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利用声波测井估算裂缝型水合物储层水合物饱和度

2017-11-01邹长春邓居智卢振权

石油地球物理勘探 2017年5期
关键词:井段纵波冻土

肖 昆 邹长春 邓居智 卢振权 张 华

(①东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,江西南昌 330013; ②中国地质大学(北京)地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京 100083; ③中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100029)

·测井技术应用·

利用声波测井估算裂缝型水合物储层水合物饱和度

肖 昆*①②邹长春②邓居智①卢振权③张 华①

(①东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室,江西南昌 330013; ②中国地质大学(北京)地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室,北京 100083; ③中国地质调查局油气资源调查中心,北京 100029)

肖昆,邹长春,邓居智,卢振权,张华﹒利用声波测井估算裂缝型水合物储层水合物饱和度.石油地球物理勘探,2017,52(5):1067-1076.

水合物饱和度参数的准确计算对水合物资源量的评价至关重要。本文提出利用超声波测井资料与两端元层状介质模型相结合的方法,可有效评价祁连山冻土区钻孔地层的水合物饱和度变化特征,并在典型裂缝型水合物钻孔DKXX-19进行了应用。研究区钻孔地层裂缝内充填水合物体积分数的变化对纵、横波速度影响较大,而裂缝倾角的变化对纵、横波速度影响较小,可将利用两端元层状介质模型正演模拟得到的纵波相速度直接转换为纵波群速度;通过正演模拟识别出5个井段存在水合物;水合物赋存井段地层的水合物饱和度变化范围为14.1%~89.9%,平均值为69.4%,与现场观测结果接近。研究结果可为祁连山冻土区水合物地层测井评价和地震勘探提供理论依据和技术支撑。

祁连山冻土区 裂缝 超声波成像测井 两端元层状介质模型 水合物饱和度

1 引言

水合物是由水分子和天然气(通常以甲烷为主)构成的笼型结构固态晶体,主要赋存于海底和极地永冻土中[1]。在陆地,水合物赋存于地下200~2000m的永冻土地区;在大洋,水合物赋存于300~3000m的深水盆地、陆架坡折带等水合物稳定域内[2,3]。水合物作为一种储量巨大、洁净的新型替代能源受到普遍关注,目前世界上已经在100多个地区间接或直接发现了水合物赋存区[4]。中国于2008年11月在祁连山冻土区钻获水合物样品[5,6],这是中国冻土区首次钻获并检测出水合物实物样品,也是世界上第一次在中纬度高原冻土区发现水合物,这里有望成为中国最具潜力的水合物战略勘探区[7]。

祁连山冻土区发现的水合物具有冻土层薄、埋深较浅、气体组分复杂、横向分布连续性较差等显著特点,不同于国外极地冻土区发现的水合物,应为一种新类型水合物[8]。因此,中国陆域冻土区水合物勘探有其自身特殊性,与国外极地冻土区水合物勘探相比更为困难。近年来,中国地质调查局在青海省天峻县木里煤田组织实施了水合物专项调查研究,开展了综合地球物理勘查工作,以期建立切合中国实际的陆域冻土区水合物地球物理探测技术、资源综合评价技术及各种找矿标志,为中国冻土区水合物资源的勘探开发提供切实可行的技术支撑。由于中国陆域冻土区水合物调查研究起步较晚,迄今为止相关的地球物理勘查方法还很少用于冻土区水合物勘探,在水合物储层物性参数研究、地球物理响应特征研究及水合物饱和度估算研究等方面,相关的研究成果鲜有报道[9-13]。中国冻土区水合物的相关研究还处于水合物资源勘查的起步阶段,滞后于国外相关研究。

在祁连山冻土区已钻获的水合物实物样品中,水合物存在两种明显不同的产出方式,即孔隙充填和裂缝充填。产出于裂缝内的水合物并不占据孔隙空间,而是迫使地层岩石张开形成裂缝并充填其中,呈肉眼可见的白色冰状薄层[14]。由于含水合物层段的裂缝倾角一般较大,且裂缝的发育分布通常受区域构造主应力控制,一般呈定向排列而导致水合物赋存层段出现各向异性特征[15]。此时如果使用孔隙型水合物储层模型,假设水合物均匀充填于各向同性的岩石孔隙中,正演模拟得到的速度用于水合物饱和度反演会产生较大误差[16-19]。为了给祁连山冻土区水合物储层测井识别与水合物饱和度的求取提供技术支持,同时也为该地区水合物资源量的评价提供参考,针对研究区裂缝型水合物储层,采用合理的速度模型开展声波速度与水合物饱和度变化特征研究显得尤为重要。

