琼东南盆地松南低凸起天然气水合物储层特征及勘探潜力

2021-09-29陈鸣廖晋欧阳敏孙殿强曲长伟蔡惠敏

测井技术 2021年3期

陈鸣,廖晋,欧阳敏,孙殿强,曲长伟,蔡惠敏

(1.中海石油(中国)有限公司海南分公司,海南海口570311;2.斯伦贝谢(中国)公司,北京100015)

0 引言

天然气水合物是在一定的温度和压力条件下,由甲烷等烃类气体与水分子结合形成的具有笼型结构的白色似冰状固态物质[1]。天然气水合物广泛地分布在全球水深超过300 m的陆缘海沉积物中,少量分布于高纬度和高海拔的冻土带等处[2-4]。天然气水合物资源储量丰富,保守估计其碳储量超过陆地上已知化石燃料碳储量的2倍[3]。之前学者对天然气水合物的研究主要通过地震、地化及取心等方法[5-12],但这些研究手段有着周期长、成本高及精度低等缺点。测井以其高精度及连续性的特点已成为油气勘探不可或缺的手段,众多学者逐步将测井引入对天然气水合物储层特征的研究中[13-18]。但天然气水合物储层埋藏浅、压实程度弱,处于未固结状态,常规油气测井评价方法不能直接应用于对天然气水合物储层特性的评价,需建立天然气水合物特有的测井评价体系。此外,不同于常规油气,天然气水合物以固态形式赋存,其富集需要特定的温度和压力条件,但在钻井过程或者取心过程中,天然气水合物的温度和压力条件发生破坏,天然气水合物常发生分解,因此,对其赋存特征的研究很难得到最原位的状态。此外,通过现有的实验手段无法获得天然气水合物储层准确的岩电参数,基于常规方法对天然气水合物饱和度评价误差较大、准确性较低,阻碍了天然气水合物的勘探开发进程。

本文以琼东南盆地松南低凸起为研究靶区,利用随钻测井数据,尤其是高分辨率随钻电阻率成像测井数据,分析该区水合物的赋存状态,确定天然气水合物储层纵向上的成藏规律,并对其饱和度进行精细计算,进而评价研究区天然气水合物的勘探潜力并圈定有利的钻探靶区,对进一步扩展琼东南盆地水合物勘探新领域具有重要指导意义。

1 天然气水合物测井识别

天然气水合物是在一定的高压低温环境下形成的固体矿物,常富集于岩石孔隙中,而游离气与地层水也均可存在于岩石孔隙中,此外,天然气水合物与岩石矿物的物理特性也存在一定的差异,这就意味着可以通过测井曲线识别出天然气水合物,从而为之后的储层定量评价打下基础。基于之前的经验,对水和天然气水合物的识别要依靠电阻率、核磁共振和纵波时差的变化,而对天然气水合物和气的识别主要通过中子、密度和纵波时差的变化。但通过测井方法进行水合物的识别时,因为岩性及孔隙度的变化也会引起测井曲线表现出类似于天然气水合物的测井响应特征,仅依靠1种或2种测量方法很难判断天然气水合物是否存在。因此,在天然气水合物识别中,应视具体情况,结合所有的测量信息,使用各种技术进行全面的储层评价。

以研究区A6井为例,在X 993.3～X 999.7 m和Y 002.5～Y 010.5 m层段,井径读值接近钻头尺寸8.5 in(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同,指示该层段未发生扩径,自然伽马显示岩性与上下层段无变化,但电阻率有明显抬升,密度略有变小,声波纵波时差相对基值略小(见图1),综合这些曲线特征确定这2个层段含有天然气水合物。而在Y 030.5 m以下的部分层段电阻率读值变大,密度孔隙度变小,声波纵波时差变大,声波速度变慢(见图1),综合所有测井曲线在这些层段的响应特征,判断这些层段含有游离气。

图1 松南低凸起A6井水合物层及气层典型测井响应特征

2 天然气水合物赋存状态

与常规油气不同,天然气水合物常以不同的固态形式富集于储层中,不同赋存状态的水合物往往需要不同的开采方法[17]。之前学者对天然气水合物赋存状态的研究主要依据岩心资料,但天然气水合物取心资料不连续并且水合物常发生分解,因此,根据岩心资料分析判断天然气水合物的赋存状态具有很大的不确定性。本文根据高分辨率的随钻微电阻率扫描成像、电阻率成像的频谱分析及Sand Counting分析可对水合物原位赋存状态进行分析,结果表明,研究区共发育2种不同赋存状态的水合物,分别是分散状水合物及薄层状水合物(见图2和图3)。

