趙良孝 邢會(huì)民

川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

天然氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的新參數(shù)
——充盈度

趙良孝 邢會(huì)民

川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

在天然氣儲(chǔ)層識(shí)別和生產(chǎn)能力評(píng)價(jià)中,存在兩個(gè)矛盾:一是應(yīng)用挖掘效應(yīng)進(jìn)行氣層判斷時(shí)誤差較大;二是根據(jù)孔隙度、空隙空間結(jié)構(gòu)、滲透率、飽和度、有效厚度等參數(shù)來確定生產(chǎn)能力時(shí),其參數(shù)值越大并不表明產(chǎn)能越高。為此提出了天然氣充盈度的概念,在分析充盈度及天然氣密度的決定因素基礎(chǔ)上,利用常規(guī)測(cè)井資料的含氫指數(shù)和經(jīng)骨架密度校正的密度孔隙度及其相應(yīng)圖版,計(jì)算地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度,然后再根據(jù)密度體積方程計(jì)算地下天然氣密度,最后計(jì)算出地層壓力和充盈度參數(shù)。根據(jù)所計(jì)算出的充盈度結(jié)果,不僅搞清了產(chǎn)生上述矛盾的機(jī)理,而且還發(fā)現(xiàn)充盈度與產(chǎn)能有著良好的正相關(guān)性,從而提高了天然氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度,有助于科學(xué)預(yù)測(cè)氣藏的分布和富集程度。

充盈度 天然氣 儲(chǔ)集層 生產(chǎn)能力 密度 數(shù)學(xué)模型 評(píng)價(jià)

天然氣充盈度的概念為:地層溫度、壓力條件下天然氣的密度與標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)壓力條件下天然氣密度的比值。

1 天然氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中出現(xiàn)的兩個(gè)矛盾

1.1 天然氣儲(chǔ)層識(shí)別中的矛盾

以往對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行氣水或油氣判別時(shí),主要基于天然氣的低含氫指數(shù)及挖掘效應(yīng),氣層視中子孔隙度降低,而聲波和密度視孔隙度增高,且其差別越大,越符合氣層特征。但在測(cè)井解釋中卻發(fā)現(xiàn)有些高產(chǎn)氣層的視中子孔隙度并不很低,而密度、聲波視孔隙度卻增大不多,故經(jīng)常導(dǎo)致氣水或油氣判別失誤[1-2]。如圖1和圖2所示,它們分別是蘇里格氣田某井產(chǎn)氣3.89× 104m3/d氣層和土庫(kù)曼斯坦氣田某井產(chǎn)氣21.0×104m3/d氣層的測(cè)井響應(yīng)特征,顯然高產(chǎn)氣層的視孔隙度關(guān)系反而更接近水層特征。

1.2 天然氣儲(chǔ)層產(chǎn)能評(píng)價(jià)中的矛盾

在對(duì)天然氣儲(chǔ)層進(jìn)行測(cè)井定量評(píng)價(jià)中,只用了孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個(gè)基本參數(shù)。但近來在氣層評(píng)價(jià)中,發(fā)現(xiàn)有些儲(chǔ)層,上述4個(gè)參數(shù)基本相同,而產(chǎn)能卻差別較大,甚至出現(xiàn)4個(gè)參數(shù)較好的儲(chǔ)層,而氣產(chǎn)量反而低于4個(gè)參數(shù)較差的儲(chǔ)層(表1)。

1.3 兩個(gè)矛盾現(xiàn)象的啟示

為解釋上述矛盾,可從天然氣的聚集過程討論。當(dāng)天然氣向一個(gè)被地層水充滿的水層運(yùn)移和聚集時(shí),先將其可動(dòng)水逐漸驅(qū)替,直到全部驅(qū)出后,如天然氣壓力仍高于儲(chǔ)層驅(qū)替壓力,則天然氣將繼續(xù)進(jìn)入儲(chǔ)層,但此時(shí)不可能將束縛水驅(qū)出,只能使壓力增高,直到等于儲(chǔ)層所需的驅(qū)替壓力時(shí)為止[3]。另一方面,對(duì)于氣態(tài)的天然氣,無論其質(zhì)量多少,它總能充滿與之相連通的空間。正是由于以上兩個(gè)原因,就可能出現(xiàn)兩個(gè)儲(chǔ)層雖然具有相同氣飽和度,卻有不同的地層壓力,如果天然氣成分及溫度相同,則反映了天然氣不同的密度。

