摘要：在天然氣儲層識別和生產(chǎn)能力評價中，存在兩個矛盾：一是應(yīng)用挖掘效應(yīng)進行氣層判斷時誤差較大；二是根據(jù)孔隙度、空隙空間結(jié)構(gòu)、滲透率、飽和度、有效厚度等參數(shù)來確定生產(chǎn)能力時，其參數(shù)值越大并不表明產(chǎn)能越高。為此提出了天然氣充盈度的概念，在分析充盈度及天然氣密度的決定因素基礎(chǔ)上，利用常規(guī)測井資料的含氫指數(shù)和經(jīng)骨架密度校正的密度孔隙度及其相應(yīng)圖版，計算地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度，然后再根據(jù)密度體積方程計算地下天然氣密度，最后計算出地層壓力和充盈度參數(shù)。根據(jù)所計算出的充盈度結(jié)果，不僅搞清了產(chǎn)生上述矛盾的機理，而且還發(fā)現(xiàn)充盈度與產(chǎn)能有著良好的正相關(guān)性，從而提高了天然氣儲層評價的準確度，有助于科學預測氣藏的分布和富集程度。

關(guān)鍵詞：充盈度；天然氣；儲集層；生產(chǎn)能力；密度；數(shù)學模型；評價

    天然氣充盈度的概念為：地層溫度、壓力條件下天然氣的密度與標準溫度、標準壓力條件下天然氣密度的比值。

   以往對儲層進行氣水或油氣判別時，主要基于天然氣的低含氫指數(shù)及挖掘效應(yīng)，氣層視中子孔隙度降低，而聲波和密度視孔隙度增高，且其差別越大，越符合氣層特征。但在測井解釋中卻發(fā)現(xiàn)有些高產(chǎn)氣層的視中子孔隙度并不很低，而密度、聲波視孔隙度卻增大不多，故經(jīng)常導致氣水或油氣判別失誤^[1～2]。如圖1和圖2所示，它們分別是蘇里格氣田某井產(chǎn)氣3.89×10⁴m³/d氣層和土庫曼斯坦氣田某井產(chǎn)氣21.0×10⁴m³/d氣層的測井響應(yīng)特征，顯然高產(chǎn)氣層的視孔隙度關(guān)系反而更接近水層特征。

   在對天然氣儲層進行測井定量評價中，只用了孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個基本參數(shù)。但近來在氣層評價中，發(fā)現(xiàn)有些儲層，上述4個參數(shù)基本相同，而產(chǎn)能卻差別較大，甚至出現(xiàn)4個參數(shù)較好的儲層，而氣產(chǎn)量反而低于4個參數(shù)較差的儲層(表1)。

    為解釋上述矛盾，可從天然氣的聚集過程討論。當天然氣向一個被地層水充滿的水層運移和聚集時，先將其可動水逐漸驅(qū)替，直到全部驅(qū)出后，如天然氣壓力仍高于儲層驅(qū)替壓力，則天然氣將繼續(xù)進入儲層，但此時不可能將束縛水驅(qū)出，只能使壓力增高，直到等于儲層所需的驅(qū)替壓力時為止^[3]。另一方面，對于氣態(tài)的天然氣，無論其質(zhì)量多少，它總能充滿與之相連通的空間。正是由于以上兩個原因，就可能出現(xiàn)兩個儲層雖然具有相同氣飽和度，卻有不同的地層壓力，如果天然氣成分及溫度相同，則反映了天然氣不同的密度。

    根據(jù)上述認識，就可對氣層評價中兩個矛盾的現(xiàn)象做出解釋。

    對于氣層識別來說，一個好的氣層，天然氣密度較大，使含氫指數(shù)、密度和聲波傳播速度都增高，故減少了幾種視孔隙度間的差異，從而可能將其誤判為含水層，甚至為水層。

    對于氣層定量評價來說，當孔隙度、滲透率、含氣飽和度、有效厚度等參數(shù)一定時，顯然天然氣密度越大，其儲量和產(chǎn)量都會越高。但如將天然氣密度視為固定常數(shù)，則可能將好的氣層當作高含水飽和度氣層，而將差的氣層卻當作了高產(chǎn)氣層。

因此在氣層評價中，除孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個參數(shù)外，還必須引入與天然氣密度相關(guān)的參數(shù)。

   為引入一個既與天然氣密度相關(guān)，又可用測井資料求得的參數(shù)，需首先搞清天然氣密度的決定因素，主要有以下幾方面。

2.1.1 天然氣組成

   天然氣以甲烷為主，乙烷次之(約占10%)，還有少量丙烷、丁烷、戊烷。在其他條件相同時，組分不同，單位體積的質(zhì)量數(shù)也不同。

2.1.2 天然氣運移和聚集的條件

   1) 氣源充足程度：氣源越充足，可能密度越高。

   2) 氣層距氣水界面的高度：高度越大，壓差越大，可能密度越高。

   3) 天然氣源與儲層間的運移路徑：越通暢，氣體越容易進入儲層而使密度較高；反之如遭非滲透性巖層、斷層等因素的影響可使天然氣密度很低，甚至完全不能進入儲層。

   4) 儲層的空隙空間結(jié)構(gòu)：它決定了氣驅(qū)水所需的排替壓力，該壓力越高，在一定壓力條件下進入儲層的天然量越少，密度自然越小。

2.1.3 氣層的溫度和壓力

   對于理想氣體，溫度(T)、壓力(p)與體積(V)的關(guān)系應(yīng)滿足克拉珀龍氣體狀態(tài)方程^[4]：

式中：n為天然氣摩爾量，kmol；R為氣體常數(shù)，MPa·m³/(kmol·k)。

   進而可推出理想氣體密度(ρ_g)與其溫度、壓力、分子量的關(guān)系：

    ρ_g=pM_mol/(TR)    (2)

