测井资料定量计算天然气藏中CO2含量

赵军, 张杰, 范家宝, 何胜林, 王迪, 贾云武

(1.西南石油大学地球科学与技术学院, 四川 成都 610500; 2.中海油湛江分公司研究院, 广东 湛江 524057;3.中石化上海海洋油气分公司勘探开发研究院, 上海 200120; 4.西部钻探测井公司, 新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

中新世以来地层的快速沉降、大规模泥-流体底辟[1-2]作用以及热流体活动的影响,莺歌海盆地形成了广泛的高温超压环境。高温和超压作用促进了泥底辟热流体塑性上涌,深层CO2进入浅部储层[3]。CO2侵入的随机性和差异性,造成了不同区块、不同含气储层中CO2含量差异较大,给储层中CO2含量的准确计算造成了很大难度,影响了对储层流体的整体评价。

在高温高压条件下(温度超过150 ℃,压力约50 MPa),CO2处于超临界状态[4-6],是1种较为稠密的气体。其密度值和声波时差值与常温常压条件下存在一定差异。通过将CO2溶入研究区地层水中,发现CO2溶入对地层水电阻率的影响幅度很小,且随着温度增加其影响幅度会越小(高温条件下最高不超过6%),即CO2溶于水对地层水电阻率的影响并不大,应用电阻率资料不能有效识别CO2气层。尽管在150 ℃、50 MPa(接近储层实际温压)条件下超临界CO2气体的密度和纵波时差与甲烷气体存在一定的差异[7-9],但利用体积物理模型定量计算实际地层中CO2含量时岩石骨架及流体的取值[10]仍存在很大的不确定性,严重影响CO2含量的计算精度。为了提高CO2含量的计算精度,本文根据岩石体积物理模型结合阿尔奇公式求解孔隙度和饱和度参数,利用烃类气体的含氢指数明显高于CO2气体的特征和中子测井的长源距探测器计数率对含氢指数的敏感性[11-13],通过建立气体平均含氢指数、计数率值与CO2含量之间的定量关系,达到精确预测CO2含量的目的。

1 中子反映CO2测井响应机理分析

烃的含氢指数可根据组分和密度计算,在150 ℃、50 MPa条件下甲烷含氢指数(HCH4=2.25ρCH4)约0.48;CO2中不含氢(含氢指数为0),两者差异较为明显,CO2与烃类气体对热中子减速和扩散过程的影响有较大的差异。考虑井下测量可能达到的精度,大多数条件下中子迁移运动过程分为慢中子减速阶段和热中子扩散阶段就可以满足需求。补偿中子测井采用的源距足够大,在热中子扩散过程建立扩散方程为

Dt2φt(r)-Σtφt(r)+Σfφf(r)=0

(1)

其解为

(2)

式中,φf(r)、φt(r)分别为无限均匀介质中快中子减速和热中子扩散2处中子距源r处的通量,cm-2·s-1;r为源距,cm;Σf、Σt分别为快中子减速和热中子扩散的中子宏观组转移截面,cm-1;Dt为热中子扩散系数,无因次;Lf为快中子减速长度,cm;Lt为热中子扩散长度,cm。

由式(1)得出,单一源距的热中子通量受不同介质的吸收性质和井环境影响较大。快中子减速长度近似为热中子扩散长度的2倍,若源距足够长时,式(1)中第2项可以忽略。式(1)变为

(3)

在相同孔隙度条件下,地层分别含甲烷和二氧化碳的中子通量比值可表示为

(4)

式中,φ1为含二氧化碳地层的中子通量,cm-2·s-1;φ2为含甲烷地层的中子通量,cm-2·s-1;Lf1为含二氧化碳地层快中子减速长度,cm;Lf2为含甲烷地层快中子减速长度,cm。

由式(4)可见,在其他条件相同的情况下,含二氧化碳和甲烷的地层中子通量的差异取决于这2种流体的快中子减速长度。表1为H、C、O这3种元素对不同能量中子的减速长度。

表1 3种元素对不同能量中子的减速长度

由表1可见,氢的中子减速长度比碳和氧高2个数量级。当地层孔隙中含有一定量的二氧化碳时,与相同孔隙条件下只含天然气的地层中子通量相比会有较大的差异。可以利用反映中子通量的中子测井计数率定量评价地层中CO2的含量。

2 含CO2地层含氢指数校正与计算

当地层中存在3种孔隙流体(地层水、甲烷和二氧化碳)时,孔隙度测井对孔隙中流体的响应同时受到3种流体的影响[14],且在含水饱和度较高时,地层水对测井响应的贡献大,气体对信号的贡献程度小,使得二氧化碳与甲烷对孔隙度测井的差异响应不易于检测。除了孔隙水之外,中子测井值还会受到孔隙度、泥质含量等因素的影响,需要从中子测井信息中去掉泥质、孔隙中地层水的贡献[15]。具体方法是运用体积物理模型去除泥质、骨架和地层水对测井值的影响,并除以气体所占体积分数,得到孔隙中气体的平均含氢指数,表示单位体积的气体对含氢指数(中子测井值)贡献的大小。计算公式为

(7)

式中,φN为中子测井值,p.u.;φ为孔隙度,%;Sw为含水饱和度,%;Iw,H为地层水的含氢指数;φN,sh为纯泥岩处中子测井值,p.u.;Vsh为泥质含量,%;Ish,H为泥质含氢指数。

