火山岩气藏温度压力系统分析方法

陈福利,冉启全,孙圆辉,雷征东

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

火山岩气藏温度压力系统分析方法

陈福利,冉启全,孙圆辉,雷征东

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

火山岩气藏地质条件复杂多变,能否进行火山岩气藏科学分类,严重制约着火山岩气藏的开发水平。温度和压力是火山岩气藏分类的关键要素,依据温度压力参数的科学定义,进行气藏温度压力系统分析,研究建立火山岩气藏温度压力分类评价标准。该方法在大庆、吉林、新疆等国内主要火山岩气藏开发方案编制中进行了应用,取得了良好应用效果。该系统分析方法对火山岩气藏分类和气藏开发方案编制具有指导意义。

火山岩气藏;温度;压力;系统分析;分类;开发方案

引 言

近年来,我国松辽平原的大庆徐深、吉林长岭,新疆克拉美丽等地相继获得火山岩天然气重大发现。火山岩气藏常受火山岩体体积、岩流单元规模、孔隙 -裂缝性储集空间特征等多种因素控制,表现出气藏地质条件极端复杂多变、气藏规模较难准确确定等复杂地质特征。截至目前,火山岩气藏分类没有行业规范或标准。在火山岩气藏分类研究中,温度和压力是关键要素,采用静态地质研究为主的分类方法,不能满足气藏开发的需要。选择温度和压力参数研究火山岩气藏的静态和动态特征,建立相应的分类评价方法和标准,可为火山岩气藏开发方案编制提供可靠的温度压力技术参数。

1 温度压力系统理论

气田 (气藏)“压力系统”指一个单独的流体流动单元[1]。同一压力系统特征包括:①系统内压力可以相互传递;②系统内流体互相连通,并可由压力高势能区向低势能区流动,任何一点压力的变化将传播到整个系统。温度系统较压力系统复杂,受岩石产热、岩石热导、流体流动等综合因素决定。温度系统与压力系统密切相关,又各自独立,温度系统随着地质研究目标的尺度变化而变化。

地层压力系数定义为地层孔隙流体压力与同深度净水柱压力之比值,是测量点深度和压力的一个拟对比参数。公式为:

式中:FP为地层压力系数;pL为地层孔隙压力测量值,MPa;ρf为与地层孔隙压力相当的流体密度, g/cm3;pHw为地层水净液柱压力,MPa;ρw为地层水平均密度,g/cm3;g为地区重力加速度,cm/s2;Hw为水柱高度,m。

由压力系数定义可知压力系数必然是测点压力与测点埋深的比值,而不是测点压力与测点海拔、测量深度和垂直深度等的比值。若假定地层水的密度为 1 g/cm3,则压力系数在数值上等于测点压力折算的流体密度,这一参数对钻井液密度设计具有重要参考意义。

为了压力对比研究的便利,常引入折算压力参数。折算压力是指将不同深度测量的压力折算到某一参考基准面 (如海平面、地平面、油水界面、气水界面等)后的压力。计算公式:

式中:pZHE为折算压力,MPa;pL为实测压力,MPa; ρH为烃流体密度,g/cm3;HL为测量垂直深度或海拔,m;H0为基准面垂直深度,m。

在油气藏压力系统分析中,常用静压梯度法分析地层流体性质。静压梯度定义为沿垂直深度方向,单位深度变化上的压力变化。计算公式为:

式中:Gp为静压梯度,MPa/m;Δp为实测压力变化量,MPa;ΔH为实测垂直深度变化量,m。

选用上述单位计算时,静压梯度在数值上等于测量段流体的等效密度。若地层内为相同流体,则为地层流体密度ρf(g/cm3)。

对于地层温度系统常用 (静)地层温度 (T)和(静)地温梯度 (GT)参数表示。地层温度是指实际地层的温度数值,也称为梯度地温。地温梯度是指单位垂直深度上的温度变化量大小。对于经典的地层温度与地温梯度关系,有如下公式:

式中:T为地层实际温度,℃;T0为区域恒温层地层温度,℃;Hc为恒温层以下地层垂直深度 (地层埋深与恒温层埋深差),m;GT为区域地温梯度常数,℃/m。

对于连续沉积地层,一般具有稳定的地温梯度,地层温度可用 (4)式计算。对于火山岩、变质岩、多期次构造升降沉积地层等复杂结构地层,地温梯度常表现为随岩性和深度变化而变化,这种条件下不能用统一的地层温度计算公式计算地层温度,需要分段给出符合线性变化的地温梯度和地层温度计算公式。地温梯度的变化在一定程度上反映了温度系统的变化,由于地层内部热对流传热远高于岩石热传导传热,因此,同一压力系统常具有统一的温度梯度,不同的温度梯度反映不同的温度、压力系统。

