摘 要：鶯歌海盆地的樂東氣田儲層埋深較淺，主要目的層是第四系樂東組，埋深在950～1300m。該氣藏的氣體組分除了以甲烷為主的烴類氣外，還存在大量的二氧化碳等非烴類氣體。如何區(qū)分烴類氣體和二氧化碳氣體并對它們的含量作出評估，這對天然氣的測井評價工作提出了新的挑戰(zhàn)。為此，從測井資料入手，首先識別烴類氣和非烴類氣儲層，再根據(jù)研究區(qū)內(nèi)烴類氣儲層與非烴類氣儲層在測井響應(yīng)特征上的差異，利用交會圖技術(shù)將這些差異體現(xiàn)出來，可以定性判斷烴類氣層與二氧化碳氣層；同時，運用地層組分分析模型和最優(yōu)化理論，使用多條件約束來計算烴類氣體和非烴類氣體的相對含量，從而達到定量識別氣層類型的目的，以指導油氣田的勘探開發(fā)作業(yè)。實際應(yīng)用結(jié)果表明，參加檢驗的天然氣儲層中，79％的層計算烴類氣相對含量與實測結(jié)果絕對誤差在20％以內(nèi)，證明所確定的非烴類氣層常規(guī)測井定量解釋方法在該區(qū)應(yīng)用效果良好。
關(guān)鍵詞：鶯歌海盆地 樂東氣田 非烴類氣層 測井響應(yīng) 交會圖 組分 分析模型 最優(yōu)化理論 定量計算
Logging identification of non-hydrocarbon gas zones in the Ledong Gas Field，Yinggehai Basin
Abstract：The reservoirs in the Ledong Gas Field，Yinggehai Basin，are buried shallow，the major pay zone of which is the Quaternary Ledong Formation with a burial depth of 950～1300m．Apart from methane-dominated hydrocarbon gases，gas reservoirs there also contain a great volume of non hydrocarbon gases like CO2．How to differentiate between hydrocarbon gases and CO2 and determine their content is a new challenge to the logging evaluation in this study area．Therefore，on the basis of the logging data，we firstidentified hydrocarbon and non hydrocarbon gas zones；then adopted the cross plot to present their difference reflected from the logging response．Thus，we were able to quantitatively judge if it is a hydrocarbon or CO2 gas zone．Meanwhile，we adopted thc formation ingredient analysis model and the optimization theory to calculate the relative content of hydrocarbon and non-hydrocarbon gases under multiple constraint conditions．In this way，we can quantitatively identify the gas zone types，which will be a guidance for the exploration and exploitation operations in oil and gas fields．The actual field practices demonstrated that among 79％of the examined gas zones，the absolute error between the calculated relative content of hydrocarbon gases and the actual measurement was within 20％，which proved that this proposed method in this study is perfect．
