渭河盆地水溶氦气测井识别方法及解释标准

2014-12-13冉利民

测井技术 2014年6期

冉利民

（1．中国地质大学，湖北武汉430074；2．中石化华北工程有限公司测井分公司，河南新乡453700）

0 引言

渭河盆地西安断陷地热水开发过程中发现地热水中伴生有富氦的天然气［1］。已经投入开发的多数地热井单井氦气质量分数大于1%，甲烷质量分数在10%～20%之间，CO2质量分数多小于10%［2］。一般认为氦气含量达到0．1%即可进行工业开采利用［3］。渭河盆地西安断陷地热水中伴生的天然气虽为富氦天然气，但由于氦气在天然气中所占比例较低，致使含氦气水层的测井响应与含气水层测井响应特征差异甚微，给测井资料解释造成较强的多解性和不确定性。本文在寻求含气水层和水层的细微差异测井响应特征基础上，探索了含气水层与含氦气水层之间的测井识别方法。优选了三孔隙曲线与Pe交会、中子与钾含量交会以及热中子成像测井热中子成像测井（Thermal Neutron Imaging System，TNIS）技术等方法，初步确定了渭河盆地水溶氦气的测井解释标准，取得了较好的应用效果。

1 区域地质特征

渭河盆地是新生代断陷盆地，发育在鄂尔多斯盆地与秦岭造山带交界部位，其地层系统分属于华北和秦岭两大地层区［2］。前新生界及花岗岩构成了盆地基底并出露于盆缘山地，巨厚的新生界形成了辽阔的渭河平原。渭河盆地内沉积充填物主要为第三系及第四系，沉积最厚可达7000m，新近系埋深达4800～5000m。自古近纪始新世晚期至第四纪全新世沉积较全。整体沉积面貌为南部厚、北部薄；自南而北，逐层超覆。第三系自始新统至中上新统主要为一套红色碎屑沉积；上上新统沉积时，气候湿热，湖盆面积扩大，湖水加深，沉积物明显较厚，颜色亦以黑、绿为主。第四系为一套松散砂砾层、黄土及灰黄色砂泥沉积，岩性横向变化大，岩性复杂。渭河盆地自新近纪以来，一直保持着北浅南深、北缓南陡的箕状凹陷的形态，可以分为斜列的2个次一级的沉积凹陷——西安凹陷和固市凹陷。西安凹陷沉积厚度大，但沉积物颜色以红为主，粒度较粗，以河湖相沉积为主。固市凹陷南部湖相沉积发育。目前发现的氦气富集带主要集中在灞河组和高陵群。灞河组沉积相类型为洪积相、冲积相、河湖相、浅湖相；高陵群为河流相、湖沼相、冲积—洪积相沉积［4］。

2 水溶氦气的分布特征及识别方法构建依据

渭河盆地氦气体积分数较高井临近与花岗岩有关的磁性体，反映了基底隐伏的花岗岩体是壳源核的来源［5］。渭河断裂、北秦岭断裂等深断裂及其联通的次断裂，为深源天然气的运移通道，该区氦的来源主要为该区基底和周边花岗岩放射性成因壳源氦［6］，而钾岩类矿物（如钾长石）主要来源于火成岩，且常含液态和气态包裹物，而包裹物主要是氮，其次为碳酸气、氢和甲烷，有时含氦［7］。可以判断氦气的含量应该与花岗岩的主要矿物成分钾长石的含量成正相关［8］。根据钾盐类矿物的含量可以间接预测氦气的含量。自然伽马能谱测井可以较好反映地层钾元素的含量，可以间接指示氦的富集程度。

