王 修 朝

中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院

0 引言

天然氣儲(chǔ)層的產(chǎn)能評(píng)價(jià)是儲(chǔ)層測井綜合解釋的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是難點(diǎn)所在[1-5]。近年來，隨著致密氣、頁巖氣等復(fù)雜含氣儲(chǔ)層勘探程度的不斷加大，含氣性解釋評(píng)價(jià)的要求不斷增加[6-14]，難度也日益凸顯，主要表現(xiàn)在巖石物理實(shí)驗(yàn)測量過程困難、低孔低滲對(duì)含水飽和度計(jì)算精度的影響大、孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)層導(dǎo)電機(jī)理的控制作用復(fù)雜等方面。同時(shí)，由于天然氣的物理性質(zhì)特殊，氣態(tài)烴類在地下的賦存受到溫度、壓力、地層水、巖石性質(zhì)等多方面因素的影響，基于體積百分比的飽和度評(píng)價(jià)參數(shù)已不能完全反映儲(chǔ)層的產(chǎn)氣能力，提出一套精確的天然氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法迫在眉睫。為此，筆者針對(duì)儲(chǔ)層含氣性定量評(píng)價(jià)問題開展研究，提出了一種有效定量表征儲(chǔ)層天然氣含氣性的參數(shù)，并給出了確定該參數(shù)的評(píng)價(jià)方法，該方法在實(shí)際區(qū)塊評(píng)價(jià)中的應(yīng)用效果理想，以期為天然氣的測井綜合解釋提供一條新的思路。

1 相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)的提出

含氣飽和度（天然氣體積占比）在天然氣儲(chǔ)層產(chǎn)能評(píng)價(jià)中的局限性主要表現(xiàn)在：天然氣受其本身具有可壓縮性的影響，含氣體積的大小不能反映產(chǎn)氣量的多少。在天然氣充注飽含水巖石孔隙的過程中，當(dāng)排烴壓力高于較大孔隙的毛細(xì)管壓力時(shí)，天然氣驅(qū)走孔隙內(nèi)的地層水而本身充注在巖石孔隙中，隨著可動(dòng)水的逐漸減少，天然氣的含量不斷增高，當(dāng)天然氣將可動(dòng)水全部驅(qū)替后，巖石孔隙只剩下束縛流體孔隙，此時(shí)天然氣便不能進(jìn)入這類剩余的孔隙。由于天然氣與液態(tài)流體不同，當(dāng)氣源的排烴壓力充足時(shí)，天然氣會(huì)繼續(xù)向巖石孔隙內(nèi)充注，此時(shí)孔隙內(nèi)氣體的體積不再改變，孔隙壓力不斷升高，天然氣密度不斷增大，直到排烴壓力與孔隙壓力平衡時(shí)為止，此時(shí)含氣量增加但含氣體積并未發(fā)生改變。因此，天然氣的體積與絕對(duì)含氣量不具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系[15-16]，即儲(chǔ)層的含氣飽和度并不能直接反映儲(chǔ)層的產(chǎn)能。

基于此，在天然氣的解釋評(píng)價(jià)過程中，需要提出新的解釋參數(shù)來克服上述問題。天然氣的物質(zhì)的量不隨其物理性質(zhì)的改變而改變，天然氣的物質(zhì)的量可表示為：

式中ng表示天然氣物質(zhì)的量，mol；mg表示天然氣質(zhì)量，kg；Mg表示天然氣視相對(duì)分子質(zhì)量，kg/mol；ρg表示天然氣的密度，kg/m3；Vg表示天然氣體積，m3。

式中 表示儲(chǔ)層的孔隙度；Sw表示儲(chǔ)層的含水飽和度。

2 相對(duì)氣體摩爾量的計(jì)算方法

氣體的狀態(tài)方程表征氣體的壓力、溫度與體積的相互關(guān)系，理想氣體狀態(tài)方程（克拉柏龍方程）表達(dá)式如下[16]：

式中p表示氣體的壓力，MPa；V表示氣體的體積，m3；n表示氣體的摩爾量，mol；T表示氣體的絕對(duì)溫度，K；R表示通用氣體常數(shù)，8.314 MPa·m3/（mol·K）。

