非烃类气与烃类气测井定量区分方法研究

高 华，何胜林，高楚桥，刘 峰

非烃类气与烃类气测井定量区分方法研究

高 华1，何胜林1，高楚桥2，刘 峰1

（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；2.长江大学，湖北武汉 430100）

定量计算非烃类气体（二氧化碳）的含量在气藏开发中至关重要。在借鉴他人的实验结果的基础上，探索研究并得到二氧化碳在地层温压条件下的测井响应值方程，进而应用地层组分分析采用最优化原理计算地层中非烃类气体的含量。实际应用表明所提出的方法在南海某盆地应用效果较好，实现了由测井资料定量计算烃类气相对含量并由此区分非烃类气与烃类气层的应用。

二氧化碳；测井响应值；定量计算；最优化方法

随着南海地区气层的进一步勘探与开发，非烃类气体的识别和评价越来越受到研究人员的重视，从南海地区现有的气体组分分析结果来看，非烃类气体中CO2占绝大部分，N2等其它非烃类气含量极少。为了简化研究模型，本次研究将CO2含量近似为非烃类气体含量，将CH4含量近似为烃类气体含量。目前对非烃（CO2）气层的识别多是停留在定性识别方面。本文探索性的利用他人的实验结果建立CO2在地层温压条件的测井响应值方程，在此基础上利用最优化方法对地层中CO2含量进行求解。

1 非烃类气体与烃类气体测井响应的差别

在地层条件下，非烃（CO2）气层与烃气层相比，非烃（CO2）气体具有低时差、高密度、低中子孔隙度即声波时差孔隙度、密度孔隙度、中子孔隙度都低的特点[1-2]。图1、图2是利用南海某气田地层测试资料作出的区分非烃类与烃类气层的中子-密度交会图和中子-声波交会图，图中每一个数据点为一个测试层位。

图1 中子-密度交会图

图2 中子-声波交会图

由图1可以看出，CH4与CO2在密度中子交会图上落的位置是不一样的，这是由于二者不同的流体密度和含氢指数决定的。在储层温压条件下，CO2气体一般都处于超临界流体状态，这时CO2气体的密度远远大于甲烷气体的密度，因而非烃气层（CO2）的密度测井值要大于烃类气层；而由于CO2气体的含氢指数为0，甲烷气体的含氢指数不为0，故非烃气层（CO2）的中子测井值小于烃类气层。由图2可见，CH4与CO2在声波中子交会图上落的位置只能单方面由中子区分，而声波测井则对这两类气体的识别能力相对较差[3-4]。由图1、图2可以看出，烃类气层与非烃类气层在中子和密度的测井响应上是有明显差别的。

定量计算非烃（CO2）与烃类气相对含量时，主要利用密度和中子等相关测井值，本文将简单讨论二氧化碳在地层条件下的密度、中子和声波测井响应值。

2 非烃气层定量解释方法

2.1二氧化碳气体测井响应值

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31.06 ℃，临界压力7.38 MPa，常温常压下CO2是一种无色无味气体，比重为0.00 198 g/cm3，比空气略重，受温度、压力影响，CO2的密度变化很大。当温度高于临界温度时，纯CO2为气相；当温度与压力低于临界温度与临界压力时，CO2为液相；当温度低于-56.6℃、压力低于0.518 MPa时，CO2呈现固态（干冰）。当压力和温度超过临界点时，CO2呈超临界态[5-6]。

2.1.1 二氧化碳气体密度测井响应值

由于南海地区油气勘探的地层深度超过800 m，地层温度压力均高于CO2的临界温度和临界压力，由二氧化碳的物理性质我们可以知道，在地层条件下，二氧化碳处于超临界状态，已不再遵循气体状态方程。

对于CO2气体在地层温压条件下体积密度的变化规律，周伦先等人对CO2气样品进行模拟物理参数试验[3]，经过分析研究他们的实验结果，可以得到CO2体积密度和温度压力的关系如下：

