專利名稱：一種直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，具體地，本發(fā)明涉及一種利用勘探井和開發(fā)井，獲得測(cè)井資料，并使用這些測(cè)井資料計(jì)算地下巖層的拉梅常數(shù)和剪切模量，將拉梅常數(shù)、剪切模量、密度作為碳?xì)錂z測(cè)因子，確定它們的門限值，使用這些碳?xì)錂z測(cè)因子及其門限值，直接探測(cè)地層中的游離態(tài)天然氣、二氧化碳等氣體的方法。
背景技術(shù)：
地層中的天然氣、二氧化碳等氣體是重要的自然資源，天然氣是重要的能源，二氧化碳是重要的化工原料。地層中的氣體可能是游離態(tài)的，也可能是非游離態(tài)的。游離態(tài)氣體指的是能夠在巖石的彼此連通的孔隙、裂隙之間自由流動(dòng)的氣體。游離態(tài)氣體的流動(dòng)遵循達(dá)西定律 (DarcyLaw)，受巖石中流體壓力梯度的驅(qū)動(dòng)。砂巖、石灰?guī)r等巖層中蘊(yùn)藏的天然氣是典型的游離態(tài)氣體。非游離態(tài)氣體指的是不能自由移動(dòng)的氣體，不能自由移動(dòng)的原因多種多樣，例如，天然氣水化合物(又稱“可燃冰”)中的天然氣處于固體結(jié)晶狀態(tài)，因而不能夠自由移動(dòng)；煤層中蘊(yùn)藏的甲烷等氣體處于被吸附的狀態(tài)，因而也不能夠自由移動(dòng)。處于被吸附狀態(tài)的非游離態(tài)氣體被稱為吸附態(tài)氣體。實(shí)際上，當(dāng)煤層氣以吸附態(tài)存在于巖石孔隙表面時(shí)，它是在范德華力(Van der Waals forces)作用下以液體薄膜附著在孔隙表面。吸附態(tài)氣體在巖石中的運(yùn)移是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，該過(guò)程遵循菲克定律(Fick’ s Law)，受吸附態(tài)氣體濃度梯度的驅(qū)動(dòng)。常規(guī)天然氣藏是人們久已熟悉和已經(jīng)開采利用的砂巖、石灰?guī)r等巖層中蘊(yùn)藏的天然氣，是相對(duì)于非常規(guī)天然氣藏而言的稱呼。常規(guī)天然氣藏總是游離態(tài)的。近十余年來(lái)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到泥巖、煤層等也可以是天然氣儲(chǔ)層，并且將它們蘊(yùn)藏的天然氣分別稱為泥巖氣、煤層氣等等，又將它們統(tǒng)稱為非常規(guī)天然氣藏。除了可燃冰之外，絕大多數(shù)非常規(guī)天然氣藏是吸附態(tài)的。按照地下巖層儲(chǔ)存游離態(tài)氣體的能力可以將地下巖層分為潛在儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層。潛在儲(chǔ)層指的是有可能成為游離態(tài)氣體儲(chǔ)層的巖層，例如，砂巖、石灰?guī)r、火山巖等等。潛在儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層之間的主要差別是前者孔隙度大，孔隙連通性好，有足夠大的滲透率；后者孔隙度小，滲透率很小，接近于零。在一個(gè)勘探區(qū)，可能只有一種潛在儲(chǔ)層，也可能有多種潛在儲(chǔ)層。滲透率很小的非儲(chǔ)層作為游離態(tài)氣體儲(chǔ)層的蓋層，與儲(chǔ)層一起構(gòu)成圈閉；圈閉是游離態(tài)氣體賦存的空間。典型的能夠作為蓋層的巖層是泥巖、石膏巖、鹽巖等等。為勘探和開發(fā)游離態(tài)(即常規(guī))天然氣而鉆探的眾多勘探井和開發(fā)井中，只有少數(shù)井是能夠自噴的自噴井，大多數(shù)井需要測(cè)井獲得測(cè)井資料、解釋測(cè)井資料以確定天然氣儲(chǔ)層的可能位置、射井、壓裂和試井等多個(gè)步驟之后，才能最終確定天然氣儲(chǔ)層的位置和儲(chǔ)量。即使是自噴井，如果預(yù)測(cè)有多個(gè)天然氣儲(chǔ)層，自噴的可能只是其中的一個(gè)或兩個(gè)儲(chǔ)層， 仍然需要在壓制和處理自噴之后，再進(jìn)行測(cè)井、解釋、射井、壓裂和試井等多個(gè)步驟，才能最終確定全部天然氣儲(chǔ)層的位置和儲(chǔ)量。壓裂和試井的成本昂貴，是陸地鉆井成本的數(shù)倍至十幾倍，是測(cè)井成本的幾十倍至近百倍。因此，測(cè)井資料解釋的準(zhǔn)確度是至關(guān)重要的，既不能漏掉天然氣儲(chǔ)層，否則白白丟失了寶貴的天然氣儲(chǔ)量；也不能誤報(bào)天然氣儲(chǔ)層，否則造成壓裂和試井成本的巨大浪費(fèi)。