CN110501387A - 一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，包括以下步骤：a根据研究区域的地质背景等制取地层模型，将地层模型放入天然气水合物生成系统的反应釜中；b在地层模型的中央钻取井眼模型；c使地层模型完全饱和模拟地层水；d采用天然气水合物生成系统中的气体注入及控制系统将气体注入到反应釜中，同时监测系统内部的压力和气体消耗量，直至预定条件；e反应釜置入冷库中，将冷库温度降低至1摄氏度并稳定2小时后，将高分辨率多频阵列电阻率仪插入井眼中，连接信号采集与数据处理系统。本发明可以模拟不同岩性、物性、粒度等沉积物基本性质及其组合条件下含水合物沉积物的多频阵列电阻率响应特征。

Description

一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井 物理模拟方法

技术领域

本发明属于能源勘探开发与地球物理测井领域，具体地说是涉及一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法。

背景技术

天然气水合物是迄今所知最具价值的清洁资源，相当于全球常规煤炭、石油、天然气资源综合的两倍，被誉为21世纪的洁净替代燃料。我国天然气水合物资源潜力巨大，其中南海海域天然气水合物资源量预测700多亿吨油气当量。尽早开发利用天然气水合物资源，抢占未来全球能源发展的战略制高点，对国家能源安全和经济安全具有重要的战略意义。

测井技术作为重要的地球物理探测手段，在天然气水合物勘探开发中具有重要地位，能提供孔隙度、渗透率和饱和度等重要信息，是天然气水合物储量评估、流体识别和开发方案制定的重要依据。水合物以固体形式存在于沉积物中，赋存方式多样，且不局限于孔隙中，有分散状、块状、核状、条状和层状等形式，赋存方式决定了地层的物理性质和测井响应特征。因此，迫切需要明确地层特性与水合物的赋存方式的关系，搞清水合物的测井响应特征，进而建立相应的水合物识别和储集参数评价方法。

天然气水合物饱和度的计算以电法测井资料为主，通过阿尔奇公式及其变形，建立电阻率和饱和度的关系，进而对测井资料进行连续处理，得到纵向的饱和度剖面。然而，现有的方法大都基于双侧向测井等数据，由于探测信息少、径向分层能力弱，无法得到井周不同径向探测范围的饱和度信息，且缺乏测井实验的刻度，在应用中存在缺陷。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，用以实现利用物理模拟技术研究含水合物沉积物的阵列侧向电阻率测井响应特征，为基于阵列侧向电阻率测井的水合物储层评价和测井刻度提供参考。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，包括以下步骤：

a根据研究区域的地质背景和岩心分析结果，确定地层模型的层数，以及每层地层模型的岩性、物性、厚度和胶结情况，然后选取石英、斜长石、方解石和粘土作为制作原料，并确定用量配比，采用人工压制的方法得到地层模型，将地层模型放入天然气水合物生成系统的反应釜中；

b在地层模型的中央钻取井眼模型，井眼模型采用导电炭纤维为原材料；根据钻探现场环境和测井施工情况，将流体浇筑于地层模型中央井眼模型中，并将井眼模型中流体电阻率调整至与导电炭纤维的电阻率一样；

c采用氯化钠和去离子水混合的方法配制得到与地层水取样分析电阻率相同的模拟地层水，采用天然气水合物生成系统中的加压饱和系统使地层模型完全饱和地层水；

d根据需要选择气体，采用天然气水合物生成系统中的气体注入及控制系统将气体注入到反应釜中，同时监测系统内部的压力和气体消耗量，直至预定条件；

e反应釜置入冷库中，将冷库温度降低至1摄氏度并稳定2小时后，将高分辨率多频阵列电阻率仪插入井眼中，高分辨率多频阵列电阻率仪连接信号采集与数据处理系统；

f信号采集与数据处理系统将采集的数据处理后，得到含天然气水合物沉积物在不同生成时间的不同径向深度的电阻率信息。

优选的，所述地层模型的直径为1米，高度为1.6米，为多层填砂结构，单层厚度最小为0.4米，地层模型能够同时模拟多种不同性质的含天然气水合物沉积物组合。

优选的，所述井眼模型的直径为0.05米，高度为1.6米，电阻率范围为0.1欧姆.米至2欧姆.米，承压范围为0兆帕至20兆帕，能够模拟实际测井中不同的钻探深度和测井环境。

