CN102906600A

CN102906600A - 一种直接探测地层中游离态气体的方法

Info

Publication number: CN102906600A
Application number: CN2011800113945A
Authority: CN
Inventors: 陈信平
Original assignee: CHEN ZAIQIAN
Current assignee: CHEN ZAIQIAN
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: WO2012006871A1; CN102337885A; CN102906600B

Abstract

一种直接探测地层中游离态气体的方法，该方法通过测井资料计算地下岩层的拉梅常数和剪切模量，将拉梅常数、剪切模量、密度作为检测因子，确定他们的门限值，使用这些检测因子及其门限值，探测地层中的游离态天然气、二氧化碳等经济价值的气体。本发明具有成本低的优势。

Description

一种直接探测地层中游离态气体的方法技术领域

本发明涉及一种直接探测地层中游离态气体的方法，具体地，本发明涉及一种利用勘探井和开发井，获得测井资料，并使用这些测井资料计算地下岩层的拉梅常数和剪切模量，将拉梅常数、剪切模量、密度作为碳氢检测因子，确定它们的门限值，使用这些碳氢检测因子及其门限值，直接探测地层中的说游离态天然气、二氧化碳等气体的方法。背景技术

地层中的天然气、二氧化碳等气体是重要的自然资源，天然气是重要的能源，二氧化碳是重要的化工原料。书

地层中的气体可能是游离态的，也可能是非游离态的。游离态气体指的是能够在岩石的彼此连通的孔隙、裂隙之间自由流动的气体。游离态气体的流动遵循达西定律（Darcy Law)，受岩石中流体压力梯度的驱动。砂岩、石灰岩等岩层中蕴藏的天然气是典型的游离态气体。非游离态气体指的是不能自由移动的气体，不能自由移动的原因多种多样，例如，天然气水化合物（又称 "可燃冰" ）中的天然气处于固体结晶状态，因而不能够自由移动；煤层中蕴藏的甲烷等气体处于被吸附的状态，因而也不能够自由移动。处于被吸附状态的非游离态气体被称为吸附态气体。实际上，当煤层气以吸附态存在于岩石孔隙表面时，它是在范德华力 (Van der Waals forces) 作用下以液体薄膜附着在孔隙表面。吸附态气体在岩石中的运移是一个复杂的过程，该过程遵循菲克定律（Fick's Law) ，受吸附态气体浓度梯度的驱动。

常规天然气藏是人们久已熟悉和已经开采利用的砂岩、石灰岩等岩层中蕴藏的天然气，是相对于非常规天然气藏而言的称呼。常规天然气藏总是游离态的。近十余年来，人们逐渐认识到泥岩、煤层等也可以是天然气储层，并且将它们蕴藏的天然气分别称为泥岩气、煤层气等等，又将它们统称为非常规天然气藏。除了可燃冰之外，绝大多数非常规天然气藏是吸附态的。

按照地下岩层储存游离态气体的能力可以将地下岩层分为潜在储层与非储层。潜在储层指的是有可能成为游离态气体储层的岩层，例如，砂岩、石灰岩、火山岩等等。潜在储层与非储层之间的主要差别是：前者孔隙度大，孔隙连通性好，有足够大的渗透率；后者孔隙度小，渗透率很小，接近于零。在一个勘探区，可能只有一种潜在储层，也可能有多种潜在储层。渗透率很小的非储层作为游离态气体储层的盖层，与储层一起构成圈闭；圈闭是游离态气体赋存的空间。典型的能够作为盖层的岩层是泥岩、石膏岩、盐岩等等。