目前，測(cè)井資料解釋使用的是多種電阻率測(cè)井、密度測(cè)井、孔隙度測(cè)井、巖性測(cè)井；多種資料綜合解釋，多種資料解釋的結(jié)果互相印證，以期提高解釋的準(zhǔn)確度。但是，測(cè)井解釋的準(zhǔn)確度仍然不能令人滿意。被解釋為天然氣儲(chǔ)層的巖層，壓裂和試井的結(jié)果可能只出水而沒(méi)有氣；而被解釋為水層的巖層，在若干時(shí)間之后，因?yàn)橄噜従粠r層被試井證實(shí)是天然氣儲(chǔ)層等等原因，激起人們重新解釋測(cè)井資料、壓裂和試井，結(jié)果發(fā)現(xiàn)原先解釋水層實(shí)際上是天然氣層；所有這些類型的解釋錯(cuò)誤，都是時(shí)有發(fā)生的。常規(guī)天然氣勘探需要新技術(shù)方法提高測(cè)井資料解釋的準(zhǔn)確度。非常規(guī)天然氣藏與常規(guī)天然氣藏可以是共生共存的。例如，煤層氣是重要的非常規(guī)天然氣資源之一，煤層附近的砂巖中常常有游離態(tài)天然氣與之共生共存。這是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，煤層中生產(chǎn)的甲烷等通過(guò)斷層、裂隙等多種通道，運(yùn)移到煤層附近的砂巖等儲(chǔ)層中，以游離態(tài)賦存在砂巖等巖石的孔隙中，構(gòu)成游離態(tài)天然氣藏，被稱為“淺層游離態(tài)天然氣藏”?！皽\層”的意思是這類游離態(tài)天然氣藏的埋深常常小于作為天然氣源巖的煤層氣儲(chǔ)層，遠(yuǎn)小于人們以前熟知的常規(guī)天然氣藏。如何在勘探開發(fā)煤層氣的同時(shí)，勘探和開發(fā)淺層游離態(tài)天然氣藏，已經(jīng)成為當(dāng)前的科研熱點(diǎn)之一。但是，與非常規(guī)天然氣藏共生共存的常規(guī)天然氣藏有其特殊性。這類天然氣藏的儲(chǔ)層通常是致密砂巖，孔隙度小，氣飽和度低，致使現(xiàn)有的勘探常規(guī)天然氣藏的技術(shù)常常不適用于勘探這類天然氣藏。例如，因?yàn)檫@類天然氣藏儲(chǔ)層砂巖致密，孔隙度小，即使天然氣完全充滿砂巖的孔隙，該氣飽和致密砂巖的彈性特征與不含氣時(shí)的致密砂巖的彈性特征之間，差別不大，不足以引起地震波反射特征的明顯變化；又因?yàn)槁癫販\，地表噪音干擾嚴(yán)重， 因此，現(xiàn)有的地震勘探技術(shù)(包括勘探常規(guī)天然氣藏的特殊地震技術(shù))被用于勘探淺層游離氣藏時(shí)，效果很差。又例如，由于這類天然氣藏儲(chǔ)層砂巖致密，孔隙度小，氣飽和度低，再加上鉆井泥漿在井壁上形成的泥餅的封堵作用，常規(guī)測(cè)井資料解釋對(duì)這類天然氣藏的效果更差。雖然煤層氣資源豐富的國(guó)家(例如，美國(guó)、加拿大、澳大利亞等)都曾經(jīng)致力于勘探和開發(fā)淺層游離態(tài)天然氣藏，但是，由于沒(méi)有找到適宜于這類天然氣藏的探測(cè)技術(shù)，至今沒(méi)有多大進(jìn)展。為了勘探開發(fā)淺層游離態(tài)天然氣藏之類的天然氣藏，需要發(fā)展新的技術(shù)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，具體地，本發(fā)明的目的是提供利用勘探井和開發(fā)井，獲得測(cè)井資料，根據(jù)這些測(cè)井資料計(jì)算地下巖層的拉梅常數(shù)和剪切模量，將拉梅常數(shù)、剪切模量、密度作為碳?xì)錂z測(cè)因子，確定它們的門限值，使用這些碳?xì)錂z測(cè)因子及其門限值，直接探測(cè)地層中的游離態(tài)天然氣、二氧化碳等氣體的方法。本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的一種直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，該方法利用勘探井和開發(fā)井，首先在勘探井和開發(fā)井中進(jìn)行測(cè)井，獲得測(cè)井資料，再根據(jù)測(cè)井資料計(jì)算地下巖層的拉梅常數(shù)和剪切模量，將拉梅常數(shù)、剪切模量、密度作為碳?xì)錂z測(cè)因子，確定它們的門限值，使用這些碳?xì)錂z測(cè)因子及其門限值，直接探測(cè)地層中的游離態(tài)天然氣、二氧化碳等等氣體。該方法由下列步驟組成
5