现场统计分析发现，水溶氦气在不同地质层段赋存的储层空间条件不一样，寻找富氦储层首先要利用常规测井资料判别氦富集的优势储集空间，作为识别氦气的首要条件。

渭河盆地西安断陷富氦储层储集空间流体主要为地层水、天然气、氦气等3种，其中天然气、氦气的声学、电学、放射性等特征几无差异，但三者对热中子的俘获能力却迥然不同。地层水中富含氯根，具有对热中子最强的俘获能力，能量的衰减也最大；天然气中的氢核对热中子的俘获能力居中；相比较而言氦气对热中子的俘获能力最低。利用热中子成像测井（TNIS）记录地层对中子俘获后放射的伽马射线可以有效区分地热水中的氦气含量的多少。

3 水溶氦气测井识别方法

依据氦气识别条件的分析建立水溶氦气的测井识别方法。对于寻找地热井中的水溶气乃至水溶氦气首要任务是先将含气水层与水层区分开，然后再进一步探索水溶氦气与水溶气之间的差别。

3．1 含气水层与水层识别方法

对于三孔隙度测井，当储层含气时中子测井、密度测井值会降低，对于含气比较微量的水层，声波时差值变化不大；当储层含气时对应的电阻率值应该相应增大，利用中子—密度交会、中子—电阻率交会识别含气水层与水层之间的差异，效果较为显著。

3．2 含氦与非含氦含水气层识别方法

水溶氦气中氦气的含量是极微的，对于含气水层与含氦气水层的测井响应特征差异不大。经过统计分析发现，对于灞河组与高陵群储层含氦气水层与含气水层特征上存在着一定的差异，灞河组含氦气水层主要集中到中等孔隙空间内，而高陵群则主要集中到大、小孔隙空间内。

（1）三孔隙度—Pe交会图分析。利用测试含氦气水层与非氦气水层数据点进行孔隙曲线—Pe二维交会，建立氦气与非氦气层的识别标准（见图1、图2、表1）。

（2）中子与钾含量交会图分析。氦气的含量与花岗岩的主要矿物成分钾长石的含量相关，通过自然伽马能谱测井中钾含量判断储层中钾长石的含量（见图3），进而预测储层中氦气的含量。

（3）热中子成像测井水溶氦气识别方法。热中子成像测井是探测快中子经过地层减速后尚未被地层俘获的热中子的测量方法，它直接探测、记录热中子密度，明显区别于传统的测量俘获伽马射线的中子寿命仪器。这种记录方式可以在较大幅度提高在低矿化度、低孔隙度地层的计数率。图4中，第1道为岩性剖面；第2道为校对曲线；第3道为测量深度；第4道为含油性曲线；第5道为热中子成像测井测试曲线；第6道为三孔隙度曲线；第7道为热中子成像测井处理曲线；第8道为热中子衰减成像；第9道为热中子俘获成像；第10道为热中子成像测井解释结论。图4中，含气水层、含氦气水层、水层的热中子成像测井过套管热中子成像图上存在一定的差别，反映热中子俘获的Σ值也有明显区别，俘获截面及中子寿命也有明显的差异。根据其测井响应特征异常，建立了水溶氦气热中子成像测井热中子成像测井识别模式和解释标准（见表2）。

图1 灞河组孔隙度测井曲线与光电吸收截面交会图

图2 高陵群孔隙度测井曲线与光电吸收截面交会图

表1 氦气与非氦气层孔隙曲线—Pe识别标准

图3 灞河组、高陵群中子与钾含量交会图

3．3 水溶氦气气测录井识别方法

图4 不同流体热中子成像测井解释响应特征图

表2 不同流体性质热中子成像测井测井响应模式及解释标准

气测识别方法是对测井识别方法的有利补充和完善。气测录井除了记录烃类组分含量外，其记录的氦气含量、氦气含量净增值对于水溶氦气的快速识别起到了举足轻重的作用。利用气测数据识别水溶氦气可以作为测井识别方法的有效补充。利用渭河盆地WX1井高陵群3309～3320m实验室化验分析含氦气层的结果标定气测数据，工业氦气储层的气测判别标准是氦气含量大于0．02%，相对于基值的氦气含量净增值大于0．02%。