Key words：Ledong Gas Field，Yinggehai Basin，non-hydrocarbon gas zone，logging response，cross plot，formation ingredient analysis model，optimization theory，quantitative calculation
鶯歌海盆地中央泥拱帶樂東氣田的天然氣產(chǎn)自埋深較淺的第四系樂東組和新近系鶯歌海組一段。儲層巖性以石英砂巖為主，少量巖屑石英砂巖和長石石英砂巖。目前氣田已經(jīng)投入開發(fā)，主要生產(chǎn)層位為樂東組三段Ⅱ下氣組和鶯歌海組一段Ⅲ氣組，主要氣體組分為烴類氣，但是在勘探階段，部分測試層位烴類氣含量較低，最少的僅為5％左右，而非烴類氣體含量較高，最高能達到90％[1]。通過天然氣組分分析資料可知，除二氧化碳外的非烴類氣含量一般較少，在所研究的儲層中總含量平均不高于ll.6％，故在本次研究中近似將二氧化碳氣看作非烴類氣；烴類氣層經(jīng)化驗測定其甲烷含量占主要成分，所以將甲烷氣看作烴類氣。作為非烴類氣的二氧化碳在自然界中呈氣態(tài)存在，其臨界溫度為31.1℃，臨界壓力7.23MPa，二氧化碳具有不導電高電阻率特性[2-3]。
1 烴類氣與非烴氣定性識別方法
烴類氣與二氧化碳氣層在測井曲線上的響應(yīng)特征與油、水層有較明顯的區(qū)別，而它們兩者之間的差異卻較小，這是造成用測井資料區(qū)分甲烷和二氧化碳困難的根本原因。但通過對二者理論上測井響應(yīng)值的研究可知，兩者還是存在一定的差別，因而兩種氣體在測井曲線上必定存在或多或少的差異，這是用測井資料定性、定量區(qū)分烴類氣與二氧化碳氣的基礎(chǔ)[4]。
1)電阻率曲線響應(yīng)：二氧化碳氣層為高電阻率。由于二氧化碳對鉆井液侵入帶和沖洗帶的水化作用，具較強的鉆井液減阻侵入特征。與烴類氣層相比較，電阻率稍低，鉆井液減阻侵入稍強些[5]。
2)聲波時差曲線響應(yīng)：二氧化碳氣層為高時差，但與烴類氣層相比時差稍小，且少見“周波跳躍”現(xiàn)象[6]。
3)地層密度曲線響應(yīng)：二氧化碳氣層的密度較小，但與烴類氣層相比較則高些。相同狀態(tài)下，二氧化碳的體積密度是甲烷體積密度的3倍多[7]。
4)中子孔隙度曲線響應(yīng)：二氧化碳氣層的中子孔隙度很低，低于烴類氣層的中子孔隙度。二氧化碳氣含氫指數(shù)為0，甲烷氣含氫指數(shù)為0.0l5％[8-9]。
根據(jù)上述分析，采用交會圖技術(shù)研究了兩者在測井響應(yīng)上的差別。在樂東l5-1／22-1研究區(qū)選取了經(jīng)測試、電纜測試取樣或試生產(chǎn)證實含量相對比較高的甲烷或二氧化碳層段(表1)，并定義甲烷含量高于50％的氣層為以甲烷為主的氣層，否則為以非烴為主(CO2為主)的氣層，然后利用這些層段的測井資料分別作出了密度一中子、密度一聲波交會圖(圖1、2)。從圖l、2中可以看出：烴類氣與二氧化碳氣體在測井響應(yīng)值上是存在一定差別的，從而可以通過這種差異來區(qū)分烴類氣與二氧化碳氣層[10]。
通過分析圖1、2可以發(fā)現(xiàn)，中子測井與密度測井能較好地區(qū)分以甲烷為主的烴類氣層與二氧化碳氣層；聲波測井對兩類氣體的區(qū)別能力相對較差。隨鉆測井資料由于是地層剛鉆開時獲得的資料，對兩者的區(qū)分效果要比電纜測井資料好[11]。
在物性比較好，含氣飽和度高的情況下，兩類氣體的測井響應(yīng)特征差別明顯；隨著泥質(zhì)含量增多，物性變差，含氣飽和度降低等情況會使得以上差異小明顯。這些因素的影響將在定量識別中消除。
2 烴類氣與非烴氣定量區(qū)分方法
筆者區(qū)分烴類氣與非烴氣的基本思路：在單位體積條件下假定各組分在地層中的相對百分含量，建立雙水多礦物地層組分分析物理模型和帶約束的測井超定線性方程組，進而運用線性最小二乘法原理，將其轉(zhuǎn)換為求解極值問題的數(shù)學目標函數(shù)，最終采用最優(yōu)化算法得到地面條件下烴類氣的相對含量，從而達到識別氣層類型的目的。由于除二氧化碳外的非烴氣含量一般較少，且測井響應(yīng)值與二氧化碳接近，為方便起見將其歸到二氧化碳中，作為同一組分看待[12]。
2．1 物理模型
對含油氣的儲集層來說，儲集層可以看成是由具有不同性質(zhì)的組分組成的，這些組分包括：不動油、可動油(或非烴氣)、天然氣、可動水、束縛水、泥質(zhì)以及巖石的各種骨架礦物(表2)。
