趙軍, 武延亮, 周燦燦, 及成林, 韓能潤(rùn)

(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.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院, 北京 100083; 3.中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司長(zhǎng)慶事業(yè)部, 陜西 西安 710220; 4.中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司測(cè)井公司, 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

天然氣水合物分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中,在合適的溫度(低于300 K)、壓力(大于6 MPa)、氣體飽和度、水的鹽度和pH值等條件下由輕烴、二氧化碳以及硫化物等小分子與水相互作用形成類冰的、非化學(xué)計(jì)量的籠形固體結(jié)晶化合物。自然界中存在的天然氣水合物的主要成分是甲烷(>90%),所以又常稱天然氣水合物為甲烷水合物[1]。

對(duì)天然氣水合物資源量的研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)始,由于評(píng)價(jià)方法不同及評(píng)價(jià)參數(shù)差異大,不同的學(xué)者估算得到的資源量值相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。目前天然氣水合物中甲烷儲(chǔ)量的計(jì)算已趨理性,仍然需要高分辨率的測(cè)量手段。地球物理測(cè)井方法能夠在原位地層壓力和溫度條件下測(cè)量地層物理特性,在天然氣水合物探測(cè)和儲(chǔ)量評(píng)價(jià)中是其他勘探方法所不能替代的[3]。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外天然氣水合物地球物理測(cè)井響應(yīng)的特征以及現(xiàn)有測(cè)井評(píng)價(jià)方法的了解和研究,對(duì)于加快中國(guó)天然氣水合物勘探與開(kāi)發(fā)具有重要的促進(jìn)作用。

1 天然氣水合物的巖石物理實(shí)驗(yàn)

水合物的巖石物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪墙⒃谄湓诳紫吨匈x存模式的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同賦存狀態(tài)建立水合物實(shí)驗(yàn)研究的巖石物理模型?？紫吨胁煌奶烊粴馑衔镔x存模式對(duì)儲(chǔ)層的物理平衡具有深遠(yuǎn)的影響,Ecker C、Helgerud等以及王祝文、李舟波等先后對(duì)水合物的賦存模式進(jìn)行研究分類。Xu等[4]在前人研究的基礎(chǔ)之上提出了較為全面的6種水合物賦存模型:①水合物分布于顆粒的交接處,起膠結(jié)作用;②水合物包裹巖石骨架顆粒;③水合物生長(zhǎng)在骨架的內(nèi)部,與顆粒共同承擔(dān)著圍壓;④水合物占據(jù)較大的巖石粒間孔隙;⑤水合物像冰層一樣分布于凍土的巖石骨架之中,呈包裹體結(jié)構(gòu);⑥水合物呈結(jié)核狀分布,或充填在裂縫當(dāng)中(見(jiàn)圖1)。李景葉等根據(jù)天然氣水合物在儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)不同建立了4種不同巖石物理模型分析水合物,并給出了相應(yīng)模型的彈性力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法。

圖1 天然氣水合物在地層中的分布模式

國(guó)外學(xué)者在模擬海相沉積物中甲烷水合物的形成時(shí)介紹了一種先進(jìn)的計(jì)算模型(無(wú)網(wǎng)格基于粒子的模型),用來(lái)模擬孔隙級(jí)的流體流動(dòng)、熱量和物質(zhì)傳送,以及水合物的形成?；诖四Ｐ?能夠預(yù)測(cè)水合物形成過(guò)程中孔隙空間分布及滲透率的變化。以無(wú)網(wǎng)格為基礎(chǔ)的水合物形成模型,包括宏觀和介觀2種模型。宏觀模型提供了系統(tǒng)級(jí)水平的形成過(guò)程,而介觀模型提供了水合物內(nèi)或沉積物表面的物理化學(xué)反應(yīng)信息。

2 天然氣水合物的測(cè)井響應(yīng)特征及定性識(shí)別

常溫常壓條件下,天然氣水合物不穩(wěn)定。地球物理測(cè)井評(píng)價(jià)方法,尤其是隨鉆測(cè)井評(píng)價(jià)方法具有直接測(cè)量原位狀態(tài)下的天然氣水合物儲(chǔ)層的物理性質(zhì)的優(yōu)勢(shì),相對(duì)于取心測(cè)量既有經(jīng)濟(jì)性和連續(xù)性等特點(diǎn),又充分顯示了地球物理測(cè)井在天然氣水合物勘探、評(píng)價(jià)和生產(chǎn)工作中的特殊優(yōu)勢(shì)。

