摘 要：莺歌海盆地的乐东气田储层埋深较浅，主要目的层是第四系乐东组，埋深在950～1300m。该气藏的气体组分除了以甲烷为主的烃类气外，还存在大量的二氧化碳等非烃类气体。如何区分烃类气体和二氧化碳气体并对它们的含量作出评估，这对天然气的测井评价工作提出了新的挑战。为此，从测井资料入手，首先识别烃类气和非烃类气储层，再根据研究区内烃类气储层与非烃类气储层在测井响应特征上的差异，利用交会图技术将这些差异体现出来，可以定性判断烃类气层与二氧化碳气层；同时，运用地层组分分析模型和最优化理论，使用多条件约束来计算烃类气体和非烃类气体的相对含量，从而达到定量识别气层类型的目的，以指导油气田的勘探开发作业。实际应用结果表明，参加检验的天然气储层中，79％的层计算烃类气相对含量与实测结果绝对误差在20％以内，证明所确定的非烃类气层常规测井定量解释方法在该区应用效果良好。
关键词：莺歌海盆地 乐东气田 非烃类气层 测井响应 交会图 组分 分析模型 最优化理论 定量计算
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
莺歌海盆地中央泥拱带乐东气田的天然气产自埋深较浅的第四系乐东组和新近系莺歌海组一段。储层岩性以石英砂岩为主，少量岩屑石英砂岩和长石石英砂岩。目前气田已经投入开发，主要生产层位为乐东组三段Ⅱ下气组和莺歌海组一段Ⅲ气组，主要气体组分为烃类气，但是在勘探阶段，部分测试层位烃类气含量较低，最少的仅为5％左右，而非烃类气体含量较高，最高能达到90％[1]。通过天然气组分分析资料可知，除二氧化碳外的非烃类气含量一般较少，在所研究的储层中总含量平均不高于ll.6％，故在本次研究中近似将二氧化碳气看作非烃类气；烃类气层经化验测定其甲烷含量占主要成分，所以将甲烷气看作烃类气。作为非烃类气的二氧化碳在自然界中呈气态存在，其临界温度为31.1℃，临界压力7.23MPa，二氧化碳具有不导电高电阻率特性[2-3]。
1 烃类气与非烃气定性识别方法
烃类气与二氧化碳气层在测井曲线上的响应特征与油、水层有较明显的区别，而它们两者之间的差异却较小，这是造成用测井资料区分甲烷和二氧化碳困难的根本原因。但通过对二者理论上测井响应值的研究可知，两者还是存在一定的差别，因而两种气体在测井曲线上必定存在或多或少的差异，这是用测井资料定性、定量区分烃类气与二氧化碳气的基础[4]。
1)电阻率曲线响应：二氧化碳气层为高电阻率。由于二氧化碳对钻井液侵入带和冲洗带的水化作用，具较强的钻井液减阻侵入特征。与烃类气层相比较，电阻率稍低，钻井液减阻侵入稍强些[5]。
2)声波时差曲线响应：二氧化碳气层为高时差，但与烃类气层相比时差稍小，且少见“周波跳跃”现象[6]。
3)地层密度曲线响应：二氧化碳气层的密度较小，但与烃类气层相比较则高些。相同状态下，二氧化碳的体积密度是甲烷体积密度的3倍多[7]。
4)中子孔隙度曲线响应：二氧化碳气层的中子孔隙度很低，低于烃类气层的中子孔隙度。二氧化碳气含氢指数为0，甲烷气含氢指数为0.0l5％[8-9]。
根据上述分析，采用交会图技术研究了两者在测井响应上的差别。在乐东l5-1／22-1研究区选取了经测试、电缆测试取样或试生产证实含量相对比较高的甲烷或二氧化碳层段(表1)，并定义甲烷含量高于50％的气层为以甲烷为主的气层，否则为以非烃为主(CO2为主)的气层，然后利用这些层段的测井资料分别作出了密度一中子、密度一声波交会图(图1、2)。从图l、2中可以看出：烃类气与二氧化碳气体在测井响应值上是存在一定差别的，从而可以通过这种差异来区分烃类气与二氧化碳气层[10]。
通过分析图1、2可以发现，中子测井与密度测井能较好地区分以甲烷为主的烃类气层与二氧化碳气层；声波测井对两类气体的区别能力相对较差。随钻测井资料由于是地层刚钻开时获得的资料，对两者的区分效果要比电缆测井资料好[11]。
在物性比较好，含气饱和度高的情况下，两类气体的测井响应特征差别明显；随着泥质含量增多，物性变差，含气饱和度降低等情况会使得以上差异小明显。这些因素的影响将在定量识别中消除。
2 烃类气与非烃气定量区分方法
笔者区分烃类气与非烃气的基本思路：在单位体积条件下假定各组分在地层中的相对百分含量，建立双水多矿物地层组分分析物理模型和带约束的测井超定线性方程组，进而运用线性最小二乘法原理，将其转换为求解极值问题的数学目标函数，最终采用最优化算法得到地面条件下烃类气的相对含量，从而达到识别气层类型的目的。由于除二氧化碳外的非烃气含量一般较少，且测井响应值与二氧化碳接近，为方便起见将其归到二氧化碳中，作为同一组分看待[12]。
2．1 物理模型
对含油气的储集层来说，储集层可以看成是由具有不同性质的组分组成的，这些组分包括：不动油、可动油(或非烃气)、天然气、可动水、束缚水、泥质以及岩石的各种骨架矿物(表2)。
假设组分不动油、可动油(或非烃气)、可动水、束缚水、天然气、泥质以及岩石的各种骨架矿物在地层中的相对含量分别为：xor，xco2，xfw，xbw，xgas，xsh，xmal，xma2，…，xmak则有如下关系式。
孔隙度：
地层含水饱和度：
束缚水饱和度：
泥质含量：
Vsh＝xsh (4)
2．2 数学模型
根据以上物理模型，可写出各种测井仪器的响应方程式。例如，密度测井的响应方程为：
