气测全烃校正计算储层含气饱和度方法及其在渤海油田的应用

荆文明 景 社 倪朋勃 李鸿儒 郭明宇 桑月浦

(①中法渤海地质服务有限公司；②中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司；③中海油(中国)有限公司天津分公司)

0 引 言

随着勘探思路的转变、地质认识的深化及作业技术的进步，渤海油田中深层勘探力度不断加强，所揭示的储层岩性特征及油气水分布日趋复杂[1]，有砂砾岩储层和高显示水层的发现。在勘探领域，以低孔隙度、低渗透率、非均质性强为主要特点的砂砾岩储层是最难评价的储层之一[2]。在渤海油田，高显示水层是指录井气测数值较高，三维定量荧光及地化分析都具有油层特征，而且测井电性也为油层或油水同层，但试油结果却为水层，这样的储层一般定义为高显示水层，该类储层以细砂岩为主，连通性好[3-4]。由于砂砾岩储层低孔隙度、低渗透率、非均质性强的特点以及“高显示水层”高气测值、高荧光、高地化的特征，仅依据录、测井数据局限性较大，无法准确评价砂砾岩储层和高显示水层，储层评价面临更高的挑战。因此，需要建立一套适合砂砾岩储层和高显示水层的录井、测井综合解释评价方法。气测录井在勘探开发中一直扮演着重要的角色[5]，特别是定量脱气器(GZG)的广泛应用，为气测定量化解释打下了基础。近年来主要利用钻井参数进行气测校正，本文通过钻井液脱气效率实验，得出钻井液密度、粘度对气测的影响规律，校正气测全烃值并计算地面含气量，对地面含气量进行压力、温度校正，可得到地层含气量[6]，并结合破碎岩石体积和测井已获得的有效孔隙度计算储层含气饱和度。该方法实现了气测全烃值对储层含气饱和度的定量化评价，同时克服了电法计算的缺陷，如地层水矿化度、计算参数难以确定等，使得储层综合评价更准确，对复杂储层评价具有重要意义。

1 钻井液脱气效率实验

含气饱和度是油气藏评价的重点指标之一，目前主要依据Archie公式进行含气饱和度的计算，并借助岩石电阻率与孔隙水电阻率比值间固有关系建立岩石物性和电性之间的关系。地层因数是岩石标本100%含水时岩石电阻率与孔隙水电阻率呈线性增加的恒定比例因子，也就是说岩石骨架电阻率无穷大，用电解质矿化度为20 000～100 000 mL/L (NaCl)溶液填充岩石孔隙以确保岩石电阻率相对于孔隙水电阻率保持恒定[7]。但现实中，各类储层受到各类附加电性的影响，如高束缚水饱和度作用、地层水矿化度作用、导电矿物作用、钻井液侵入、计算参数难以确定以及润湿性等，使得Archie公式计算含气饱和度欠缺。本文从物理意义、普及性及相关性上整体思考，利用基于脱气效率和理想气体状态方程计算的地下破碎单位岩石体积的含气量反推计算含气饱和度，利用非电法(测井、录井)信息计算含气饱和度，对复杂储层评价具有重要意义。

脱气器脱气时，并不能将钻井液内溶解的烃类气体全部脱出，很大一部分仍残留在钻井液内，将脱出的气体体积占钻井液内总气体含量的比值，称为“脱气效率”[8]。钻井液脱气效率实验是计算地层含气量的必要实验[9]，为了研究水基钻井液性能(密度、粘度)对气测全烃检测值的影响，通过模拟井下钻井液循环过程，得出钻井液性能对全烃检测值的影响规律。

本实验模拟井下地层条件，设计压力为1 700 psi(11.72 MPa)，钻井液温度为50℃，含气饱和度50%。实验设备主要有：试压泵、电伴热、GZG定量脱气器、热真空定量全脱分析仪、ReservalTM色谱分析仪。所检测的钻井液(改进型PEC体系)密度分别为1.15、1.20、1.25、1.30 g/cm3；马氏漏斗粘度分别为45、50、55 s，共计12组。