式（3）只適用于理想氣體的表達(dá)，實(shí)際地下儲(chǔ)層的天然氣并非理想氣體，目前在油氣藏工程中廣泛采用壓縮因子狀態(tài)方程：

式中Z表示氣體的壓縮因子。

由壓縮因子狀態(tài)方程可以推導(dǎo)儲(chǔ)層的天然氣密度，即

式中pp表示孔隙壓力，MPa。

將式（5）代入式（2），相對(duì)氣體摩爾量表示為：

由式（6）此可以看出，相對(duì)氣體摩爾量的計(jì)算取決于儲(chǔ)層的孔隙壓力與天然氣的壓縮因子。

2.1 孔隙壓力的計(jì)算

孔隙壓力是儲(chǔ)層孔隙空間中賦存的流體產(chǎn)生的壓力，也叫孔隙流體壓力或地層壓力。常壓情況下，孔隙壓力為靜水柱壓力。地層孔隙壓力確定方法很多，常用方法主要包括等效深度法、Eaton法、DC指數(shù)法、經(jīng)驗(yàn)法等[17-20]。Eaton法是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上利用測井資料建立的地層孔隙壓力與測井響應(yīng)相互關(guān)系的一種計(jì)算方法，綜合考慮了壓實(shí)作用與儲(chǔ)層異常高壓的形成機(jī)制，適用性強(qiáng)。其壓力計(jì)算公式為：

式中po表示上覆地層壓力，MPa，可由密度測井積分獲得；pw表示地層靜水壓力，MPa；k表示測井曲線參數(shù)值或測井計(jì)算值，ki為第i個(gè)計(jì)算點(diǎn)的計(jì)算值k對(duì)應(yīng)的正常趨勢線參數(shù)值（即相同深度點(diǎn)的正常壓實(shí)趨勢值）；c為Eaton指數(shù)，與區(qū)塊特征及地質(zhì)年代有關(guān)，當(dāng)（k/ki）＞1時(shí)，改為ki/k。根據(jù)研究區(qū)塊實(shí)際，本文使用聲波時(shí)差曲線的對(duì)數(shù)函數(shù)（lnΔt）作為k的計(jì)算值，Δt表示聲波時(shí)差，μs/m。

在實(shí)際表征孔隙壓力時(shí)，由于壓實(shí)作用，壓力存在數(shù)值上的偏差，該偏差可以通過校正系數(shù)進(jìn)行校正。因此，孔隙壓力方程可改寫為：

式中校正系數(shù)α和c由擬合確定。

2.2 天然氣壓縮因子的確定

由于儲(chǔ)層中的天然氣是由低碳數(shù)的輕烴混合組成，其壓縮因子受天然氣的組分、溫度、壓力等因素影響。天然氣的壓縮因子可采用實(shí)驗(yàn)測試、經(jīng)驗(yàn)公式及S—K圖版法進(jìn)行求取[12]，采用S—K圖版法確定的壓縮因子精度高且相對(duì)簡便。

S—K圖版是Standing與Katz根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試資料及狀態(tài)方程推導(dǎo)建立的壓縮因子—視對(duì)比壓力和視對(duì)比溫度關(guān)系圖版[13]，也稱為天然氣的雙參數(shù)壓縮因子圖版，如圖1所示。

圖1 天然氣的雙參數(shù)壓縮因子圖版

結(jié)合式（8）與圖1，代入式（6），即可得到儲(chǔ)層的相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

按照上述計(jì)算過程，選取鄂爾多斯盆地蘇里格致密氣田某區(qū)X井資料進(jìn)行綜合處理計(jì)算，上覆地層壓力由密度積分可得隨深度（H）的變化公式為：

