元素俘獲能譜測井在神狐海域天然氣水合物儲層評價中的應用

康冬菊 梁金強 匡增桂 陸敬安郭依群 梁 勁 蔡慧敏 曲長偉

1.中國地質調查局廣州海洋地質調查局 2.斯倫貝謝中國地球科學與石油工程研究院

0 引言

天然氣水合物(以下簡稱水合物)的準確識別和精細定量評價是自然界水合物開發利用的基礎[1]。水合物沉積物在利用降壓方式開采時，沉積物滲透率是其中一個重要影響因素[2]。而沉積物滲透率受巖性和水合物飽和度的控制。水合物飽和度指水合物占據的孔隙體積與巖石總孔隙體積之比，若孔隙度計算不正確，直接導致水合物飽和度估算不合理。因此，精細評價水合物儲層巖性、孔隙度滲透率對水合物的高效開采顯得尤為重要。

目前應用最多的水合物儲層評價方法是地球物理方式，如地震、測井和電磁技術[3]。其中地球物理測井是除地震和鉆探取心外最有效的原位識別和評價方法[4]。

巖性解釋是水合物儲層評價的基礎。常規巖性解釋主要通過自然伽馬[5-6]、中子孔隙度和密度來確定。南海北部神狐海域GMGS-3鉆探隨鉆測井（LWD）揭示W18井在深度134.0～157.5 m發育低伽馬值層段，常規測井解釋認為低伽馬是由儲層砂質成分增多造成的，但根據巖心XRD測定的礦物組分顯示，在該層段方解石含量明顯增多。因此，僅利用常規測井項目得到的巖性剖面不確定性較強，并且很難求準地層的碳酸鹽含量[7]。而元素俘獲能譜測井可以解決這一問題，構成地層的礦物如石英、白云石、方解石、黏土等都有特定的化學元素，這些元素相對集中于O、Si、Al、Fe、Ca、Mg 等幾種，斯倫貝謝公司研發的新一代NeoScope無化學源綜合隨鉆測井，可提供的測量包含元素俘獲能譜，對伽馬譜進行剝譜處理，得到地層主要元素的產額，再經氧閉合處理及巖性模型確定地層礦物含量，從而能夠獲取更加準確的巖性剖面[8-9]。韓琳等[10]利用元素俘獲譜測井準確識別火成巖巖性；袁祖貴等[11]利用元素俘獲譜測井對王莊油田儲層巖性進行了識別。國外Collett和Lee等[12-13]以及國內陸敬安等[3,14-16]對測井技術在水合物儲層解釋和評價方面的進展進行了總結。目前國內外沒有將元素俘獲能譜測井應用在水合物儲層評價中的情況。

筆者主要利用W18井元素俘獲能譜處理得到的巖性結果作為ElanPlus[17]處理的輸入，結合其他常規測井資料，確定了該井的巖性剖面。基于元素俘獲能譜測井處理得到的礦物組分，估算了W18井水合物層的孔隙度、水合物飽和度以及地層基質滲透率。

1 元素俘獲能譜測井原理

NeoScope無化學源綜合隨鉆測井（LWD）采用了斯倫貝謝公司開發的無化學源技術，以脈沖中子發生器（PNG）為核心（圖1），測井時PNG發射的高能中子通過與地層中的原子核發生彈性和非彈性散射而損失能量。經過幾次散射快中子減速變為熱中子，熱中子繼續與地層中的原子核發生多次碰撞，最后中子被地層中的原子核吸收，也就是中子俘獲，從而釋放出非彈性散射伽馬。非彈性散射伽馬的能量取決于俘獲中子的原子核類型，因此，兩個伽馬射線探測器測量的伽馬射線能量反映了地層中的元素。這些數據作為時間和能量的函數被記錄下來。通過分析近源伽馬射線探測器的俘獲伽馬射線能譜，可以得到Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等主要元素的產額，經氧閉合處理，可以得到地層中的元素質量百分含量，最后根據巖性模型確定地層礦物含量。NeoScope儀器巖性測量適用性特別廣，在淡水、飽和鹽水、油基鉆井液、不規則井眼等都能采集到高質量的資料[18]。

圖1 脈沖中子發生器（PNG）工作原理示意圖

2 元素俘獲能譜在水合物儲層評價中的應用

2.1 確定地層礦物類型及含量

圖2 結合元素俘獲能譜的Elan處理礦物組分與巖心XRD測試的礦物組成對比圖

確定地層礦物組分是測井解釋與評價的基礎。元素俘獲能譜測井可提供直觀的礦物類型及含量，因此可直接應用于評價地層巖性。圖2是W18井地層元素含量與礦物類型含量成果圖，從圖2中可以看出元素俘獲能譜推導出的礦物含量與巖心XRD測定的數據吻合很好。深度介于145～172 m為水合物發育層段，準確的巖性分析對評價水合物儲層是相當重要的。如在上部水合物及之上層段（深度介于134.0～157.5 m）自然伽馬曲線明顯降低，初步分析該段砂質成分增多，孔隙度、滲透率較為發育，但通過元素俘獲能譜測井資料分析發現在該低伽馬層段鈣質成分明顯增多，巖心XRD測試分析主要是以方解石為主。這個分析很重要，因為砂質水合物儲層被認為是國際上在當前技術條件下能夠高效試采的重要目標[19-21]，按前者分析，該段低伽馬是由于砂質成分增加引起的，物性較好；而按元素俘獲能譜資料分析，該段低伽馬是由于方解石增多造成的，這對水合物試采儲層改造提供了數據支撐。通過此例可知，在常規測井資料不能反映鈣質的存在時，元素俘獲能譜測井可以精確地測量地層礦物組分，這對評價水合物儲層物性是至關重要的，直接關系到水合物試采井位的確定。