根據(jù)上述認(rèn)識(shí),就可對(duì)氣層評(píng)價(jià)中兩個(gè)矛盾的現(xiàn)象做出解釋。

對(duì)于氣層識(shí)別來說,一個(gè)好的氣層,天然氣密度較大,使含氫指數(shù)、密度和聲波傳播速度都增高,故減少了幾種視孔隙度間的差異,從而可能將其誤判為含水層,甚至為水層。

對(duì)于氣層定量評(píng)價(jià)來說,當(dāng)孔隙度、滲透率、含氣飽和度、有效厚度等參數(shù)一定時(shí),顯然天然氣密度越大,其儲(chǔ)量和產(chǎn)量都會(huì)越高。但如將天然氣密度視為固定常數(shù),則可能將好的氣層當(dāng)作高含水飽和度氣層,而將差的氣層卻當(dāng)作了高產(chǎn)氣層。

圖1 蘇里格氣田某井氣層測(cè)井響應(yīng)特征圖

圖2 土庫(kù)曼斯坦某井氣層測(cè)井響應(yīng)特征圖

表1 松淺X1井與松淺X2井氣層參數(shù)對(duì)比表

因此在氣層評(píng)價(jià)中,除孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個(gè)參數(shù)外,還必須引入與天然氣密度相關(guān)的參數(shù)。

2 充盈度的概念及其計(jì)算方法

2.1 天然氣密度的決定因素

為引入一個(gè)既與天然氣密度相關(guān),又可用測(cè)井資料求得的參數(shù),需首先搞清天然氣密度的決定因素,主要有以下幾方面。

2.1.1 天然氣組成

天然氣以甲烷為主,乙烷次之(約占10%),還有少量丙烷、丁烷、戊烷。在其他條件相同時(shí),組分不同,單位體積的質(zhì)量數(shù)也不同。

2.1.2 天然氣運(yùn)移和聚集的條件

1)氣源充足程度:氣源越充足,可能密度越高。

2)氣層距氣水界面的高度:高度越大,壓差越大,可能密度越高。

3)天然氣源與儲(chǔ)層間的運(yùn)移路徑:越通暢,氣體越容易進(jìn)入儲(chǔ)層而使密度較高;反之如遭非滲透性巖層、斷層等因素的影響可使天然氣密度很低,甚至完全不能進(jìn)入儲(chǔ)層。

4)儲(chǔ)層的空隙空間結(jié)構(gòu):它決定了氣驅(qū)水所需的排替壓力,該壓力越高,在一定壓力條件下進(jìn)入儲(chǔ)層的天然量越少,密度自然越小。

2.1.3 氣層的溫度和壓力

對(duì)于理想氣體,溫度(T)、壓力(p)與體積(V)的關(guān)系應(yīng)滿足克拉珀龍氣體狀態(tài)方程[4]:

式中:n為天然氣摩爾量,kmol;R為氣體常數(shù),M Pa· m3/(kmol·k)。

進(jìn)而可推出理想氣體密度(ρg)與其溫度、壓力、分子量的關(guān)系:

但天然氣并非理想氣體,故在溫度和壓力條件相同時(shí),同樣質(zhì)量的天然氣體積與理想氣體體積不同,這種差異可用偏差系數(shù)(Z)來表示。這樣壓力與密度的關(guān)系式就變?yōu)?