2.1 天然氣水合物儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征

天然氣水合物的地球物理性質(zhì)與地層中的巖石骨架、油層、氣層和水層在很多物理性質(zhì)上存在較大差異,這些差異必然在測(cè)井曲線上有其特殊的反映。綜合深海鉆探計(jì)劃、大洋鉆探計(jì)劃和永久凍土帶天然氣水合物產(chǎn)出地的常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的分析結(jié)果,根據(jù)其物理特征與對(duì)測(cè)井結(jié)果的影響方式,通過(guò)總結(jié)前人研究成果,得到天然氣水合物儲(chǔ)層的地球物理測(cè)井響應(yīng)特征[3,5-9](見(jiàn)表1)。

2.2 天然氣水合物儲(chǔ)層測(cè)井定性識(shí)別

Collett等[10]在阿拉斯加北坡普拉德霍灣和庫(kù)帕勒克河地區(qū)利用測(cè)井曲線確定水合物存在的過(guò)程中,總結(jié)出利用測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)鑒別天然氣水合物層段的4個(gè)條件:①較高的電阻率值(大約是水電阻率值的50倍以上);②聲波傳播時(shí)間短(大約比水低131 s/m);③在鉆進(jìn)過(guò)程中有明顯的氣體排放(氣體的體積濃度為50‰～100‰);④測(cè)井解釋出的天然氣水合物儲(chǔ)層至少要存在于有2口或多口鉆井的地區(qū)(僅在布井密度高的地區(qū))。

由于天然氣水合物的物理性質(zhì)與儲(chǔ)層骨架以及油氣不同,因此,天然氣水合物層段無(wú)論是在常規(guī)測(cè)井曲線上有明顯的特征(低自然伽馬、井徑擴(kuò)大、高電阻率、低密度、高中子孔隙度以及低聲波時(shí)差等),還是在電成像測(cè)井(顯示高亮)和核磁共振孔隙度測(cè)井(總孔隙度明顯減小)等,都有較為明顯的顯示。根據(jù)上述測(cè)井響應(yīng)特征(見(jiàn)表1)定性識(shí)別天然氣水合物是判斷天然氣水合物儲(chǔ)層的重要依據(jù)。

表1 天然氣水合物儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征

*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

3 天然氣水合物儲(chǔ)層定量測(cè)井評(píng)價(jià)

定量評(píng)價(jià)天然氣水合物的地球物理測(cè)井方法基本延用常規(guī)油氣藏測(cè)井評(píng)價(jià)理論與方法。水合物測(cè)井評(píng)價(jià)包括水合物的分布形態(tài)、地層孔隙、水合物飽和、水合物的資源潛力等,同時(shí)也涉及到儲(chǔ)層滲透性的評(píng)價(jià),總體上,儲(chǔ)層孔隙度和飽和度仍是測(cè)井評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。對(duì)天然水合物儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)基本圍繞結(jié)合Collett的多組分模型(將天然氣水合物儲(chǔ)層的多組分體積模型歸納為如圖2所示的4類,同時(shí)與常規(guī)油氣評(píng)價(jià)儲(chǔ)層多組分體積模型進(jìn)行對(duì)比,Sh是天然氣水合物飽和度)[11]。

圖2 常規(guī)油氣評(píng)價(jià)與天然氣水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的多組分體積模型

3.1 天然氣水合物孔隙度評(píng)價(jià)