rb＝rorxor+rCO2xCO2+rfwxfw+rbwxbw+rgasxgas+rshxsh+rmalxmal+rma2xma2+…+rmakxmak (5)
式中ror，rCO2，rfw，rbw，rgas，rsh，rmal，rma2，…，rmak分别表示地层中不动油气、二氧化碳、自由水、束缚水、烃类气、泥质、岩石骨架矿物(1～是种)的体积密度，g／cm3。
为简便起见，将式(5)写成：
式中n表示组成地层的组分个数；xj表示第j种组分的相对含量。
同理可写出其他测井仪器的响应方程，用通式表示为：
式中m表示测井仪器的个数；B表示地层对测井仪器的响应值。
解以上由m个方程组成的方程组，就可以求得xj，这就是待解决的组分含量[3]。
2．3 烃类气含量的计算
由气体状态方程可得到井底条件下体积为Vgf的天然气(烃类气)在地而条件下的体积Vgs为[7]：
式中Ts为地面温度，K；pgf为地层压力，MPa；Zf为烃类气在井底条件下的压缩因子，无因次；Tf为井底温度，K；pg为地面压力，MPa。
同样可写出井底条件下体积为CCO2f的非烃气在地面条件下的体积VCO2s，即
式中ZCO2f为非烃类气在井底条件下的压缩因子，无因次。
地面条件烃类气相对含量为：
若岩石体积为VT，则Vgf=xgasVT，VCO2f＝xCO2VT,即
将式(9)代入式(8)并整理得到：
式中xgas为烃类气在地层中的相对含量，小数；xCO2为非烃气在地层中的相对含量，小数。
地层流体密度为：
式中rgas、rCO2、rfw分别为地层条件烃类气、非烃气和地层水的密度，g／cm3。
3 应用效果
图3、4分别为LDl5-1-X井、LD22-l-Y井双水多矿物地层组分分析程序处理的解释成果图。
图3显示LDl5-1-X井1572～1577m段第2道中子密度出现交会，第3道电阻率增大，第5道孔隙度差、比值识别法出现明显的气层“包络”特征，第8道测井计算的含水饱和度与束缚水饱和度几乎重合，含水饱和度大致为30％，第6道为该方法定量计算出的烃类气相对含量，大概在40％左右，DST测试证实该层甲烷含量为34.4％，测试的结果与定量计算的结果相近。
图4显示LD22-1-Y井963～985m段测井定量计算烃类气含量为75％左右，测试证实该层甲烷含量为81％。通过莺歌海盆地l5口井19个层位测井计算烃类气含量与实测结果对比，在统计的l9层中，绝对误差在20％以内的层有l5层，占79％；绝对误差在10％以内的层有l2层，占63％[13]。表明该定量方法能较为有效地计算烃类气含量，从而达到区分烃类气与非烃气的目的。
4 结论
1)乐东气田烃类气与二氧化碳在测井响应值上存在一定差别，通过这种差异可以定性判断烃类与二氧化碳气层。中子—密度交会图能较好地区分以甲烷为主的烃类气层与二氧化碳气层。
2)利用地层组分分析模型和最优化理论定量计算烃类气与非烃气含量。计算结果表明：63％的层烃类气含量计算误差能控制在l0％以内；79％的层烃类气含量计算误差能控制在20％以内。该方法呵以较好地用测井资料区分烃类气与非烃气。
3)多口井的实际资料处理证明，常规测井非烃类气层定量解释确立的方法和模型适合于南海北部盆地天然气田的测井解释评价。
参考文献
[1]刘中奇，杜春玲．非烃类气层测井识别方法[J]．测井技术，1998，22(2)：107-110．
LIU Zhongqi，DU Chunling．Identification method of nonhydrocarbon gas zones on logging[J]．Well Logging Technology，l998，22(2)：107-110．
[2]高楚桥．复杂储层测井评价方法EM]．北京：石油工业出版社，2003．
GAO Chuqiao．Well logging evaluation of complex resetvoirs[M]．Beijing：Petroleum Industry Press，2003．
[3]周伦先，褚小兵．CO2气井相态特征[J]．油气井测试，2006，15(5)：35-37．
ZHOU gunxian，CHU Xiaobing．Phase behavior characteristic of gas well with rich-content CO2[J]．Well Testing．2006，15(5)：35-37．
[4]何胜林，张海荣，陈嵘，等．东方1-1气田低电阻率气层测井评价方法[J]．天然气工业，2012，32(8)：27-30．
HE Shenglin，ZHANG Hairong，CHEN Rong，et al．Logging evaluation methods for low-resistivity gas layers in the Dongfang 1-1 Gas Field，Yinggehai Basin[J]．Natural Gas Industry，2012，32(8)：27-30．
[5]王德喜，曾文冲，汪志锋．松南气田火山岩储层流体性质的识别[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2009，31(6)：15-20．