为勘探和开发游离态（即常规）天然气而钻探的众多勘探井和开发井中，只有少数井是能够自喷的自喷井，大多数井需要测井获得测井资料、解释测井资料以确定天然气储层的可能位置、射井、压裂和试井等多个步骤之后，才能最终确定天然气储层的位置和储量。即使是自喷井，如果预测有多个天然气储层，自喷的可能只是其中的一个或两个储层，仍然需要在压制和处理自喷之后，再进行测井、解释、射井、压裂和试井等多个步骤，才能最终确定全部天然气储层的位置和储量。压裂和试井的成本昂贵，是陆地钻井成本的数倍至十几倍，是测井成本的几十倍至近百倍。因此，测井资料解释的准确度是至关重要的，既不能漏掉天然气储层，否则白白丢失了宝贵的天然气储量；也不能误报天然气储层，否则造成压裂和试井成本的巨大浪费。目前，测井资料解释使用的是多种电阻率测井、密度测井、孔隙度测井、岩性测井；多种资料综合解释，多种资料解释的结果互相印证，以期提高解释的准确度。但是，测井解释的准确度仍然不能令人满意。被解释为天然气储层的岩层，压裂和试井的结果可能只出水而没有气；而被解释为水层的岩层，在若干时间之后，因为相邻井同一岩层被试井证实是天然气储层等等原因，激起人们重新解释测井资料、压裂和试井，结果发现原先解释水层实际上是天然气层；所有这些类型的解释错误，都是时有发生的。常规天然气勘探需要新技术方法提高测井资料解释的准确度。

非常规天然气藏与常规天然气藏可以是共生共存的。例如，煤层气是重要的非常规天然气资源之一，煤层附近的砂岩中常常有游离态天然气与之共生共存。这是在漫长的地质历史中，煤层中生产的甲烷等通过断层、裂隙等多种通道，运移到煤层附近的砂岩等储层中，以游离态赋存在砂岩等岩石的孔隙中，构成游离态天然气藏，被称为 "浅层游离态天然气藏"。 "浅层"的意思是这类游离态天然气藏的埋深常常小于作为天然气源岩的煤层气储层，远小于人们以前熟知的常规天然气藏。如何在勘探开发煤层气的同时，勘探和开发浅层游离态天然气藏，已经成为当前的科研热点之一。

但是，与非常规天然气藏共生共存的常规天然气藏有其特殊性。这类天然气藏的储层通常是致密砂岩，孔隙度小，气饱和度低，致使现有的勘探常规天然气藏的技术常常不适用于勘探这类天然气藏。例如，因为这类天然气藏储层砂岩致密，孔隙度小，即使天然气完全充满砂岩的孔隙，该气饱和致密砂岩的弹性特征与不含气时的致密砂岩的弹性特征之间，差别不大，不足以引起地震波反射特征的明显变化；又因为埋藏浅，地表噪音干扰严重，因此，现有的地震勘探技术（包括勘探常规天然气藏的特殊地震技术）被用于勘探浅层游离气藏时，效果很差。又例如，由于这类天然气藏储层砂岩致密，孔隙度小，气饱和度低，再加上钻井泥浆在井壁上形成的泥饼的封堵作用，常规测井资料解释对这类天然气藏的效果更差。虽然煤层气资源丰富的国家（例如，美国、加拿大、澳大利亚等）都曾经致力于勘探和开发浅层游离态天然气藏，但是，由于没有找到适宜于这类天然气藏的探测技术，至今没有多大进展。为了勘探开发浅层游离态天然气藏之类的天然气藏，需要发展新的技术方法。发明内容

本发明的目的是提供一种直接探测地层中游离态气体的方法，具体地，本发明的目的是提供利用勘探井和开发井，获得测井资料，根据这些测井资料计算地下岩层的拉梅常数和剪切模量，将拉梅常数、剪切模量、密度作为碳氢检测因子，确定它们的门限值，使用这些碳氢检测因子及其门限值，直接探测地层中的游离态天然气、二氧化碳等气体的方法。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种直接探测地层中游离态气体的方法，该方法利用勘探井和开发井，首先在勘探井和开发井中进行测井，获得测井资料，再根据测井资料计算地下岩层的拉梅常数和剪切模量，将拉梅常数、剪切模量、密度作为碳氢检测因子，确定它们的门限值，使用这些碳氢检测因子及其门限值，直接探测地层中的游离态天然气、二氧化碳等等气体。

该方法由下列步骤组成：

( 1 ) 对勘探开发区内每一口勘探井和开发井，进行如下作业：

(a)在井中进行测井作业，采集地下岩层的横波速度、纵波速度、密度、自然电位、自然伽马、孔隙度、电阻率等等测井资料；

(b)根据测井获得的横波速度、纵波速度、密度，计算地下岩石的拉梅常数、剪切模量;