儲(chǔ)層孔隙度的準(zhǔn)確性直接影響天然氣水合物儲(chǔ)層和天然氣儲(chǔ)量的正確評(píng)價(jià),也是天然氣水合物儲(chǔ)層最難計(jì)算的參數(shù)之一。孔隙度常用的評(píng)價(jià)方法是密度測(cè)井評(píng)價(jià)方法、中子測(cè)井評(píng)價(jià)方法和核磁共振測(cè)井評(píng)價(jià)方法,聲波和電阻率測(cè)井曲線特征明顯,也可用來(lái)評(píng)價(jià)天然氣水合物儲(chǔ)層的孔隙度。利用2種和2種以上測(cè)井資料綜合求取天然氣水合物儲(chǔ)層孔隙度也有了新的應(yīng)用。依據(jù)巖石物理體積模型的加權(quán)平均方法,結(jié)合不同測(cè)井方法的原理,總結(jié)前人研究的成果,可以得到各種不同測(cè)井評(píng)價(jià)方法的孔隙度計(jì)算模型[3,6-8,12](見(jiàn)表2)。

表2中,Rt、Rw分別為地層和孔隙中水的電阻率;φ為地層孔隙度;a、m為經(jīng)驗(yàn)參數(shù);Rr為在參照溫度Tr( ℃)時(shí)給定鹽度下水的電阻率;Δtpma、Δtpf分別為巖石骨架以及孔隙中流體的縱波時(shí)差;ρb、ρf、ρma分別為地層、地層流體和地層巖石骨架密度;ρh為天然氣水合物的密度;Sh為天然氣水合物的飽和度;ρsh為泥質(zhì)的密度;Vsh為泥質(zhì)含量;ρi為冰的密度;φf(shuō)、φh、φma、φNsh分別為地層流體、天然氣水合物、巖石骨架和泥質(zhì)的中子響應(yīng);φi為孔隙中冰的響應(yīng);φDC、φNC分別為用泥質(zhì)含量修正后的密度測(cè)井孔隙度、中子測(cè)井孔隙度;φDsh、φNsh為密度測(cè)井及中子測(cè)井中泥質(zhì)的等價(jià)孔隙度;vw、vh和vma分別為孔隙水、水合物和巖石骨架的聲波縱波速度,m/s;vp為由聲波測(cè)井得到的水合物儲(chǔ)層的縱波速度,m/s。

表2 天然氣水合物孔隙度評(píng)價(jià)方法及計(jì)算公式

3.2 天然氣水合物飽和度評(píng)價(jià)

天然氣水合物飽和度Sh是天然氣水合物評(píng)價(jià)過(guò)程中非常重要的一個(gè)參數(shù)。飽和度的評(píng)價(jià)方法除常用的電阻率和聲波測(cè)井外,還有核磁共振測(cè)井和電磁波測(cè)井。其中,密度-核磁共振聯(lián)合解釋DMR(Density-Magnetic Resonance)方法所獲得的水合物飽和度通常被假定為準(zhǔn)確的飽和度并對(duì)其他測(cè)井評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行校正。不過(guò)對(duì)于薄的天然氣水合物層,由于電磁波測(cè)井具有較高的分辨率,其所獲得的飽和度估算結(jié)果甚至可以比NMR測(cè)井更為準(zhǔn)確。評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意天然氣水合物物性與水、天然氣的不同之處和相似之處,根據(jù)實(shí)際的地層條件選用不同的地層模型計(jì)算飽和度[7-8,12-18](見(jiàn)表3)。

表3中,Sw為含水飽和度;

R0為100%含水時(shí)

地層電阻率;Rt為含天然氣水合物的地層真電阻率;n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù);α為固結(jié)參數(shù),γ=(1+2α)/(1+α);φh=φSh;φas=φw+εφh;φw=φ(1-Sh);ε推薦取0.12;Kma、Kw和Kh分別為骨架基質(zhì)、水和水合物的體積模量,MPa;Gma為骨架基質(zhì)的剪切模量,MPa;可以通過(guò)Hill提出的平均方程得出;vp/vs為縱波與橫波波速比;Δts為橫波時(shí)差;aw、bw為常數(shù)。C/O為碳氧比值;A為碳和氧元素相對(duì)非彈性中子界面決定的常數(shù),大多數(shù)地層中取0.75;μ為結(jié)構(gòu)Ⅰ型甲烷水合物中氧的豐度;α、β為骨架、地層孔隙中碳原子豐度;γ、δ為骨架、地層孔隙中氧原子豐度;χ為孔隙中天然氣中碳原子豐度;ρh為純天然氣水合物的密度,約為0.91 g/cm3;cCl,pw為實(shí)測(cè)孔隙水中氯離子的濃度;cCl,sw為正?？紫端新入x子的濃度;LN和LF為2個(gè)接收天線的信號(hào)電平;L為2個(gè)接收天線的距離;tpw、tph、tpma分別為電磁波在水、天然氣水合物和巖石骨架中的時(shí)差;εr為相對(duì)介電常數(shù);σ為電導(dǎo)率,S/m;C為光在真空中的傳播速度,0.3 m/ns;f為正弦儀器頻率,EPT為11 GHz;ρma、ρh、ρw、ρc分別為巖石骨架、天然氣水合物、水和黏土的密度;εrma、εrh、εrw、εrc分別為巖石的骨架、天然氣水合物、水和黏土的相對(duì)介電常數(shù);Swc為黏土骨架和水的飽和度之和。