(1)對(duì)勘探開發(fā)區(qū)內(nèi)每一口勘探井和開發(fā)井，進(jìn)行如下作業(yè)(a)在井中進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，采集地下巖層的橫波速度、縱波速度、密度、自然電位、 自然伽馬、孔隙度、電阻率等等測(cè)井資料；(b)根據(jù)測(cè)井獲得的橫波速度、縱波速度、密度，計(jì)算地下巖石的拉梅常數(shù)、剪切模量；(c)根據(jù)相關(guān)測(cè)井資料計(jì)算地下巖層巖性成分，獲得巖性測(cè)井曲線；(2)對(duì)勘探開發(fā)區(qū)內(nèi)全部勘探井和開發(fā)井，將拉梅常數(shù)、剪切模量、密度作為碳?xì)錂z測(cè)因子，確定這些碳?xì)錂z測(cè)因子的門限值，包括如下分步驟(d)區(qū)分潛在儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層；(e)統(tǒng)計(jì)分析獲得各種巖層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與巖性種類、巖性成分的關(guān)系，方法是使用散點(diǎn)圖，確定不同類別巖石拉梅常數(shù)、剪切模量、密度的差別及其隨巖性成分的變化規(guī)律；在數(shù)據(jù)量足夠大時(shí)，使用回歸方法，確定各類巖層拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與其巖性成分之間的相關(guān)關(guān)系。(f)確定游離氣儲(chǔ)層拉梅常數(shù)、剪切模量、密度的最佳可能門限值，方法是(i)統(tǒng)計(jì)分析勘探區(qū)已知游離氣儲(chǔ)層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度，確定門限值；(ii)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的儲(chǔ)層巖石樣品在水飽和與氣飽和狀態(tài)下的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度，確定門限值。(g)確定游離氣儲(chǔ)層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與其巖性成分、孔隙度之間的關(guān)系；(3)確定勘探區(qū)內(nèi)每一口勘探井和開發(fā)井的每一潛在儲(chǔ)層是否是游離態(tài)氣體的儲(chǔ)層，包括如下分步驟(h)將前述步驟(f)和前述步驟(g)的結(jié)果應(yīng)用于各井，確定適用于每一口勘探井和開發(fā)井的的碳?xì)錂z測(cè)因子的門限值。(i)根據(jù)測(cè)井密度曲線和前述步驟(b)計(jì)算獲得的拉梅常數(shù)和剪切模量、前述步驟(h)獲得的適用于每一口勘探井和開發(fā)井的的碳?xì)錂z測(cè)因子的門限值、以及巖性測(cè)井曲線、孔隙度測(cè)井曲線等，確定勘探區(qū)內(nèi)每一口勘探井和開發(fā)井的每一潛在儲(chǔ)層是否是游離態(tài)氣體的儲(chǔ)層。(j)研究各井在地質(zhì)構(gòu)造上的位置，最終確定前述步驟(i)獲得的各井的游離態(tài)氣體的儲(chǔ)層是否是值得試氣的儲(chǔ)層，方法是作地質(zhì)構(gòu)造圖，確定構(gòu)造圈閉，位于構(gòu)造圈閉有利部位的井最可能鉆遇有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的值得試氣的儲(chǔ)層；研究勘探區(qū)內(nèi)的巖性在水平和垂直方向的漸變，確定有無(wú)巖性圈閉以及巖性圈閉的位置和范圍，位于巖性圈閉有利部位的井也可能鉆遇有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的值得試氣的儲(chǔ)層；既不位于構(gòu)造圈閉內(nèi)也不位于巖性圈閉內(nèi)的井不可能鉆遇有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的值得試氣的儲(chǔ)層。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果本發(fā)明使用在井中觀測(cè)的測(cè)井資料，探測(cè)淺層游離態(tài)氣藏，觀測(cè)環(huán)境噪音小，資料可靠。因此，本發(fā)明特別容易實(shí)施。本發(fā)明一般不需要增加野外工程成本；即使需要增加野外工程成本，所增加的至多是橫波速度的采集成本。因此，實(shí)施本發(fā)明具有成本低的優(yōu)勢(shì)。


