng)石石英砂巖。目前氣田已經(jīng)投入開(kāi)發(fā)，主要生產(chǎn)層位為樂(lè)東組三段Ⅱ下氣組和鶯歌海組一段Ⅲ氣組，主要?dú)怏w組分為烴類(lèi)氣，但是在勘探階段，部分測(cè)試層位烴類(lèi)氣含量較低，最少的僅為5%左右，而非烴類(lèi)氣體含量較高，最高能達(dá)到90%［1］。通過(guò)天然氣組分分析資料可知，除二氧化碳外的非烴類(lèi)氣含量一般較少，在所研究的儲(chǔ)層中總含量平均不高于11．6%，故在本次研究中近似將二氧化碳?xì)饪醋鞣菬N類(lèi)氣；烴類(lèi)氣層經(jīng)化驗(yàn)測(cè)定其甲烷含量占主要成分，所以將甲烷氣看作烴類(lèi)氣。作為非烴類(lèi)氣的二氧化碳在自然界中呈氣態(tài)存在，其臨界溫度為31．1℃，臨界壓力7．23MPa，二氧化碳具有不導(dǎo)電高電阻率特性［2－3］。

1 烴類(lèi)氣與非烴氣定性識(shí)別方法

烴類(lèi)氣與二氧化碳?xì)鈱釉跍y(cè)井曲線上的響應(yīng)特征與油、水層有較明顯的區(qū)別，而它們兩者之間的差異卻較小，這是造成用測(cè)井資料區(qū)分甲烷和二氧化碳困難的根本原因。但通過(guò)對(duì)二者理論上測(cè)井響應(yīng)值的研究可知，兩者還是存在一定的差別，因而兩種氣體在測(cè)井曲線上必定存在或多或少的差異，這是用測(cè)井資料定性、定量區(qū)分烴類(lèi)氣與二氧化碳?xì)獾幕A(chǔ)［4］。

1）電阻率曲線響應(yīng)：二氧化碳?xì)鈱訛楦唠娮杪省Ｓ捎诙趸紝?duì)鉆井液侵入帶和沖洗帶的水化作用，具較強(qiáng)的鉆井液減阻侵入特征。與烴類(lèi)氣層相比較，電阻率稍低，鉆井液減阻侵入稍強(qiáng)些［5］。

2）聲波時(shí)差曲線響應(yīng)：二氧化碳?xì)鈱訛楦邥r(shí)差，但與烴類(lèi)氣層相比時(shí)差稍小，且少見(jiàn)“周波跳躍”現(xiàn)象［6］。

3）地層密度曲線響應(yīng)：二氧化碳?xì)鈱拥拿芏容^小，但與烴類(lèi)氣層相比較則高些。相同狀態(tài)下，二氧化碳的體積密度是甲烷體積密度的3倍多［7］。

4）中子孔隙度曲線響應(yīng)：二氧化碳?xì)鈱拥闹凶涌紫抖群艿?，低于烴類(lèi)氣層的中子孔隙度。二氧化碳?xì)夂瑲渲笖?shù)為0，甲烷氣含氫指數(shù)為0．015%［8－9］。

根據(jù)上述分析，采用交會(huì)圖技術(shù)研究了兩者在測(cè)井響應(yīng)上的差別。在樂(lè)東15－1／22－1研究區(qū)選取了經(jīng)測(cè)試、電纜測(cè)試取樣或試生產(chǎn)證實(shí)含量相對(duì)比較高的甲烷或二氧化碳層段（表1），并定義甲烷含量高于50%的氣層為以甲烷為主的氣層，否則為以非烴為主（CO2為主）的氣層，然后利用這些層段的測(cè)井資料分別作出了密度—中子、密度—聲波交會(huì)圖（圖1、2）。從圖1、2中可以看出：烴類(lèi)氣與二氧化碳?xì)怏w在測(cè)井響應(yīng)值上是存在一定差別的，從而可以通過(guò)這種差異來(lái)區(qū)分烴類(lèi)氣與二氧化碳?xì)鈱樱?0］。