3.3 天然氣水合物儲(chǔ)層的滲透率估算

含天然氣水合物地層滲透率的確定方法存在一定的局限性,測(cè)量誤差比較大,測(cè)量技術(shù)需要進(jìn)一步提高。測(cè)量原位狀態(tài)下與天然氣水合物地層滲透率相關(guān)的參數(shù)是關(guān)鍵技術(shù),也是天然氣水合物研究的熱點(diǎn)之一。含天然氣水合物滲透率的計(jì)算模型主要依賴于孔隙度和飽和度,其中與孔隙度相關(guān)滲透率計(jì)算模型是SDR模型,與飽和度相關(guān)的滲透率計(jì)算模型有平行毛細(xì)管模型、Kozeny顆粒模型以及Masuda下降模型。

SDR模型是石油工業(yè)中廣泛使用、接受的滲透率計(jì)算模型[19-20]。該模型是在Kozeny模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合核磁共振測(cè)量,由Kleinberg等[20]提出。滲透率的計(jì)算關(guān)系式為

(1)

含天然氣水合物地層中的相對(duì)滲透率為[21]

(2)

式中,K(Sh)天然氣水合物飽和度為Sh時(shí)的滲透率;K0為不含天然氣水合物儲(chǔ)層的滲透率。

平行毛細(xì)管模型由Kleinberg等[20]在模擬多孔介質(zhì)時(shí)提出,假設(shè)模型是由相同半徑的一束平行毛細(xì)管組成。當(dāng)水合物占據(jù)毛孔時(shí),附著在毛細(xì)管壁上,使得孔隙度和毛細(xì)管半徑降低。

(3)

式中,K為含水合物地層的絕對(duì)滲透率;Sh為地層的天然氣水合物飽和度。

Kleinberg等在分析含水合物地層滲透率時(shí)認(rèn)為多孔介質(zhì)中孔隙空間是不規(guī)則的,流動(dòng)路徑不是一條直線。因此,提出了針對(duì)水合物地層的Kozeny顆粒模型。當(dāng)水合物占據(jù)毛孔時(shí),曲折度發(fā)生變化。

(4)

式中,指數(shù)n取15,00.8,水的相對(duì)滲透率相當(dāng)小,n的增加只有輕微的影響。

Masuda下降模型是平行毛細(xì)管模型和Kozeny顆粒模型的擴(kuò)展。在這個(gè)模型中,含水合物地層的相對(duì)滲透率隨水合物飽和度的增加以指數(shù)形式下降。影響水合物地層滲透率反映在指數(shù)上。隨著影響地層滲透率因素的增加,指數(shù)也增加[23-25]。地層相對(duì)滲透率為

(5)

式中,N為滲透率下降指數(shù),在2～15之間變化[26]。

4 天然氣水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的難點(diǎn)及前景展望

4.1 天然氣水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的難點(diǎn)

