CN116027453A - 一种水合物混合层饱和度定量评价方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水合物混合层饱和度定量评价方法及装置，该方法包括：获取混合层段地层参数，以求取混合层气层密度ρ_g；根据所述混合层气层密度ρ_g来得出混合层段气体的含氢指数HI_g；对纯水层段自然伽马GR与总孔隙度分析来求取混合层段地层的总孔隙度φ；建立混合层段岩石物理模型，来求取获得混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度。本发明基于元素俘获能谱测井和常规测井精确确定岩石矿物组分。在此基础上，联合建立核磁共振测井和密度测井的解释模型，且在建立密度模型将水合物和地层水分开，涉及的未知参数较少，精准并连续地评价了混合层段水合物、游离气、水三相饱和度，为水合物资源量评价提供了精确地储层参数。

Description

一种水合物混合层饱和度定量评价方法及装置

技术领域

本发明涉及测量评价技术，具体涉及一种水合物混合层饱和度定量评价方法及装置。

背景技术

天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，是未来全球能源发展的战略制高点。研究表明，天然气水合物稳定带内水合物、游离气和水三相共存的混合层已被证实存在多个区域。我国南海神狐海域两次水合物试采均已证实三相共存情况。但关键问题是如何精确评价水合物、气态烃和水饱和度，为水合物矿藏开发提供依。

目前，定量评价混合层三相饱和度方法有岩心分析法、声波测井法、核磁-密度相结合。

岩心分析法，通过保压岩心，收集释放气体总量，结合孔隙水淡化可计算三相饱和度，但该方法缺点是：一、深海获取岩心费用高昂，求取的数据离散，不能得到混合层连续结果。二、岩心保压困难，原位状态下地层水盐度和气体浓度很难确定。

声波测井方法，该方法的缺点：一是由于混合层气体的存在，导致提取的纵横波速度不精确，影响计算结果；二是该方法所利用的岩石物理模型主要取决于混合层水合物微观赋存状态，需要通过岩心CT扫描等其他手段获取，不确定性较高。三是公式中涉及多个未知数，常采用默认值，而不同区域不同沉积物具有不同的数值，导致计算结果误差较大。

常规的核磁-密度相结合，该方法目前存在的主要问题是在建立密度模型时一是认为岩石骨架密度值为定值，实际上岩石骨架密度受到不同的矿物组分影响。二是认为水合物和地层水密度接近，简化了模型，导致计算结果误差较大。

专利文献CN112946783A公开了一种水合物饱和度确定方法、装置及设备，该方法包括：获取目标储层的测井数据和岩石组分矿物参数；根据岩石组分矿物参数计算目标储层的岩石干骨架参数；利用岩石干骨架参数计算对应于至少两组候选模型参数的预估纵波速度；基于预估纵波速度和实测纵波速度的比较结果在候选模型参数中选取应用模型参数；结合应用模型参数、纵波逆品质因子和岩石干骨架参数计算对应于至少两个候选水合物饱和度的预估纵波逆品质因子；根据预估纵波逆品质因子和实测纵波逆品质因子的比较结果在候选水合物饱和度中确定目标水合物饱和度。然而，该方法仅能计算储层中水合物饱和度，不能得出储层中游离气的饱和度。

发明内容

为了解决上述背景技术所存在的至少一技术问题，本发明提供一种水合物混合层饱和度定量评价方法及装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种水合物混合层饱和度定量评价方法，包括：

获取混合层段地层参数，以求取混合层气层密度ρ_g；

根据所述混合层气层密度ρ_g来得出混合层段气体的含氢指数HI_g；

对纯水层段自然伽马GR与总孔隙度分析来求取混合层段地层的总孔隙度φ；

建立混合层段岩石物理模型，来求取获得混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度。

第二方面，本发明提供一种水合物混合层饱和度定量评价装置，包括：

输入模块，用于输入混合层段地层参数，以求取混合层气层密度ρ_g；

查找模块，用于根据所述混合层气层密度ρ_g来查找得出混合层段气体的含氢指数HI_g；

分析模块，用于对纯水层段自然伽马GR与总孔隙度分析来求取混合层段地层的总孔隙度φ；

模型模块，用于建立混合层段岩石物理模型，来求取获得混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度。

进一步地，所述混合层段地层参数包括混合层段地层压力P、混合层段地层温度T；

其中，M_g为CH₄表现分子量，Z为压缩因子。

进一步地，所述混合层段地层的总孔隙度φ为：

φ＝-0.00276*GR+0.6259。

进一步地，所述混合层段岩石物理模型通过如下方式建立：

沉积物由岩石骨架和孔隙两部分组成；孔隙中含有水合物、游离气、水三相流体；

针对沉积物骨架部分，首先根据岩心X-射线定量分析，确定混合层段骨架的主要矿物类型；由于岩心数据时离散的，结合元素俘获能谱测井求取地层连续矿物组分并经过岩心校正，假设求取的每种矿物含量为V_i；