WANG Dexi，ZENG Wenchong，WANG Zhifeng．Reservoir fluid property identification of volcanic rock in Songnan Gas Field[J]．Journal of Southwest Petroleum university：Scienee&Technology Edition，2009，3l(6)：15-20．
[6]王磊，王学琴，吴胜，等．利用弹性模量计算含气饱和度方法研究[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2011，33(4)：69-72．
WANG Lei，WANG Xueqin，WU Sheng，et al．Method of gas saturation prediction by elastic modules[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technologv Edition，2011，33(4)：69-72．
[7]司马立强，赵冉，王培春，等．普光缝洞性储层流体性质测井判别适应性[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2010，32(1)：11-15．
SIMA Liqiang，ZHAO Ran，WANG Peichun，et al．The suitability analysis of log distinguishing methods of fluid nature of fracture and cave reservoir in Puguang Field[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science＆．Technology Edition，2010，32(1)：11-15．
[8]李山生，赵辉．利用弹性参数识别气、水层[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2012，34(3)：83-88．
LI Shansheng，ZHAO Hui．Identification of watcr and gas reservoirs with elastic parameters[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Teclmology Edition，2012，34(3)：83-88．
[9]李同华．基于偶极横波资料的火山岩裂缝及油气识别[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2009，31(6)：45-50．
LI Tonghua．Igneous rock fractures and hydrocarbon identification based on DSL data[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science＆.Technology Edition．2009．31(6)：45-50．
[10]于世元．复杂气层识别技术研究[J]．天然气工业，1999，19(1)：67-70．
YU Shiyuan．Research on the techique of identifying the complex gas bearing formation[J]．Natural Gas Industrv，1999，19(1)：67-70．
[11]VARGAFTIK N B．Tables on the thermophysical properties of liquids and gases[M]．Washington DC：Hemisphere Publishing Corporation，l975：l56-166．
[12]高楚桥，袁云福，吴洪深，等．莺歌海盆地束缚水饱和度测井评价方法研究[J]．天然气工业，2003，23(5)：38-40．
GAO Chuqiao，YUAN Yunfu，WU Hongshen，et al．Resea rch on the log evaluation method of irreduci ble water saturation in Yinggehai Basin[J]．Natural Gas Industry，2003，23(5)：38-40．
[13]吴洪深，高华，林德明．南海西部海域非烃类气层测井识别及解释评价方法[J]．中国海上油气，2012，24(1)：21-24．
WU Hongshen，GAO Hua，LIN Deming．A methodology on logging identification and interpretation of non hydrocarbon gas zones in the western South China Sea[J]．China Offshore Oil and Gas，2012，24(1)：21-24．
本文作者：何胜林 陈嵘 高楚桥 张海荣
作者单位：中海石油(中国)有限公司湛江分公司
油气资源与勘探技术教育部重点实验室
您可以选择一种方式赞助本站
支付宝转账赞助
微信转账赞助