优选的，所述高分辨率多频阵列电阻率测井仪包括1个主电极，10个辅助电极和4个测量电极，纵向分辨率为0.02米，仪器外径为36毫米，最大工作压力为20兆帕，电阻率测量范围为0.2欧姆.米至40000欧姆.米，具有6种工作模式，具有5种径向探测深度。

优选的，上述高分辨率多频阵列电阻率仪的第一种工作模式是将频率为10赫兹的电源加载在A0上，测量屏蔽电极M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差测量A0流出的电流I₀；第二种工作模式是将频率为20赫兹的电源加载A1和A1’上，测量屏蔽电极M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第三种工作模式是将频率为40赫兹的电源加载在A1、A1’、A2和A2’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第四种工作模式是将频率为80赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3和A3’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第五种工作模式是将频率为160赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3、A3’、A4和A4’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第六种工作模式是将频率为320赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3、A3’、A4、A4’、A5和A5’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差

优选的，所述高分辨率多频阵列电阻率仪的实际合成电压压差信号为：

式中：i是径向探测深度标识符，i等于1时径向探测深度为0.034米，i等于2时径向探测深度为0.04米，i等于3时径向探测深度为0.045米，i等于4时径向探测深度为0.051米，i等于5时径向探测深度为0.056米；为实际合成的电压压差信号,R_ai为电阻率，k_i为刻度系数；λ_i为等电位计算参数。

本发明的有益技术效果是：

本发明提出一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟系统，可以模拟不同岩性、物性、粒度等沉积物基本性质及其组合条件下含水合物沉积物的多频阵列电阻率响应特征，为基于高分辨率多频阵列电阻率测井的水合物储层评价和测井刻度提供参考。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明所涉及含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟系统的一种实施方式的结构简图；

图2示出本发明中的高分辨率多频阵列电阻率仪内部结构及电极系排列；

图3示出本发明中的高分辨率多频阵列电阻率仪的6种工作模式；

图4主要示出本发明的数据处理软件界面。

具体实施方式

本发明提出一种含天然气水合物沉积物的多频阵列电阻率测井物理模拟方法，根据含天然气水合物沉积物的复杂地质特征和充填特性，构建具有多层模拟能力的含天然气水合物地层，采用优化阵列电极布置和数值聚焦信号处理手段，开展实验室条件下天然气水合物的多频阵列电阻率测井物理模拟，得到井周不同径向探测深度的电阻率剖面并将其反演成饱和度信息，对于水合物的测井精细识别和表征具有重要的意义。

图1为本发明所涉及含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟系统的一种实施方式的结构简图，如图所示，该电阻率测井物理模拟系统包括地层模型1、井眼模型2、高分辨率多频阵列电阻率仪3和天然气水合物生成系统。所述天然气水合物生成系统包括反应釜41、加压饱和系统42、气体注入及控制系统43、信号采集与处理系统44和大型冷库45，反应釜41包括釜体、密封底盖和密封顶盖。天然气水合物生成系统采用四周均匀注气与底部注气相结合的方式，不仅能够模拟气体运移过程而且能够提升天然气水合物的生成效率。

根据研究区域的地质背景和岩心分析结果，确定地层模型的层数等，并制得地层模型，将地层模型放入反应釜中。在地层模型1的中央设置井眼模型2，井眼模型2采用导电炭纤维为原材料，将井眼泥浆电阻率和导电炭纤维的电阻率调整至一样，并将其浇筑于地层模型中央。反应釜41分别与加压饱和系统42和气体注入及控制系统43连接，其中加压饱和系统42用于向装填于反应釜中的地层模型注入模拟地层水的氯化钠溶液，使地层模型完全饱和地层水。气体注入及控制系统43用于向饱和地层水的地层模型注入一定体积的甲烷、二氧化碳等气体。反应釜41置于大型冷库45中，通过大型冷库对反应釜中饱和地层水且注入有气体的地层模型降温，得到含天然气水合物的地层模型。然后将高分辨率多频阵列电阻率仪3插入井眼模型中，高分辨率多频阵列电阻率仪3连接信号采集与数据处理系统44，完成数据采集、数据传输、功率调节、状态转换、上位机通信、仪器复位等。将采集的数据输入数据处理软件，得到含天然气水合物沉积物在不同生成时间的不同径向深度的电阻率信息。