针对孔隙中流体部分，假设混合层段水合物、游离气、水占据的孔隙体积分别为φ_gh、φ_g、φ_w，饱和度分别为S_gh、S_g、S_w；由于混合层段气体的存在，核磁孔隙度测量的是全部地层水和部分游离气所占据的孔隙体积；因此，地层的岩石物理模型包括：

为地层条件下气体的极化因子；φ_nmr为核磁孔隙度；1-φ表示岩石骨架占据的体积，φS_gh表示水合物占据的体积，φS_g表示气体占据的体积，φS_w表示水占据的体积，这四个之和等于1；φ_nmr表示的是能测量水的体积和部分气体占据的体积，1-φ_nmr表示未被核磁共振测井探测到的体积；W是气层脉冲序列的等待时间；T₁为地层条件下气体的横向弛豫时间；HI_w为水的含氢指数。

进一步地，根据所述岩石物理模型，列出以下公式：

在以上公式中，ρ、ρ_i、ρ_gh、ρ_g、ρ_w分别为地层测量、第i中矿物、水合物、游离气、地层水的密度，为已知数；φ_nmr为混合层核磁测量的核磁孔隙度；

因此，联合以上公式可分别得到混合层段游离气、地层水孔隙体积φ_g、φ_w；那么，水合物占据的孔隙体积φ_gh＝φ-φ_g-φ_w

根据饱和度定义，混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度分别为：

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明基于元素俘获能谱测井和常规测井精确确定岩石矿物组分。在此基础上，联合建立核磁共振测井和密度测井的解释模型，且在建立密度模型将水合物和地层水分开，涉及的未知参数较少，精准并连续地评价了混合层段水合物、游离气、水三相饱和度，为水合物资源量评价提供了精确地储层参数。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水合物混合层饱和度定量评价方法的流程图；

图2为密度与含氢指数关系图版；

图3为岩石物理模型图

图4为气层横向弛豫时间与温度压力关系图版；

图5为本发明实施例提供的水合物混合层饱和度定量评价方法的整体原理流程图；

图6为SH-W09-2019井核磁-密度优化前后计算的水合物混合层饱和度对比图；

图7为本发明实施例提供的水合物混合层饱和度定量评价装置的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1：

参阅图1所示，本实施例提供的水合物混合层饱和度定量评价方法主要包括如下步骤：

101、获取混合层段地层参数，以求取混合层气层密度ρ_g；

具体地，天然气的密度定义为单位体积气体的质量，地下天然气的密度需要考虑气层温压条件下的体积，可用状态方程导出：

其中，P为混合层段地层压力，M_g为CH₄表现分子量，Z为压缩因子(查诺莫图求得)，T为混合层段地层温度。

102、根据所述混合层气层密度ρ_g来得出混合层段气体的含氢指数HI_g；

具体地，含氢指数指将淡水的含氢量规定为一个单位，而1cm³任何岩石或矿物中的含氢指数与同样体积的淡水含氢指数比值定义为它的含氢指数。由步骤101可知混合层段气体密度，根据图2可查出对应的含氢指数.

103、对纯水层段自然伽马GR与总孔隙度分析来求取混合层段地层的总孔隙度φ；

具体地，总孔隙度是指岩石中孔隙体积与岩石体积之比。目前，常规测井曲线中利用声波时差、密度、中子均可计算地层孔隙度。当地层中含气时，测量的密度测井偏小，造成计算的孔隙度偏大，声波时差由于气层的存在会出现周期跳跃，导致计算结果有偏差；而中子测井由于气层的“挖掘效应”导致孔隙度偏小。通过对纯水层段(孔隙中既不含水合物也不含气体)自然伽马(GR)与总孔隙度分析，发现地层孔隙度随着自然伽马增大而逐渐减小，两者具有很好的线性相关性，相关系数r达到0.85，回归公式如下：

φ＝-0.00276*GR+0.6259

因此，混合层段地层的总孔隙度可利用上述公式进行计算，有效避免了气层的影响。

104、建立混合层段岩石物理模型，来求取获得混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度。

具体地，沉积物由岩石骨架和孔隙两部分组成。孔隙中含有水合物、游离气、水三相流体；

针对沉积物骨架部分，首先根据岩心X-射线定量分析，确定混合层段骨架的主要矿物类型。由于岩心数据时离散的，需结合元素俘获能谱测井求取地层连续矿物组分并经过岩心校正，假设求取的每种矿物含量为V_i；

针对孔隙中流体部分，假设混合层段水合物、游离气、水占据的孔隙体积分别为φ_gh、φ_g、φ_w，饱和度分别为S_gh、S_g、S_w。由于混合层段气体的存在，核磁孔隙度测量的是全部地层水和部分游离气所占据的孔隙体积。因此，地层的岩石物理模型如图3所示。