式中： ρco2— CO2体积密度，g/cm3；

p — 地层压力，MPa；

t— 地层温度，℃。

温压范围：14 MPa ＜ p ＜ 60 MPa；38.65 ℃ ＜t ＜ 206.85 ℃，并且满足：0.15 ＜ p/t ＜ 0.4。

2.1.2 二氧化碳气体中子测井响应值

中子测井曲线记录的是视含氢指数，含氢指数定义为每立方厘米该物质氢原子浓度与在75 ℉时相同体积纯水的氢原子浓度之比。根据定义，纯水的含氢指数为1，CO2中不含氢原子，因而其含氢指数为0。

2.1.3 二氧化碳气体声波测井响应值

图3是杨日福等人通过实验得出的CO2声速与温度压力的关系图[7]。由本实验结果可得到当压力小于20 MPa时，CO2声速的计算公式为

式中：υCO2— CO2的纵波速度，m/s；

p — 地层压力，MPa；

t — 地层温度，℃。

温压范围：10 MPa ＜ p ＜ 20 MPa，35 ℃ ＜ t ＜55 ℃，本次的研究对象地层温度和压力在此范围之内。

图3 二氧化碳声速与温度压力关系图

地层温压条件下CO2的声波时差为式中：二氧化碳纵波时差，s/m。

2.2非烃气与烃类气相对含量计算模型与方法

对于含气储集层而言，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：非烃气、可动水、束缚水、烃类气、泥质以及岩石的各种骨架矿物。测井分析的主要任务就是求准这些组分在地层中的相对含量，人们习惯使用的“含气饱和度”和“孔隙度”等参数都可以由以上的组分含量所导出[7-8]。

在假设上述组分的相对含量的基础上，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，由线性最小二乘原理，这一带约束线性方程组的问题可转换成求极值问题，即建立以目标函数为中心的数学模型，由于本目标函数不存在多个局部极小点，所以对迭代初始值的要求不严，不管迭代初始值怎样选择，在有限步长内，总可收敛到同一极小点，因而可以排除该方法的多解性。由于本方法用到的数学模型和求解算法较为复杂，详细的物理模型、数学模型及求解算法请参考专题研究报告[9]。

从气体状态方程出发，利用地面条件和地层条件的相互转换关系，最终由最优化算法得到地面条件下烃类气的相对含量。

图4 南海西部盆地A井处理成果图

3 实际资料处理

选取南海某盆地实际资料进行处理，图4、图5和图6是利用本文的方法通过定量计算地层中烃类气相对含量来识别非烃气层的实例图。

图4、图5和图6中第五道解释成果曲线即为通过定量计算得到的烃类气体的相对含量，由第六道中的烃类气体相对含量曲线可以看出，A井物性好，孔隙度为27% ～ 30%，含气饱和度平均为60%，烃类气体相对质量分数计算值在70%左右，解释为烃类气层，对应层段取样结果烃类气质量分数为74.2%，计算结果与取样结果接近；B井物性较好，孔隙度为23%，含气饱和度平均为40%，烃类气体相对质量分数计算值在25%左右，解释为非烃类气层，本层段的取样结果烃类气质量分数为30%左右，计算结果与取样结果误差较小。C井物性差，泥质含量高，含气饱和度较低，烃类气体计算质量分数平均20%左右，解释为非烃类气层，本层段的测试结果为烃类气质量分数为81.9%，测试结果与计算结果偏差很大[10]。

图5 南海西部盆地B井处理成果图

图6 南海西部盆地C井处理成果图

通过对比图4、图5和图6可见，在物性好、含气饱和度高的气层利用本文方法计算得到结果与测试结果很接近，如图4、图5；在泥质含量高、物性差、含气饱和度低的储层计算结果与测试结果则存在较大的误差，如图6，因此本文的方法存在一定的局限性。

4 结论

利用本文的方法定量计算非烃类气体的含量来识别烃类气与非烃类气层，在南海西部气田中得到广泛应用。通过实际应用，发现本文的方法有一定的适用条件，在物性好、含气饱和度高的好气层中应用效果较好；在泥质含量高、物性差的储层，应用效果较差，不建议使用。

[1] 刘中奇，杜春玲．非烃类气层测井识别方法[J]．测井技术，1998，22（2）：107-110．

[2] 孟祥水，张晋言，孙波．利用测井视孔隙度差异识别二氧化碳和烃类气[J]．测井技术，2003，27（2）：132-135．

[3] 周伦先．CO2气井相态特征[J]．油气井测试，2006，15（5）：35-37．

[4] Vargaftik N B. Tables on the thermophysical propertiesof liquids and gases: in normal and dissociated states[M]. Washington: Hemisphere Pub. Corp., 1975:156-166.

