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利用声波速度测井估算海域天然气水合物饱和度第一期_图文

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利用 声波 速度 测井 估算 海域 天然气 水合物 饱和度 一期 图文
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第38卷第2期 2014年4月 测井技术 001.38 014 文章编号:1004—1338(2014)02—0234—05 利用声波速度测井估算海域天然气水合物饱和度 林霖,梁劲,郭依群,陆敬安,梁金强 (广州海洋地质调查局,国土资源部海底矿产资源重点实验室,广东广州51076O) 摘要:应用针对含水合物地层的算神狐海域水合物钻探区物饱和度。利用测井和取心样品分析数据确定模型参数,分别在含水合物层段内、外选取样点数据,通过计算数 据间欧氏距离定量比较模型预测的声波速度与测井数据间的差异。结果表明2个模型在含水合物地层有相当的 适用性,但在不含水合物的地层中2个模型估算的水合物饱和度与现场 孔隙水测试分析得到的结果一致,显示出较好的实用性, ,测的为29 ,预测的最大值则分别为67.5 和69.4 0/0。 关键词:声波测井;天然气水合物;饱和度;岩石物理;欧氏距离;声波速度;南海 中图分类号:4 文献标识码:A 0.3969/j.004—1338.2014.02.019 IN U 10760,as H2 in ea is by of e by he do in as as of he in 5.4 9 7.5 9.4 .to — 引 吾 2007年中国在南海北部神狐海域实施了天然 气水合物钻探工作,在海底190~220 取得了含天然气水合物的海底沉积物样品,并获 得了大量针对含水合物地层的地质、地球物理和地 球化学方面的资料电阻率和声波测井是评价天 然气水合物储层的主要手段,其测井响应特征为高 基金项目: 作者简介: 电阻率和高声波速度。利用阿尔奇公式可以由电阻 率估算水合物饱和度_2]。利用声波测井数据估算水 合物饱和度的方法,一是利用经验公式,二是依靠岩 石物理理论[3]。前人利用阿尔奇公式和热弹性理 论[4]估算了神狐海域钻井的天然气水合物饱和度。 针对海底浅表未固结的沉积层,新近发展的岩石物 理模型能够更好地描述天然气水合物在其中的赋存 状态,建立天然气水合物饱和度和地层速度的关 国家专项项目(国土资源部海底矿产资源重点实验室项目(国家重点基 础研究发展规划(973)项目(2009合资助 林霖,男,1985年生,助理工程师,硕士,从事天然气水合物勘查工作。 第38卷第2期 林霖,等:利用声波速度测井估算海域天然气水合物饱和度 系E 。本文利用其中2种实用性较强的模型,预测 了神狐海域度的关系,与钻获的实际测井、取心资料进行对比 研究理论模型在该区的适用性问题;并根据测井数 据估算天然气水合物饱和度。 1岩石物理模型 针对含水合物地层,基于不同的微观结构假设 可以建立3种岩石物理模型:①颗粒胶结模型;②颗 粒接触模型;③包体模型_5](见图1)。对比理论模 型和实验室、野外钻探采集的数据表明,把水合物当 作固体骨架处理的模型更符合观测结果这并不 包括第1类假设水合物为胶结状态的模型。 含水合物的颗粒接触模型(]提出。考虑了水合物微观赋存结构的2种 极端形式,即水合物完全处于孔隙流体中不与固体 颗粒接触,或相反作为一种固体骨架基质[见图1 (b)]。野外观测数据[ ]和实验室测试数据[8]表明, 前一种情况不符合实际数据。郭依群等[9]在神狐水 合物钻探区应用 比了2种情况的结果,认为水合物完全存在于孔隙 流体中的模型在该区不合适。 o 接触式胶结包裹式胶结 (a)颗粒皎 基质颗粒 孔隙充填 口矿物 裹体(矿物聊隙流体) (c)包 图1含天然气水合物地层岩石物理模型的微观结构 当水合物为固体骨架的一部分时,其视为矿物颗粒中的一种,使用颗粒的等效弹性模量。利用论计算矿物颗粒随机堆叠时的弹性模量,此时的 孔隙度称为临界孔隙度。再分别使用况;最后使用弹性模量。 