在图3中，为地层条件下气体的极化因子；φ_nmr为核磁孔隙度；最左边1-φ表示岩石骨架占据的体积，φS_gh表示水合物占据的体积，φS_g表示气体占据的体积，φS_w表示水占据的体积，这四个之和等于1。φ_nmr表示的是能测量水的体积和部分气体占据的体积也就是虚线的右边，而虚线的左边(1-φ_nmr)表示未被核磁共振测井探测到的体积。W是气层脉冲序列的等待时间，一般取值8s，T₁为地层条件下气体的横向弛豫时间，通过图4可查询。HI_w为水的含氢指数，一般取值为1。

根据上述的岩石物理模型，可列出以下公式：

上述公式为核磁共振测井和密度测井的解释模型，式中，ρ、ρ_i、ρ_gh、ρ_g、ρ_w分别为地层测量、第i中矿物、水合物、游离气、地层水的密度，为已知数。地层孔隙度φ、V_i已分别根据步骤103、104求取。φ_nmr为混合层核磁测量的核磁孔隙度；P_g、HI_g已分别根据步骤104、102求取。因此，联合以上公式可分别得到混合层段游离气、地层水孔隙体积φ_g、φ_w。那么，水合物占据的孔隙体积φ_gh＝φ-φ_g-φ_w

根据饱和度定义，混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度分别为：

如图5所示，为本方法的整体原理流程图，本发明深入挖掘非常规测井信息，精确确定地层孔隙度，避免了气层的影响，优化了核磁-密度模型，精准评价了海域天然气水合物混合层水合物、游离气、水三相饱和度，为水合物产能模拟和资源量评价提供精确的储层参数。

由此可见，本发明基于元素俘获能谱测井(即由于岩心数据时离散的，结合元素俘获能谱测井求取地层连续矿物组分并经过岩心校正，假设求取的每种矿物含量为V_i)和常规测井精确确定岩石矿物组分。在此基础上，联合建立核磁共振测井和密度测井的解释模型，且在建立密度模型将水合物和地层水分开，涉及的未知参数较少，精准并连续地评价了混合层段水合物、游离气、水三相饱和度，为水合物资源量评价提供了精确地储层参数。

下面结合一个验证实例来对本方法进行进一步的验证说明：

以神狐海域2019钻探的一口井为例(SH-W09-2019)，图6中第一道为深度道，第二道分别为伽马和井径曲线，第三道不同电阻率，第四道和第五道分别为常规的核磁-密度模型和优化后的核磁-密度模型(即本方法步骤104所建立的混合层段岩石物理模型)计算的混合层段水合物、气体、水的饱和度，第六道为实测的地层温度。

通过对比两种方法，可以看出，核磁-密度模型优化前和优化后确定的混合层底界深度分别为279mbsf和260mbsf左右。根据实测地层温度来看，明显低于地层的地温梯度线的异常温度点截至在260mbsf，该异常温度是由于水合物的存在造成的。因此，根据以上分析，优化后的核磁-密度模型(即本方法步骤104所建立的混合层段岩石物理模型)更加符合实测温度数据。

实施例2：

参阅图7所示，本实施例提供了一种水合物混合层饱和度定量评价装置主要包括：

输入模块，用于输入混合层段地层参数，以求取混合层气层密度ρ_g；

查找模块，用于根据所述混合层气层密度ρ_g来查找得出混合层段气体的含氢指数HI_g；

分析模块，用于对纯水层段自然伽马GR与总孔隙度分析来求取混合层段地层的总孔隙度φ；

模型模块，用于建立混合层段岩石物理模型，来求取获得混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度。

由于输入模块、查找模块、分析模块、以及模型模块的具体工作原理和实施例1中步骤101-104分别一一对应，在本实施例中就不再赘述。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水合物混合层饱和度定量评价方法，其特征在于，包括：

获取混合层段地层参数，以求取混合层气层密度ρ_g；

根据所述混合层气层密度ρ_g来得出混合层段气体的含氢指数HI_g；

对纯水层段自然伽马GR与总孔隙度分析来求取混合层段地层的总孔隙度φ；

建立混合层段岩石物理模型，来求取获得混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度。

2.如权利要求1所述的水合物混合层饱和度定量评价方法，其特征在于，所述混合层段地层参数包括混合层段地层压力P、混合层段地层温度T；

其中，M_g为CH₄表现分子量，Z为压缩因子。

3.如权利要求1所述的水合物混合层饱和度定量评价方法，其特征在于，所述混合层段地层的总孔隙度φ为：

φ＝-0.00276*GR+0.6259。

4.如权利要求1所述的水合物混合层饱和度定量评价方法，其特征在于，所述混合层段岩石物理模型通过如下方式建立：

沉积物由岩石骨架和孔隙两部分组成；孔隙中含有水合物、游离气、水三相流体；

针对沉积物骨架部分，首先根据岩心X-射线定量分析，确定混合层段骨架的主要矿物类型；由于岩心数据时离散的，结合元素俘获能谱测井求取地层连续矿物组分并经过岩心校正，假设求取的每种矿物含量为V_i；