天然氣水合物儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的難點(diǎn)包括4個(gè)方面。①對(duì)于固結(jié)不好的天然氣水合物儲(chǔ)層,井壁不穩(wěn)定并存在較深的侵入,使得測(cè)井曲線質(zhì)量很差。測(cè)井曲線能識(shí)別天然氣水合物儲(chǔ)層,但可能得到不同的解釋結(jié)論,因此,獲取原位狀態(tài)下準(zhǔn)確的測(cè)井響應(yīng)最好選用隨鉆測(cè)井,以減少隨時(shí)間變化引起的儲(chǔ)層性質(zhì)改變。②某些非天然氣水合物組分的性質(zhì)和天然氣水合物儲(chǔ)層類似,或者由于采集時(shí)某些偶然因素的影響,使單條測(cè)井曲線難以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣水合物的識(shí)別,所以在實(shí)際工作中應(yīng)視具體情況選用多種測(cè)井方法并結(jié)合其他的方法來(lái)判識(shí)天然氣水合物儲(chǔ)層。③天然氣水合物儲(chǔ)層所含組分復(fù)雜,為避免多解性,確定儲(chǔ)層溫壓條件及地層孔隙中的組分,根據(jù)不同地層模型選用合適的測(cè)井方法及評(píng)價(jià)方法就很重要。定量求解地層孔隙度及天然氣水合物飽和度通常要進(jìn)行相應(yīng)校正,并采用聯(lián)合求解的方法,從而獲取準(zhǔn)確的地球物理參數(shù)。④對(duì)于同一個(gè)深度點(diǎn),常規(guī)測(cè)井資料只能提供1個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù),不能反映天然氣水合物空間分布特征;隨鉆測(cè)井和電纜測(cè)井井眼之間存在橫向非均質(zhì)性,導(dǎo)致隨鉆測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)之間存在一定的深度差異,難以對(duì)電纜測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和深側(cè)向紐扣電極方位電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行定量對(duì)比。

4.2 天然氣水合物將是21世紀(jì)最具潛力的新能源

隨著石油、煤等傳統(tǒng)型能源的日益枯竭,人們對(duì)環(huán)保型能源需求不斷加大,天然氣水合物作為一種清潔、高效、綠色、儲(chǔ)量巨大的潛在替代新型能源越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度重視,各國(guó)紛紛開(kāi)展了國(guó)家層面的天然氣水合物資源調(diào)查、勘探并制定了開(kāi)發(fā)研究計(jì)劃,在石油工業(yè)中發(fā)揮巨大作用的測(cè)井技術(shù)必然在天然氣水合物勘探中占有一席之地[2-3]。各國(guó)科學(xué)家對(duì)天然氣水合物資源量的估算值差別很大,一致地認(rèn)為其資源總量約為(18～21)×1016m3。中國(guó)具有可形成天然氣水合物天然條件的地區(qū)遼闊,其儲(chǔ)量巨大。據(jù)中國(guó)科學(xué)院戴金星院士估計(jì)全國(guó)天然氣水合物總資源量不少于100×1012m3。天然氣水合物必將替代煤和石油成為21世紀(jì)能源,或者說(shuō)天然氣水合物是未來(lái)能源[27]。

4.3 天然氣水合物未來(lái)研究的方向及思路

天然氣水合物有巨大的能源前景,隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展,開(kāi)發(fā)天然氣水合物已成為一種必然趨勢(shì)。預(yù)測(cè)今后的發(fā)展趨勢(shì)將是地質(zhì)學(xué)、地球物理和地球化學(xué)等多種學(xué)科相互結(jié)合,進(jìn)一步認(rèn)清天然氣水合物形成的控制因素及其分布規(guī)律,較準(zhǔn)確地估算其資源量,減少天然氣水合物分解和開(kāi)采帶來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境效應(yīng),最終合理開(kāi)發(fā)利用這一潛在的巨大資源。另外,水合物儲(chǔ)層是一個(gè)比常規(guī)油氣地層更為復(fù)雜的系統(tǒng),能否準(zhǔn)確識(shí)別復(fù)雜水合物儲(chǔ)層并對(duì)其進(jìn)行精細(xì)定量評(píng)價(jià)是當(dāng)前及今后天然氣水合物勘探技術(shù)研究的重點(diǎn),也是水合物開(kāi)發(fā)利用和環(huán)境影響評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。目前對(duì)復(fù)雜水合物儲(chǔ)層的測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)研究還較少,尤其是非孔隙填充型泥質(zhì)水合物儲(chǔ)層和夾層交界附近的測(cè)井研究,還需進(jìn)一步針對(duì)具體儲(chǔ)層研究適用的巖石物理模型和評(píng)價(jià)方法。

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