包体模型主要建立在位研 究者给出了不同的描述含水合物地层的三相介质 (固体骨架、水合物和孔隙水)模型在低 频、忽略衰减等近似条件下给出一种简化的三相介 质]1计算较为简便,该方法在阿拉 斯加冻土带和墨西哥湾地区都有较好的应用效果。 且各向均一的情况,在处理固体骨架含多种矿物 的情况时使用度由体平均公式计算。 2个模型都部分或全部依赖于,对于富含黏土的地层,由于大量束缚水的存在使 得模型对水饱和情况的估计失去有效性。上述模型 的具体公式请参阅文献[4]和文献[7]。 2模型参数 作为正演理论模型,含水合物的岩石物理模型 主要参数是孔隙度、水合物饱和度和矿物成分及相 对含量,可由实验测试和测井数据得到。模型中的 其他参数则需要根据不同区域的地质情况给定。对 于要给定临界孔隙度值 。(一般为 35 ~40 )和颗粒的平均接触数C(一般为8.5~ 10)。这2个参数之间存在如下经验关系[10] C===21.67—43.76 o+25.98 (1) 通过数值试验分析,这2个参数对模型计算的 结果影响较小,当临界孔隙度值 。取较大值时,计 算出的文中临界孑8 ,平均接触数按式(1)取8.8。 者为 固结参数,后者表示水合物在孔隙流体中所占比重, 取0表示水合物完全以固体骨架形式存在,取1则 水合物完全存在于孔隙流体中。际数据集发现2,这表明水合 物也少量存在于孔隙流体中影响等效介质的弹性模 量_4]。对于这2个不能直接由实测数据确定的模型 参数,为避免人工选择引入偏差,本文利用模型正演 分析确定其取值。 3模型正演分析 利用神狐海域心分析数据建 立模型,将模型预测的纵波速度与数据进行比较以考察模型的应用效果,并确定模 测井技术 型参数。实测孔隙度由取心样品测试分析得到。水 合物饱和度值由原位孔隙水氯离子浓度计算得 到【2]。个别样点孔隙度和饱和度测试深度略有差 异,但不超过0.4 m。沉积物矿物成分及含量由X 射线衍射分析得到由于其在含水合物层上下范 围纵向变化较小,可以取其平均值用于建立模型。 本文使用的纯矿物弹性参数见表1。 需要说明的是,孔隙度和矿物含量测试时样品 中的水合物已经分解,这样测量得到的是水合物形 成之前沉积物的原始孔隙度,测量得到的水合物饱 和度是其在孔隙空间中所占百分比。另一方面,使 用的模型中假设水合物为固体骨架中的一种矿物成 分,模型中孔隙度 、水合物含量与实测孔隙度 、 水合物饱和度S 之间需要进行换算,有 一 (1一(2) 一F (3) 式中, 为水合物在固体骨架中的相对含量。 相应的,地层原始的矿物相对含量将随水合物 饱和度变化而不同,其关系为 一『二f( 1+) ‘ (4) 式中,厂为测试得到的矿物相对含量;. 。矿物相对含量。 不含水合物时模型也必须有较好的预测结果, 因此在含水合物层段和不含水合物的层段取2组数 据进行比较分析(见表2、表3)。为定量标度实测与 理论预测值之间的差异,对这2组数据分别计算测 井值和模型计算值之间的欧式距离 ∑( 0d l— (5) 式中, 为模型计算声波速度;V 为声波测井 值。该值越小,说明模型计算值越接近实测值。 为确定为标准做参数试验,得到计算值与实测值满足最 小二乘的优选系数。对于2组数据,优系数并不一致,含水合物层段一0;不 含水合物层段a=40,算结果见表 2和表3。在含水合物层2个模型都显示出较好的 预测能力,与测井数据之差基本在100 m/最大偏差出现在214.70 4 ,可能是由孔隙度等值的测量偏差引起。在不含 水合物层 明其与测井数据更吻合。从以上结果看,当选取合 适的系数后,1模型矿物参数 第38卷第2期 林霖,等:利用声波速度测井估算海域天然气水合物饱和度 ·237· 表3不含水合物层段实测数据与模型预测纵波速度 深度/m 孔隙度/ 声波测井实测 速度/(m·S ) 度/(m·度/(m·s ) 146.2O 147.5O 181.20 181.65 185.20 185.80 238.20 52.81 47.94 48.25 48.67 46.67 41.14 49.57 1756.20 1763.09 1686.82 1852.78 1825.68 182 1872.64 1745.91 182 1809.80 1804.81 1831.16 1909.99 1810.83 1775.71 1832.55 1828.64 1823.42 1849.00 1929.86 1812.46 E 186.15 216.49 层段预测效果非常接近,可用于该区水合物饱和度 的估算。