摘要：在天然气储层识别和生产能力评价中，存在两个矛盾：一是应用挖掘效应进行气层判断时误差较大；二是根据孔隙度、空隙空间结构、渗透率、饱和度、有效厚度等参数来确定生产能力时，其参数值越大并不表明产能越高。为此提出了天然气充盈度的概念，在分析充盈度及天然气密度的决定因素基础上，利用常规测井资料的含氢指数和经骨架密度校正的密度孔隙度及其相应图版，计算地层孔隙度及冲刷带含水饱和度，然后再根据密度体积方程计算地下天然气密度，最后计算出地层压力和充盈度参数。根据所计算出的充盈度结果，不仅搞清了产生上述矛盾的机理，而且还发现充盈度与产能有着良好的正相关性，从而提高了天然气储层评价的准确度，有助于科学预测气藏的分布和富集程度。

关键词：充盈度；天然气；储集层；生产能力；密度；数学模型；评价

    天然气充盈度的概念为：地层温度、压力条件下天然气的密度与标准温度、标准压力条件下天然气密度的比值。

   以往对储层进行气水或油气判别时，主要基于天然气的低含氢指数及挖掘效应，气层视中子孔隙度降低，而声波和密度视孔隙度增高，且其差别越大，越符合气层特征。但在测井解释中却发现有些高产气层的视中子孔隙度并不很低，而密度、声波视孔隙度却增大不多，故经常导致气水或油气判别失误^[1～2]。如图1和图2所示，它们分别是苏里格气田某井产气3.89×10⁴m³/d气层和土库曼斯坦气田某井产气21.0×10⁴m³/d气层的测井响应特征，显然高产气层的视孔隙度关系反而更接近水层特征。

   在对天然气储层进行测井定量评价中，只用了孔隙度、含气饱和度、渗透率、有效厚度等4个基本参数。但近来在气层评价中，发现有些储层，上述4个参数基本相同，而产能却差别较大，甚至出现4个参数较好的储层，而气产量反而低于4个参数较差的储层(表1)。

    为解释上述矛盾，可从天然气的聚集过程讨论。当天然气向一个被地层水充满的水层运移和聚集时，先将其可动水逐渐驱替，直到全部驱出后，如天然气压力仍高于储层驱替压力，则天然气将继续进入储层，但此时不可能将束缚水驱出，只能使压力增高，直到等于储层所需的驱替压力时为止^[3]。另一方面，对于气态的天然气，无论其质量多少，它总能充满与之相连通的空间。正是由于以上两个原因，就可能出现两个储层虽然具有相同气饱和度，却有不同的地层压力，如果天然气成分及温度相同，则反映了天然气不同的密度。

    根据上述认识，就可对气层评价中两个矛盾的现象做出解释。

    对于气层识别来说，一个好的气层，天然气密度较大，使含氢指数、密度和声波传播速度都增高，故减少了几种视孔隙度间的差异，从而可能将其误判为含水层，甚至为水层。

    对于气层定量评价来说，当孔隙度、渗透率、含气饱和度、有效厚度等参数一定时，显然天然气密度越大，其储量和产量都会越高。但如将天然气密度视为固定常数，则可能将好的气层当作高含水饱和度气层，而将差的气层却当作了高产气层。

因此在气层评价中，除孔隙度、含气饱和度、渗透率、有效厚度等4个参数外，还必须引入与天然气密度相关的参数。

   为引入一个既与天然气密度相关，又可用测井资料求得的参数，需首先搞清天然气密度的决定因素，主要有以下几方面。

2.1.1 天然气组成

   天然气以甲烷为主，乙烷次之(约占10%)，还有少量丙烷、丁烷、戊烷。在其他条件相同时，组分不同，单位体积的质量数也不同。

2.1.2 天然气运移和聚集的条件

   1) 气源充足程度：气源越充足，可能密度越高。

   2) 气层距气水界面的高度：高度越大，压差越大，可能密度越高。

   3) 天然气源与储层间的运移路径：越通畅，气体越容易进入储层而使密度较高；反之如遭非渗透性岩层、断层等因素的影响可使天然气密度很低，甚至完全不能进入储层。

   4) 储层的空隙空间结构：它决定了气驱水所需的排替压力，该压力越高，在一定压力条件下进入储层的天然量越少，密度自然越小。

2.1.3 气层的温度和压力

   对于理想气体，温度(T)、压力(p)与体积(V)的关系应满足克拉珀龙气体状态方程^[4]：

式中：n为天然气摩尔量，kmol；R为气体常数，MPa·m³/(kmol·k)。

   进而可推出理想气体密度(ρ_g)与其温度、压力、分子量的关系：

    ρ_g=pM_mol/(TR)    (2)

