趙軍, 張杰, 范家寶, 何勝林, 王迪, 賈云武

(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.中海油湛江分公司研究院, 廣東 湛江 524057;3.中石化上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院, 上海 200120; 4.西部鉆探測(cè)井公司, 新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

中新世以來地層的快速沉降、大規(guī)模泥-流體底辟[1-2]作用以及熱流體活動(dòng)的影響,鶯歌海盆地形成了廣泛的高溫超壓環(huán)境。高溫和超壓作用促進(jìn)了泥底辟熱流體塑性上涌,深層CO2進(jìn)入淺部?jī)?chǔ)層[3]。CO2侵入的隨機(jī)性和差異性,造成了不同區(qū)塊、不同含氣儲(chǔ)層中CO2含量差異較大,給儲(chǔ)層中CO2含量的準(zhǔn)確計(jì)算造成了很大難度,影響了對(duì)儲(chǔ)層流體的整體評(píng)價(jià)。

在高溫高壓條件下(溫度超過150 ℃,壓力約50 MPa),CO2處于超臨界狀態(tài)[4-6],是1種較為稠密的氣體。其密度值和聲波時(shí)差值與常溫常壓條件下存在一定差異。通過將CO2溶入研究區(qū)地層水中,發(fā)現(xiàn)CO2溶入對(duì)地層水電阻率的影響幅度很小,且隨著溫度增加其影響幅度會(huì)越小(高溫條件下最高不超過6%),即CO2溶于水對(duì)地層水電阻率的影響并不大,應(yīng)用電阻率資料不能有效識(shí)別CO2氣層。盡管在150 ℃、50 MPa(接近儲(chǔ)層實(shí)際溫壓)條件下超臨界CO2氣體的密度和縱波時(shí)差與甲烷氣體存在一定的差異[7-9],但利用體積物理模型定量計(jì)算實(shí)際地層中CO2含量時(shí)巖石骨架及流體的取值[10]仍存在很大的不確定性,嚴(yán)重影響CO2含量的計(jì)算精度。為了提高CO2含量的計(jì)算精度,本文根據(jù)巖石體積物理模型結(jié)合阿爾奇公式求解孔隙度和飽和度參數(shù),利用烴類氣體的含氫指數(shù)明顯高于CO2氣體的特征和中子測(cè)井的長(zhǎng)源距探測(cè)器計(jì)數(shù)率對(duì)含氫指數(shù)的敏感性[11-13],通過建立氣體平均含氫指數(shù)、計(jì)數(shù)率值與CO2含量之間的定量關(guān)系,達(dá)到精確預(yù)測(cè)CO2含量的目的。

1 中子反映CO2測(cè)井響應(yīng)機(jī)理分析

烴的含氫指數(shù)可根據(jù)組分和密度計(jì)算,在150 ℃、50 MPa條件下甲烷含氫指數(shù)(HCH4=2.25ρCH4)約0.48;CO2中不含氫(含氫指數(shù)為0),兩者差異較為明顯,CO2與烴類氣體對(duì)熱中子減速和擴(kuò)散過程的影響有較大的差異?？紤]井下測(cè)量可能達(dá)到的精度,大多數(shù)條件下中子遷移運(yùn)動(dòng)過程分為慢中子減速階段和熱中子擴(kuò)散階段就可以滿足需求。補(bǔ)償中子測(cè)井采用的源距足夠大,在熱中子擴(kuò)散過程建立擴(kuò)散方程為

Dt2φt(r)-Σtφt(r)+Σfφf(r)=0

(1)

其解為

(2)

式中,φf(r)、φt(r)分別為無限均勻介質(zhì)中快中子減速和熱中子擴(kuò)散2處中子距源r處的通量,cm-2·s-1;r為源距,cm;Σf、Σt分別為快中子減速和熱中子擴(kuò)散的中子宏觀組轉(zhuǎn)移截面,cm-1;Dt為熱中子擴(kuò)散系數(shù),無因次;Lf為快中子減速長(zhǎng)度,cm;Lt為熱中子擴(kuò)散長(zhǎng)度,cm。

由式(1)得出,單一源距的熱中子通量受不同介質(zhì)的吸收性質(zhì)和井環(huán)境影響較大?？熘凶訙p速長(zhǎng)度近似為熱中子擴(kuò)散長(zhǎng)度的2倍,若源距足夠長(zhǎng)時(shí),式(1)中第2項(xiàng)可以忽略。式(1)變?yōu)?/p>

(3)

在相同孔隙度條件下,地層分別含甲烷和二氧化碳的中子通量比值可表示為

(4)

式中,φ1為含二氧化碳地層的中子通量,cm-2·s-1;φ2為含甲烷地層的中子通量,cm-2·s-1;Lf1為含二氧化碳地層快中子減速長(zhǎng)度,cm;Lf2為含甲烷地層快中子減速長(zhǎng)度,cm。