实验利用全脱值-气测值法，在钻井液进入脱气器之前取钻井液样品500 mL，进行热真空定量全脱分析，用以检测钻井液内烃类气体的真实含量；同时利用ReservalTM色谱分析仪对气测值进行实时采集，该气测值反映的是脱气器脱出的气体的含量。脱气效率可由下式求得：

(1)

式中：ηi为某烃组分的脱气效率，%；Ci为ReservalTM色谱分析仪的某烃组分的浓度，10-6；Vb为热真空定量脱气器的钻井液罐体积，mL；VQ为ReservalTM色谱分析仪泵排量，mL；Cib为在脱气前取钻井液做全脱分析所得气体浓度，10-6；Vi为GZG定量脱气器钻井液罐体积，mL；Vq为热真空定量全脱分析的钻井液体积，mL。

通过对12组钻井液样品气体组分检测实验，计算并绘制各组分脱气效率(图1)，分析钻井液密度、粘度对全烃检测值影响。研究发现，GZG定量脱气器对甲烷的脱气效率最高，脱气效率为20%左右，丁烷的脱气效率只有7%左右。由此说明，烃类气体的碳原子数越大，被钻井液吸附的力越强，从钻井液中脱出越困难，脱气效率越低。通过对12组钻井液样品全烃检测实验，计算并绘制全烃脱气效率曲线(图2)。由图2可以看出，钻井液密度为1.20 g/cm3时，各组分脱气效率最低，但当钻井液密度达到1.20 g/cm3之后，随着密度的增加脱气效率增加；钻井液粘度在45～55 s时，脱气效率随着粘度的增加而增加。根据实验数据计算全烃在不同密度、粘度下的脱气效率(表1)，对全烃进行校正，计算地面条件下钻井液中破碎单位岩石体积气体的浓度。

表1 全烃脱气效率数据

图1 各组分在不同密度、粘度下的脱气效率曲线

图2 全烃脱气效率曲线

(2)

式中：C为地面条件下钻井液中破碎单位岩石体积的气体的浓度，%；Tg为ReservalTM色谱分析仪的全烃浓度，%；η为全烃脱气效率，%。

2 气测全烃计算含气饱和度方法

利用气测全烃值，结合井眼尺寸、钻时、钻井液排量、脱气效率实验计算地表条件下每米岩石所释放的天然气总体积，再根据理想气体状态方程推算地下温压条件下每米岩石所释放的天然气总体积，最终结合测井孔隙度数据，计算得出含气饱和度。

Vr=πr2h

(3)

式中：Vr为破碎单位岩石体积，m3；r为井眼半径，m；h为单位进尺，m。

地下岩石破碎后，释放的气体体积Vssg为：

Vssg=VrφSg

(4)

式中：Vssg为地下破碎单位岩石体积的含气量，m3；φ为岩石孔隙度，%；Sg为破碎单位岩石的含气饱和度，%。

根据理想气体状态方程，将计算的地表含气量体积换算为地下温压条件下的气体体积：

(5)

式中：ps为大气压力，kPa；Vsg为破碎单位岩石体积的地表含气量，m3；Tss为地层温度，该温度可根据地温梯度或测压数据求得，℃；pss为地层压力，该压力可根据钻井液密度或测压数据求得，kPa；Ts为地表钻井液温度，可由录井温度传感器读取，℃。

单位体积岩石破碎后的气体被分散在钻井液中，破碎单位岩石体积时间内钻井液循环总量为：

(6)

式中：Vdf为单位岩石体积破碎时间内钻井液循环总量，m3；FQ为某深度钻井液泵排量，m3/min；s为某深度钻速，m/min。

岩石破碎后的气体全部逸散在钻井液中，可以计算出地面条件下钻井液中破碎单位岩石体积的浓度：

(7)

如上所述，联立公式(2)-(7)，可以计算出破碎单位岩石体积的含气饱和度Sg：

(8)

式中：Sg为利用气测全烃计算的破碎单位岩石体积的含气饱和度，%。

假若进行测井作业已经得出了孔隙度参数，在地层压力和温度确定的情况下，可以直接利用公式(8)计算储层含气饱和度，从而实现气测定量评价储层含气饱和度的方法。需要说明的是，Sg为利用气测全烃演算的含气饱和度，SG为测井解释含气饱和度。