式中:ρg為天然氣密度,kg/m3;T為天然氣溫度,K;p天然氣壓力,M Pa;Z為天然氣的氣體偏差系數(shù);Mmol為天然氣摩爾質(zhì)量,kg/kmo l。

由此可知,對(duì)一定成分的氣體,Mmol為常數(shù),則壓力就是密度和溫度的函數(shù)。

2.2 引入充盈度的概念

據(jù)上所述,為評(píng)價(jià)氣層儲(chǔ)量和產(chǎn)量,需知道單位體積儲(chǔ)層中的天然氣質(zhì)量數(shù),顯然只用常規(guī)4個(gè)儲(chǔ)層參數(shù)不夠,還必須增加天然氣密度。但天然氣密度受其組分、溫度、壓力及運(yùn)移和聚集條件等多種因素影響,使氣層評(píng)價(jià)變得十分復(fù)雜,難于操作。為此可對(duì)密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,消除組分、溫度、壓力的影響,只反映運(yùn)移和聚集條件對(duì)密度的貢獻(xiàn),即天然氣在聚集時(shí)對(duì)儲(chǔ)層空隙空間的充盈程度。因此可引入這樣一個(gè)新的概念,它既能反映天然氣密度,又可排除溫度和壓力的影響,從而突出儲(chǔ)層實(shí)際捕捉到的天然氣質(zhì)量。將這一概念稱作為天然氣充盈度(C)。它在數(shù)理含義上是地層溫度、壓力條件下天然氣的密度(ρgf)與標(biāo)準(zhǔn)溫度(293 K或20℃)、標(biāo)準(zhǔn)壓力(0.101 M Pa)條件下天然氣密度(ρgs)的比值,即:C=ρgf/ρgs。

因此,當(dāng)計(jì)算出充盈度(C)后,就可根據(jù)天然氣的成分求得其標(biāo)準(zhǔn)條件下的密度,進(jìn)而求得地層條件下的天然氣密度。

2.3 充盈度的計(jì)算方法

2.3.1 地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度計(jì)算

根據(jù)中子測(cè)井含氫指數(shù)和經(jīng)骨架密度校正的密度孔隙度,進(jìn)入中子含氫指數(shù)—密度孔隙度交會(huì)圖版(圖3),再根據(jù)儲(chǔ)層深度選擇相應(yīng)的關(guān)系曲線族,則由交會(huì)點(diǎn)位置可得到地層孔隙度(φ)。由中子測(cè)井含氫指數(shù)及計(jì)算出的密度孔隙度,在此交會(huì)圖可查出其對(duì)應(yīng)的地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度(Sxo)。

2.3.2 地下天然氣密度的計(jì)算

由自然伽馬資料計(jì)算泥質(zhì)含量(Vsh),并根據(jù)儲(chǔ)層深度和黏土成分計(jì)算ρNsh、φNsh;最后根據(jù)巖石、礦物成分選取合適的φMma和ρma。將所獲得的這些參數(shù)代入密度響應(yīng)方程:

圖3 中子含氫指數(shù)—密度孔隙度交會(huì)圖版

由于ρmix受地層水和鉆井液濾液礦化度影響很小,因此取其二者的平均值作為ρmix,造成的誤差可忽略不計(jì)。因此由式(5)可計(jì)算出地層中天然氣密度值。

2.3.3 地層壓力的計(jì)算

根據(jù)天然氣中子含氫指數(shù)與密度、壓力、溫度的關(guān)系(圖4),在已知中子含氫指數(shù)和溫度或已知密度和溫度的情況下,便可查出地層壓力。