利用式(7)对研究区含CO2气层的含氢指数进行校正,作气体平均含氢指数分布直方图(见图1)。

图1 不同组分气体含量的平均含氢指数直方图

图1中2类数据集的分布区域存在明显的差异,随CH4含量增加,越靠直方图右端分布;随CO2气体含量增加,直方图分布越靠左。不同组分气体含量的平均气体含氢指数存在不同的分布范围,高含(纯)甲烷气层,气体平均含氢指数范围主要在0.3～0.7,高含二氧化碳气层主要分布范围在-0.1～0.3。受挖掘效应影响,部分数据点气体平均含氢指数值为负值。当气体平均含氢指数大于0.3,高含甲烷气层数据点占优势,低于0.3,高含二氧化碳气层数据点占优势;当气体平均含氢指数小于0.1,基本上均为高含二氧化碳气层数据点;当气体含氢指数大于0.5,基本上均为高含甲烷气层数据点。说明利用该平均含氢指数能较好地区分CO2气体和烃类气体的含量。

3 定量预测CO2含量模型和适用性分析

烃类气层的含氢指数高于CO2气层,测井时烃类气层的长、短源距探测器的计数率值应明显地低于CO2气层的值[11]。利用气体平均含氢指数、计数率值与CO2含量建立统计学关系建立预测CO2含量的模型并进行分析。

研究区中子测井采用的是斯伦贝谢公司随钻测井系列,以保证每次测量输出计数率的一致性,由于气层段产生一定程度的侵入,相比于短源距计数率,长源距计数率更能反映地层真实特征[13]。选取长源距计数率值对标准层进行标准化,建立预测CO2含量模型。本文选取了DF气田的6口井12个层段的实测资料与测井数据。应用该12个层段对应的计算出的气体平均含氢指数和长源距计数率值与实测的地层条件下CO2含量作单相关分析(见图2、图3)。

图2 CO2含量与气体平均含氢指数关系图

图3 校正前后长源距计数率与地层CO2含量关系图

地层孔隙流体的含氢指数从高到低分别为地层水、甲烷、CO2。中子测井的长、短源距计数率值不仅受不同类型气体相对含量的影响,还受到地层水饱和度的影响。束缚水饱和度较高的CO2气层和束缚水饱和度较低的甲烷气层的长源距计数率值相近,无法有效区分2类气层。为此,定义CO2定量判别因子ICO2表示地层中气体对长源距计数率值的贡献,以校正地层水饱和度对长源距计数率值的影响。其定义式为

ICO2=φ(1-Sw)L

(8)

式中,ICO2为定量判别因子;L为中子测井长源距计数率。

校正前后的长源距计数率与地层CO2含量的之间的相关关系见图3,可见校正后长源距计数率对CO2含量的响应敏感度得到了较大提高。

考虑到校正后的长源距计数率和气体平均含氢指数均对CO2含量有较好的响应,故使用这2种参数建立气层CO2含量计算模型以提高模型准确度。拟合式为

(9)

图5 DF13-2-8d井CO2定量预测测井解释成果图*非法定计量单位,1 ft=0.304 8 m,下同

将6口井12个层位对应的长源距计数率值、计算出的气体平均含氢指数值、含水饱和度值及孔隙度值代入式(9),计算出地层条件下CO2气体含量。图4为实际的地层测试CO2含量和计算的地层CO2含量对比图,数据点基本上沿45°线分布,平均绝对误差为1.9%,未出现绝对误差超过10%的点。

图4 地层测试CO2含量与测井解释地层CO2含量对比图

4 应用效果

选取未参与建模的DF13-2-8d井,运用本文建立的模型计算气层中CO2含量,验证该模型的准确性。图5为DF13-2-8d井CO2含量预测测井解释成果图。图5第5道中,气体平均含氢指数普遍为0.3～0.6,显示出高含甲烷特征。该井识别出的气层中定量计算得到的CO2含量普遍低于10%:3 105～3 134 m段气层中CO2平均含量为7.3%,3 146～3 172 m段气层中CO2平均含量为8.1%。MDT测试得3 115 m处CO2所占气体比例为5.9%,3 163 m处CO2所占气体比例为6.6%,与各自所在层段CO2含量的平均值的绝对误差均不超过10%。

图6 BD19-2N-1井二氧化碳定量预测测井解释成果图

选取宝岛气田BD19-2N-1井的黄流组一段为目的层段进行测井处理和解释。图6为BD19-2N-1井CO2含量预测测井解释成果图,第5道中,气体平均含氢指数普遍低于0.1,显示为高含CO2气层。根据本文的模型定量计算得到该气层中CO2含量接近100%,平均含量为96.2%;在4 059.8 m处MDT测试结果显示CO2含量占气体体积比例为92.41%。测试结果与测井解释结果的绝对误差未超过10%,说明本文提出的预测CO2含量的模型是准确可行的。

5 结 论

(1) 研究表明,经泥质、骨架、地层水校正后的中子测井长源距计数率和气体平均含氢指数与地层中的CO2含量有较好的相关性,可以利用这些参数定性识别天然气藏中的CO2。

(2) 结合密度体积模型与阿尔奇公式计算了储层孔隙度与含水饱和度,建立了基于中子长源距计数率和气体平均含氢指数的CO2含量预测模型,不仅提高了计算精度,并且有效克服了气层物性、含水饱和度等因素对预测结果的影响。

(3) 利用实际资料对本文建立的CO2定量计算模型进行了检验,计算结果与实际测试结果较为吻合,说明模型的计算精度较高,有一定的实际应用价值。

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