假設(shè)組分不動油、可動油(或非烴氣)、可動水、束縛水、天然氣、泥質(zhì)以及巖石的各種骨架礦物在地層中的相對含量分別為：xor，xco2，xfw，xbw，xgas，xsh，xmal，xma2，…，xmak則有如下關(guān)系式。
孔隙度：
地層含水飽和度：
束縛水飽和度：
泥質(zhì)含量：
Vsh＝xsh (4)
2．2 數(shù)學模型
根據(jù)以上物理模型，可寫出各種測井儀器的響應(yīng)方程式。例如，密度測井的響應(yīng)方程為：
rb＝rorxor+rCO2xCO2+rfwxfw+rbwxbw+rgasxgas+rshxsh+rmalxmal+rma2xma2+…+rmakxmak (5)
式中ror，rCO2，rfw，rbw，rgas，rsh，rmal，rma2，…，rmak分別表示地層中不動油氣、二氧化碳、自由水、束縛水、烴類氣、泥質(zhì)、巖石骨架礦物(1～是種)的體積密度，g／cm3。
為簡便起見，將式(5)寫成：
式中n表示組成地層的組分個數(shù)；xj表示第j種組分的相對含量。
同理可寫出其他測井儀器的響應(yīng)方程，用通式表示為：
式中m表示測井儀器的個數(shù)；B表示地層對測井儀器的響應(yīng)值。
解以上由m個方程組成的方程組，就可以求得xj，這就是待解決的組分含量[3]。
2．3 烴類氣含量的計算
由氣體狀態(tài)方程可得到井底條件下體積為Vgf的天然氣(烴類氣)在地而條件下的體積Vgs為[7]：
式中Ts為地面溫度，K；pgf為地層壓力，MPa；Zf為烴類氣在井底條件下的壓縮因子，無因次；Tf為井底溫度，K；pg為地面壓力，MPa。
同樣可寫出井底條件下體積為CCO2f的非烴氣在地面條件下的體積VCO2s，即
式中ZCO2f為非烴類氣在井底條件下的壓縮因子，無因次。
地面條件烴類氣相對含量為：
若巖石體積為VT，則Vgf=xgasVT，VCO2f＝xCO2VT,即
將式(9)代入式(8)并整理得到：
式中xgas為烴類氣在地層中的相對含量，小數(shù)；xCO2為非烴氣在地層中的相對含量，小數(shù)。
地層流體密度為：
式中rgas、rCO2、rfw分別為地層條件烴類氣、非烴氣和地層水的密度，g／cm3。
3 應(yīng)用效果
圖3、4分別為LDl5-1-X井、LD22-l-Y井雙水多礦物地層組分分析程序處理的解釋成果圖。
圖3顯示LDl5-1-X井1572～1577m段第2道中子密度出現(xiàn)交會，第3道電阻率增大，第5道孔隙度差、比值識別法出現(xiàn)明顯的氣層“包絡(luò)”特征，第8道測井計算的含水飽和度與束縛水飽和度幾乎重合，含水飽和度大致為30％，第6道為該方法定量計算出的烴類氣相對含量，大概在40％左右，DST測試證實該層甲烷含量為34.4％，測試的結(jié)果與定量計算的結(jié)果相近。
圖4顯示LD22-1-Y井963～985m段測井定量計算烴類氣含量為75％左右，測試證實該層甲烷含量為81％。通過鶯歌海盆地l5口井19個層位測井計算烴類氣含量與實測結(jié)果對比，在統(tǒng)計的l9層中，絕對誤差在20％以內(nèi)的層有l5層，占79％；絕對誤差在10％以內(nèi)的層有l2層，占63％[13]。表明該定量方法能較為有效地計算烴類氣含量，從而達到區(qū)分烴類氣與非烴氣的目的。
4 結(jié)論
1)樂東氣田烴類氣與二氧化碳在測井響應(yīng)值上存在一定差別，通過這種差異可以定性判斷烴類與二氧化碳氣層。中子—密度交會圖能較好地區(qū)分以甲烷為主的烴類氣層與二氧化碳氣層。
2)利用地層組分分析模型和最優(yōu)化理論定量計算烴類氣與非烴氣含量。計算結(jié)果表明：63％的層烴類氣含量計算誤差能控制在l0％以內(nèi)；79％的層烴類氣含量計算誤差能控制在20％以內(nèi)。該方法呵以較好地用測井資料區(qū)分烴類氣與非烴氣。
3)多口井的實際資料處理證明，常規(guī)測井非烴類氣層定量解釋確立的方法和模型適合于南海北部盆地天然氣田的測井解釋評價。
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本文作者：何勝林 陳嶸 高楚橋 張海榮
作者單位：中海石油(中國)有限公司湛江分公司
油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室
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