乐东气田非烃类气层的测井识别

何胜林 陈 嵘 高楚桥 张海荣

1．中海石油（中国）有限公司湛江分公司 2．油气资源与勘探技术教育部重点实验室·长江大学

莺歌海盆地中央泥拱带乐东气田的天然气产自埋深较浅的第四系乐东组和新近系莺歌海组一段。储层岩性以石英砂岩为主，少量岩屑石英砂岩和长石石英砂岩。目前气田已经投入开发，主要生产层位为乐东组三段Ⅱ下气组和莺歌海组一段Ⅲ气组，主要气体组分为烃类气，但是在勘探阶段，部分测试层位烃类气含量较低，最少的仅为5%左右，而非烃类气体含量较高，最高能达到90%［1］。通过天然气组分分析资料可知，除二氧化碳外的非烃类气含量一般较少，在所研究的储层中总含量平均不高于11．6%，故在本次研究中近似将二氧化碳气看作非烃类气；烃类气层经化验测定其甲烷含量占主要成分，所以将甲烷气看作烃类气。作为非烃类气的二氧化碳在自然界中呈气态存在，其临界温度为31．1℃，临界压力7．23MPa，二氧化碳具有不导电高电阻率特性［2－3］。

1 烃类气与非烃气定性识别方法

烃类气与二氧化碳气层在测井曲线上的响应特征与油、水层有较明显的区别，而它们两者之间的差异却较小，这是造成用测井资料区分甲烷和二氧化碳困难的根本原因。但通过对二者理论上测井响应值的研究可知，两者还是存在一定的差别，因而两种气体在测井曲线上必定存在或多或少的差异，这是用测井资料定性、定量区分烃类气与二氧化碳气的基础［4］。

1）电阻率曲线响应：二氧化碳气层为高电阻率。由于二氧化碳对钻井液侵入带和冲洗带的水化作用，具较强的钻井液减阻侵入特征。与烃类气层相比较，电阻率稍低，钻井液减阻侵入稍强些［5］。

2）声波时差曲线响应：二氧化碳气层为高时差，但与烃类气层相比时差稍小，且少见“周波跳跃”现象［6］。

3）地层密度曲线响应：二氧化碳气层的密度较小，但与烃类气层相比较则高些。相同状态下，二氧化碳的体积密度是甲烷体积密度的3倍多［7］。

4）中子孔隙度曲线响应：二氧化碳气层的中子孔隙度很低，低于烃类气层的中子孔隙度。二氧化碳气含氢指数为0，甲烷气含氢指数为0．015%［8－9］。

根据上述分析，采用交会图技术研究了两者在测井响应上的差别。在乐东15－1／22－1研究区选取了经测试、电缆测试取样或试生产证实含量相对比较高的甲烷或二氧化碳层段（表1），并定义甲烷含量高于50%的气层为以甲烷为主的气层，否则为以非烃为主（CO2为主）的气层，然后利用这些层段的测井资料分别作出了密度—中子、密度—声波交会图（图1、2）。从图1、2中可以看出：烃类气与二氧化碳气体在测井响应值上是存在一定差别的，从而可以通过这种差异来区分烃类气与二氧化碳气层［10］。

通过分析图1、2可以发现，中子测井与密度测井能较好地区分以甲烷为主的烃类气层与二氧化碳气层；声波测井对两类气体的区别能力相对较差。随钻测井资料由于是地层刚钻开时获得的资料，对两者的区分效果要比电缆测井资料好［11］。

在物性比较好，含气饱和度高的情况下，两类气体的测井响应特征差别明显；随着泥质含量增多，物性变差，含气饱和度降低等情况会使得以上差异不明显。这些因素的影响将在定量识别中消除。

2 烃类气与非烃气定量区分方法

笔者区分烃类气与非烃气的基本思路：在单位体积条件下假定各组分在地层中的相对百分含量，建立双水多矿物地层组分分析物理模型和带约束的测井超定线性方程组，进而运用线性最小二乘法原理，将其转换为求解极值问题的数学目标函数，最终采用最优化算法得到地面条件下烃类气的相对含量，从而达到识别气层类型的目的。由于除二氧化碳外的非烃气含量一般较少，且测井响应值与二氧化碳接近，为方便起见将其归到二氧化碳中，作为同一组分看待［12］。