本文首先利用超声波成像测井图像和钻井岩心资料分析了研究区裂缝型水合物的储层特征;然后根据研究区裂缝型水合物的实际赋存地质条件,通过对水合物储层进行声波测井方法的建模,利用两端元层状介质模型正演模拟了水合物储层的声波速度特征,识别了水合物赋存井段;最后利用正演模拟得到的声波速度反演估算了水合物储层的水合物饱和度。

2 区域地质概况

2.1 大地构造及地层特征

祁连山地处青藏高原北部,大地构造单元分为北祁连构造带、中祁连陆块和南祁连构造带等三大构造单元(图1)。自震旦纪以来,祁连山先后经历了大陆裂谷阶段(震旦纪—中寒武世)、洋底扩张及沟弧体系阶段(晚寒武世—中奥陶世)、造山阶段(中奥陶世之后的俯冲造山、碰撞造山和陆内造山等)等演化阶段,形成了现今的地质构造格局[20]。

早古生代期间,祁连山地区为介于柴达木地块和华北地块之间的一个小型洋盆,志留纪晚期的加里东运动使古洋盆封闭并开始隆升剥蚀; 石炭纪时又开始下沉形成广阔的浅海陆棚或陆表海环境; 三叠纪时南祁连仍为海盆环境,沉积了一套海相砂泥岩夹灰岩建造; 晚三叠纪末,受印支运动影响,古特提斯海洋完全封闭,整个祁连山抬升成陆,成为剥蚀区; 早燕山运动使得祁连山地区局部拉张,形成一系列条带状的山间断陷盆地,并沉积了一套侏罗系河湖沼泽相含煤碎屑岩[21]。白垩系和古近系、新近系以细粒红色碎屑岩、粘土岩为主; 第四系在盆地内分布广泛,以冰水—洪积相和冰川堆积物为主[22]。

图1 祁连山冻土区水合物大地构造纲要图[14]

祁连山是中国西部多年冻土广泛分布的地区之一,多年冻土区面积约105km2。研究区地处青海省天俊县木里煤田内(图1),该区海拔4000~4300m,年平均气温为-5.1°C,多年冻土层广泛发育,呈岛状分布,冻土层平均厚度为95m,相当一部分地区多年冻土层厚度大于100m[23],为水合物的形成提供了有利的封盖条件。研究区出露的地层除第四系外,主要包括中侏罗统江仓组(J2j)和木里组(J2m)。两套地层中均含多个可采煤层。其中,江仓组以黑色、灰色油页岩、泥岩为主,夹灰色粉砂岩、细砂岩、中砂岩;木里组以灰色粉砂岩、细砂岩、中砂岩、粗砂岩为主,夹深灰色油页岩。油页岩的有机碳含量为0.98%~5.76%,两套地层均已达到优质烃源岩的标准,且已进入过成熟阶段,以产气为主,具有良好的气源条件[5,6]。

2.2 水合物地质特征

2008~2009年,中国地质调查局组织实施了水合物科学钻探工程,在研究区共钻探8口科学钻探孔(图2),并成功钻获水合物实物样品。钻获水合物实物样品的钻孔包括DK-1、DK-2、DK-3、DK-7、DK-8,在DK-4、DK-5、DK-6钻孔中仅发现一些水合物存在的异常现象[7]。2013~2015年,为了进一步研究祁连山冻土区水合物的形成条件、控制因素及分布规律,神华集团联合中国地质调查局和青海煤炭地质105勘探队在祁连山冻土区补充实施了部分科学钻探孔,目前已在DKXX-19、DKXX-13、DKXX-11钻孔成功钻获水合物实物样品,为研究区开展相关研究奠定了基础[24,25]。目前所钻获的水合物实物样品均产于冻土层之下,埋藏深度介于133~396m,层位上属于中侏罗统江仓组[5,6]。