2 温度压力测量及分析方法

温度和压力常用井下温度压力仪器测量得到。由于井下环境复杂多变,压力场、温度场的平衡需要很长的时间,如何准确测量地层原始静态温度和压力,一直存在不少困难[2-9]。

对于深埋地下数千米的地层温度和压力测量,主要围绕钻井井眼开展,不同阶段有不同的测量方法,如钻井阶段的随钻地层压力温度测试 (DFT)、钻杆地层测试 (DST),完井阶段的电缆地层测试(FMT)、重复式地层测试 (RFT),模块式地层动态测试(MDT),试油阶段的试井温度压力测试、生产测井温度压力测量等。由于受井眼测量环境、测量仪器、井下温度压力场平衡时间等影响,不同的压力温度测量结果可能存在较大的误差。

随钻地层压力温度测试(DFT)、钻杆地层测试(DST)压力和温度资料较粗,由于井下泥浆循环,地层压力温度难以恢复到平衡状态,因此测量结果主要用来确定地层流体性质,压力、温度近似结果;试井和生产测井都是可下入高精度压力计,可以在地层压力、温度平衡后测量,测量精度高,地层温度压力代表性强,但是需要时间长,多数只能测量储层的宏观压力温度参数,如油层中部温度压力;电缆地层测试(如MDT)能够直接测量地层内部流体温度、压力,可以进行取样分析,能够得到纵向上高分辨率的温度压力测量结果,其测量精度较高,占井时间较少,一直是确定流体密度、砂层连通性、流体接触关系的主要测量方法。但是,其压力测试或多或少的存在一定的增压量,渗透率越小,增压量越大,要获得代表地层压力的真实地层压力需要的流体扰动量越大,压力恢复的时间越长。对于火山岩地层MDT测试存在严重的测量失败风险。研究表明,低渗透率 (<10×10-3μm2)地层中,先进的MDT测试,将出现增压效应压力测井结果偏大,在特低渗透率 (<1×10-3μm2)地层测量失败率很高,新疆克拉美丽气田石炭系火山岩气藏MDT测井统计显示测量成功率不足 5%,多数火山岩气层渗透率很低,不适于进行MDT测试。电缆地层测试资料主要用于确定地层流体性质,地层渗透率、地层压力、地层连通性等,其优点在于比试井方便、测量纵向分辨率高,便于快速认识地层温度压力特征。

在进行压力、温度分析前,首先要依据研究目的,对各种测量来源的温度压力测量资料加以甄别选择,尽量采用同类型温度压力测试的资料进行组合分析,剔除随机误差和系统误差较大的资料点后再进行统计分析。

具体的温度压力参数分析方法已有很多研究成果,如压力分析中的当量深度法、比率法、伊顿法为异常压力的定量评价方法;单井温度分析中,主要运用全井温度线性拟合法、分段线性拟合法等。多井温度压力分析中,主要运用统计分析法、概率误差评估法等[10-12]。温度分析中主要分析地层静止温度梯度,确定恒温层温度,只要测量的井温能代表原始地温,单井分析、多井分析结果相同即可。

同一压力系统内,气层具有单一的压力梯度曲线,原始地层压力与储层埋藏深度呈良好的线性关系,且其直线斜率 (压力梯度)与气体的地下密度相对应。与气层接触的气水层,水层有不同的压力梯度,水层压力梯度大;气水层的压力梯度呈现渐变或不稳定的变化状态。

图 1 试井法压力测量多井统计地层静压力梯度分析

利用多井试井压力测量资料可以采用统计分析和最小二乘拟合分析法获得压力参数,压力梯度分析结果不随深度参考系统改变,但是,压力系数分析必须采用垂直埋深与测量压力参数分析才符合标准 (图 1)。

从试井压力测量结果分析确定的气层压力梯度相当的天然气密度分别为 0.292、0.291 g/cm3,在误差范围内可以认为两者分析结果相同。但是,对压力系数分析必须建立在垂直埋深与埋深点测量压力数据基础上,尽管利用海拔深度、测量深度(MD)、真深度(TVD)等确定压力系数常常误差不大,但是对地面起伏落差较大的地区,误差可能较大。

