元素俘获能谱测井在神狐海域天然气水合物储层评价中的应用

康冬菊 梁金强 匡增桂 陆敬安郭依群 梁 劲 蔡慧敏 曲长伟

1.中国地质调查局广州海洋地质调查局 2.斯伦贝谢中国地球科学与石油工程研究院

0 引言

天然气水合物(以下简称水合物)的准确识别和精细定量评价是自然界水合物开发利用的基础[1]。水合物沉积物在利用降压方式开采时，沉积物渗透率是其中一个重要影响因素[2]。而沉积物渗透率受岩性和水合物饱和度的控制。水合物饱和度指水合物占据的孔隙体积与岩石总孔隙体积之比，若孔隙度计算不正确，直接导致水合物饱和度估算不合理。因此，精细评价水合物储层岩性、孔隙度渗透率对水合物的高效开采显得尤为重要。

目前应用最多的水合物储层评价方法是地球物理方式，如地震、测井和电磁技术[3]。其中地球物理测井是除地震和钻探取心外最有效的原位识别和评价方法[4]。

岩性解释是水合物储层评价的基础。常规岩性解释主要通过自然伽马[5-6]、中子孔隙度和密度来确定。南海北部神狐海域GMGS-3钻探随钻测井（LWD）揭示W18井在深度134.0～157.5 m发育低伽马值层段，常规测井解释认为低伽马是由储层砂质成分增多造成的，但根据岩心XRD测定的矿物组分显示，在该层段方解石含量明显增多。因此，仅利用常规测井项目得到的岩性剖面不确定性较强，并且很难求准地层的碳酸盐含量[7]。而元素俘获能谱测井可以解决这一问题，构成地层的矿物如石英、白云石、方解石、黏土等都有特定的化学元素，这些元素相对集中于O、Si、Al、Fe、Ca、Mg 等几种，斯伦贝谢公司研发的新一代NeoScope无化学源综合随钻测井，可提供的测量包含元素俘获能谱，对伽马谱进行剥谱处理，得到地层主要元素的产额，再经氧闭合处理及岩性模型确定地层矿物含量，从而能够获取更加准确的岩性剖面[8-9]。韩琳等[10]利用元素俘获谱测井准确识别火成岩岩性；袁祖贵等[11]利用元素俘获谱测井对王庄油田储层岩性进行了识别。国外Collett和Lee等[12-13]以及国内陆敬安等[3,14-16]对测井技术在水合物储层解释和评价方面的进展进行了总结。目前国内外没有将元素俘获能谱测井应用在水合物储层评价中的情况。

笔者主要利用W18井元素俘获能谱处理得到的岩性结果作为ElanPlus[17]处理的输入，结合其他常规测井资料，确定了该井的岩性剖面。基于元素俘获能谱测井处理得到的矿物组分，估算了W18井水合物层的孔隙度、水合物饱和度以及地层基质渗透率。

1 元素俘获能谱测井原理

NeoScope无化学源综合随钻测井（LWD）采用了斯伦贝谢公司开发的无化学源技术，以脉冲中子发生器（PNG）为核心（图1），测井时PNG发射的高能中子通过与地层中的原子核发生弹性和非弹性散射而损失能量。经过几次散射快中子减速变为热中子，热中子继续与地层中的原子核发生多次碰撞，最后中子被地层中的原子核吸收，也就是中子俘获，从而释放出非弹性散射伽马。非弹性散射伽马的能量取决于俘获中子的原子核类型，因此，两个伽马射线探测器测量的伽马射线能量反映了地层中的元素。这些数据作为时间和能量的函数被记录下来。通过分析近源伽马射线探测器的俘获伽马射线能谱，可以得到Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等主要元素的产额，经氧闭合处理，可以得到地层中的元素质量百分含量，最后根据岩性模型确定地层矿物含量。NeoScope仪器岩性测量适用性特别广，在淡水、饱和盐水、油基钻井液、不规则井眼等都能采集到高质量的资料[18]。

图1 脉冲中子发生器（PNG）工作原理示意图

2 元素俘获能谱在水合物储层评价中的应用

2.1 确定地层矿物类型及含量

图2 结合元素俘获能谱的Elan处理矿物组分与岩心XRD测试的矿物组成对比图

确定地层矿物组分是测井解释与评价的基础。元素俘获能谱测井可提供直观的矿物类型及含量，因此可直接应用于评价地层岩性。图2是W18井地层元素含量与矿物类型含量成果图，从图2中可以看出元素俘获能谱推导出的矿物含量与岩心XRD测定的数据吻合很好。深度介于145～172 m为水合物发育层段，准确的岩性分析对评价水合物储层是相当重要的。如在上部水合物及之上层段（深度介于134.0～157.5 m）自然伽马曲线明显降低，初步分析该段砂质成分增多，孔隙度、渗透率较为发育，但通过元素俘获能谱测井资料分析发现在该低伽马层段钙质成分明显增多，岩心XRD测试分析主要是以方解石为主。这个分析很重要，因为砂质水合物储层被认为是国际上在当前技术条件下能够高效试采的重要目标[19-21]，按前者分析，该段低伽马是由于砂质成分增加引起的，物性较好；而按元素俘获能谱资料分析，该段低伽马是由于方解石增多造成的，这对水合物试采储层改造提供了数据支撑。通过此例可知，在常规测井资料不能反映钙质的存在时，元素俘获能谱测井可以精确地测量地层矿物组分，这对评价水合物储层物性是至关重要的，直接关系到水合物试采井位的确定。