(c)根据相关测井资料计算地下岩层岩性成分，获得岩性测井曲线；

( 2 ) 对勘探开发区内全部勘探井和开发井，将拉梅常数、剪切模量、密度作为碳氢检测因子，确定这些碳氢检测因子的门限值，包括如下分步骤：

(d)区分潜在储层与非储层；

(e)统计分析获得各种岩层的拉梅常数、剪切模量、密度与岩性种类、岩性成分的关系，方法是：使用散点图，确定不同类别岩石拉梅常数、剪切模量、密度的差别及其随岩性成分的变化规律；在数据量足够大时，使用回归方法，确定各类岩层拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分之间的相关关系。 (f)确定游离气储层拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值，方法是：（i ) 统计分析勘探区已知游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度，确定门限值；（ii ) 统计分析实验室测定的储层岩石样品在水饱和与气饱和状态下的拉梅常数、剪切模量、密度，确定门限值。

(g)确定游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系； ( 3) 确定勘探区内每一口勘探井和开发井的每一潜在储层是否是游离态气体的储层，包括如下分步骤：

(h)将前述步骤 (f)和前述步骤 (g)的结果应用于各井，确定适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值。

(i)根据测井密度曲线和前述步骤 (b)计算获得的拉梅常数和剪切模量、前述步骤 (h)获得的适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值、以及岩性测井曲线、孔隙度测井曲线等，确定勘探区内每一口勘探井和开发井的每一潜在储层是否是游离态气体的储层。

(j)研究各井在地质构造上的位置，最终确定前述步骤 (i)获得的各井的游离态气体的储层是否是值得试气的储层，方法是：作地质构造图，确定构造圈闭，位于构造圈闭有利部位的井最可能钻遇有经济价值的值得试气的储层；研究勘探区内的岩性在水平和垂直方向的渐变，确定有无岩性圈闭以及岩性圈闭的位置和范围，位于岩性圈闭有利部位的井也可能钻遇有经济价值的值得试气的储层；既不位于构造圈闭内也不位于岩性圈闭内的井不可能钻遇有经济价值的值得试气的储层。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：

本发明使用在井中观测的测井资料，探测浅层游离态气藏，观测环境噪音小，资料可靠。因此，本发明特别容易实施。

本发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，所增加的至多是横波速度的采集成本。因此，实施本发明具有成本低的优势。附图说明

图 1 是某煤层气勘探区 Z勘探井中观测得到的测井曲线，从左至右是纵波速度、横波速度、密度；

图 2 是根据图 1中的测井曲线计算获得的拉梅常数、剪切模量；

图 3 是按照前述步骤（d) 所述之方法确定的某煤层气勘探区 Z井的部分潜在储层；图 4 是某煤层气勘探区砂岩储层孔隙度与气饱和储层密度之间的关系；图 5 是某煤层气勘探区砂岩储层孔隙度与气饱和储层剪切模量之间的关系；图 6 是某煤层气勘探区砂岩储层孔隙度与气饱和储层拉梅常数之间的关系；

图 7 是最终探明的某煤层气勘探区 Z井钻遇的两个浅层游离态天然气储层。具体实施方式

以下结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。

本发明利用资源勘探和开发中的勘探井和开发井，获得测井资料，根据这些测井资料计算地下岩层的拉梅常数和剪切模量，将拉梅常数、剪切模量、密度作为碳氢检测因子，确定它们的门限值，使用这些碳氢检测因子及其门限值，直接探测地层中的游离态天然气、二氧化碳等等有经济价值的气体。

为了证明本发明提供的碳氢检测因子预测地层中游离态气体的能力，需要借助岩石物理学中的 Gassmann方禾呈 (参见 Gassmann, F.， 1951， "Elastic waves through a packing of spheres", Geophysics. Vol. 16, p.673-685 ) 论述之。本发明选择使用的 Gassmann方程的表述形式是：

(3)