吉林英台气田实测压力分析表明,用地层埋深-压力分析法确定的气层流体密度为 0.279 g/cm3,气水界面为地层埋深 3782.2 m;测点海拔深度 -压力分析法确定的气层密度为 0.286 g/cm3,气水界面为深度海拔 -3 616.2 m。天然气压力深度拟合线性相关系数R2=0.989,说明该气藏天然气组分有所变化,与实际取样分析结果符合较好。如果在多井试油结论相同的压力测量结果拟合分析中,压力与深度关系的拟合线性不好 (R2>0.95为好),只要确认压力测量结果可靠,便可断定测量结果来自不同的天然气组分或不同的压力系统。

3 温度压力参数应用

温度压力参数是油气勘探开发中必须测量并需要持续测量的关键性参数,在油气藏勘探开发研究中具有广泛的应用[13]。诸如:①疑难储层流体类型快速识别技术;②压力剖面气、油、水界面识别技术;③油气藏类型快速识别技术;④高压流体物性分析;⑤油气藏的类型和油气藏的性质等。

火山岩气藏分类研究中,温度压力是关键性要素。参照油气开发温度压力划分标准,对火山岩气藏的温度压力分类进行研究,建立了火山岩气藏温度压力分类指标和标准(表 1)。

表 1 火山岩油气藏分类中的温度压力参数分类指标

在火山岩气藏温度压力分类标准应用中,考虑到钻井、测量和开发管柱设计等均受温度压力参数制约,从安全性出发,一般采用苛刻分类限制,即只要有一项高温高压指标达到分类标准,就属于高温高压气藏。

对于复杂多变的火山岩气藏,利用温度压力测量资料进行储层连通性分析尤为重要。在火山岩气藏连通性分析中关键要把握两点:一是静态上地质体具有岩性连续性,温度系统具有统一性,流体组分有一致性;二是动态上要确定存在井间压力干扰,温度干扰。满足上述 2个条件即可判定火山岩气藏存在连通性。

利用本文温度压力分析评价方法和建立的火山岩气藏温度压力分类标准,对我国大庆徐深、吉林长岭和新疆克拉美丽火山岩气藏进行温度压力分类评价。

克拉美丽石炭系火山岩气藏地温梯度为0.023 1℃/m,恒温层温度为 14.25℃,地层温度110℃,地层压力系数 1.19,气层压力梯度 0.002 49 MPa/m,地层绝对压力大于 30 MPa。在气藏温度压力参数分类中定为正常温度压力系数的高压气藏。压力 -深度分析显示克拉美丽气田具有显著的火山体控制气藏特征,不同的井区地层压力系数不同,同一井区压力梯度近似但压力不同,表明气藏不连通,单个火山体气藏的规模有所降低。

大庆徐深气田火山岩气藏地层静温梯度0.041℃/m,井底温度大于 150℃。气藏压力系数变化大,平均压力系数为 1.03,压力梯度 0.002 65 MPa/m,气层绝对平均压力大于 30 MPa。属于正常压力系数的高温高压气藏。实测压力 -深度关系复杂凌乱,反映了大庆徐深火山岩气藏具有压力变化快、气藏规模大小不一特征,多个火山体气藏之间不连通。

长岭气田火山岩气藏地层静温梯度 0.028 99℃/m,恒温层温度为 10.12℃,井底温度小于 150℃,压力系数为 1.142,气层压力梯度为 0.002 8MPa/m,气层绝对压力大于 30 MPa。属于正常温度、压力系数的高压气藏。长岭气田压力 -深度分析显示为各测量点压力拟合相关性好,表明气藏规模较大,局部储层具有一定的低渗区域,但整体上具有较好的连通性。

4 结 论

(1)火山岩气藏温度压力参数分析以温度压力分析理论为基础,必须按照规范要求进行。

(2)单井分析和多井分析适用性不同,单井分析有利于确定单井流体性质、流体界面、温度压力剖面特征,多井分析有利于确定气藏规模、储层连通性、流体界面宏观特征。

(3)依据火山岩气藏温度压力特征建立了火山岩气藏温度压力分类规范,在我国火山岩气藏开发分类中进行了应用,也为火山岩气藏温度压力分类提供了分析评价标准。

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编辑 王 威 孟凡勤

TE133.1

A

1006-6535(2010)05-0044-04

20100518;改回日期:20100610

国家“973”项目“火山岩气藏有效储层内部结构及渗流规律”(2007CB209507),国家重大专项“含 CO2天然气藏开发技术与技术示范”(2008ZX05016-001)

陈福利 (1971-),男,高级工程师,1994年毕业于江汉石油学院测井专业,现在中国石油勘探开发研究院博士后工作站,主要从事火山岩气藏开发和储层评价研究工作。