氣測全烴校正計算儲層含氣飽和度方法及其在渤海油田的應(yīng)用

荊文明 景 社 倪朋勃 李鴻儒 郭明宇 桑月浦

(①中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司；②中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；③中海油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

隨著勘探思路的轉(zhuǎn)變、地質(zhì)認(rèn)識的深化及作業(yè)技術(shù)的進步，渤海油田中深層勘探力度不斷加強，所揭示的儲層巖性特征及油氣水分布日趨復(fù)雜[1]，有砂礫巖儲層和高顯示水層的發(fā)現(xiàn)。在勘探領(lǐng)域，以低孔隙度、低滲透率、非均質(zhì)性強為主要特點的砂礫巖儲層是最難評價的儲層之一[2]。在渤海油田，高顯示水層是指錄井氣測數(shù)值較高，三維定量熒光及地化分析都具有油層特征，而且測井電性也為油層或油水同層，但試油結(jié)果卻為水層，這樣的儲層一般定義為高顯示水層，該類儲層以細砂巖為主，連通性好[3-4]。由于砂礫巖儲層低孔隙度、低滲透率、非均質(zhì)性強的特點以及“高顯示水層”高氣測值、高熒光、高地化的特征，僅依據(jù)錄、測井?dāng)?shù)據(jù)局限性較大，無法準(zhǔn)確評價砂礫巖儲層和高顯示水層，儲層評價面臨更高的挑戰(zhàn)。因此，需要建立一套適合砂礫巖儲層和高顯示水層的錄井、測井綜合解釋評價方法。氣測錄井在勘探開發(fā)中一直扮演著重要的角色[5]，特別是定量脫氣器(GZG)的廣泛應(yīng)用，為氣測定量化解釋打下了基礎(chǔ)。近年來主要利用鉆井參數(shù)進行氣測校正，本文通過鉆井液脫氣效率實驗，得出鉆井液密度、粘度對氣測的影響規(guī)律，校正氣測全烴值并計算地面含氣量，對地面含氣量進行壓力、溫度校正，可得到地層含氣量[6]，并結(jié)合破碎巖石體積和測井已獲得的有效孔隙度計算儲層含氣飽和度。該方法實現(xiàn)了氣測全烴值對儲層含氣飽和度的定量化評價，同時克服了電法計算的缺陷，如地層水礦化度、計算參數(shù)難以確定等，使得儲層綜合評價更準(zhǔn)確，對復(fù)雜儲層評價具有重要意義。

1 鉆井液脫氣效率實驗

含氣飽和度是油氣藏評價的重點指標(biāo)之一，目前主要依據(jù)Archie公式進行含氣飽和度的計算，并借助巖石電阻率與孔隙水電阻率比值間固有關(guān)系建立巖石物性和電性之間的關(guān)系。地層因數(shù)是巖石標(biāo)本100%含水時巖石電阻率與孔隙水電阻率呈線性增加的恒定比例因子，也就是說巖石骨架電阻率無窮大，用電解質(zhì)礦化度為20 000～100 000 mL/L (NaCl)溶液填充巖石孔隙以確保巖石電阻率相對于孔隙水電阻率保持恒定[7]。但現(xiàn)實中，各類儲層受到各類附加電性的影響，如高束縛水飽和度作用、地層水礦化度作用、導(dǎo)電礦物作用、鉆井液侵入、計算參數(shù)難以確定以及潤濕性等，使得Archie公式計算含氣飽和度欠缺。本文從物理意義、普及性及相關(guān)性上整體思考，利用基于脫氣效率和理想氣體狀態(tài)方程計算的地下破碎單位巖石體積的含氣量反推計算含氣飽和度，利用非電法(測井、錄井)信息計算含氣飽和度，對復(fù)雜儲層評價具有重要意義。

脫氣器脫氣時，并不能將鉆井液內(nèi)溶解的烴類氣體全部脫出，很大一部分仍殘留在鉆井液內(nèi)，將脫出的氣體體積占鉆井液內(nèi)總氣體含量的比值，稱為“脫氣效率”[8]。鉆井液脫氣效率實驗是計算地層含氣量的必要實驗[9]，為了研究水基鉆井液性能(密度、粘度)對氣測全烴檢測值的影響，通過模擬井下鉆井液循環(huán)過程，得出鉆井液性能對全烴檢測值的影響規(guī)律。

本實驗?zāi)M井下地層條件，設(shè)計壓力為1 700 psi(11.72 MPa)，鉆井液溫度為50℃，含氣飽和度50%。實驗設(shè)備主要有：試壓泵、電伴熱、GZG定量脫氣器、熱真空定量全脫分析儀、ReservalTM色譜分析儀。所檢測的鉆井液(改進型PEC體系)密度分別為1.15、1.20、1.25、1.30 g/cm3；馬氏漏斗粘度分別為45、50、55 s，共計12組。