其中， μ 是水饱和岩石的剪切模量，

是岩石骨架的剪切模量即气饱和岩石的剪切模量，

λ 是水饱和岩石的拉梅常数，

λ,是岩石骨架的拉梅常数即气饱和岩石的拉梅常数，

K_b是岩石骨架的体积压縮模量即气饱和岩石的体积压縮模量，

K_S是构成岩石骨架的矿物的体积压縮模量，

K_f是岩石孔隙中充填的流体的体积压縮模量，

φ 是岩石的孔隙度。

方程（1)表明：当岩石孔隙流体性质发生变化时，岩石的剪切模量 μ不变。实际上，实验室对岩石样品的测定结果表明，当岩石孔隙中的水被天然气替代时，岩石的剪切模量略有增大。这一变化规律，以及不同种类岩石之间剪切模量的差异，被本发明用于探测岩层中的游离态气体的储层。方程 (2)表明：拉梅常数 λ是一个与岩石孔隙流体性质密切相关的参数，并且，当岩石孔隙流体性质发生变化时，拉梅常数 λ随岩石孔隙流体的体积压縮模量的减小而单调地减小。关于这一点，可以证明如下：由于方程 (2)右端第二项的分子是实数的平方，因此，该分子总是正数。又由于岩石孔隙度 φ总是小于 0. 5，对各种造岩矿物和各种岩石的测定结果证明总是小于 0. 5，并且，岩石的不可压縮性随着岩石的孔隙度增大而减小，即同一种类的岩石， φ增大，则减小，因此， + 总是小于¹ ; 又由于岩石孔隙度 φ总是正数，孔隙流体的 ^也总是正数，因此，方程 (2)右端第二项的分母也总是正数。由于方程 (2)右端第二项的分子和分母都是正数，因此，方程 (2)右端第二项总是正数。由此推知，对于同一个岩石样品，当 ^减小时， /^ )增大，方程 (2)右端第二项单调地减小，拉梅常数 λ也单调地减小。对于某一特定岩石样品，拉梅常数 λ的变化纯粹是由于孔隙流体性质变化引起的，并且，在理论上，孔隙流体性质变化仅仅导致拉梅常数 λ的变化。水的体积压縮模量约为 2. 3Gpa, 而标准状况下气体体积压縮模量总是小于 lMpa, 二者相差 3个数量级，因此，相对于水的体积压縮模量，可以认为气体的体积压縮模量接近于零。在方程 (2)中，当 /^趋近于零时， )趋近于无限大，方程 (2)的第二项趋近于零。气饱和岩石与水饱和岩石之间拉梅常数的差异是方程 (2)的第二项。本发明利用气饱和岩石的拉梅常数远低于水饱和岩石拉梅常数的这一现象，将拉梅常数作为最重要的碳氢检测因子，探测地下岩层中的游离态气体的赋存。（ "GPa"是压力单位 "兆帕" 的英文縮写。根据定义，使用压力的单位表示弹性模量之值。）

本发明使用的第三个碳氢检测因子是密度。气体的密度远小于水的密度 (¾，当岩石孔隙中的水被气体代替时，岩石的密度将减小，减小的程度与岩石的孔隙度、气体饱和度有关。假设游离态气体储层的孔隙度是 χ (以百分比表示），那么，气饱和岩石的密度与水饱和岩石的密度比较，将减小 A _{Pl :}

如果岩石不是完全气饱和岩石而是部分气饱和岩石，以百分比表示的气饱和度为 ξ，那么，水饱和岩石与部分气饱和岩石的密度差异 Δ ρ₂是

△ ρ₂=(ρ -Ρ ξχ (4) 一般说来，仅仅根据密度变化是难以判断岩石是否含气以及是否有经济价值。但是，本发明不是孤立地使用密度作为碳氢检测因子，而是将密度作为其中的一个碳氢检测因子，综合地判断潜在储层是不是含气储层，是不是有经济价值的储层。本发明在提供了探测地下岩层中游离态气体的理论基础之后，下面提供实现探测的具体方法和步骤。

本发明提供的探测地下岩层中游离态气体的方法由下列步骤组成：

(a)在井中进行测井作业，采集地下岩层的横波速度、纵波速度、密度、自然电位、自然伽马、孔隙度、电阻率等等测井资料。

(b)根据测井获得横波速度 Vs、纵波速度 Vp、密度 p，按下列公式计算地下岩层的剪切模量、拉梅常数入：

μ = ?V_S ² ( 5 )

