摘要：在天然氣儲(chǔ)層識(shí)別和生產(chǎn)能力評(píng)價(jià)中，存在兩個(gè)矛盾：一是應(yīng)用挖掘效應(yīng)進(jìn)行氣層判斷時(shí)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(shí)，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(cè)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(jì)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(jì)算地下天然氣密度，最后計(jì)算出地層壓力和充盈度參數(shù)。根據(jù)所計(jì)算出的充盈度結(jié)果，不僅搞清了產(chǎn)生上述矛盾的機(jī)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(chǔ)層評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確度，有助于科學(xué)預(yù)測(cè)氣藏的分布和富集程度。

關(guān)鍵詞：充盈度；天然氣；儲(chǔ)集層；生產(chǎn)能力；密度；數(shù)學(xué)模型；評(píng)價(jià)

    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(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)壓力條件下天然氣密度的比值。

   以往對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行氣水或油氣判別時(shí)，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(cè)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(dǎo)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(cè)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(duì)天然氣儲(chǔ)層進(jìn)行測(cè)井定量評(píng)價(jià)中，只用了孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個(gè)基本參數(shù)。但近來在氣層評(píng)價(jià)中，發(fā)現(xiàn)有些儲(chǔ)層，上述4個(gè)參數(shù)基本相同，而產(chǎn)能卻差別較大，甚至出現(xiàn)4個(gè)參數(shù)較好的儲(chǔ)層，而氣產(chǎn)量反而低于4個(gè)參數(shù)較差的儲(chǔ)層(表1)。

    為解釋上述矛盾，可從天然氣的聚集過程討論。當(dāng)天然氣向一個(gè)被地層水充滿的水層運(yùn)移和聚集時(shí)，先將其可動(dòng)水逐漸驅(qū)替，直到全部驅(qū)出后，如天然氣壓力仍高于儲(chǔ)層驅(qū)替壓力，則天然氣將繼續(xù)進(jìn)入儲(chǔ)層，但此時(shí)不可能將束縛水驅(qū)出，只能使壓力增高，直到等于儲(chǔ)層所需的驅(qū)替壓力時(shí)為止^[3]。另一方面，對(duì)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(gè)原因，就可能出現(xiàn)兩個(gè)儲(chǔ)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(rèn)識(shí)，就可對(duì)氣層評(píng)價(jià)中兩個(gè)矛盾的現(xiàn)象做出解釋。

    對(duì)于氣層識(shí)別來說，一個(gè)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(duì)于氣層定量評(píng)價(jià)來說，當(dāng)孔隙度、滲透率、含氣飽和度、有效厚度等參數(shù)一定時(shí)，顯然天然氣密度越大，其儲(chǔ)量和產(chǎn)量都會(huì)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(dāng)作高含水飽和度氣層，而將差的氣層卻當(dāng)作了高產(chǎn)氣層。

因此在氣層評(píng)價(jià)中，除孔隙度、含氣飽和度、滲透率、有效厚度等4個(gè)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(gè)既與天然氣密度相關(guān)，又可用測(cè)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(shí)，組分不同，單位體積的質(zhì)量數(shù)也不同。

2.1.2 天然氣運(yùn)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(chǔ)層間的運(yùn)移路徑：越通暢，氣體越容易進(jìn)入儲(chǔ)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(jìn)入儲(chǔ)層。

   4) 儲(chǔ)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(jìn)入儲(chǔ)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(duì)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(jìn)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(shí)，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(duì)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(píng)價(jià)氣層儲(chǔ)量和產(chǎn)量，需知道單位體積儲(chǔ)層中的天然氣質(zhì)量數(shù)，顯然只用常規(guī)4個(gè)儲(chǔ)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(yùn)移和聚集條件等多種因素影響，使氣層評(píng)價(jià)變得十分復(fù)雜，難于操作。為此可對(duì)密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，消除組分、溫度、壓力的影響，只反映運(yùn)移和聚集條件對(duì)密度的貢獻(xiàn)，即天然氣在聚集時(shí)對(duì)儲(chǔ)層空隙空間的充盈程度。因此可引入這樣一個(gè)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(chǔ)層實(shí)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(biāo)準(zhǔn)溫度(293K或20℃)、標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)計(jì)算出充盈度(C)后，就可根據(jù)天然氣的成分求得其標(biāo)準(zhǔn)條件下的密度，進(jìn)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(jì)算

    根據(jù)中子測(cè)井含氫指數(shù)和經(jīng)骨架密度校正的密度孔隙度，進(jìn)入中子含氫指數(shù)密度孔隙度交會(huì)圖版(圖3)，再根據(jù)儲(chǔ)層深度選擇相應(yīng)的關(guān)系曲線族，則由交會(huì)點(diǎn)位置可得到地層孔隙度(φ)。由中子測(cè)井含氫指數(shù)及計(jì)算出的密度孔隙度，在此交會(huì)圖可查出其對(duì)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(jì)算

    由自然伽馬資料計(jì)算泥質(zhì)含量(V_sh)，并根據(jù)儲(chǔ)層深度和黏土成分計(jì)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(jì)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(jì)。因此由式(5)可計(jì)算出地層中天然氣密度值。

2.3.3 地層壓力的計(jì)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(jì)算天然氣充盈度

    根據(jù)氣層溫度、天然氣成分及上述計(jì)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(gè)氣田，不僅使氣、水層鑒別的準(zhǔn)確性明顯增強(qiáng)提高，而且對(duì)氣層產(chǎn)量的定量估算精度也大大提高，因?yàn)樵诳紫抖?、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)。可見充盈度對(duì)產(chǎn)能的貢獻(xiàn)十分明顯。

    充盈度概念的引入及用測(cè)井資料計(jì)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(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)儲(chǔ)層中天然氣密度的衡量，從而突出了天然氣運(yùn)移、聚集過程中對(duì)儲(chǔ)層中水的驅(qū)替能力和氣的充填程度。因此它在幫助預(yù)測(cè)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(huì)民.儲(chǔ)層流體類型的測(cè)井判別方法[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[2] 趙良孝.測(cè)井在四川碳酸鹽巖儲(chǔ)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(xué)：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(huì)民 川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院)