實驗利用全脫值-氣測值法，在鉆井液進入脫氣器之前取鉆井液樣品500 mL，進行熱真空定量全脫分析，用以檢測鉆井液內(nèi)烴類氣體的真實含量；同時利用ReservalTM色譜分析儀對氣測值進行實時采集，該氣測值反映的是脫氣器脫出的氣體的含量。脫氣效率可由下式求得：

(1)

式中：ηi為某烴組分的脫氣效率，%；Ci為ReservalTM色譜分析儀的某烴組分的濃度，10-6；Vb為熱真空定量脫氣器的鉆井液罐體積，mL；VQ為ReservalTM色譜分析儀泵排量，mL；Cib為在脫氣前取鉆井液做全脫分析所得氣體濃度，10-6；Vi為GZG定量脫氣器鉆井液罐體積，mL；Vq為熱真空定量全脫分析的鉆井液體積，mL。

通過對12組鉆井液樣品氣體組分檢測實驗，計算并繪制各組分脫氣效率(圖1)，分析鉆井液密度、粘度對全烴檢測值影響。研究發(fā)現(xiàn)，GZG定量脫氣器對甲烷的脫氣效率最高，脫氣效率為20%左右，丁烷的脫氣效率只有7%左右。由此說明，烴類氣體的碳原子數(shù)越大，被鉆井液吸附的力越強，從鉆井液中脫出越困難，脫氣效率越低。通過對12組鉆井液樣品全烴檢測實驗，計算并繪制全烴脫氣效率曲線(圖2)。由圖2可以看出，鉆井液密度為1.20 g/cm3時，各組分脫氣效率最低，但當(dāng)鉆井液密度達到1.20 g/cm3之后，隨著密度的增加脫氣效率增加；鉆井液粘度在45～55 s時，脫氣效率隨著粘度的增加而增加。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算全烴在不同密度、粘度下的脫氣效率(表1)，對全烴進行校正，計算地面條件下鉆井液中破碎單位巖石體積氣體的濃度。

表1 全烴脫氣效率數(shù)據(jù)

圖1 各組分在不同密度、粘度下的脫氣效率曲線

圖2 全烴脫氣效率曲線

(2)

式中：C為地面條件下鉆井液中破碎單位巖石體積的氣體的濃度，%；Tg為ReservalTM色譜分析儀的全烴濃度，%；η為全烴脫氣效率，%。

2 氣測全烴計算含氣飽和度方法

利用氣測全烴值，結(jié)合井眼尺寸、鉆時、鉆井液排量、脫氣效率實驗計算地表條件下每米巖石所釋放的天然氣總體積，再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程推算地下溫壓條件下每米巖石所釋放的天然氣總體積，最終結(jié)合測井孔隙度數(shù)據(jù)，計算得出含氣飽和度。

Vr=πr2h

(3)

式中：Vr為破碎單位巖石體積，m3；r為井眼半徑，m；h為單位進尺，m。

地下巖石破碎后，釋放的氣體體積Vssg為：

Vssg=VrφSg

(4)

式中：Vssg為地下破碎單位巖石體積的含氣量，m3；φ為巖石孔隙度，%；Sg為破碎單位巖石的含氣飽和度，%。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，將計算的地表含氣量體積換算為地下溫壓條件下的氣體體積：

(5)

式中：ps為大氣壓力，kPa；Vsg為破碎單位巖石體積的地表含氣量，m3；Tss為地層溫度，該溫度可根據(jù)地溫梯度或測壓數(shù)據(jù)求得，℃；pss為地層壓力，該壓力可根據(jù)鉆井液密度或測壓數(shù)據(jù)求得，kPa；Ts為地表鉆井液溫度，可由錄井溫度傳感器讀取，℃。

單位體積巖石破碎后的氣體被分散在鉆井液中，破碎單位巖石體積時間內(nèi)鉆井液循環(huán)總量為：

(6)

式中：Vdf為單位巖石體積破碎時間內(nèi)鉆井液循環(huán)總量，m3；FQ為某深度鉆井液泵排量，m3/min；s為某深度鉆速，m/min。

巖石破碎后的氣體全部逸散在鉆井液中，可以計算出地面條件下鉆井液中破碎單位巖石體積的濃度：

(7)

如上所述，聯(lián)立公式(2)-(7)，可以計算出破碎單位巖石體積的含氣飽和度Sg：

(8)

式中：Sg為利用氣測全烴計算的破碎單位巖石體積的含氣飽和度，%。

假若進行測井作業(yè)已經(jīng)得出了孔隙度參數(shù)，在地層壓力和溫度確定的情況下，可以直接利用公式(8)計算儲層含氣飽和度，從而實現(xiàn)氣測定量評價儲層含氣飽和度的方法。需要說明的是，Sg為利用氣測全烴演算的含氣飽和度，SG為測井解釋含氣飽和度。

目前鉆井工程普遍應(yīng)用PDC鉆頭，鉆頭具有較強的碾磨性，確保巖石孔隙中的氣體大部分?jǐn)U散到鉆井液中，這更利于“砂礫巖儲層”或者其他致密儲層的氣體捕集檢測，使氣測全烴校正計算儲層含氣飽和度更準(zhǔn)確。