目前钻井工程普遍应用PDC钻头，钻头具有较强的碾磨性，确保岩石孔隙中的气体大部分扩散到钻井液中，这更利于“砂砾岩储层”或者其他致密储层的气体捕集检测，使气测全烃校正计算储层含气饱和度更准确。

3 实例应用分析

将本文介绍的含气饱和度计算新方法，在渤海油田17口探井以及12口已钻井进行了实际应用，与电缆取样及试油结论进行对比，解释层数82层，其中76层符合，解释符合率为92.7%，解释评价效果较好，能够进一步确定储层含气性级别。

3.1 Z 2井砂砾岩低渗储层

Z 2井是渤海湾辽中凹陷J构造2号区块高部位的一口探井，以东营组和沙河街组为主要目的层，其中东二下亚段发育辫状河三角洲前缘沉积，岩性剖面上为多套砂岩和泥岩不等厚互层，且砂砾岩发育，地层非均质性较强，导致常规气测和电阻特征识别油水层效果不理想。在钻遇E3d21组1 513 m砂砾岩储层时，钻井液密度1.32 g/cm3，粘度50 s，钻时由0.95 min/m升至11.96 min/m，气测全烃值由21.74%降至6.02%，降低了72%(图3)。随钻解释判断该储层含气性和物性均较差，钻后电缆取样(取气500 cm3，取油1 300 cm3)证实该储层含油(表2)。

表2 Z 2井电缆取样数据

为了解决上述问题，本文就该井气测数据结合钻井液脱气效率实验、钻井工程参数、录井传感器数据和测井总孔隙度，进行气测全烃校正计算储层含气饱和度，其中钻井参数和钻井液地面温度可由录井数据直接读取，测井总孔隙度可通过测井数据获得。本井地下温度和压力通过电缆取样获得，分别为55.85℃和14.513×103kPa。如图3所示，Sg和SG两者趋势基本一致，在疑难层1 519～1 521 m、1 531～1 533 m处利用气测全烃演算的含气饱和度Sg相比于顶部储层1 496～1 509 m的含气饱和度Sg无明显降低，且明显高于测井解释含气饱和度SG(表3)，更符合电缆取样情况，初步实现录井数据定量化评价储层。

表3 Z 2井含气饱和度数据

图3 Z 2井计算含气饱和度综合解释图

3.2 N 1井高显示水层

N 1井是渤南低凸起B构造北倾3号区块的一口重点探井，B构造处于油气运移的优势路径上，其运聚条件优越。在钻遇N1g组2 820 m细砂岩储层时，钻井液密度1.33 g/cm3，粘度52 s，气测全烃由1.24%升至9.20%(储层顶部5.11%，储层最高至9.20%)，荧光显示较好，地化含油气总量0.98～2.61 mg/g，电阻率6.7～14.9 Ω·m(图4)，录井解释和电性解释均较好。对井段2 835.0～2 841.0 m和2 846.0～2 856.0 m进行测试作业，产液为水，未见油。

图4 N 1井计算含气饱和度综合解释图

针对本层显示情况，采用地化、电阻率等常规录、测井技术已不能有效评价储层，因此采用气测全烃校正计算储层含气饱和度评价储层，其中钻井参数和钻井液地面温度由录井数据直接读取，测井总孔隙度可通过测井数据获得。本井地热梯度为1.823℃/100 m左右，按海底温度18 ℃计算，得到地下温度69.41～70.32 ℃，压力通过钻杆测试压力计获得为22.812×103kPa。在2 820～2 840 m、2 845～2 860 m处Sg

表4 N 1井含气饱和度数据

4 结 论

在不考虑气体井口逸散的情况下，基于物理意义、普及性和相关性进行思考，建立气测全烃校正计算储层含气饱和度的方法，利用非电法信息，将测、录井数据有机结合，能够有效评价砂砾岩储层和高显示水层，初步实现了录井数据定量化评价储层，对复杂储层评价应用效果较好，具有重要意义，推荐使用。

对于一些大斜度井、水平井测井项目在实施困难的情况下，可以通过气测全烃校正计算含气饱和度的方法计算破碎单位岩石体积地下含气量，使数据更加准确地反映地层真实含油气特征，加强纵向和横向上的地层对比和分析，满足地质储层评价的需求。