较好的预测能力,说明以颗粒接触理论为基础的 等效介质模型能比较好地描述海底浅层未固结沉积 物的岩石物性,因此也适合用来估算无水合物沉积 层的孔隙度。 者在一些深度范围估算结果较高于后者。在含水合 物层段 , ,最大值分别为67.5 和 69.4 。模型估算结果与利用孔隙水氯离子浓度估 算结果比较,在含水合物层段内显示出一致的趋势, 在205~217 4水合物饱和度估算 5讨论 理想情况下,根据模型方程解出水合物饱和度 的计算公式就可以利用实测的纵波和横波速度以及 密度数据计算水合物含量。但解析解,可以采用数值法求解。解,但研究区测井数据中缺乏横波信息,因此仍然 采用数值法求取水合物饱和度。 应用这2个模型计算演测试结果确定。孔隙度由密度测井数据计算 出,利用测试孔隙度值对结果做校正[1 。和图2),前 利用心分析数据确定】亚 模型的£系数为0,表示天然气水合物在这里的微 观赋存是不影响孔隙流体弹性模量的一种形式,即 可以将其看作是一种固体矿物成分这与墨西哥 湾等地区的数据显示的情况不同,其可能的原因是 该区以细粒沉积为主,而水合物饱和度较低,以细小 颗粒的形式存在于沉积物中,不同于上述地区以砂 层为主且水合物饱和度较高的情况。 应该注意到用来标定系数的岩心分析数据其水 合物饱和度不超过21 ,而对模型的影响很小。图3给出其他参数不变的条 图2 波速度测井曲线及孔隙度、天然气水合物饱和度曲线 量燃聪 测井技术 件下,模型预测的水合物饱和度和声波速度间的关 系,当孑2时, 上时才有较明显的 区别。因此若该区有饱和度较高的含水合物层, 水台物饱和度川墩 图3模型预测水合物饱和度与声波速度关系 从图3可以看到在水合物饱和度较小时, 孑型的影响都较大,可见孔隙度对水合物饱和度估 算精度影响较大。但由于水合物的存在,常规测井 方法对含水合物层段孔隙度的计算偏差较大,提高 孔隙度计算的准确性有待更进一步的研究。 6 结 论 (1)研究了2种实用性较强的岩石物理模型 ,通过实测物性参数和矿物学分析数据确定了适 于研究区的模型参数,并利用模型估算了天然气水 合物饱和度。 (2)正演分析表明,2个模型对含水合物层的 声波速度预测结果非常接近,但在不含水合物的沉 积层中此适合用来估算无 水合物沉积层的孔隙度。从对水合物饱和度的估算 结果看,2个模型对结果非常接近,35.4X, ,与取心测量氯离 子浓度测算的结果保持一致。 (3)对 沉积层背景速度的预测效果较好;为简便,且在有横波数据时可以显式计算水合物 饱和度,但对于特定区域,2个自由系数需要通过实 际数据标定才能得到较准确的结果。 参考文献: [1]陆敬安,杨胜雄,吴能友,等.南海神狐海域天然气 水合物地球物理测井评价代地质,2008,22 (3):447—451. [2]王秀娟,吴时国,刘学伟,等.基于电阻率测井的天 然气水合物饱和度估算及估算精度分析[J].现代地 质,2010,24(5):993—999. 1 W, F.y— ]. 008,9(7):7— 8. 劲,王明君,王宏斌,等.南海神狐海域天然气水 合物声波测井速度与饱和度关系分析[J].现代地质, 2009,23(2):217—223. 1,,,et ].004,23(1):66. , A,,et as—A 004, 159(2):573—590. [7] B,,,et f— 999,26(13):2021[8] J, A, F,et 004,89:1221— 1227. [9]郭依群,乔少华,吕万军.基于声波速度分析神狐海 域水合物垂向分布特征[J].海洋地质前沿,2011,27 (7):6[,,.M].2009. [11]陆红峰,陈弘,陈芳,等.南海神狐海域天然气水合 物钻孔沉积物矿物学特征[J].南海地质研究,2009 (20):28—39. [12]莫修文,陆敬安,沙志彬,等.确定天然气水合物饱 和度的测井解释新方法吉林大学学报:地球科 学版,2012,42(4):921—927. (收稿日期:2013—05—15本文编辑王小宁) .目D/赵 幔
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