2.2 估算地层孔隙度

密度测井是求取水合物储层孔隙度的主要方法之一，前人在利用密度测井研究南海神狐海域水合物孔隙度时通常认为岩石骨架密度值不变[22]，当地层含有碳酸盐岩、绿泥石、黄铁矿，岩石骨架密度会受到严重影响[23-24]。通过元素俘获能谱处理可得出准确的矿物含量，每种矿物都有其特定的密度值，各种矿物密度的线性组合即岩石骨架密度值，随着矿物成分及含量的变化，岩石骨架密度值是不同[25-26]，这样通过密度测井计算的总孔隙度将会更加精确。

岩石骨架密度值为：

式中ρma表示地层骨架密度，g/cm3；Vi表示各矿物的ECS体积百分含量；ρi表示各矿物的骨架密度，g/cm3。

总孔隙度为：

式中φD表示地层孔隙度；ρb表示实测地层密度，g/cm3；ρw表示地层水密度，g/cm3，根据地层水矿化度数据，取 ρw=1.03 g/cm3。

图3为基于元素俘获能谱资料两种不同方法计算的W18井总孔隙度。右数第一道为测井解释孔隙度与岩心分析孔隙度的对比。红色线为利用公式（1）、（2）计算的总孔隙度，蓝色线为将元素俘获能谱测井处理得到的矿物组分结果作为ElanPlus测井处理的输入，结合其他常规测井资料计算的总孔隙度。从图3中可知，利用两种方法计算的总孔隙度趋势基本一致，在水合物层，密度孔隙度整体比ElanPlus处理得到的总孔隙度要大5%左右，后者与岩心分析结果吻合更好，可能密度测井易受井径、钻井液等其他因素影响。后者计算的水合物层平均总孔隙度为58.8%。

图3 基于元素俘获能谱资料的两种不同方法求取的孔隙度与岩心分析孔隙度对比图

2.3 估算水合物饱和度

用测井资料计算水合物饱和度常用的方法有阿尔奇公式法[27-30]、声波速度法[31-35]、孔隙水氯离子浓度法[28,30]、核磁共振—密度法[28,32,36]、声波阻抗法[30]等。本文采用阿尔奇公式估算水合物饱和度。即

式中Sh表示水合物饱和度；a、m表示阿尔奇常数；Rw表示地层原生水电阻率，Ω·m；φ表示元素俘获能谱结合其他常规测井资料计算的孔隙度；Rt表示地层电阻率，Ω·m；n表示饱和度指数。

根据前人的相关研究成果[37]，Rw取值0.25 Ω·m、a取值1.10、m取值2.07；n值采用Pearson等[38]研究计算的结果，取值1.94。

图4为W18井测井计算饱和度，从图中可以看出，用阿尔奇公式估算的水合物饱和度与孔隙水氯离子淡化的饱和度吻合较好，测井计算的最大水合物饱和度为58.6%，平均值为29.3%。

2.4 估算地层渗透率

Konno等[39]通过数值模拟认为地层渗透率是水合物试采成功的一个关键因素，它直接影响水合物的产气量和产水量[40]。于倩男等[41]通过实验研究认为当储层整体渗透率较低时，渗透率增大的影响程度大于非均质性的负面影响。在利用元素俘获谱测井精确获取地层矿物组分的基础上，能够很好地估算地层的渗透率[40]，在ElanPlus测井评价中采用HERRON公式估算W18井的渗透率，即

式中K表示储层基质渗透率，mD；φ表示元素俘获能谱Elan计算的储层粒间孔隙；Bi表示每种矿物的渗透率常数；Mi表示固体岩石中每种矿物质量百分含量。

它们反映矿物成分对渗透率的影响，不同的黏土类型对地层渗透率的影响具有明显的不同，影响程度依次为蒙脱石、伊利石、高岭石[42]。岩心XRD分析结果表明W18井的黏土类型以伊利石为主，表1给出了W18井每种矿物的Bi值。

图4 W18井测井计算饱和度与岩心分析饱和度对比图

表1 W18井不同矿物组分Bi值表

在精确获取地层矿物组分的基础上，利用公式（4）对W18井进行渗透率的计算，其计算结果如图5所示。表2为辉固公司对W18井原位测试的渗透率结果，图5显示基于元素俘获能谱计算的渗透率与原位测试符合率高。

3 结论

1）应用常规测井资料很难求准地层的碳酸盐含量，而元素俘获能谱资料可以分析出钙质的存在，求取的岩性剖面更加精确。

图5 利用元素俘获能谱资料求取的渗透率与原位测试渗透率的对比图

2）元素俘获能谱处理得到的矿物组分结果作为ElanPlus处理的输入，结合其他常规测井资料，求得的W18井水合物层孔隙度和饱和度与岩心分析结果吻合得较好。

3）元素俘获能谱测井资料对水合物储层基质渗透率的估算作用更为突出。