研究区水合物主要以两种方式赋存。当水合物赋存层段裂缝较发育时,通常以网状、结核状或脉状赋存于粉砂岩、泥岩和油页岩的裂缝中,肉眼可观测到水合物呈乳白色晶体状[17];另一种是以浸染状赋存于粉砂岩和细粉砂岩的孔隙中,肉眼难辨水合物晶体,但红外热像仪呈现地温异常,水合物分解时含水合物岩心不断渗出水珠,并将其投入水中会冒出一连串气泡,水合物分解完后在岩心上残留蜂窝状构造等[26,27]。与国外冻土区水合物相比,祁连山冻土区水合物具有埋深浅、冻土层薄、气体组分复杂、热解气为主等明显特征,是一种新类型水合物,具有重要的科学、经济和环境意义[5,6]。

图2 祁连山冻土区水合物科学钻探选区图[8]

3 数值模拟方法

3.1 声波速度正演

对于定向排列裂缝导致的地层各向异性,前人开展了相关研究,提出了多种简化模型,主要包括层状介质模型[28]、裂缝嵌于孔隙介质模型[29,30]、周期性薄互层与扩容模型[31]等。针对裂缝型水合物储层,前人已利用两端元层状介质模型对墨西哥湾和印度半岛出产于裂缝的水合物进行了声波速度特征模拟和饱和度估算,取得了较好的应用效果[17-19]。因此,针对祁连山冻土区裂缝型水合物储层,本文选用两端元层状介质模型进行相关研究。

祁连山冻土区水合物科学钻探工程在部分钻孔实施了超声波成像测井,能够有效地识别地层裂缝并分析裂缝产状,为裂缝型水合物储层声波测井数值模拟研究提供了极大便利。图3a所示为研究区水合物钻孔钻获水合物实物样品的一段超声波成像测井图像。从图像上可知该层段裂缝非常发育,且以高角度裂缝为主,水合物主要出产于这些高角度裂缝内。图3b给出了相对应的裂缝型水合物储层的两端元层状介质模型,用来模拟赋存于裂缝内的水合物声波速度特征。

图3 水合物赋存井段超声波成像测井图像(a)和两端元层状介质模型(b)

裂缝型水合物储层的两端元层状介质模型由Ⅰ和Ⅱ两个端元组成(图3b)。其中端元Ⅰ是各向异性的裂缝介质,裂缝内100%充填水合物;端元Ⅱ是各向同性的孔隙介质,孔隙内完全为饱和水。端元Ⅰ裂缝介质所占的体积分数为η1,裂缝孔隙度为φ1,且假设φ1=100%;端元Ⅱ孔隙介质所占的体积分数为η2,饱和水孔隙度为φ2。对于裂缝型水合物储层的弹性参数,定义

〈M〉≡η1M1+η2M2

(1)

(2)

式中M为图3b中端元Ⅰ和端元Ⅱ任意弹性参数或弹性参数的组合。对于端元Ⅰ裂缝介质,由于水合物完全充填于裂缝,故各弹性参数可用水合物的弹性参数替代;对于端元Ⅱ孔隙介质,各弹性参数可用孔隙型水合物储层基于等效介质理论的弹性波速度模型来计算。因此,裂缝型水合物储层的纵波相速度和横波相速度可由拉梅常数λ和剪切模量μ来表示[32]

(3)

(4)

(5)

其中

(6)

(7)

(8)

(9)

N=〈μ〉

(10)

ρ=〈ρ〉

(11)

Q={ [(A-L)sin2φ-(C-L)cos2φ]2+

(12)

3.2 水合物饱和度反演

由于祁连山冻土区水合物钻孔只有实测纵波速度测井资料,因此本文只将两端元层状介质模型正演模拟得到的纵波速度用于水合物饱和度反演中。图4为裂缝型水合物储层利用纵波速度反演水合物饱和度的流程。其反演水合物饱和度具体流程(图4)如下:先设定一个初始水合物饱和度值,再分别输入端元Ⅰ裂缝介质和端元Ⅱ孔隙介质的体积模量、剪切模量、孔隙度、密度等参数,利用式(3)正演模拟得到该水合物饱和度下的理论纵波相速度;再根据超声波成像测井图像对水合物产出层段裂缝产状的统计,判断是否需要将纵波相速度转换为群速度;最后计算得到的理论纵波群速度与实际测井纵波速度之差,如果两者差值在设定的允许误差范围内,则认为该水合物饱和度是水合物储层的实际水合物饱和度; 反之,则修正饱和度初值,重复上述步骤直到满足误差精度。