通過(guò)分析圖1、2可以發(fā)現(xiàn)，中子測(cè)井與密度測(cè)井能較好地區(qū)分以甲烷為主的烴類(lèi)氣層與二氧化碳?xì)鈱?；聲波測(cè)井對(duì)兩類(lèi)氣體的區(qū)別能力相對(duì)較差。隨鉆測(cè)井資料由于是地層剛鉆開(kāi)時(shí)獲得的資料，對(duì)兩者的區(qū)分效果要比電纜測(cè)井資料好［11］。

在物性比較好，含氣飽和度高的情況下，兩類(lèi)氣體的測(cè)井響應(yīng)特征差別明顯；隨著泥質(zhì)含量增多，物性變差，含氣飽和度降低等情況會(huì)使得以上差異不明顯。這些因素的影響將在定量識(shí)別中消除。

2 烴類(lèi)氣與非烴氣定量區(qū)分方法

筆者區(qū)分烴類(lèi)氣與非烴氣的基本思路：在單位體積條件下假定各組分在地層中的相對(duì)百分含量，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，進(jìn)而運(yùn)用線性最小二乘法原理，將其轉(zhuǎn)換為求解極值問(wèn)題的數(shù)學(xué)目標(biāo)函數(shù)，最終采用最優(yōu)化算法得到地面條件下烴類(lèi)氣的相對(duì)含量，從而達(dá)到識(shí)別氣層類(lèi)型的目的。由于除二氧化碳外的非烴氣含量一般較少，且測(cè)井響應(yīng)值與二氧化碳接近，為方便起見(jiàn)將其歸到二氧化碳中，作為同一組分看待［12］。

2．1 物理模型

對(duì)含油氣的儲(chǔ)集層來(lái)說(shuō)，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：不動(dòng)油、可動(dòng)油（或非烴氣）、天然氣、可動(dòng)水、束縛水、泥質(zhì)以及巖石的各種骨架礦物（表2）。

假設(shè)組分不動(dòng)油、可動(dòng)油（或非烴氣）、可動(dòng)水、束縛水、天然氣、泥質(zhì)以及巖石的各種骨架礦物在地層中的相對(duì)含量分別為：xor，xCO2，xfw，xbw，xgas，xsh，xma1，xma2，…，xmak，則有如下關(guān)系式。

孔隙度：

地層含水飽和度：

束縛水飽和度：

泥質(zhì)含量：

表1 甲烷與二氧化碳測(cè)井響應(yīng)值的差別表

圖1 烴類(lèi)氣與非烴氣儲(chǔ)層中子—密度交會(huì)圖

圖2 烴類(lèi)氣與非烴氣儲(chǔ)層中子—聲波時(shí)差交會(huì)圖

表2 雙水多礦物地層組分模型表

2．2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)以上物理模型，可寫(xiě)出各種測(cè)井儀器的響應(yīng)方程式。例如，密度測(cè)井的響應(yīng)方程為：

式中ρor，ρCO2，ρfw，ρbw，ρgas，ρsh，ρma1，ρma2，…，ρmak分別表示地層中不動(dòng)油氣、二氧化碳、自由水、束縛水、烴類(lèi)氣、泥質(zhì)、巖石骨架礦物（1～k種）的體積密度，g／cm3。