(1)分散状水合物:电阻率图像为亮色块状,主要呈分散浸染状分布于基质中,厚度较大,单层厚度最大可达5 m。分散状水合物饱和度以中高为主,最大可达2%。分散状水合物电阻率频谱较宽,分选系数也较大,电阻率分布柱状图为宽缓的单峰特征,表明分散状水合物具有一定的非均质性。

(2)薄层状水合物:常规测井曲线特征表现为电阻率有所增加,电阻率图像薄层状水合物表现为单层层厚较薄的高亮特征,水合物饱和度较低。薄层状水合物通过常规测井手段无法识别,只有通过高分辨率电阻率成像才能识别薄层状水合物的赋存。

3 天然气水合物成藏特征

基于随钻微电阻率扫描成像、电阻率成像的频谱分析及Sand Counting分析可确定在钻井井位纵向上天然气水合物的赋存状态,进而在单井上可建立如鲍玛序列的水合物成藏序列,确定纵向上连续的天然气水合物成藏特征。

A6井X 993.3～X 999.7 m主要发育分散状水合物,天然气水合物以中高饱和度为主,分选较差,具有一定的非均质性;X 999.7～Y 002.5 m无明显天然气水合物显示,主要为基质沉积;Y 002.5～Y 010.5 m主要发育薄层状水合物,以低饱和度水合物为主,其饱和度低于10%,天然气水合物分选较差且非均质性较强;Y 010.5～Y 021.5 m无明显水合物显示,主要为基质沉积(见图2)。

A7井中X 998.0～Y 003.0 m层段主要发育分散状天然气水合物,天然气水合物以中高饱和度为主,饱和度大于20%,分选较差,具有一定的非均质性;Y 003.0～Y 011.0 m无明显天然气水合物显示,主要为基质沉积;Y 011.0～Y 017.8 m主要发育薄层状水合物,以低饱和度水合物为主,其饱和度低于10%,水合物分选较差且非均质性较强;Y 017.8～Y 031.5 m无明显水合物显示,主要为基质沉积(见图3)。

综合研究区各井不同赋存状态的水合物发育情况,建立松南低凸起地区水合物的纵向成藏序列。研究区水域一般较深,主要分布在1 600～1 900 m,似海底反射界面(Bottom Simulation Reflector,BSR)分布在泥面下X50～X30 m(见图4)。水合物的分布主要有2层:浅层分散状水合物和深层薄层状水合物。浅层分散状水合物厚度一般在15～35 m,其饱和度较高,一般大于2%,具有一定的非均质性,分选也较差。深层薄层状水合物饱和度一般小于1%,厚度主要分布在1～40 m,分选差且非均质性强。浅层分散状水合物和深层薄层水合物之间应该有裂隙作为气体和流体的疏导通道,推测有裂隙型天然气水合物的发育,但裂隙发育无规律,因此,在现有的井位上未发现裂隙型天然气水合物的发育。天然气水合物纵向成藏序列的研究可确定主力层的天然气水合物赋存状态及埋深等重要信息。

图2 松南低凸起A6井主力水合物层水合物成藏序列

图3 松南低凸起A7井主力层天然气水合物成藏序列

图4 松南低凸起主力水合物层水合物成藏序列

4 天然气水合物饱和度的精细计算

天然气水合物勘探的关注重点是准确计算地下天然气水合物的储量,天然气水合物赋存状态和成藏特征的研究可提供天然气水合物纵向及横向的展布状态,另外要对天然气水合物的饱和度进行准确评估。之前学者主要是通过分析天然气水合物储层的地层水矿化度来估算其饱和度,但结果误差较大,对天然气水合物储量的计算有很大影响。天然气水合物饱和度的计算方法主要有电阻率法和声波速度法。基于电阻率计算天然气水合物饱和度时需选择不同的公式及相应的岩电参数,但在天然气水合物这种未固结地层中取心并在实验室分析岩电参数存在极大的困难,岩电参数的不确定性影响天然气水合物饱和度计算的准确性。不同天然气水合物的赋存方式可能会表现出不同的测井响应。此外,天然气水合物的饱和度越高,地层声波速度也相对越快,可利用合适的岩石物理模型来通过声波对水合物饱和度进行计算[15]。但不同微观赋存状态的天然气水合物的岩石物理模型存在很大差异,不同天然气水合物赋存模式的声波速度和饱和度均有很大的差异,因此,根据声波速度来计算天然气水合物饱和度的计算也存在一定的不确定性。

