天然氣儲層評價的新參數——充盈度

趙良孝 邢會民

川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院

天然氣儲層評價的新參數
——充盈度

趙良孝 邢會民

川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院

在天然氣儲層識別和生產能力評價中,存在兩個矛盾:一是應用挖掘效應進行氣層判斷時誤差較大;二是根據孔隙度、空隙空間結構、滲透率、飽和度、有效厚度等參數來確定生產能力時,其參數值越大并不表明產能越高。為此提出了天然氣充盈度的概念,在分析充盈度及天然氣密度的決定因素基礎上,利用常規測井資料的含氫指數和經骨架密度校正的密度孔隙度及其相應圖版,計算地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度,然后再根據密度體積方程計算地下天然氣密度,最后計算出地層壓力和充盈度參數。根據所計算出的充盈度結果,不僅搞清了產生上述矛盾的機理,而且還發現充盈度與產能有著良好的正相關性,從而提高了天然氣儲層評價的準確度,有助于科學預測氣藏的分布和富集程度。

充盈度 天然氣 儲集層 生產能力 密度 數學模型 評價

天然氣充盈度的概念為:地層溫度、壓力條件下天然氣的密度與標準溫度、標準壓力條件下天然氣密度的比值。

1 天然氣儲層評價中出現的兩個矛盾

1.1 天然氣儲層識別中的矛盾

以往對儲層進行氣水或油氣判別時,主要基于天然氣的低含氫指數及挖掘效應,氣層視中子孔隙度降低,而聲波和密度視孔隙度增高,且其差別越大,越符合氣層特征。但在測井解釋中卻發現有些高產氣層的視中子孔隙度并不很低,而密度、聲波視孔隙度卻增大不多,故經常導致氣水或油氣判別失誤[1-2]。如圖1和圖2所示,它們分別是蘇里格氣田某井產氣3.89× 104m3/d氣層和土庫曼斯坦氣田某井產氣21.0×104m3/d氣層的測井響應特征,顯然高產氣層的視孔隙度關系反而更接近水層特征。

1.2 天然氣儲層產能評價中的矛盾

在對天然氣儲層進行測井定量評價中,只用了孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個基本參數。但近來在氣層評價中,發現有些儲層,上述4個參數基本相同,而產能卻差別較大,甚至出現4個參數較好的儲層,而氣產量反而低于4個參數較差的儲層(表1)。

1.3 兩個矛盾現象的啟示

為解釋上述矛盾,可從天然氣的聚集過程討論。當天然氣向一個被地層水充滿的水層運移和聚集時,先將其可動水逐漸驅替,直到全部驅出后,如天然氣壓力仍高于儲層驅替壓力,則天然氣將繼續進入儲層,但此時不可能將束縛水驅出,只能使壓力增高,直到等于儲層所需的驅替壓力時為止[3]。另一方面,對于氣態的天然氣,無論其質量多少,它總能充滿與之相連通的空間。正是由于以上兩個原因,就可能出現兩個儲層雖然具有相同氣飽和度,卻有不同的地層壓力,如果天然氣成分及溫度相同,則反映了天然氣不同的密度。

根據上述認識,就可對氣層評價中兩個矛盾的現象做出解釋。

對于氣層識別來說,一個好的氣層,天然氣密度較大,使含氫指數、密度和聲波傳播速度都增高,故減少了幾種視孔隙度間的差異,從而可能將其誤判為含水層,甚至為水層。

對于氣層定量評價來說,當孔隙度、滲透率、含氣飽和度、有效厚度等參數一定時,顯然天然氣密度越大,其儲量和產量都會越高。但如將天然氣密度視為固定常數,則可能將好的氣層當作高含水飽和度氣層,而將差的氣層卻當作了高產氣層。

圖1 蘇里格氣田某井氣層測井響應特征圖

圖2 土庫曼斯坦某井氣層測井響應特征圖

表1 松淺X1井與松淺X2井氣層參數對比表

因此在氣層評價中,除孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個參數外,還必須引入與天然氣密度相關的參數。