2.2 估算地層孔隙度

密度測井是求取水合物儲層孔隙度的主要方法之一，前人在利用密度測井研究南海神狐海域水合物孔隙度時通常認為巖石骨架密度值不變[22]，當地層含有碳酸鹽巖、綠泥石、黃鐵礦，巖石骨架密度會受到嚴重影響[23-24]。通過元素俘獲能譜處理可得出準確的礦物含量，每種礦物都有其特定的密度值，各種礦物密度的線性組合即巖石骨架密度值，隨著礦物成分及含量的變化，巖石骨架密度值是不同[25-26]，這樣通過密度測井計算的總孔隙度將會更加精確。

巖石骨架密度值為：

式中ρma表示地層骨架密度，g/cm3；Vi表示各礦物的ECS體積百分含量；ρi表示各礦物的骨架密度，g/cm3。

總孔隙度為：

式中φD表示地層孔隙度；ρb表示實測地層密度，g/cm3；ρw表示地層水密度，g/cm3，根據地層水礦化度數據，取 ρw=1.03 g/cm3。

圖3為基于元素俘獲能譜資料兩種不同方法計算的W18井總孔隙度。右數第一道為測井解釋孔隙度與巖心分析孔隙度的對比。紅色線為利用公式（1）、（2）計算的總孔隙度，藍色線為將元素俘獲能譜測井處理得到的礦物組分結果作為ElanPlus測井處理的輸入，結合其他常規測井資料計算的總孔隙度。從圖3中可知，利用兩種方法計算的總孔隙度趨勢基本一致，在水合物層，密度孔隙度整體比ElanPlus處理得到的總孔隙度要大5%左右，后者與巖心分析結果吻合更好，可能密度測井易受井徑、鉆井液等其他因素影響。后者計算的水合物層平均總孔隙度為58.8%。

圖3 基于元素俘獲能譜資料的兩種不同方法求取的孔隙度與巖心分析孔隙度對比圖

2.3 估算水合物飽和度

用測井資料計算水合物飽和度常用的方法有阿爾奇公式法[27-30]、聲波速度法[31-35]、孔隙水氯離子濃度法[28,30]、核磁共振—密度法[28,32,36]、聲波阻抗法[30]等。本文采用阿爾奇公式估算水合物飽和度。即

式中Sh表示水合物飽和度；a、m表示阿爾奇常數；Rw表示地層原生水電阻率，Ω·m；φ表示元素俘獲能譜結合其他常規測井資料計算的孔隙度；Rt表示地層電阻率，Ω·m；n表示飽和度指數。

根據前人的相關研究成果[37]，Rw取值0.25 Ω·m、a取值1.10、m取值2.07；n值采用Pearson等[38]研究計算的結果，取值1.94。

圖4為W18井測井計算飽和度，從圖中可以看出，用阿爾奇公式估算的水合物飽和度與孔隙水氯離子淡化的飽和度吻合較好，測井計算的最大水合物飽和度為58.6%，平均值為29.3%。

2.4 估算地層滲透率

Konno等[39]通過數值模擬認為地層滲透率是水合物試采成功的一個關鍵因素，它直接影響水合物的產氣量和產水量[40]。于倩男等[41]通過實驗研究認為當儲層整體滲透率較低時，滲透率增大的影響程度大于非均質性的負面影響。在利用元素俘獲譜測井精確獲取地層礦物組分的基礎上，能夠很好地估算地層的滲透率[40]，在ElanPlus測井評價中采用HERRON公式估算W18井的滲透率，即

式中K表示儲層基質滲透率，mD；φ表示元素俘獲能譜Elan計算的儲層粒間孔隙；Bi表示每種礦物的滲透率常數；Mi表示固體巖石中每種礦物質量百分含量。

它們反映礦物成分對滲透率的影響，不同的黏土類型對地層滲透率的影響具有明顯的不同，影響程度依次為蒙脫石、伊利石、高嶺石[42]。巖心XRD分析結果表明W18井的黏土類型以伊利石為主，表1給出了W18井每種礦物的Bi值。

圖4 W18井測井計算飽和度與巖心分析飽和度對比圖

表1 W18井不同礦物組分Bi值表

在精確獲取地層礦物組分的基礎上，利用公式（4）對W18井進行滲透率的計算，其計算結果如圖5所示。表2為輝固公司對W18井原位測試的滲透率結果，圖5顯示基于元素俘獲能譜計算的滲透率與原位測試符合率高。

3 結論

1）應用常規測井資料很難求準地層的碳酸鹽含量，而元素俘獲能譜資料可以分析出鈣質的存在，求取的巖性剖面更加精確。

圖5 利用元素俘獲能譜資料求取的滲透率與原位測試滲透率的對比圖

2）元素俘獲能譜處理得到的礦物組分結果作為ElanPlus處理的輸入，結合其他常規測井資料，求得的W18井水合物層孔隙度和飽和度與巖心分析結果吻合得較好。

3）元素俘獲能譜測井資料對水合物儲層基質滲透率的估算作用更為突出。