= pV_p ² - 2pV^ ( 6 )

(c)根据相关测井资料计算地下岩层的岩性成分，获得岩性测井曲线；本步骤是测井资料处理流程中已经有的处理步骤，本发明不再赘述。

(d)区分潜在储层与非储层，区分的依据是：钻探时获得的各井的地质录井记录和录井柱状图，以及孔隙度测井曲线、测井资料处理获得的岩层岩性成分、岩性测井曲线。区分的方法是：根据录井记录和录井柱状图标明的不同深度岩石的种类及其岩性特征，粗略地划分潜在储层与非储层，据此确定勘探区潜在储层的类别，确定候选潜在储层；根据孔隙度测井曲线、岩性测井曲线、岩性成分，并考虑候选潜在储层的盖层，确定最终的潜在储层。

(e)统计分析获得各种岩层的拉梅常数、剪切模量、密度与岩性种类、岩性成分的关系，方法是：使用散点图，确定不同类别岩石拉梅常数、剪切模量、密度的差别及其随岩性成分的变化规律；在数据量足够大时，使用回归方法，确定各类岩层拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分之间的相关关系。

(f)确定游离气储层拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值，方法是：（i ) 统计分析勘探区已知游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度，确定门限值；（i i ) 统计分析实验室测定的储层岩石样品在水饱和与气饱和状态下的拉梅常数、剪切模量、密度，确定门限值。这两种方法可以同时使用，相互印证和修正；在勘探初期，只能依靠实验室的测定成果；随着勘探开发的进行，逐渐增加已经查明的游离气储层的数据；到开发的中后期阶段，可以过渡到只使用已知游离气储层的数据。 (g)确定游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系，方法是：使用散点图确定游离气储层拉梅常数、剪切模量、密度随其岩性成分、孔隙度变化的趋势；在数据量足够大时，使用回归方法确定游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的相关关系。

( 3 ) 确定勘探区内每一口勘探井和开发井的每一潜在储层是否是游离态气体的储层，包括如下分步骤：

(h) 将前述步骤 (f)获得的拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值，以及前述步骤 (g)获得的游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系，应用于各井，确定适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值。

(i)根据密度测井曲线和前述步骤 (b)计算获得的拉梅常数以及剪切模量、前述步骤 (h) 获得的适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值、以及岩性测井曲线、孔隙度测井曲线等，确定勘探区内每一口勘探井和开发井的每一潜在储层是否是游离态气体的储层。

(j)研究各井在地质构造上的位置，最终确定前述步骤 (i)获得的各井的游离态气体的储层是否是值得试气的储层，方法是：作地质构造图，确定构造圈闭，位于构造圈闭有利部位的井最可能钻遇有经济价值的值得试气的储层；研究勘探区内岩性在水平和垂直方向的渐变，确定有无岩性圈闭以及岩性圈闭的位置和范围，位于岩性圈闭有利部位的井也可能钻遇有经济价值的值得试气的储层；既不位于构造圈闭内也不位于岩性圈闭内的井不可能钻遇有经济价值的值得试气的储层。

在详细说明了实施本发明的每一个步骤之后，下面以使用本发明的技术方法勘探与煤层气共生共存的浅层游离气藏，作为实施本发明的例子。

煤层气就是煤层中的瓦斯，其主要成分是甲烷，是导致煤矿瓦斯突出和***的原因。但是，在开采煤炭之前，将瓦斯抽取出来，就是天然气，是清洁能源，被称为煤层气。中国的煤层气资源量达 38万亿立方米，位居世界第三，与中国的常规天然气资源量相当。近年来，中国已经在主要煤炭蕴藏区都开展了煤层气勘探和开发工程，取得了经济、环保、劳工保护等多方面的效益。在煤层气勘探和开发领域，当前的热点问题之一是在勘探开发煤层气的同时，也同时勘探开发煤层附近的、与煤层气共生共存的浅层游离气藏。