下面对本发明含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法进行详细说明。

一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，包括以下步骤：

a根据研究区域的地质背景和岩心分析结果，确定地层模型的层数，以及每层地层模型的岩性、物性、厚度和胶结情况，然后选取石英、斜长石、方解石和粘土等作为制作原料，并确定用量配比，采用人工压制的方法得到地层模型，将地层模型放入天然气水合物生成系统的反应釜中。

b在地层模型的中央钻取井眼模型，井眼模型采用导电炭纤维为原材料；根据钻探现场环境和测井施工情况，将流体浇筑于地层模型中央井眼模型中，并将井眼模型中流体电阻率调整至与导电炭纤维的电阻率一样。将天然气水合物生成系统密闭并加压至10兆帕。对整个物理模拟系统抽真空，直至压力小于0.1兆帕。

c采用氯化钠和去离子水混合的方法配制得到与地层水取样分析电阻率相同的模拟地层水，采用天然气水合物生成系统中的加压饱和系统使地层模型完全饱和地层水。

d根据需要选择气体(甲烷、二氧化碳、氮气等)，采用天然气水合物生成系统中的气体注入及控制系统将气体注入到反应釜中，同时监测系统内部的压力和气体消耗量，直至预定条件。

e反应釜置入冷库中，将冷库温度降低至1摄氏度并稳定2小时后，将高分辨率多频阵列电阻率仪插入井眼中，高分辨率多频阵列电阻率仪连接信号采集与数据处理系统，完成数据采集、数据传输、功率调节、状态转换、上位机通信、仪器复位等。

f信号采集与数据处理系统将采集的数据输入到数据处理软件进行处理后(如图4所示)，得到含天然气水合物沉积物在不同生成时间的不同径向深度的电阻率信息。

上述地层模型的直径为1米，高度为1.6米，为多层填砂结构，图1中示出4层的情形，当然层数可根据需要进行适当增减，单层厚度最小为0.4米，地层模型能够同时模拟多种不同性质(孔隙度、渗透率、粒径和岩性)的含天然气水合物沉积物组合。

上述井眼模型的直径为0.05米，高度为1.6米，电阻率范围为0.1欧姆.米至2欧姆.米，承压范围为0兆帕至20兆帕，能够模拟实际测井中不同的钻探深度和测井环境。

如图2所示，上述高分辨率多频阵列电阻率测井仪包括1个主电极，10个辅助电极和4个测量电极，纵向分辨率为0.02米，仪器外径为36毫米，最大工作压力为20兆帕，电阻率测量范围为0.2欧姆.米至40000欧姆.米，具有6种工作模式，具有5种径向探测深度，可测量得到含天然气水合物沉积物模型中不同径向深度的电阻率信息。其中，6种工作模式的工作频率分别为10赫兹、20赫兹、40赫兹、80赫兹、160赫兹和320赫兹。5种径向探测深度分别0.034米、0.04米、0.045米、0.051米和0.056米。

如图3所示，上述高分辨率多频阵列电阻率仪的第一种工作模式是将频率为10赫兹的电源加载在A0上，测量屏蔽电极M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差测量A0流出的电流I₀；第二种工作模式是将频率为20赫兹的电源加载A1和A1’上，测量屏蔽电极M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第三种工作模式是将频率为40赫兹的电源加载在A1、A1’、A2和A2’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第四种工作模式是将频率为80赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3和A3’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第五种工作模式是将频率为160赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3、A3’、A4和A4’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第六种工作模式是将频率为320赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3、A3’、A4、A4’、A5和A5’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差

所述高分辨率多频阵列电阻率仪的实际合成电压压差信号为：

式中：i是径向探测深度标识符，i等于1时径向探测深度为0.034米，i等于2时径向探测深度为0.04米，i等于3时径向探测深度为0.045米，i等于4时径向探测深度为0.051米，i等于5时径向探测深度为0.056米；为实际合成的电压压差信号,R_ai为电阻率，k_i为刻度系数；λ_i为等电位计算参数。

