基于燃烧热值对气测全烃与组分函数关系的探讨

滕飞启 傅 鹏 朱更更 吴明松 张春阳 王嘉鑫 张文强

(①中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院；②中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院；③低渗透油气田勘探开发国家工程实验室；④中国石油长庆油田分公司第四采气厂)

0 引 言

气体录井是发现油气层，特别是气层最直接、最有效的录井方法，广泛应用于石油天然气勘探开发过程中。录井中全烃概念易给人造成一种误解——全烃就是所检测到的烃类气体总和。在气体录井过程中经常出现全烃值大于组分之和或者全烃值小于甲烷含量的现象，已有学者对此现象进行过分析探讨[1-4]。为了避免这种现象出现，长庆地区全烃值均采用各烃类组分之和，但会出现数值偏小的现象。

基于上述状况，本文从气相色谱工作原理入手，分别介绍全烃和组分的测量方法。由气相色谱的测量原理可知，全烃是连续测量，组分是周期分析，至于两者是何种关系一直存在争论。一种观点认为全烃近似等于组分之和，另一种观点认为应根据氢火焰离子化检测结果(FID)对烃类碳效应计算全烃值。天然气中烃类气体主要用途是燃料，不论各种烷烃比例多少，最终是通过燃烧释放热量被利用。因此，提出根据组分完全燃烧所放出的热量，找出各组分与全烃值的关系，建立气测全烃与组分的计算公式，为后期解释评价提供依据。

1 气相色谱仪工作原理

在钻井过程中，油、气层中的油和气经渗滤和扩散后进入钻井液，再由钻井液携带到地面，通过脱气器对钻井液开始脱气，将脱出的气体经过去水，干燥筒处理后，由样品泵抽进色谱仪进行分析。样品气分两路，一路直接进入FID氢火焰离子化检测器分析(图1)，输出结果为样品气中全部烃类含量，称为全烃(Tg)。测量方式为连续测量，检测的是样品气中气体的总含量，经过多年的摸索和实践，采用甲烷纯样进行标定。

图1 全烃测量流程图

另一路样品气经过预处理柱，由于天然气中所含C1-C5各化合物在色谱柱的气相和固定相中分配能力的不同，随着载气不断通入，天然气各组分被固定相吸附和脱附，产生分配系数的微小差异，并不断扩大这一差异，最终各化合物在色谱柱达到分离。柱分离后进入FID氢火焰离子化检测器分别分析甲烷(C1)、乙烷(C2)、丙烷(C3)、异丁烷(iC4)、正丁烷(nC4)、异戊烷(iC5)、正戊烷(nC5)单一组分体积分数值(图2)。测量方式为周期分析，采用标准混样进行标定。

图2 烃组分检测流程图

2 全烃与组分关系分析

由气相色谱的测量原理可知，全烃是连续测量，它受到的影响因素较多，主要作为一个参考数据，目的在于连续监测发现油气异常层，以防止漏测油气井段。组分是周期分析，通过定量管每次以0.3 mL进入检测器进行定量分析，干扰因素较少。组分检测主要用于在全烃录井过程中出现的气测异常显示，进行烃组分和非烃组分的含量分析，作业人员根据不同组分的出现, 定性分析气测异常显示，判别是气层、油层、气水同层、油水同层，还是水层或非烃气层的显示。

在录井解释过程中经常会用到全烃这个参数，由于全烃属于定性参数，主要用于单井纵向变化趋势分析，而用于解释评价过程中误差较大。因此需要一个相对准确的全烃值，提高单井解释符合率。全烃检测值和所检测样品气成分是何种关系，一直没有达成共识。据吴烈钧《气相色谱检测方法》介绍[5]，FID氢火焰离子化检测器对烃类具有等碳效应，全烃(Tg)检测值近似符合公式：

Tg=∑nCn

(1)

式中：Tg为全烃，%；n为组分分子式碳当量；Cn为样品气组分体积含量，%。

长庆地区天然气主要成分是甲烷，其他组分含量相对较少，在解释评价过程中常采用组分之和代替全烃值，即：

Tg=∑Cn

(2)

由于初步判断油气性质和预测产能趋势时，利用公式(1)结果会偏大，利用公式(2)又会偏小，导致气测资料可信度降低，不利于录井解释评价。因此，在勘探和开发过程中迫切需要一种新的计算方法。

3 烃组分燃烧热值法

天然气主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。在25℃、100 kPa时，1 mol纯物质完全燃烧生成稳定的化合物时所释放出的热量，叫做该物质的燃烧热，单位为kJ/mol[6]。

目前市场上常规气相色谱仪能检测甲烷(C1)、乙烷(C2)、丙烷(C3)、异丁烷(iC4)、正丁烷(nC4)、异戊烷(iC5)、正戊烷(nC5)七种组分。根据这七种组分完全燃烧所释放出的热量(表1)[7]，换算成甲烷当量燃烧热，可以进一步求出组分与全烃的函数关系。如1 mol甲烷完全燃烧释放出890.4 kJ热量，1 mol乙烷完全燃烧释放出1 559.9 kJ热量，则1 mol乙烷完全燃烧所释放的热量相当于1.75倍的甲烷。同理，其他组分的燃烧热换算为甲烷的燃烧热值，可得到全烃值与组分函数关系符合公式：

Tg=C1+1.75C2+2.49C3+3.21iC4+2.98nC4+

3.97iC5+3.64nC5

(3)

分别利用上述三个公式计算X井部分井段全烃值(图3)可以看出，等碳效应法计算全烃值偏大，组分之和法计算全烃值偏小，两种方法都具有一定局限性。燃烧热值法计算结果介于等碳效应法与组分之和法之间，尤其是天然气中重组分比例越大，越能体现其准确性。这表明，基于组分燃烧热值计算全烃值法为录井解释评价提供一个新的方法，当然其应用效果有待进一步发掘验证。

表1 部分烃类气体燃烧热

图3 X井全烃计算方法对比

4 结论与建议

影响气测显示的因素很多，包括油气水本身性能、储集层物性、钻井液性能、脱气器类型及脱气方式、气路及仪器本身性能、作业人员的操作等。故在录井作业过程中，必须尽量减少人为因素对色谱检测的影响，保证各个参数的一致性。在解释评价过程中应对一些参数统一认识，建立统一标准。

(1)全烃不是组分之和，气测录井过程中出现组分含量大于全烃含量现象是合理的。

(2)根据全烃和组分的测量原理，全烃是定性参数，组分是半定量参数，在录井解释评价中不宜直接采用原始的全烃测量值。

(3)全烃值与组分的关系不是简单的体积分数之和，在解释评价中全烃值采用根据组分的燃烧热建立的函数值相对更加准确，其应用效果有待进一步验证。