图4 裂缝型水合物储层水合物饱和度反演流程

4 结果与讨论

4.1 DKXX-19孔测井资料分析

DKXX-19孔在X10.9~X14.2m井段钻获水合物实物样品,水合物潜力层层厚达33.7m(图5)。对于水合物赋存井段,常规测井曲线在整体上显示为高电阻率、低声波时差的响应特征,在部分井段(X11.4~X11.9m、X12.6~X12.7m、X12.8~X12.9m)出现电阻率减小、声波时差增大的现象,表明上述井段不存在水合物。对于井径曲线,在水合物赋存井段多处显示井径波动变化,反映该井段地层裂缝发育,导致地层较为破碎,从而致使井径曲线扩径。

DKXX-19孔在钻探过程中实施了超声波成像测井工作,对该钻孔裂缝产状随深度变化的特征进行了统计分析(图6)。从图中可知:全井段共提取1986条裂缝,裂缝密度平均值为33.1条/10m,表明全井段地层裂缝较为发育;在水合物赋存井段(X10.9~X14.2m)共提取裂缝157条,裂缝密度平均值为46.6条/10m,最大裂缝密度为64条/10m,裂缝倾角主要为50°~70°,属高角度裂缝,反映水合物赋存井段的高角度裂缝发育较多,从而表明该井段水合物主要赋存于地层岩石裂缝中,这与常规测井曲线的响应特征和现场钻获的水合物实物样品结果一致。

图5 祁连山冻土区DKXX-19孔水合物赋存井段常规测井曲线

图6 祁连山冻土区DKXX-19孔地层裂缝参数随深度变化规律

4.2 声波速度特征分析

4.2.1 地层孔隙度估算

由于水合物密度与地层水密度较接近,因此利用密度测井资料计算的孔隙度可近似反映地层总孔隙度[34],包括裂缝充填水合物孔隙度和饱和水孔隙度两部分[35]。密度测井测量的是散射伽马射线强度,它反映地层的电子密度,因而也反映岩石的体积密度(ρb)。利用密度测井计算地层孔隙度的公式[36]

(13)

式中:ρma为岩石骨架密度,根据岩石骨架的矿物组分计算得ρma=2.64g/cm3;ρf为流体密度,取为地层水的密度ρf=1.00g/cm3。由于该钻孔水合物赋存井段地层泥质含量较高,因此需进行泥质校正,则式(13)改写为[36]

(14)

其中

(15)

(16)

式中:Vsh为泥质的体积含量; SH为泥质含量指数;ρsh为泥质的密度; GR、GRmin、GRmax分别为目的层、纯砂岩层和纯泥岩层的自然伽马测井值, GCUR为Hilchie指数,对北美古近系、新近系地层取3.7,老地层取2.0[37]。

利用式(14)计算了DKXX-19孔X10.0~X15.0m井段的地层孔隙度,结果见图7。从图中可以看出:X11.5~X11.9m和X12.8~X12.9m井段地层孔隙度为0,指示地层岩性为泥岩; X10.9~X14.2m井段地层孔隙度基本在5.0%~20.0%之间变化,平均值为11.9%,说明DKXX-19孔水合物赋存井段地层孔隙度相对较高。

图7 祁连山冻土区DKXX-19孔X10.0~X15.0m井段密度测井计算孔隙度结果

4.2.2 水合物储层纵波速度特征

对于裂缝型水合物储层,由于充填于裂缝内的水合物含量和裂缝倾角的变化均会影响两端元层状介质模型正演模拟的纵横波速度,因此有必要分析这两个参数与纵、横波速度的变化关系。

表1 祁连山冻土区水合物储层各组分弹性参数

图8 纵横波速度随水合物体积分数(a)与裂缝倾角(b)的变化曲线

通过以上分析可知:在地层孔隙度φ<30.0%的情况下,裂缝内充填水合物体积分数的变化对纵、横波速度的影响较大,而裂缝倾角的变化对纵、横波速度的影响较小。由于DKXX-19孔X10.0~X15.0m井段地层孔隙度均值为11.9%,裂缝倾角主要为50°~70°,故该井段利用两端元层状介质模型正演模拟得到的纵波相速度,可将裂缝倾角近似转换为垂直裂缝,从而可以将纵波相速度直接转换为纵波群速度。