利用聲波時(shí)差資料確定蘇里格致密氣田某區(qū)儲(chǔ)層正常壓實(shí)趨勢線，建立lnΔt與深度的函數(shù)關(guān)系，可得壓實(shí)關(guān)系曲線（圖2）。

圖2 蘇里格致密氣田某區(qū)聲波時(shí)差測井曲線正常壓實(shí)趨勢圖

通過式（14）即可根據(jù)聲波時(shí)差曲線確定不同深度的正常壓實(shí)趨勢值，并且根據(jù)每個(gè)深度點(diǎn)的實(shí)測值，確定方程（7）中k/ki的值。該區(qū)塊實(shí)際壓力方程式為：

式中l(wèi)nΔti表示第i個(gè)深度點(diǎn)的聲波時(shí)差對(duì)數(shù)lnΔt對(duì)應(yīng)的正常趨勢線參數(shù)值。

含水飽和度（Sw）計(jì)算采用Archie公式，即

式中a表示與巖石有關(guān)的比例系數(shù)，b表示與巖性有關(guān)的常數(shù)，m表示巖石膠結(jié)指數(shù)，n表示飽和度指數(shù)，均為常數(shù)，無量綱；Rw表示地層水電阻率，Ω·m；Rt表示地層電阻率，Ω·m。

根據(jù)公式（6），可計(jì)算縱向連續(xù)的相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)，對(duì)X井進(jìn)行計(jì)算，處理結(jié)果如圖3所示。試氣結(jié)果顯示，該測試井段有4個(gè)含氣層，由上至下分別為：微含氣層、含氣層、氣層、氣層，其物性參數(shù)差異不大。將各含氣儲(chǔ)層的相對(duì)氣體摩爾量計(jì)算結(jié)果與含氣飽和度計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以看到各含氣級(jí)別儲(chǔ)層的相對(duì)氣體摩爾量數(shù)值差異顯著，且與中子—密度差值程度有著相同的指示特征，說明相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)可以較好地指示儲(chǔ)層的含氣性，而含氣飽和度參數(shù)在本解釋井段中不能較好區(qū)分氣層與含氣層。

從表1中可以看出，含氣飽和度最高的Ⅱ?qū)釉嚉饨Y(jié)果為含氣層，相對(duì)氣體摩爾量僅為130 mol/m3，含氣飽和度相對(duì)低的Ⅲ層，相對(duì)氣體摩爾量數(shù)值明顯高于Ⅱ?qū)樱c試氣結(jié)果高度一致，說明相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)較含氣飽和度相比具有更強(qiáng)的天然氣產(chǎn)能識(shí)別能力。綜上分析表明，儲(chǔ)層的含氣飽和度與儲(chǔ)層的含氣性不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即高含氣飽和度巖石在某些情況下并不發(fā)育較好的氣層，相對(duì)中等含氣飽和度的巖石也可以發(fā)育高產(chǎn)氣層。

圖3 X井相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)計(jì)算處理結(jié)果圖

4 結(jié)論

1）相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)受孔隙度、飽和度和孔隙壓力及天然氣壓縮因子的共同控制，孔隙壓力和天然氣壓縮因子的精確計(jì)算是確定相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)的核心。

表1 X井儲(chǔ)層基本參數(shù)表

2）儲(chǔ)層的含氣飽和度與儲(chǔ)層的含氣性不一一對(duì)應(yīng)，高含氣飽和度儲(chǔ)層并不一定具有較高的天然氣產(chǎn)能，相對(duì)中等含氣飽和度的儲(chǔ)層也可以發(fā)育為高產(chǎn)氣層。

3）相對(duì)氣體摩爾量參數(shù)能夠精確反映儲(chǔ)層的天然氣的絕對(duì)含氣量，利用其數(shù)值大小能夠直接指示儲(chǔ)層的含氣性優(yōu)劣，較含氣飽和度相比具有更好的應(yīng)用效果。