地球物理测井在天然气水合物勘探中的应用

第18卷第2期2003年4月

地球科学进展

ADVANCE IN EAR TH SCIENCES

Vol.18　No.2

Apr.,2003

文章编号:100128166(2003)022*******

地球物理测井在天然气水合物

勘探中的应用Ξ

高兴军1,于兴河1,李胜利1,段鸿彦2

(1.中国地质大学,北京　100083;2.西安石油勘探仪器总厂科技信息部,西安　710065)

摘　要:天然气水合物是一种潜在的巨大能源。美国、日本、俄罗斯等发达国家在该领域已经进行了大量的研究工作,试图从各个角度去探测天然气水合物的存在并评价其蕴藏量。地球物理测井在天然气水合物探测与储量评价领域发挥了重要作用并且随着以勘探天然气水合物为目的的钻井的增多,日益受到重视。基于国内在该领域研究较少的现状,综述了国外地球物理测井技术在天然气水合物勘探中的应用,详细介绍了常规测井方法定性识别和定量评价天然气水合物储层的孔隙度、饱和度方法和技术,基于含天然气水合物储层的碳氧比能谱测井解释模型以及成像测井在含天然气水合物井段的测井响应。并在此基础上分析了我国在该领域的研究思路。

关　键　词:天然气水合物;测井;常规测井;碳氧比能谱测井;成像测井

中图分类号:P63118+1;TE13 文献标识码:A

0　引　言

天然气水合物是由天然气和水组成的结晶物质,俗称“可燃冰”。近年来,天然气水合物尤其是甲烷水合物成为世界发达国家今后油气后备储量的研究焦点,原因是在永久冻土带和海底沉积物中广泛分布着天然气水合物,并且该物质被认为是潜在的新能源,根据科学家大胆的推测,全球海底天然气水合物的甲烷资源量高达2×1016m3,是迄今为止地球上所有已知的煤、石油及天然气矿床的甲烷当量的2倍[1]。

数十年来,测井技术在石油、天然气工业中已发挥了巨大的作用,地球物理测井方法是使用较早的天然气水合物勘察方法之一。因此其在天然气水合物这一新兴能源的的勘探中必然有其应有的地位,并可发挥重大的作用。目前世界范围内把测井技术应用到天然气水合物勘探中的实例主要有以下几个区域。国际大洋钻探计划(Ocean Drilling Program,简称ODP)的164航次目的是探测布莱克脊天然气水合物的存在。该航次重点就放在用测井方法获得有关天然气水合物的信息[2]。在164航次以前,只有3个位置进行过有关天然气水合物的测井,分别是阿拉斯加北部斜坡[3],危地马拉太平洋沿岸的中美洲海槽[4]和加拿大太平洋沿岸的卡斯凯迪亚(Cascadia)大陆边缘[5,6]。在卡斯凯迪亚大陆边缘、阿拉斯加北部斜坡和危地马拉太平洋沿岸以及ODP164航次都对测井资料进行了研究,我国在这方面研究较少,仅在我国南海进行的ODP184航次有少量测井记录[7]。本文试图从常规测井方法,碳氧比测井方法和成像测井方法三方面分析测井技术在天然气水合物勘探中的应用。

1　常规测井方法在天然气水合物勘探中的应用[2]

1.1　定性识别方法

1972年阿拉斯加北部斜坡的西北部艾琳湖

Ξ　收稿日期:2002205230;修回日期:20022092021

　作者简介:高兴军(19722),男,黑龙江明水人,博士研究生,主要从事储层表征与地质建模、天然气水合物储层评价1 E2m ail:gaoxingjun@

(Eileen)站的2号井657m深度处,取芯获得了天然气水合物样品,证实了它的存在,其对应的测井响应是相对较高的电阻率和声波速度。1982年深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project,简称DSDP)84航次在危地马拉太平洋沿岸的中美洲海槽的570站位,通过钻井取芯获得1.05m长的块状天然气水合物岩芯,其测井特征为高电阻(约155Ω・m),高声速(约3.6km/s),高中子孔隙度(约67%)和低密度(约1.05g/cm3)。通过西北艾琳湖站的2号井已证实天然气水合物存在层段的常规测井数据,并具有以下特征:

(1)电阻率测井(双感应):与饱和水的地层相比,天然气水合物层位在电阻率测井曲线上具有相对高的电阻率偏移。

(2)自然电位测井:与含游离气的层位相比,自然电位测井曲线在天然气水合物层位负偏移幅度相对较低。

(3)井径测井:天然气水合物层位的井径曲线通常显示特大的井眼尺寸,这是由于天然气水合物分解导致岩石稳定性破坏所引起的。

(4)声波时差测井:与饱和水或游离气的层位相比,含天然气水合物层位声波时差降低。

(5)中子孔隙度测井:含天然气水合物层位中子孔隙度略微增加,这与含游离气层位中子孔隙度明显降低恰好相反。

(6)密度测井:含天然气水合物层位与饱和水的层位相比,密度略有降低。

以ODP164航次994D井测井曲线为例,UN IT 2层位已经采样证实天然气水合物的存在。随深度的增加,声速从顶部的1.65km/s增加到接近2.0km/s,自然伽马和密度测井基本保持稳定,电阻率明显偏离基线出现高值区。

1.2　定量解释方法

1.2.1　孔隙度计算方法

沉积物的孔隙度可以通过大量测井和取芯资料的分析获得。在ODP164航次的994、995和997站位已经试图用岩性密度、中子孔隙度和电阻率来计算沉积物的孔隙度,并用岩芯分析的孔隙度对测井求得的孔隙度进行校正和评价。

(1)岩芯分析孔隙度。岩芯分析孔隙度实际代表了100%含水沉积物中总含水量占岩石总体积的比例,包括层间水、束缚水和自由水。大多数孔隙度测井资料测量的是沉积物中总含水量的多少,因此岩芯和测井得到的孔隙度应当具有一致性。

(2)密度测井确定孔隙度。密度测井的质量受井眼扩径的影响很大,要对密度测井曲线作井眼校正。用校正后的密度曲线(ρb)计算孔隙度(Φ),其计算公式为:

Φ=(ρ

m

-ρb)/(ρm-ρf)(1)其中,水的密度ρf=1.05g/cm3,骨架密度ρm随深度的不同而变化,从 2.72～2.69g/cm3。在ODP164航次994D、995B和997C井采用上述方法计算的孔隙度范围为50%～70%。通常密度测井求得的孔隙度比岩芯孔隙度偏高,其原因可能与粘土含量高、沉积物未固结以及仪器与井壁无法良好接触有关。因此这3口井的密度测井曲线可用来评价孔隙度的总体趋势,但不能用来定量计算。

(3)中子孔隙度测井。中子孔隙度测井测量的是沉积物孔隙空间的含氢量。仪器通过2个探头间接测量热中子和超热中子,从而可提供2种孔隙度测量方式。994C和995B井测得的中子孔隙度平均为50%,超热中子孔隙度平均为100%。但在水中(无沉积物)热中子和超热中子孔隙度分别为50%和100%,说明这2口井测的中子孔隙度没有任何价值。在石油工业中应用的中子孔隙度仪器一般有弹性支撑臂使极板靠紧井壁,从而降低扩径的影响。但当在钻杆中使用该仪器时,无法使用带弹性支撑臂的中子孔隙度仪器。

(4)用电阻率计算孔隙度。用电阻率可以确定沉积孔隙度,阿尔奇公式给出了电阻率和孔隙度之间的关系:

R t/R w=αΦ-m(2)其中,a,m是待定常数,R w是地层水电阻率。

电阻率R w是地层水的温度和矿化度的函数。在994、995、997站位的孔隙水矿化度数据可以通过粒间水样分析获得。粒间水的矿化度趋势类似于粒间水氯离子的变化趋势。R w可以通过岩芯水分析矿化度资料和测量的地温用Arp公式计算,需要注意的是在天然气水合物层位岩芯水分析矿化度资料可能会受天然气水合物分解释放的淡水影响。

为了计算a、m,采用Serra[8]1984年提出的方法。为避免天然气水合物的影响,在计算a、m的过程中一般不用含天然气水合物层段的电阻率。在上述3个站位的孔隙度解释中采用a=1.05,m= 2.56。应用该方法计算的孔隙度比上述两种方法效果好,并与岩芯分析孔隙度吻合较好。

岩芯孔隙度与测井分析孔隙度相比,电阻率方法求得的孔隙度更接近于岩芯分析孔隙度。密度测

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