本发明通过改变地层模型的介质物理参数，可以模拟致密型、松散型等复杂沉积环境和物性条件下高分辨率多频阵列电阻率仪的电阻率测井响应特征，能够准确探测井周水合物分布状况及饱和度，从而为含天然气水合物沉积物电阻率测井识别与饱和度评价提供定量技术依据。

Claims (6)

1.一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，其特征在于包括以下步骤：

a 根据研究区域的地质背景和岩心分析结果，确定地层模型的层数，以及每层地层模型的岩性、物性、厚度和胶结情况，然后选取石英、斜长石、方解石和粘土作为制作原料，并确定用量配比，采用人工压制的方法得到地层模型，将地层模型放入天然气水合物生成系统的反应釜中；

b 在地层模型的中央钻取井眼模型，井眼模型采用导电炭纤维为原材料；根据钻探现场环境和测井施工情况，将流体浇筑于地层模型中央井眼模型中，并将井眼模型中流体电阻率调整至与导电炭纤维的电阻率一样；

c 采用氯化钠和去离子水混合的方法配制得到与地层水取样分析电阻率相同的模拟地层水，采用天然气水合物生成系统中的加压饱和系统使地层模型完全饱和地层水；

d 根据需要选择气体，采用天然气水合物生成系统中的气体注入及控制系统将气体注入到反应釜中，同时监测系统内部的压力和气体消耗量，直至预定条件；

e 反应釜置入冷库中，将冷库温度降低至1摄氏度并稳定2小时后，将高分辨率多频阵列电阻率仪插入井眼中，高分辨率多频阵列电阻率仪连接信号采集与数据处理系统；

f 信号采集与数据处理系统将采集的数据处理后，得到含天然气水合物沉积物在不同生成时间的不同径向深度的电阻率信息。

2.根据权利要求1所述的一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，其特征在于：所述地层模型的直径为1米，高度为1.6米，为多层填砂结构，单层厚度最小为0.4米，地层模型能够同时模拟多种不同性质的含天然气水合物沉积物组合。

3.根据权利要求1所述的一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，其特征在于：所述井眼模型的直径为0.05米，高度为1.6米，电阻率范围为0.1欧姆.米至2欧姆.米，承压范围为0兆帕至20兆帕，能够模拟实际测井中不同的钻探深度和测井环境。

4.根据权利要求1所述的一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，其特征在于：所述高分辨率多频阵列电阻率测井仪包括1个主电极，10个辅助电极和4个测量电极，纵向分辨率为0.02米，仪器外径为36毫米，最大工作压力为20兆帕，电阻率测量范围为0.2欧姆.米至40000欧姆.米，具有6种工作模式，具有5种径向探测深度。

5.根据权利要求4所述的一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，其特征在于：上述高分辨率多频阵列电阻率仪的第一种工作模式是将频率为10赫兹的电源加载在A0上，测量屏蔽电极M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差测量A0流出的电流I₀；第二种工作模式是将频率为20赫兹的电源加载A1和A1’上，测量屏蔽电极M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第三种工作模式是将频率为40赫兹的电源加载在A1、A1’、A2和A2’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第四种工作模式是将频率为80赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3和A3’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第五种工作模式是将频率为160赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3、A3’、A4和A4’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差第六种工作模式是将频率为320赫兹的电源加载在A1、A1’、A2、A2’、A3、A3’、A4、A4’、A5和A5’上，测量M2与M1间的电位差和M1与N间的电位差

6.根据权利要求5所述的一种含天然气水合物沉积物的高分辨率多频阵列电阻率测井物理模拟方法，其特征在于，所述高分辨率多频阵列电阻率仪的实际合成电压压差信号为：

式中：i是径向探测深度标识符，i等于1时径向探测深度为0.034米，i等于2时径向探测深度为0.04米，i等于3时径向探测深度为0.045米，i等于4时径向探测深度为0.051米，i等于5时径向探测深度为0.056米；为实际合成的电压压差信号,R_ai为电阻率，k_i为刻度系数；λ_i为等电位计算参数。