3 實例應(yīng)用分析

將本文介紹的含氣飽和度計算新方法，在渤海油田17口探井以及12口已鉆井進行了實際應(yīng)用，與電纜取樣及試油結(jié)論進行對比，解釋層數(shù)82層，其中76層符合，解釋符合率為92.7%，解釋評價效果較好，能夠進一步確定儲層含氣性級別。

3.1 Z 2井砂礫巖低滲儲層

Z 2井是渤海灣遼中凹陷J構(gòu)造2號區(qū)塊高部位的一口探井，以東營組和沙河街組為主要目的層，其中東二下亞段發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積，巖性剖面上為多套砂巖和泥巖不等厚互層，且砂礫巖發(fā)育，地層非均質(zhì)性較強，導(dǎo)致常規(guī)氣測和電阻特征識別油水層效果不理想。在鉆遇E3d21組1 513 m砂礫巖儲層時，鉆井液密度1.32 g/cm3，粘度50 s，鉆時由0.95 min/m升至11.96 min/m，氣測全烴值由21.74%降至6.02%，降低了72%(圖3)。隨鉆解釋判斷該儲層含氣性和物性均較差，鉆后電纜取樣(取氣500 cm3，取油1 300 cm3)證實該儲層含油(表2)。

表2 Z 2井電纜取樣數(shù)據(jù)

為了解決上述問題，本文就該井氣測數(shù)據(jù)結(jié)合鉆井液脫氣效率實驗、鉆井工程參數(shù)、錄井傳感器數(shù)據(jù)和測井總孔隙度，進行氣測全烴校正計算儲層含氣飽和度，其中鉆井參數(shù)和鉆井液地面溫度可由錄井?dāng)?shù)據(jù)直接讀取，測井總孔隙度可通過測井?dāng)?shù)據(jù)獲得。本井地下溫度和壓力通過電纜取樣獲得，分別為55.85℃和14.513×103kPa。如圖3所示，Sg和SG兩者趨勢基本一致，在疑難層1 519～1 521 m、1 531～1 533 m處利用氣測全烴演算的含氣飽和度Sg相比于頂部儲層1 496～1 509 m的含氣飽和度Sg無明顯降低，且明顯高于測井解釋含氣飽和度SG(表3)，更符合電纜取樣情況，初步實現(xiàn)錄井?dāng)?shù)據(jù)定量化評價儲層。

表3 Z 2井含氣飽和度數(shù)據(jù)

圖3 Z 2井計算含氣飽和度綜合解釋圖

3.2 N 1井高顯示水層

N 1井是渤南低凸起B(yǎng)構(gòu)造北傾3號區(qū)塊的一口重點探井，B構(gòu)造處于油氣運移的優(yōu)勢路徑上，其運聚條件優(yōu)越。在鉆遇N1g組2 820 m細砂巖儲層時，鉆井液密度1.33 g/cm3，粘度52 s，氣測全烴由1.24%升至9.20%(儲層頂部5.11%，儲層最高至9.20%)，熒光顯示較好，地化含油氣總量0.98～2.61 mg/g，電阻率6.7～14.9 Ω·m(圖4)，錄井解釋和電性解釋均較好。對井段2 835.0～2 841.0 m和2 846.0～2 856.0 m進行測試作業(yè)，產(chǎn)液為水，未見油。

圖4 N 1井計算含氣飽和度綜合解釋圖

針對本層顯示情況，采用地化、電阻率等常規(guī)錄、測井技術(shù)已不能有效評價儲層，因此采用氣測全烴校正計算儲層含氣飽和度評價儲層，其中鉆井參數(shù)和鉆井液地面溫度由錄井?dāng)?shù)據(jù)直接讀取，測井總孔隙度可通過測井?dāng)?shù)據(jù)獲得。本井地?zé)崽荻葹?.823℃/100 m左右，按海底溫度18 ℃計算，得到地下溫度69.41～70.32 ℃，壓力通過鉆桿測試壓力計獲得為22.812×103kPa。在2 820～2 840 m、2 845～2 860 m處Sg

表4 N 1井含氣飽和度數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

在不考慮氣體井口逸散的情況下，基于物理意義、普及性和相關(guān)性進行思考，建立氣測全烴校正計算儲層含氣飽和度的方法，利用非電法信息，將測、錄井?dāng)?shù)據(jù)有機結(jié)合，能夠有效評價砂礫巖儲層和高顯示水層，初步實現(xiàn)了錄井?dāng)?shù)據(jù)定量化評價儲層，對復(fù)雜儲層評價應(yīng)用效果較好，具有重要意義，推薦使用。

對于一些大斜度井、水平井測井項目在實施困難的情況下，可以通過氣測全烴校正計算含氣飽和度的方法計算破碎單位巖石體積地下含氣量，使數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確地反映地層真實含油氣特征，加強縱向和橫向上的地層對比和分析，滿足地質(zhì)儲層評價的需求。