   但天然气并非理想气体，故在温度和压力条件相同时，同样质量的天然气体积与理想气体体积不同，这种差异可用偏差系数(Z)来表示。这样压力与密度的关系式就变为：

    ρ_g=pM_mol/(TRZ)    (3)

式中：ρ_g为天然气密度，kg/m³；T为天然气温度，K；p天然气压力，MPa；Z为天然气的气体偏差系数；M_mol为天然气摩尔质量，kg/kmol。

    由此可知，对一定成分的气体，M_mol为常数，则压力就是密度和温度的函数。

    据上所述，为评价气层储量和产量，需知道单位体积储层中的天然气质量数，显然只用常规4个储层参数不够，还必须增加天然气密度。但天然气密度受其组分、温度、压力及运移和聚集条件等多种因素影响，使气层评价变得十分复杂，难于操作。为此可对密度进行标准化，消除组分、温度、压力的影响，只反映运移和聚集条件对密度的贡献，即天然气在聚集时对储层空隙空间的充盈程度。因此可引入这样一个新的概念，它既能反映天然气密度，又可排除温度和压力的影响，从而突出储层实际捕捉到的天然气质量。将这一概念称作为天然气充盈度(C)。它在数理含义上是地层温度、压力条件下天然气的密度(ρ_gf)与标准温度(293K或20℃)、标准压力(0.101MPa)条件下天然气密度(ρ_gs)的比值，即：C=ρ_gf/ρ_gs。

    因此，当计算出充盈度(C)后，就可根据天然气的成分求得其标准条件下的密度，进而求得地层条件下的天然气密度。

2.3.1 地层孔隙度及冲刷带含水饱和度计算

    根据中子测井含氢指数和经骨架密度校正的密度孔隙度，进入中子含氢指数密度孔隙度交会图版(图3)，再根据储层深度选择相应的关系曲线族，则由交会点位置可得到地层孔隙度(φ)。由中子测井含氢指数及计算出的密度孔隙度，在此交会图可查出其对应的地层孔隙度及冲刷带含水饱和度(S_xo)。

2.3.2 地下天然气密度的计算

    由自然伽马资料计算泥质含量(V_sh)，并根据储层深度和黏土成分计算ρ_Nsh、φ_Nsh；最后根据岩石、矿物成分选取合适的φ_Mma和ρ_ma。将所获得的这些参数代入密度响应方程：

    ρ_b=φ[ρ_g(1-S_xo)+S_xoρ_mix]+V_shρ_sh+(1-V_sh-φ)ρ_ma    (4)

可计算出天然气密度(ρ_g)为：

 

    由于ρ_mix受地层水和钻井液滤液矿化度影响很小，因此取其二者的平均值作为ρ_mix，造成的误差可忽略不计。因此由式(5)可计算出地层中天然气密度值。

2.3.3 地层压力的计算

    根据天然气中子含氢指数与密度、压力、温度的关系(图4)，在已知中子含氢指数和温度或已知密度和温度的情况下，便可查出地层压力。

2.3.4 计算天然气充盈度

    根据气层温度、天然气成分及上述计算的天然气密度和压力，就可算出天然气充盈度。

    将充盈度概念用于苏里格、白马、松华、广安、土库曼斯坦阿姆河右岸等国内外多个气田，不仅使气、水层鉴别的准确性明显增强提高，而且对气层产量的定量估算精度也大大提高，因为在孔隙度、含气饱和度、产层厚度大体相同的情况下，充盈度与产能(试油结果)有着良好的正相关性(表2)。可见充盈度对产能的贡献十分明显。

    充盈度概念的引入及用测井资料计算其大小的成功，不仅在定性判别气、水层，定量估算天然气产量方面有十分重要的意义，而且由于充盈度是将温度、压力及天然气成分等因素校正到标准条件下对储层中天然气密度的衡量，从而突出了天然气运移、聚集过程中对储层中水的驱替能力和气的充填程度。因此它在帮助预测天然气藏的分布及富集程度方面一定有更为广阔的应用前景。

[1] 赵良孝，赵佐安，邢会民.储层流体类型的测井判别方法[M].成都：四川科学技术出版社，2009.

[2] 赵良孝.测井在四川碳酸盐岩储层研究中的应用[J].天然气工业，1991，11(5)：26-30.

[3] 陈元千，李望.现代油藏工程[M].北京：石油工业出版社，2001.

[4] 福里斯C Э，季莫列娃A B.普通物理学：第一卷[M].梁宝洪，译.北京：人民教育出版社，1962.

 

(本文作者：赵良孝 邢会民 川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院)