為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將式（5）寫(xiě)成：

式中n表示組成地層的組分個(gè)數(shù)；xj表示第j種組分的相對(duì)含量。

同理可寫(xiě)出其他測(cè)井儀器的響應(yīng)方程，用通式表示為：

式中m表示測(cè)井儀器的個(gè)數(shù)；B表示地層對(duì)測(cè)井儀器的響應(yīng)值。

解以上由m個(gè)方程組成的方程組，就可以求得xj，這就是待解決的組分含量［3］。

2．3 烴類(lèi)氣含量的計(jì)算

由氣體狀態(tài)方程可得到井底條件下體積為Vgf的天然氣（烴類(lèi)氣）在地面條件下的體積Vgs為［7］：

式中Ts為地面溫度，K；pgf為地層壓力，MPa；Zf為烴類(lèi)氣在井底條件下的壓縮因子，無(wú)因次；Tf為井底溫度，K；pg為地面壓力，MPa。

同樣可寫(xiě)出井底條件下體積為CCO2f的非烴氣在地面條件下的體積VCO2s，即

式中ZCO2f為非烴類(lèi)氣在井底條件下的壓縮因子，無(wú)因次。

地面條件烴類(lèi)氣相對(duì)含量為：

若巖石體積為VT，則Vgf＝xgasVT，VCO2f＝將式（9）代入式（8）并整理得到：

式中xgas為烴類(lèi)氣在地層中的相對(duì)含量，小數(shù)；xCO2為非烴氣在地層中的相對(duì)含量，小數(shù)。

地層流體密度為：

式中ρgas、ρCO2、ρfw分別為地層條件烴類(lèi)氣、非烴氣和地層水的密度，g／cm3。

3 應(yīng)用效果

圖3、4分別為 LD15－1－X井、LD22－1－Y井雙水多礦物地層組分分析程序處理的解釋成果圖。

圖3顯示LD15－1－X井1 572～1 577m 段第2道中子密度出現(xiàn)交會(huì)，第3道電阻率增大，第5道孔隙度差、比值識(shí)別法出現(xiàn)明顯的氣層“包絡(luò)”特征，第8道測(cè)井計(jì)算的含水飽和度與束縛水飽和度幾乎重合，含水飽和度大致為30%，第6道為該方法定量計(jì)算出的烴類(lèi)氣相對(duì)含量，大概在40%左右，DST測(cè)試證實(shí)該層甲烷含量為34．4%，測(cè)試的結(jié)果與定量計(jì)算的結(jié)果相近。

圖4顯示LD22－1－Y井963～985m段測(cè)井定量計(jì)算烴類(lèi)氣含量為75%左右，測(cè)試證實(shí)該層甲烷含量為81%。通過(guò)鶯歌海盆地15口井19個(gè)層位測(cè)井計(jì)算烴類(lèi)氣含量與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，在統(tǒng)計(jì)的19層中，絕對(duì)誤差在20%以內(nèi)的層有15層，占79%；絕對(duì)誤差在10%以內(nèi)的層有12層，占63%［13］。表明該定量方法能較為有效地計(jì)算烴類(lèi)氣含量，從而達(dá)到區(qū)分烴類(lèi)氣與非烴氣的目的。

圖3 LD15－1－X井處理成果圖（DST1）

圖4 LD22－1－Y井處理成果圖（DST2）

4 結(jié)論

1）樂(lè)東氣田烴類(lèi)氣與二氧化碳在測(cè)井響應(yīng)值上存在一定差別，通過(guò)這種差異可以定性判斷烴類(lèi)與二氧化碳?xì)鈱?。中子—密度交?huì)圖能較好地區(qū)分以甲烷為主的烴類(lèi)氣層與二氧化碳?xì)鈱印?/p>

2）利用地層組分分析模型和最優(yōu)化理論定量計(jì)算烴類(lèi)氣與非烴氣含量。計(jì)算結(jié)果表明：63%的層烴類(lèi)氣含量計(jì)算誤差能控制在10%以內(nèi)；79%的層烴類(lèi)氣含量計(jì)算誤差能控制在20%以內(nèi)。該方法可以較好地用測(cè)井資料區(qū)分烴類(lèi)氣與非烴氣。

3）多口井的實(shí)際資料處理證明，常規(guī)測(cè)井非烴類(lèi)氣層定量解釋確立的方法和模型適合于南海北部盆地天然氣田的測(cè)井解釋評(píng)價(jià)。

［1］劉中奇，杜春玲．非烴類(lèi)氣層測(cè)井識(shí)別方法［J］．測(cè)井技術(shù)，1998，22（2）：107－110．LIU Zhongqi，DU Chunling．Identification method of nonhydrocarbon gas zones on logging［J］．Well Logging Technology，1998，22（2）：107－110．