圖4 天然氣含氫指數(shù)與溫度、壓力的關(guān)系圖

2.3.4 計(jì)算天然氣充盈度

根據(jù)氣層溫度、天然氣成分及上述計(jì)算的天然氣密度和壓力,就可算出天然氣充盈度。

3 結(jié)果驗(yàn)證

將充盈度概念用于蘇里格、白馬、松華、廣安、土庫(kù)曼斯坦阿姆河右岸等國(guó)內(nèi)外多個(gè)氣田,不僅使氣、水層鑒別的準(zhǔn)確性明顯增強(qiáng)提高,而且對(duì)氣層產(chǎn)量的定量估算精度也大大提高,因?yàn)樵诳紫抖?、含氣飽和度、產(chǎn)層厚度大體相同的情況下,充盈度與產(chǎn)能(試油結(jié)果)有著良好的正相關(guān)性(表2)?？梢姵溆葘?duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)十分明顯。

表2 XX5-2-17井與XX5-13-30井對(duì)比表

4 應(yīng)用前景

充盈度概念的引入及用測(cè)井資料計(jì)算其大小的成功,不僅在定性判別氣、水層,定量估算天然氣產(chǎn)量方面有十分重要的意義,而且由于充盈度是將溫度、壓力及天然氣成分等因素校正到標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)儲(chǔ)層中天然氣密度的衡量,從而突出了天然氣運(yùn)移、聚集過程中對(duì)儲(chǔ)層中水的驅(qū)替能力和氣的充填程度。因此它在幫助預(yù)測(cè)天然氣藏的分布及富集程度方面一定有更為廣闊的應(yīng)用前景。

[1]趙良孝,趙佐安,邢會(huì)民.儲(chǔ)層流體類型的測(cè)井判別方法[M].成都:四川科學(xué)技術(shù)出版社,2009.

[2]趙良孝.測(cè)井在四川碳酸鹽巖儲(chǔ)層研究中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),1991,11(5):26-30.

[3]陳元千,李璗.現(xiàn)代油藏工程[M].北京:石油工業(yè)出版社, 2001.

[4]福里斯СЭ,季莫列娃A B.普通物理學(xué):第一卷[M].梁寶洪,譯.北京:人民教育出版社,1962.

A new parameter for gas reservoir appraisal:Suffusive degree

Zhao Liangxiao,Xing Huim in
(Geologic Exp loration &Development Research Institute,Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td., CN PC,Chengdu,Sichuan 610051,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.31-34,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Two p roblem s exist in gas reservoir identification and p roductivity estimation.One is that a big erro r occursw hen gas layers are identified acco rding to the excavation effect.The other is that gas p roductivity can not be really determined by those parameters such as porosity,po re structure,permeability,saturation and net thickness,the higher values of w hich do not mean a higher p roductivity.A new concep t of gas suffusive degree is p resented to solve these p roblems.Based on analysisof the determinative facto rs of gas suffusive degree and density,the hydrogen index from conventional logging data and thematrix-density-corrected density po rosity and itsassociated chart board are used to calculate the in-situ porosity and the water saturation of wash zones.Then,in-situ gas density is calculated by using density-volume equation.Finally,fo rmation p ressure and gas suffusive degree are calculated.The calculation of suffusive degree reveals not only the causesof the above-mentioned two p roblem s but also the positive correlation between suffusive degree and p roductivity.This parameter can enhance the accuracy of gas reservoir app raisal and help p redict gas distribution and the level of enrichment.

suffusive degree,natural gas,reservoir,p roductivity,density,mathematicalmodel,app raisal

趙良孝,1940年生,教授級(jí)高級(jí)工程師;從事石油地質(zhì)礦產(chǎn)普查與勘探研究工作。地址:(610051)四川省成都市府青路一段1號(hào)。電話:(028)86015420。E-mail:zhaolxhm@126.com

趙良孝等.天然氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的新參數(shù)——充盈度.天然氣工業(yè),2010,30(6):31-34.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.008

(修改回稿日期 2010-04-18 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.008

Zhao L iangxiao,p rofessor of senio r engineer,born in 1940,is engaged in petroleum geologic survey and exp lo ration.

Add:No.1,Sec.1,Fuqing Rd.,Chengdu,Sichuan 610051,P.R.China

Tel:+86-28-8601 5420E-mail:zhaolxhm@126.com