   但天然氣并非理想氣體，故在溫度和壓力條件相同時，同樣質(zhì)量的天然氣體積與理想氣體體積不同，這種差異可用偏差系數(shù)(Z)來表示。這樣壓力與密度的關(guān)系式就變?yōu)椋?/span>

    ρ_g=pM_mol/(TRZ)    (3)

式中：ρ_g為天然氣密度，kg/m³；T為天然氣溫度，K；p天然氣壓力，MPa；Z為天然氣的氣體偏差系數(shù)；M_mol為天然氣摩爾質(zhì)量，kg/kmol。

    由此可知，對一定成分的氣體，M_mol為常數(shù)，則壓力就是密度和溫度的函數(shù)。

    據(jù)上所述，為評價氣層儲量和產(chǎn)量，需知道單位體積儲層中的天然氣質(zhì)量數(shù)，顯然只用常規(guī)4個儲層參數(shù)不夠，還必須增加天然氣密度。但天然氣密度受其組分、溫度、壓力及運移和聚集條件等多種因素影響，使氣層評價變得十分復雜，難于操作。為此可對密度進行標準化，消除組分、溫度、壓力的影響，只反映運移和聚集條件對密度的貢獻，即天然氣在聚集時對儲層空隙空間的充盈程度。因此可引入這樣一個新的概念，它既能反映天然氣密度，又可排除溫度和壓力的影響，從而突出儲層實際捕捉到的天然氣質(zhì)量。將這一概念稱作為天然氣充盈度(C)。它在數(shù)理含義上是地層溫度、壓力條件下天然氣的密度(ρ_gf)與標準溫度(293K或20℃)、標準壓力(0.101MPa)條件下天然氣密度(ρ_gs)的比值，即：C=ρ_gf/ρ_gs。

    因此，當計算出充盈度(C)后，就可根據(jù)天然氣的成分求得其標準條件下的密度，進而求得地層條件下的天然氣密度。

2.3.1 地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度計算

    根據(jù)中子測井含氫指數(shù)和經(jīng)骨架密度校正的密度孔隙度，進入中子含氫指數(shù)密度孔隙度交會圖版(圖3)，再根據(jù)儲層深度選擇相應(yīng)的關(guān)系曲線族，則由交會點位置可得到地層孔隙度(φ)。由中子測井含氫指數(shù)及計算出的密度孔隙度，在此交會圖可查出其對應(yīng)的地層孔隙度及沖刷帶含水飽和度(S_xo)。

2.3.2 地下天然氣密度的計算

    由自然伽馬資料計算泥質(zhì)含量(V_sh)，并根據(jù)儲層深度和黏土成分計算ρ_Nsh、φ_Nsh；最后根據(jù)巖石、礦物成分選取合適的φ_Mma和ρ_ma。將所獲得的這些參數(shù)代入密度響應(yīng)方程：

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

可計算出天然氣密度(ρ_g)為：

 

    由于ρ_mix受地層水和鉆井液濾液礦化度影響很小，因此取其二者的平均值作為ρ_mix，造成的誤差可忽略不計。因此由式(5)可計算出地層中天然氣密度值。

2.3.3 地層壓力的計算

    根據(jù)天然氣中子含氫指數(shù)與密度、壓力、溫度的關(guān)系(圖4)，在已知中子含氫指數(shù)和溫度或已知密度和溫度的情況下，便可查出地層壓力。

2.3.4 計算天然氣充盈度

    根據(jù)氣層溫度、天然氣成分及上述計算的天然氣密度和壓力，就可算出天然氣充盈度。

    將充盈度概念用于蘇里格、白馬、松華、廣安、土庫曼斯坦阿姆河右岸等國內(nèi)外多個氣田，不僅使氣、水層鑒別的準確性明顯增強提高，而且對氣層產(chǎn)量的定量估算精度也大大提高，因為在孔隙度、含氣飽和度、產(chǎn)層厚度大體相同的情況下，充盈度與產(chǎn)能(試油結(jié)果)有著良好的正相關(guān)性(表2)?？梢姵溆葘Ξa(chǎn)能的貢獻十分明顯。

    充盈度概念的引入及用測井資料計算其大小的成功，不僅在定性判別氣、水層，定量估算天然氣產(chǎn)量方面有十分重要的意義，而且由于充盈度是將溫度、壓力及天然氣成分等因素校正到標準條件下對儲層中天然氣密度的衡量，從而突出了天然氣運移、聚集過程中對儲層中水的驅(qū)替能力和氣的充填程度。因此它在幫助預測天然氣藏的分布及富集程度方面一定有更為廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 趙良孝，趙佐安，邢會民.儲層流體類型的測井判別方法[M].成都：四川科學技術(shù)出版社，2009.

[2] 趙良孝.測井在四川碳酸鹽巖儲層研究中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè)，1991，11(5)：26-30.

[3] 陳元千，李望.現(xiàn)代油藏工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001.

[4] 福里斯C Э，季莫列娃A B.普通物理學：第一卷[M].梁寶洪，譯.北京：人民教育出版社，1962.

 

(本文作者：趙良孝 邢會民 川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院)