[5] 刘小燕．二氧化碳深含水层隔离的二相渗流模拟与岩石物理学研究[D]．中国科学技术大学博士论文，2005．

[6] 杨俊兰．超临界压力下CO2流体的性质研究[J]．流体机械，2008，36（1）：53-57．

[7] 高楚桥．复杂储层测井评价方法[M]．北京：石油工业出版社，2003：9-12．

[8] Carcione J M, Picotti S, Gei D, et al. Physics and Seismic Modeling for Monitoring CO2Storage[J]. Pure and Applied Geophysics, 2006, 163(1):175-207.

[9] 吴洪深，高华，林德明，等．南海西部海域非烃类气层测井识别及解释评价方法[J]．中国海上油气，2012，24（1）：21-24．

[10] 高永德，李国军，王晓飞，等．M区块测井评价技术研究[J].海洋石油，2013，33（1）：73-76．

我国计划2015年启动开发可燃冰

由中国地质调查局与中国科学院主办的第八届国际天然气水合物大会7月29日在北京开幕。据悉，我国计划于2015年在中国海域实施天然气水合物的钻探工程，将有力推动中国可燃冰勘探与开发的进程，引发中国能源开发利用的“革命”。目前，30多个国家和地区已经进行可燃冰的研究与调查勘探，最近两年开采试验取得较大进展。

近几年，我国的可燃冰调查和勘探开发取得重大突破。中国地质调查局组织实施天然气水合物基础调查，通过系统的地质、地球物理、地球化学和生物等综合调查评价，初步圈定我国天然气水合物资源远景区，并于2007年在中国南海北部首次钻探获得实物样品，2009年在陆域永久冻土区祁连山钻探获得实物样品，随后于2013年在南海北部陆坡再次钻探获得新类型的水合物实物样品，发现高饱和度水合物层，同年在陆域祁连山冻土区再次钻探获得水合物实物样品。

摘编自《中国海洋石油报》2014年8月1日

东海丽水36-1气田投产

中国海洋石油有限公司7月29日宣布丽水36-1气田已于近期投产。丽水36-1气田距浙江省温州市150 km，海域平均水深约84 m，该气田共有4口生产井，主要生产设施包括一座综合平台及一个处理终端。

中海油在丽水36-1气田拥有51%的权益，并担任作业者。超准能源中国有限公司和超准石油公司作为合作伙伴，分别拥有该气田36.75%和12.25%的权益。

摘编自《中国海洋石油有限公司》网站2014年8月1日

Study on the Method for Logging Quantitative Identification of Non-hydrocarbon Gas and Hydrocarbon Gas

GAO Hua1, HE Shenglin1, GAO Chuqiao2, LIU Feng1
（1.Zhangjiang Branchof CNOOC Ltd.,Zhanjiang Guangdong524057,China; 2.Yangtze University,Wuhan Hubei430100,China）

Quantitative calculation of non-hydrocarbon(CO2) gas content is very significant in the development of gas reservoirs. In this paper, by using experiment data from other people, the logging response equation of carbon in formation conditions has been obtained by studying. Based on the principle of composition analysis in stratum and the principle of optimization analysis, the content of carbon dioxide in formation has been obtained. The application results indicated that this quantitative calculation method is suitable for the basin in South China Sea, the relative contents of hydrocarbon gas can be calculated quantitatively with logging data, which can be used to discriminate hydrocarbon and non-hydrocarbon gas.

carbon dioxide; value of logging response; quantitative calculation; optimization method

P631.8

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.03.081

1008-2336（2014）03-0081-05

2013-11-07；改回日期：2014-05-07

高华，女，1978年生，硕士，工程师，主要从事测井解释评价工作。E-mail：gaohua6@cnooc.com.cn。