圖1是某煤層氣勘探區(qū)Z勘探井中觀測(cè)得到的測(cè)井曲線，從左至右是縱波速度、橫波速度、密度；圖2是根據(jù)圖1中的測(cè)井曲線計(jì)算獲得的拉梅常數(shù)、剪切模量；圖3是按照前述步驟(d)所述之方法確定的某煤層氣勘探區(qū)Z井的部分潛在儲(chǔ)層；圖4是某煤層氣勘探區(qū)砂巖儲(chǔ)層孔隙度與氣飽和儲(chǔ)層密度之間的關(guān)系；圖5是某煤層氣勘探區(qū)砂巖儲(chǔ)層孔隙度與氣飽和儲(chǔ)層剪切模量之間的關(guān)系；圖6是某煤層氣勘探區(qū)砂巖儲(chǔ)層孔隙度與氣飽和儲(chǔ)層拉梅常數(shù)之間的關(guān)系；圖7是最終探明的某煤層氣勘探區(qū)Z井鉆遇的兩個(gè)淺層游離態(tài)天然氣儲(chǔ)層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施方式
，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明利用資源勘探和開發(fā)中的勘探井和開發(fā)井，獲得測(cè)井資料，根據(jù)這些測(cè)井資料計(jì)算地下巖層的拉梅常數(shù)和剪切模量，將拉梅常數(shù)、剪切模量、密度作為碳?xì)錂z測(cè)因子，確定它們的門限值，使用這些碳?xì)錂z測(cè)因子及其門限值，直接探測(cè)地層中的游離態(tài)天然氣、二氧化碳等等有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氣體。為了證明本發(fā)明提供的碳?xì)錂z測(cè)因子預(yù)測(cè)地層中游離態(tài)氣體的能力，需要借助巖石物理學(xué)中的 Gassmann 方程(參見 Gassmann，F(xiàn).，1951，"Elastic waves through a packing of spheres，，，Geophysics, Vol. 16, p. 673-685)論述之。本發(fā)明選擇使用的 Gassmann方程的表述形式是μ = Pb (l)
權(quán)利要求
1.一種直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于利用勘探井和開發(fā)井，獲得測(cè)井資料，并使用這些測(cè)井資料計(jì)算地下巖層的拉梅常數(shù)和剪切模量，將拉梅常數(shù)、剪切模量、密度作為碳?xì)錂z測(cè)因子，確定它們的門限值，使用這些碳?xì)錂z測(cè)因子及其門限值，直接探測(cè)地層中的游離態(tài)天然氣、二氧化碳等有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氣體；包括以下步驟(a)在井中進(jìn)行測(cè)井作業(yè)，采集地下巖層的橫波速度、縱波速度、密度、自然電位、自然伽馬、孔隙度、電阻率的測(cè)井資料；(b)根據(jù)測(cè)井資料獲得的橫波速度、縱波速度、密度，計(jì)算地下巖層的拉梅常數(shù)、剪切模量；(c)根據(jù)相關(guān)測(cè)井資料計(jì)算地下巖層巖性成分，獲得巖性測(cè)井曲線；(d)區(qū)分潛在儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層；(e)統(tǒng)計(jì)分析獲得各種巖層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與巖性種類、巖性成分之間的關(guān)系；(f)確定游離氣儲(chǔ)層拉梅常數(shù)、剪切模量、密度的最佳可能門限值；(g)確定游離氣儲(chǔ)層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與其巖性成分、孔隙度之間的關(guān)系；(h)將前述步驟(f)和前述步驟(g)的結(jié)果應(yīng)用于各井，確定適用于每一口勘探井和開發(fā)井的的碳?xì)錂z測(cè)因子的門限值；(i)根據(jù)測(cè)井密度曲線和前述步驟(b)計(jì)算獲得的拉梅常數(shù)和剪切模量、前述步驟(h) 獲得的適用于每一口勘探井和開發(fā)井的的碳?xì)錂z測(cè)因子的門限值、以及巖性測(cè)井曲線、孔隙度測(cè)井曲線，確定勘探區(qū)內(nèi)每一口勘探井和開發(fā)井的每一潛在儲(chǔ)層是否是游離態(tài)氣體的儲(chǔ)層；(j)研究各井在地質(zhì)構(gòu)造上的位置，最終確定前述步驟(i)獲得的各井的游離態(tài)氣體的儲(chǔ)層是否是值得試氣的儲(chǔ)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于在所述的步驟(b)中，使用A = 2/7Vs2計(jì)算拉梅常數(shù)，使用ρ = pV、2計(jì)算剪切模量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于所述的步驟(e)，用散點(diǎn)圖，確定不同類別巖石拉梅常數(shù)、剪切模量、密度的差別及其隨巖性成分的變化規(guī)律；用回歸方法，確定各類巖層拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與其巖性成分之間的相關(guān)關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于所述的步驟(f)，統(tǒng)計(jì)分析勘探區(qū)已知游離氣儲(chǔ)層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度，確定這些碳?xì)錂z測(cè)因子的最佳可能門限值；統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的儲(chǔ)層巖石樣品在水飽和與氣飽和狀態(tài)下的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度，確定這些碳?xì)錂z測(cè)因子的最佳可能門限值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于所述的步驟(g)，使用散點(diǎn)圖確定游離氣儲(chǔ)層拉梅常數(shù)、剪切模量、密度隨其巖性成分、孔隙度變化的趨勢(shì)，使用回歸方法確定游離氣儲(chǔ)層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與其巖性成分、孔隙度之間的相關(guān)關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于所述的步驟(h)，將步驟(f)獲得的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度的最佳可能門限值、步驟(g)獲得的游離氣儲(chǔ)層的拉梅常數(shù)、剪切模量、密度與其巖性成分、孔隙度之間的關(guān)系，應(yīng)用于各井，確定適用于每一口勘探井和開發(fā)井的的碳?xì)錂z測(cè)因子的門限值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于所述的步驟(i)，根據(jù)測(cè)井獲得的密度曲線和步驟(b)計(jì)算獲得的拉梅常數(shù)以及剪切模量、步驟(h) 獲得的適用于每一口勘探井和開發(fā)井的的碳?xì)錂z測(cè)因子的門限值等、以及巖性測(cè)井曲線、 孔隙度測(cè)井曲線，確定勘探區(qū)內(nèi)每一口勘探井和開發(fā)井的游離態(tài)氣體的儲(chǔ)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，其特征在于所述的步驟(j)，作出構(gòu)造圈閉和巖性圈閉，根據(jù)各井在構(gòu)造圈閉或巖性圈閉上的相對(duì)位置，最終確定需要試氣求產(chǎn)的儲(chǔ)層。
全文摘要
一種直接探測(cè)地層中游離態(tài)氣體的方法，該方法利用勘探井和開發(fā)井，首先在勘探井和開發(fā)井中進(jìn)行測(cè)井，獲得測(cè)井資料，再根據(jù)測(cè)井資料計(jì)算地下巖層的拉梅常數(shù)和剪切模量，將拉梅常數(shù)、剪切模量、密度作為碳?xì)錂z測(cè)因子，確定它們的門限值，使用這些碳?xì)錂z測(cè)因子及其門限值，直接探測(cè)地層中的游離態(tài)天然氣、二氧化碳等等有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的氣體。本發(fā)明提供的方法被應(yīng)用于某煤層氣勘探區(qū)，探測(cè)與煤層氣共生共存的淺層游離態(tài)天然氣儲(chǔ)層。本發(fā)明使用在井中觀測(cè)的測(cè)井資料，探測(cè)淺層游離態(tài)氣藏，觀測(cè)環(huán)境噪音小，資料可靠，容易實(shí)施。實(shí)施本發(fā)明一般不需要增加野外工程成本；即使需要增加的野外工程成本，所增加的至多是橫波速度的采集成本。因此，實(shí)施本發(fā)明還具有成本低的優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)E21B49/00GK102337885SQ20101022803
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者陳信平 申請(qǐng)人:陳信平, 陳再遷