由式(4)可見,在其他條件相同的情況下,含二氧化碳和甲烷的地層中子通量的差異取決于這2種流體的快中子減速長(zhǎng)度。表1為H、C、O這3種元素對(duì)不同能量中子的減速長(zhǎng)度。

表1 3種元素對(duì)不同能量中子的減速長(zhǎng)度

由表1可見,氫的中子減速長(zhǎng)度比碳和氧高2個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)?shù)貙涌紫吨泻幸欢康亩趸紩r(shí),與相同孔隙條件下只含天然氣的地層中子通量相比會(huì)有較大的差異?？梢岳梅从持凶油康闹凶訙y(cè)井計(jì)數(shù)率定量評(píng)價(jià)地層中CO2的含量。

2 含CO2地層含氫指數(shù)校正與計(jì)算

當(dāng)?shù)貙又写嬖?種孔隙流體(地層水、甲烷和二氧化碳)時(shí),孔隙度測(cè)井對(duì)孔隙中流體的響應(yīng)同時(shí)受到3種流體的影響[14],且在含水飽和度較高時(shí),地層水對(duì)測(cè)井響應(yīng)的貢獻(xiàn)大,氣體對(duì)信號(hào)的貢獻(xiàn)程度小,使得二氧化碳與甲烷對(duì)孔隙度測(cè)井的差異響應(yīng)不易于檢測(cè)。除了孔隙水之外,中子測(cè)井值還會(huì)受到孔隙度、泥質(zhì)含量等因素的影響,需要從中子測(cè)井信息中去掉泥質(zhì)、孔隙中地層水的貢獻(xiàn)[15]。具體方法是運(yùn)用體積物理模型去除泥質(zhì)、骨架和地層水對(duì)測(cè)井值的影響,并除以氣體所占體積分?jǐn)?shù),得到孔隙中氣體的平均含氫指數(shù),表示單位體積的氣體對(duì)含氫指數(shù)(中子測(cè)井值)貢獻(xiàn)的大小。計(jì)算公式為

(7)

式中,φN為中子測(cè)井值,p.u.;φ為孔隙度,%;Sw為含水飽和度,%;Iw,H為地層水的含氫指數(shù);φN,sh為純泥巖處中子測(cè)井值,p.u.;Vsh為泥質(zhì)含量,%;Ish,H為泥質(zhì)含氫指數(shù)。

利用式(7)對(duì)研究區(qū)含CO2氣層的含氫指數(shù)進(jìn)行校正,作氣體平均含氫指數(shù)分布直方圖(見圖1)。

圖1 不同組分氣體含量的平均含氫指數(shù)直方圖

圖1中2類數(shù)據(jù)集的分布區(qū)域存在明顯的差異,隨CH4含量增加,越靠直方圖右端分布;隨CO2氣體含量增加,直方圖分布越靠左。不同組分氣體含量的平均氣體含氫指數(shù)存在不同的分布范圍,高含(純)甲烷氣層,氣體平均含氫指數(shù)范圍主要在0.3～0.7,高含二氧化碳?xì)鈱又饕植挤秶?0.1～0.3。受挖掘效應(yīng)影響,部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)氣體平均含氫指數(shù)值為負(fù)值。當(dāng)氣體平均含氫指數(shù)大于0.3,高含甲烷氣層數(shù)據(jù)點(diǎn)占優(yōu)勢(shì),低于0.3,高含二氧化碳?xì)鈱訑?shù)據(jù)點(diǎn)占優(yōu)勢(shì);當(dāng)氣體平均含氫指數(shù)小于0.1,基本上均為高含二氧化碳?xì)鈱訑?shù)據(jù)點(diǎn);當(dāng)氣體含氫指數(shù)大于0.5,基本上均為高含甲烷氣層數(shù)據(jù)點(diǎn)。說明利用該平均含氫指數(shù)能較好地區(qū)分CO2氣體和烴類氣體的含量。

3 定量預(yù)測(cè)CO2含量模型和適用性分析

烴類氣層的含氫指數(shù)高于CO2氣層,測(cè)井時(shí)烴類氣層的長(zhǎng)、短源距探測(cè)器的計(jì)數(shù)率值應(yīng)明顯地低于CO2氣層的值[11]。利用氣體平均含氫指數(shù)、計(jì)數(shù)率值與CO2含量建立統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系建立預(yù)測(cè)CO2含量的模型并進(jìn)行分析。

研究區(qū)中子測(cè)井采用的是斯倫貝謝公司隨鉆測(cè)井系列,以保證每次測(cè)量輸出計(jì)數(shù)率的一致性,由于氣層段產(chǎn)生一定程度的侵入,相比于短源距計(jì)數(shù)率,長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率更能反映地層真實(shí)特征[13]。選取長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,建立預(yù)測(cè)CO2含量模型。本文選取了DF氣田的6口井12個(gè)層段的實(shí)測(cè)資料與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)。應(yīng)用該12個(gè)層段對(duì)應(yīng)的計(jì)算出的氣體平均含氫指數(shù)和長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率值與實(shí)測(cè)的地層條件下CO2含量作單相關(guān)分析(見圖2、圖3)。