2 充盈度的概念及其計算方法

2.1 天然氣密度的決定因素

為引入一個既與天然氣密度相關,又可用測井資料求得的參數,需首先搞清天然氣密度的決定因素,主要有以下幾方面。

2.1.1 天然氣組成

天然氣以甲烷為主,乙烷次之(約占10%),還有少量丙烷、丁烷、戊烷。在其他條件相同時,組分不同,單位體積的質量數也不同。

2.1.2 天然氣運移和聚集的條件

1)氣源充足程度:氣源越充足,可能密度越高。

2)氣層距氣水界面的高度:高度越大,壓差越大,可能密度越高。

3)天然氣源與儲層間的運移路徑:越通暢,氣體越容易進入儲層而使密度較高;反之如遭非滲透性巖層、斷層等因素的影響可使天然氣密度很低,甚至完全不能進入儲層。

4)儲層的空隙空間結構:它決定了氣驅水所需的排替壓力,該壓力越高,在一定壓力條件下進入儲層的天然量越少,密度自然越小。

2.1.3 氣層的溫度和壓力

對于理想氣體,溫度(T)、壓力(p)與體積(V)的關系應滿足克拉珀龍氣體狀態方程[4]:

式中:n為天然氣摩爾量,kmol;R為氣體常數,M Pa· m3/(kmol·k)。

進而可推出理想氣體密度(ρg)與其溫度、壓力、分子量的關系:

但天然氣并非理想氣體,故在溫度和壓力條件相同時,同樣質量的天然氣體積與理想氣體體積不同,這種差異可用偏差系數(Z)來表示。這樣壓力與密度的關系式就變為:

式中:ρg為天然氣密度,kg/m3;T為天然氣溫度,K;p天然氣壓力,M Pa;Z為天然氣的氣體偏差系數;Mmol為天然氣摩爾質量,kg/kmo l。

由此可知,對一定成分的氣體,Mmol為常數,則壓力就是密度和溫度的函數。

2.2 引入充盈度的概念

據上所述,為評價氣層儲量和產量,需知道單位體積儲層中的天然氣質量數,顯然只用常規4個儲層參數不夠,還必須增加天然氣密度。但天然氣密度受其組分、溫度、壓力及運移和聚集條件等多種因素影響,使氣層評價變得十分復雜,難于操作。為此可對密度進行標準化,消除組分、溫度、壓力的影響,只反映運移和聚集條件對密度的貢獻,即天然氣在聚集時對儲層空隙空間的充盈程度。因此可引入這樣一個新的概念,它既能反映天然氣密度,又可排除溫度和壓力的影響,從而突出儲層實際捕捉到的天然氣質量。將這一概念稱作為天然氣充盈度(C)。它在數理含義上是地層溫度、壓力條件下天然氣的密度(ρgf)與標準溫度(293 K或20℃)、標準壓力(0.101 M Pa)條件下天然氣密度(ρgs)的比值,即:C=ρgf/ρgs。

因此,當計算出充盈度(C)后,就可根據天然氣的成分求得其標準條件下的密度,進而求得地層條件下的天然氣密度。

2.3 充盈度的計算方法

2.3.1 地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度計算

根據中子測井含氫指數和經骨架密度校正的密度孔隙度,進入中子含氫指數—密度孔隙度交會圖版(圖3),再根據儲層深度選擇相應的關系曲線族,則由交會點位置可得到地層孔隙度(φ)。由中子測井含氫指數及計算出的密度孔隙度,在此交會圖可查出其對應的地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度(Sxo)。

2.3.2 地下天然氣密度的計算

由自然伽馬資料計算泥質含量(Vsh),并根據儲層深度和黏土成分計算ρNsh、φNsh;最后根據巖石、礦物成分選取合適的φMma和ρma。將所獲得的這些參數代入密度響應方程:

圖3 中子含氫指數—密度孔隙度交會圖版

由于ρmix受地層水和鉆井液濾液礦化度影響很小,因此取其二者的平均值作為ρmix,造成的誤差可忽略不計。因此由式(5)可計算出地層中天然氣密度值。

2.3.3 地層壓力的計算

根據天然氣中子含氫指數與密度、壓力、溫度的關系(圖4),在已知中子含氫指數和溫度或已知密度和溫度的情況下,便可查出地層壓力。

圖4 天然氣含氫指數與溫度、壓力的關系圖

2.3.4 計算天然氣充盈度

根據氣層溫度、天然氣成分及上述計算的天然氣密度和壓力,就可算出天然氣充盈度。

3 結果驗證

將充盈度概念用于蘇里格、白馬、松華、廣安、土庫曼斯坦阿姆河右岸等國內外多個氣田,不僅使氣、水層鑒別的準確性明顯增強提高,而且對氣層產量的定量估算精度也大大提高,因為在孔隙度、含氣飽和度、產層厚度大體相同的情況下,充盈度與產能(試油結果)有著良好的正相關性(表2)。可見充盈度對產能的貢獻十分明顯。

表2 XX5-2-17井與XX5-13-30井對比表

4 應用前景

充盈度概念的引入及用測井資料計算其大小的成功,不僅在定性判別氣、水層,定量估算天然氣產量方面有十分重要的意義,而且由于充盈度是將溫度、壓力及天然氣成分等因素校正到標準條件下對儲層中天然氣密度的衡量,從而突出了天然氣運移、聚集過程中對儲層中水的驅替能力和氣的充填程度。因此它在幫助預測天然氣藏的分布及富集程度方面一定有更為廣闊的應用前景。

[1]趙良孝,趙佐安,邢會民.儲層流體類型的測井判別方法[M].成都:四川科學技術出版社,2009.

[2]趙良孝.測井在四川碳酸鹽巖儲層研究中的應用[J].天然氣工業,1991,11(5):26-30.

[3]陳元千,李璗.現代油藏工程[M].北京:石油工業出版社, 2001.

[4]福里斯СЭ,季莫列娃A B.普通物理學:第一卷[M].梁寶洪,譯.北京:人民教育出版社,1962.

A new parameter for gas reservoir appraisal:Suffusive degree

Zhao Liangxiao,Xing Huim in
(Geologic Exp loration &Development Research Institute,Chuanqing D rilling Engineering Co.,L td., CN PC,Chengdu,Sichuan 610051,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 30,ISSUE 6,pp.31-34,6/25/2010.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

Two p roblem s exist in gas reservoir identification and p roductivity estimation.One is that a big erro r occursw hen gas layers are identified acco rding to the excavation effect.The other is that gas p roductivity can not be really determined by those parameters such as porosity,po re structure,permeability,saturation and net thickness,the higher values of w hich do not mean a higher p roductivity.A new concep t of gas suffusive degree is p resented to solve these p roblems.Based on analysisof the determinative facto rs of gas suffusive degree and density,the hydrogen index from conventional logging data and thematrix-density-corrected density po rosity and itsassociated chart board are used to calculate the in-situ porosity and the water saturation of wash zones.Then,in-situ gas density is calculated by using density-volume equation.Finally,fo rmation p ressure and gas suffusive degree are calculated.The calculation of suffusive degree reveals not only the causesof the above-mentioned two p roblem s but also the positive correlation between suffusive degree and p roductivity.This parameter can enhance the accuracy of gas reservoir app raisal and help p redict gas distribution and the level of enrichment.

suffusive degree,natural gas,reservoir,p roductivity,density,mathematicalmodel,app raisal

趙良孝,1940年生,教授級高級工程師;從事石油地質礦產普查與勘探研究工作。地址:(610051)四川省成都市府青路一段1號。電話:(028)86015420。E-mail:zhaolxhm@126.com

趙良孝等.天然氣儲層評價的新參數——充盈度.天然氣工業,2010,30(6):31-34.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.008

(修改回稿日期 2010-04-18 編輯 韓曉渝)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.06.008

Zhao L iangxiao,p rofessor of senio r engineer,born in 1940,is engaged in petroleum geologic survey and exp lo ration.

Add:No.1,Sec.1,Fuqing Rd.,Chengdu,Sichuan 610051,P.R.China

Tel:+86-28-8601 5420E-mail:zhaolxhm@126.com