针对孔隙中流体部分，假设混合层段水合物、游离气、水占据的孔隙体积分别为φ_gh、φ_g、φ_w，饱和度分别为S_gh、S_g、S_w；由于混合层段气体的存在，核磁孔隙度测量的是全部地层水和部分游离气所占据的孔隙体积；因此，地层的岩石物理模型包括：

为地层条件下气体的极化因子；φ_nmr为核磁孔隙度；1-φ表示岩石骨架占据的体积，φS_gh表示水合物占据的体积，φS_g表示气体占据的体积，φS_w表示水占据的体积，这四个之和等于1；φ_nmr表示的是能测量水的体积和部分气体占据的体积，1-φ_nmr表示未被核磁共振测井探测到的体积；W是气层脉冲序列的等待时间；T₁为地层条件下气体的横向弛豫时间；HI_w为水的含氢指数。

5.如权利要求4所述水合物混合层饱和度定量评价方法，其特征在于，根据所述岩石物理模型，列出以下公式：

在以上公式中，ρ、ρ_i、ρ_gh、ρ_g、ρ_w分别为地层测量、第i中矿物、水合物、游离气、地层水的密度，为已知数；φ_nmr为混合层核磁测量的核磁孔隙度；

因此，联合以上公式可分别得到混合层段游离气、地层水孔隙体积φ_g、φ_w；那么，水合物占据的孔隙体积φ_gh＝φ-φ_g-φ_w

根据饱和度定义，混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度分别为：

6.一种水合物混合层饱和度定量评价装置，其特征在于，包括：

输入模块，用于输入混合层段地层参数，以求取混合层气层密度ρ_g；

查找模块，用于根据所述混合层气层密度ρ_g来查找得出混合层段气体的含氢指数HI_g；

分析模块，用于对纯水层段自然伽马GR与总孔隙度分析来求取混合层段地层的总孔隙度φ；

模型模块，用于建立混合层段岩石物理模型，来求取获得混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度。

7.如权利要求6所述的水合物混合层饱和度定量评价装置，其特征在于，所述混合层段地层参数包括混合层段地层压力P、混合层段地层温度T；

其中，M_g为CH₄表现分子量，Z为压缩因子。

8.如权利要求6所述的水合物混合层饱和度定量评价装置，其特征在于，所述混合层段地层的总孔隙度φ为：

φ＝-0.00276*GR+0.6259。

9.如权利要求6所述的水合物混合层饱和度定量评价装置，其特征在于，所述混合层段岩石物理模型通过如下方式建立：

沉积物由岩石骨架和孔隙两部分组成；孔隙中含有水合物、游离气、水三相流体；

针对沉积物骨架部分，首先根据岩心X-射线定量分析，确定混合层段骨架的主要矿物类型；由于岩心数据时离散的，结合元素俘获能谱测井求取地层连续矿物组分并经过岩心校正，假设求取的每种矿物含量为V_i；

针对孔隙中流体部分，假设混合层段水合物、游离气、水占据的孔隙体积分别为φ_gh、φ_g、φ_w，饱和度分别为S_gh、S_g、S_w；由于混合层段气体的存在，核磁孔隙度测量的是全部地层水和部分游离气所占据的孔隙体积；因此，地层的岩石物理模型包括：

为地层条件下气体的极化因子；φ_nmr为核磁孔隙度；1-φ表示岩石骨架占据的体积，φS_gh表示水合物占据的体积，φS_g表示气体占据的体积，φS_w表示水占据的体积，这四个之和等于1；φ_nmr表示的是能测量水的体积和部分气体占据的体积，1-φ_nmr表示这部分体积没有被探测到；W是气层脉冲序列的等待时间；T₁为地层条件下气体的横向弛豫时间；HI_w为水的含氢指数。

10.如权利要求9所述水合物混合层饱和度定量评价装置，其特征在于，根据所述岩石物理模型，列出以下公式：

在以上公式中，ρ、ρ_i、ρ_gh、ρ_g、ρ_w分别为地层测量、第i中矿物、水合物、游离气、地层水的密度，为已知数；φ_nmr为混合层核磁测量的核磁孔隙度；

因此，联合以上公式可分别得到混合层段游离气、地层水孔隙体积φ_g、φ_w；那么，水合物占据的孔隙体积φ_gh＝φ-φ_g-φ_w

根据饱和度定义，混合层段水合物、游离气、地层水的饱和度分别为：

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