在天然气水合物层中,核磁共振测量仅测量到黏土束缚水、毛细管束缚水及自由水的信号,而不包含天然气水合物的信号,所以核磁共振测量的孔隙度仅为流体的部分[19-21]。而常规密度孔隙度则包含了流体和天然气水合物的部分,在天然气水合物稳定带内几乎所有的烃类气体完全与水结合形成了水合物,因此,密度孔隙度反映了水和天然气水合物所占的孔隙空间,结合密度孔隙度和核磁共振孔隙度可得到天然气水合物孔隙度,进一步求出其饱和度。与常规电阻率和声波速度计算的水合物饱和度相比,密度核磁共振相结合的方法计算天然气水合物饱和度所需的参数较少,不确定性较低,可靠性较高。在新区块尤其是岩心数据缺乏的条件下,密度核磁共振相结合的方法计算天然气水合物的饱和度结果准确性相对于其他方法较高。

本文首次采用了密度核磁共振相结合的方法计算天然气水合物饱和度,并利用常规电阻率方法计算天然气水合物饱和度,将两者进行对比。A6井分散状天然气水合物层段用电阻率方法计算的天然气水合物饱和度最低为2.3%,最高为42.6%,平均为22.9%(见图5);利用密度核磁共振相结合的方法计算的水合物饱和度最低为1.6%,最高为25.2%,平均为14%;根据密度核磁共振相结合的方法计算得到的水合物饱和度平均值较电阻率方法计算的平均饱和度低9%左右,主要是由于分散状天然气水合物分选较差,且具有一定的非均质性。薄层状天然气水合物层段利用电阻率方法计算的饱和度平均值为6.3%,基于密度核磁共振相结合的方法计算的饱和度平均为4.1%,电阻率方法计算的饱和度也略高于密度核磁共振相结合的方法计算的饱和度值,主要原因也是因为薄层状水合物分选也较差,且非均质性较强。

5 天然气水合物勘探潜力

综上分析,琼东南盆地深水区松南低凸起具有良好的水合物成藏条件[22],因此,有必要对研究区水合物的勘探潜力及勘探方向进行探讨分析,为今后水合物勘探开发指明方向。之前学者对琼东南区块水合物成藏的主控因素进行了详细分析,结果表明琼东南盆地浅层发育的气烟囱控制着水合物的成藏,越靠近气烟囱水合物显示越好,在气烟囱内部所钻探的井位全井段均有水合物赋存[23-24]。对研究区所钻探的8口井位进行了对比分析,发现A5井Y 015～Y 021 m层段、A3井X 985～Y 018 m层段及A1井Y 010～Y 016 m层段有电阻率升高的响应(见图6),这些电阻率明显升高的层段与A6和A7井天然气水合物发育的层段相对应。因此,推测A5井Y 015～Y 021 m层段、A3井X 985～Y 018 m层段及A1井Y 010～Y 016 m层段也发育天然气水合物,尤其是东南部的领眼井A3、A5及A6井天然气水合物显示较好,天然气水合物较厚且饱和度较高。此外,A3井相移及衰减电阻率出现明显的分离,A6井部分层段相移及衰减电阻率也出现分离的现象(见图6)。从连井地震剖面可明显看出,A3和A6井附近有气烟囱发育,且A3井井位更靠近气烟囱,正是由于气烟囱内部发育高角度地层,造成在A3和A6井天然气水合物发育层段出现相移及衰减电阻率的分离现象。对天然气水合物储层而言,气烟囱常作为气体和流体的疏导通道,沟通了深部气源和浅部储层,是天然气水合物聚集成藏的优势指向。基于测井数据及地震资料分析认为研究区东南方向有气烟囱的发育,该区域的东南方向为下一步水合物主要勘探目的区域。