圖2 CO2含量與氣體平均含氫指數(shù)關(guān)系圖

圖3 校正前后長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率與地層CO2含量關(guān)系圖

地層孔隙流體的含氫指數(shù)從高到低分別為地層水、甲烷、CO2。中子測(cè)井的長(zhǎng)、短源距計(jì)數(shù)率值不僅受不同類型氣體相對(duì)含量的影響,還受到地層水飽和度的影響。束縛水飽和度較高的CO2氣層和束縛水飽和度較低的甲烷氣層的長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率值相近,無法有效區(qū)分2類氣層。為此,定義CO2定量判別因子ICO2表示地層中氣體對(duì)長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率值的貢獻(xiàn),以校正地層水飽和度對(duì)長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率值的影響。其定義式為

ICO2=φ(1-Sw)L

(8)

式中,ICO2為定量判別因子;L為中子測(cè)井長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率。

校正前后的長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率與地層CO2含量的之間的相關(guān)關(guān)系見圖3,可見校正后長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率對(duì)CO2含量的響應(yīng)敏感度得到了較大提高。

考慮到校正后的長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率和氣體平均含氫指數(shù)均對(duì)CO2含量有較好的響應(yīng),故使用這2種參數(shù)建立氣層CO2含量計(jì)算模型以提高模型準(zhǔn)確度。擬合式為

(9)

圖5 DF13-2-8d井CO2定量預(yù)測(cè)測(cè)井解釋成果圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=0.304 8 m,下同

將6口井12個(gè)層位對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率值、計(jì)算出的氣體平均含氫指數(shù)值、含水飽和度值及孔隙度值代入式(9),計(jì)算出地層條件下CO2氣體含量。圖4為實(shí)際的地層測(cè)試CO2含量和計(jì)算的地層CO2含量對(duì)比圖,數(shù)據(jù)點(diǎn)基本上沿45°線分布,平均絕對(duì)誤差為1.9%,未出現(xiàn)絕對(duì)誤差超過10%的點(diǎn)。

圖4 地層測(cè)試CO2含量與測(cè)井解釋地層CO2含量對(duì)比圖

4 應(yīng)用效果

選取未參與建模的DF13-2-8d井,運(yùn)用本文建立的模型計(jì)算氣層中CO2含量,驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性。圖5為DF13-2-8d井CO2含量預(yù)測(cè)測(cè)井解釋成果圖。圖5第5道中,氣體平均含氫指數(shù)普遍為0.3～0.6,顯示出高含甲烷特征。該井識(shí)別出的氣層中定量計(jì)算得到的CO2含量普遍低于10%:3 105～3 134 m段氣層中CO2平均含量為7.3%,3 146～3 172 m段氣層中CO2平均含量為8.1%。MDT測(cè)試得3 115 m處CO2所占?xì)怏w比例為5.9%,3 163 m處CO2所占?xì)怏w比例為6.6%,與各自所在層段CO2含量的平均值的絕對(duì)誤差均不超過10%。

圖6 BD19-2N-1井二氧化碳定量預(yù)測(cè)測(cè)井解釋成果圖

選取寶島氣田BD19-2N-1井的黃流組一段為目的層段進(jìn)行測(cè)井處理和解釋。圖6為BD19-2N-1井CO2含量預(yù)測(cè)測(cè)井解釋成果圖,第5道中,氣體平均含氫指數(shù)普遍低于0.1,顯示為高含CO2氣層。根據(jù)本文的模型定量計(jì)算得到該氣層中CO2含量接近100%,平均含量為96.2%;在4 059.8 m處MDT測(cè)試結(jié)果顯示CO2含量占?xì)怏w體積比例為92.41%。測(cè)試結(jié)果與測(cè)井解釋結(jié)果的絕對(duì)誤差未超過10%,說明本文提出的預(yù)測(cè)CO2含量的模型是準(zhǔn)確可行的。

5 結(jié) 論

(1) 研究表明,經(jīng)泥質(zhì)、骨架、地層水校正后的中子測(cè)井長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率和氣體平均含氫指數(shù)與地層中的CO2含量有較好的相關(guān)性,可以利用這些參數(shù)定性識(shí)別天然氣藏中的CO2。

(2) 結(jié)合密度體積模型與阿爾奇公式計(jì)算了儲(chǔ)層孔隙度與含水飽和度,建立了基于中子長(zhǎng)源距計(jì)數(shù)率和氣體平均含氫指數(shù)的CO2含量預(yù)測(cè)模型,不僅提高了計(jì)算精度,并且有效克服了氣層物性、含水飽和度等因素對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。

(3) 利用實(shí)際資料對(duì)本文建立的CO2定量計(jì)算模型進(jìn)行了檢驗(yàn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果較為吻合,說明模型的計(jì)算精度較高,有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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