［2］高楚橋．復(fù)雜儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)方法［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2003．GAO Chuqiao．Well logging evaluation of complex reservoirs［M］．Beijing：Petroleum Industry Press，2003．

［3］周倫先，褚小兵．CO2氣井相態(tài)特征［J］．油氣井測(cè)試，2006，15（5）：35－37．ZHOU Lunxian，CHU Xiaobing．Phase behavior characteristic of gas well with rich－content CO2［J］．Well Testing．2006，15（5）：35－37．

［4］何勝林，張海榮，陳嶸，等．東方1－1氣田低電阻率氣層測(cè)井評(píng)價(jià)方法［J］．天然氣工業(yè)，2012，32（8）：27－30．HE Shenglin，ZHANG Hairong，CHEN Rong，et al．Logging evaluation methods for low－resistivity gas layers in the Dongfang 1－1Gas Field，Yinggehai Basin［J］．Natural Gas Industry，2012，32（8）：27－30．

［5］王德喜，曾文沖，汪志鋒．松南氣田火山巖儲(chǔ)層流體性質(zhì)的識(shí)別［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，31（6）：15－20．WANG Dexi，ZENG Wenchong，WANG Zhifeng．Reservoir fluid property identification of volcanic rock in Songnan Gas Field［J］．Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2009，31（6）：15－20．

［6］王磊，王學(xué)琴，吳勝，等．利用彈性模量計(jì)算含氣飽和度方法研究［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，33（4）：69－72．WANG Lei，WANG Xueqin，WU Sheng，et al．Method of gas saturation prediction by elastic modules［J］．Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology E－dition，2011，33（4）：69－72．

［7］司馬立強(qiáng)，趙冉，王培春，等．普光縫洞性儲(chǔ)層流體性質(zhì)測(cè)井判別適應(yīng)性［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，32（1）：11－15．SIMA Liqiang，ZHAO Ran，WANG Peichun，et al．The suitability analysis of log distinguishing methods of fluid nature of fracture and cave reservoir in Puguang Field［J］．Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆Technology Edition，2010，32（1）：11－15．

［8］李山生，趙輝．利用彈性參數(shù)識(shí)別氣、水層［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，34（3）：83－88．LI Shansheng，ZHAO Hui．Identification of water and gas reservoirs with elastic parameters［J］．Journal of Southwest Petroleum University：Science＆Technology Edition，2012，34（3）：83－88．

［9］李同華．基于偶極橫波資料的火山巖裂縫及油氣識(shí)別［J］．西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，31（6）：45－50．LI Tonghua．Igneous rock fractures and hydrocarbon identification based on DSL data［J］．Journal of Southwest Petroleum University：Science ＆ Technology Edition，2009，31（6）：45－50．

［10］于世元．復(fù)雜氣層識(shí)別技術(shù)研究［J］．天然氣工業(yè)，1999，19（1）：67－70．YU Shiyuan．Research on the techique of identifying the complex gas bearing formation［J］．Natural Gas Industry，1999，19（1）：67－70．

［11］VARGAFTIK N B．Tables on the thermophysical properties of liquids and gases［M］．Washington DC：Hemisphere Publishing Corporation，1975：156－166．

［12］高楚橋，袁云福，吳洪深，等．鶯歌海盆地束縛水飽和度測(cè)井評(píng)價(jià)方法研究［J］．天然氣工業(yè)，2003，23（5）：38－40．GAO Chuqiao，YUAN Yunfu，WU Hongshen，et al．Research on the log evaluation method of irreducible water saturation in Yinggehai Basin［J］．Natural Gas Industry，2003，23（5）：38－40．

［13］吳洪深，高華，林德明．南海西部海域非烴類(lèi)氣層測(cè)井識(shí)別及解釋評(píng)價(jià)方法［J］．中國(guó)海上油氣，2012，24（1）：21－24．WU Hongshen，GAO Hua，LIN Deming．A methodology on logging identification and interpretation of non－h(huán)ydrocarbon gas zones in the western South China Sea［J］．China Offshore Oil and Gas，2012，24（1）：21－24．