2．1 物理模型

对含油气的储集层来说，储集层可以看成是由具有不同性质的组分组成的，这些组分包括：不动油、可动油（或非烃气）、天然气、可动水、束缚水、泥质以及岩石的各种骨架矿物（表2）。

假设组分不动油、可动油（或非烃气）、可动水、束缚水、天然气、泥质以及岩石的各种骨架矿物在地层中的相对含量分别为：xor，xCO2，xfw，xbw，xgas，xsh，xma1，xma2，…，xmak，则有如下关系式。

孔隙度：

地层含水饱和度：

束缚水饱和度：

泥质含量：

表1 甲烷与二氧化碳测井响应值的差别表

图1 烃类气与非烃气储层中子—密度交会图

图2 烃类气与非烃气储层中子—声波时差交会图

表2 双水多矿物地层组分模型表

2．2 数学模型

根据以上物理模型，可写出各种测井仪器的响应方程式。例如，密度测井的响应方程为：

式中ρor，ρCO2，ρfw，ρbw，ρgas，ρsh，ρma1，ρma2，…，ρmak分别表示地层中不动油气、二氧化碳、自由水、束缚水、烃类气、泥质、岩石骨架矿物（1～k种）的体积密度，g／cm3。

为简便起见，将式（5）写成：

式中n表示组成地层的组分个数；xj表示第j种组分的相对含量。

同理可写出其他测井仪器的响应方程，用通式表示为：

式中m表示测井仪器的个数；B表示地层对测井仪器的响应值。

解以上由m个方程组成的方程组，就可以求得xj，这就是待解决的组分含量［3］。

2．3 烃类气含量的计算

由气体状态方程可得到井底条件下体积为Vgf的天然气（烃类气）在地面条件下的体积Vgs为［7］：

式中Ts为地面温度，K；pgf为地层压力，MPa；Zf为烃类气在井底条件下的压缩因子，无因次；Tf为井底温度，K；pg为地面压力，MPa。

同样可写出井底条件下体积为CCO2f的非烃气在地面条件下的体积VCO2s，即

式中ZCO2f为非烃类气在井底条件下的压缩因子，无因次。

地面条件烃类气相对含量为：

若岩石体积为VT，则Vgf＝xgasVT，VCO2f＝将式（9）代入式（8）并整理得到：

式中xgas为烃类气在地层中的相对含量，小数；xCO2为非烃气在地层中的相对含量，小数。

地层流体密度为：

式中ρgas、ρCO2、ρfw分别为地层条件烃类气、非烃气和地层水的密度，g／cm3。

3 应用效果

图3、4分别为 LD15－1－X井、LD22－1－Y井双水多矿物地层组分分析程序处理的解释成果图。

图3显示LD15－1－X井1 572～1 577m 段第2道中子密度出现交会，第3道电阻率增大，第5道孔隙度差、比值识别法出现明显的气层“包络”特征，第8道测井计算的含水饱和度与束缚水饱和度几乎重合，含水饱和度大致为30%，第6道为该方法定量计算出的烃类气相对含量，大概在40%左右，DST测试证实该层甲烷含量为34．4%，测试的结果与定量计算的结果相近。

图4显示LD22－1－Y井963～985m段测井定量计算烃类气含量为75%左右，测试证实该层甲烷含量为81%。通过莺歌海盆地15口井19个层位测井计算烃类气含量与实测结果对比，在统计的19层中，绝对误差在20%以内的层有15层，占79%；绝对误差在10%以内的层有12层，占63%［13］。表明该定量方法能较为有效地计算烃类气含量，从而达到区分烃类气与非烃气的目的。

图3 LD15－1－X井处理成果图（DST1）

图4 LD22－1－Y井处理成果图（DST2）

4 结论

1）乐东气田烃类气与二氧化碳在测井响应值上存在一定差别，通过这种差异可以定性判断烃类与二氧化碳气层。中子—密度交会图能较好地区分以甲烷为主的烃类气层与二氧化碳气层。

2）利用地层组分分析模型和最优化理论定量计算烃类气与非烃气含量。计算结果表明：63%的层烃类气含量计算误差能控制在10%以内；79%的层烃类气含量计算误差能控制在20%以内。该方法可以较好地用测井资料区分烃类气与非烃气。

3）多口井的实际资料处理证明，常规测井非烃类气层定量解释确立的方法和模型适合于南海北部盆地天然气田的测井解释评价。

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