利用两端元层状介质模型正演模拟了DKXX-19孔X10.0~X15.0m井段地层(泥岩段除外)饱和水情况下的纵波速度(图9)。从图中可知:在不含水合物井段(X10.0~X10.9m和X14.2~X15.0m),两端元层状介质模型正演模拟的饱和水纵波速度曲线与实际测井纵波速度曲线趋势基本一致,且在X10.6~X10.8m和X14.6~X14.7m井段两曲线重合,可知该速度模型及参数的设置是合理的,能够用于分析研究区裂缝型水合物储层的纵波速度特征。

图9 两端元层状介质模型纵波速度正演模拟

在X10.9~X14.2m井段,多处曲线(X11.1~X11.3m、X11.9~X12.2m、X12.5~X12.6m、X12.7~X12.8m和X12.9~X14.2m)显示实际测井纵波速度高于饱和水纵波速度,表明上述井段存在水合物;在X10.1~X10.6m、X14.3~X14.6m和X14.7~X15.0m井段,实际测井纵波速度也比饱和水纵波速度有一定的增大,但图5中常规测井电阻率曲线在上述井段并没有显示电阻率值增大,推断这些异常可能为水合物融解引起地层电阻率降低所致。

4.3 水合物饱和度估算

利用两端元层状介质模型反演估算了DKXX-19孔X10.0~X15.0m井段地层水合物饱和度,如图11所示。从图中可知,在水合物异常井段内(X10.1~X10.6m、X14.3~X14.6m和X14.7~X15.0m),水合物饱和度变化范围为3.4%~22.5%,平均值为14.5%;在水合物赋存井段内,X11.1~X11.3m、X11.9~X12.2m、X12.5~X12.6m、X12.7~X12.8m和X12.9~X14.2m井段估算结果显示存在水合物,水合物饱和度变化范围为14.1%~89.9%,平均值为69.4%,反映水合物赋存井段内裂缝充填型水合物饱和度较高,反演估算的水合物饱和度平均值与研究区现场观测到的水合物充填于裂缝内的水合物含量结果较接近,一定程度上验证了利用两端元层状介质模型来反演估算研究区水合物赋存于裂缝内的水合物饱和度是可靠的。

图10 祁连山冻土区DKXX-19孔X10.0~X15.0m井段地层纵波速度正演模拟

图11 祁连山冻土区DKXX-19孔X10.0~X15.0m井段地层水合物饱和度估算

5 结论和认识

(1)利用超声波成像测井资料结合钻井岩心资料可有效识别祁连山冻土区水合物在地层岩石中的赋存类型,识别出DKXX-19孔为典型裂缝充填型水合物储层;

(2)利用两端元层状介质模型对典型裂缝型水合物储层DKXX-19孔的声波速度和水合物饱和度特征进行模拟,结果表明裂缝内充填水合物体积分数的变化对纵、横波速度的影响较大,而裂缝倾角的变化对纵、横波速度的影响较小,可将利用两端元层状介质模型正演模拟得到的纵波相速度直接转换为纵波群速度;

(3)通过正演模拟的纵波速度与实际测井纵波速度对比,识别出X11.1~X11.3m、X11.9~X12.2m、X12.5~X12.6m、X12.7~X12.8m、X12.9~X14.2m井段存在水合物,水合物赋存井段地层的水合物饱和度变化范围为14.1%~89.9%,平均值为69.4%,与现场观测结果接近。

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(本文编辑:刘英)

肖昆 讲师,1987年生;2010年毕业于东华理工大学勘查技术与工程专业,获学士学位;2015年获中国地质大学(北京)地球探测与信息技术专业博士学位;现在东华理工大学地球物理与测控技术学院从事岩石物理学、非常规油气藏测井理论与方法等方面的教学与研究工作。

1000-7210(2017)05-1067-10

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.05.021

*江西省南昌市经开区广兰大道418号东华理工大学地球物理与测控技术学院地球物理系,330013。Email:xiaokun0626@163.com

本文于2016年12月12日收到,最终修改稿于2017年8月3日收到。

本项研究受中国地质调查局天然气水合物勘查与试采专项(GZHL20110313)、东华理工大学博士科研基金项目(DHBK2015314)、国家自然科学基金项目(41604086)、江西省自然科学基金项目(20161BAB211029)和江西省教育厅科技计划项目(GJJ150574)联合资助。

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