由于煤层气以吸附态赋存在煤层中，具有局部富集的特征；又由于煤层的孔隙连通性差，渗透率主要决定于煤层的节理裂隙，致使煤层气储层的渗透率很低；因此，煤层气开发井井距小，通常在 200m至 300m之间，以保证采收率。煤层气勘探开发工程的这一特点特别适宜于使用本发明提供的技术方法以勘探浅层游离态气藏。为了勘探浅层游离态气藏，只要在煤层气勘探井和开发井内确定潜在储层是否是天然气储层，就能够保证查明全部有经济价值的浅层游离态天然气藏。例如，如果煤层气开发井井网的井距是 300m，那么，本发明能够探明平面上等效半径大于 150m的全部浅层游离态天然气藏，而等效半径小于 150m浅层游离态天然气藏一般没有经济价值。因此，本发明特别适宜于探测与煤层气共生共存的浅层游离气藏。

某煤层气勘探区，煤层气主力储层 C号煤层埋深 680m左右，厚度 2m〜8m，吨煤含气量 10 〜30m7吨。在该主力储层之上和之下，分别有多个薄煤层。该勘探区其余岩石主要的种类是泥岩、沙泥岩、砂岩、石灰岩；其中，石灰岩多为薄层，展布范围有限，质地致密，很少有裂隙或孔洞发育，不可能成为游离气体的储层；泥岩、沙泥岩、砂岩多为薄互层，单层泥岩、砂岩的厚度一般不超过 10m; 多数砂岩质地致密，孔隙度小于 5%。综上所述，该勘探区的潜在储层是孔隙度较大的砂岩，并且这些潜在储层砂岩的直接盖层是厚度较大的泥岩。

图 1是在该勘探区一口勘探井（以下称为 "Z井"）中观测得到的测井曲线，从左至右是纵波速度、横波速度、密度。在该图的最左边一栏是勘探目的层位的编号。现在，在该图中标出的是 Z井钻遇的全部煤层的编号，其中， A、 B、 C, ……是煤层的编号，最后的字母 "m" 前面的数字是该煤层的厚度； "B-煤— 1. 2m"的含义是" B号煤层，厚度 1. 2m"。 "C_煤— 3. 3m" 是该井钻遇的煤层气主力储层的编号，它的厚度是 3. 3m。图 1中的测井曲线纵波速度和密度都是常规测井系列中必然有的测井项目，横波速度不是常规测井系列的测井项目。目前资源勘探的惯例是仅在部分勘探井进行包含横波速度测井的特殊测井系列。实施本发明要求在全部勘探井和开发井中观测横波速度，除非已经根据其他资料排除了某些勘探井和 /开发井钻遇游离态天然气的可能性。

图 2是根据图 1中的测井曲线计算获得的拉梅常数、剪切模量，计算时使用了步骤（b ) 中的公式（5 ) 和（6 ) 。

图 3是按照步骤（d) 所述之方法确定的 Z井的部分潜在储层。请注意，为了显示这些潜在储层，该图的比例尺小于图 1、图 2、图 4的比例尺，尽管如此，由于图幅尺寸的限制，也仅能显示距离煤层较近并且较有希望的潜在储层。这些潜在储层被标记为 "潜在储层 -4" 、 "潜在储层 -5"、 ……等等，见 "目标层位编号"一栏。

对已有 5口勘探井测井和录井资料的统计分析和研究发现，本勘探区的石灰岩具有最大的拉梅常数、剪切模量，在拉梅常数、剪切模量曲线上表现为尖锐的峰值，与石灰岩多为薄层的录井记录一致；厚层泥岩的拉梅常数、剪切模量次之，表现为宽缓的小幅度变化；砂岩的剪切模量可能大于也可能小于泥岩的剪切模量，与其泥质含量、孔隙度密切相关，泥质含量大，则剪切模量小；孔隙度小，则剪切模量大；砂岩的拉梅常数除了受其泥质含量、孔隙度的影响之外，更与砂岩孔隙流体的性质相关。

该勘探区是一个处于评价阶段的新区，没有已经探明的游离态天然气储层可供参考，因此，只能根据实验室岩石样品测定成果研究确定拉梅常数、剪切模量、密度的相对门限值，即根据水饱和砂岩与气饱和砂岩之间拉梅常数、剪切模量、密度之差值及其相对变化的百分比确定门限值。根据对 53个砂岩样品在水饱和状态、气饱和状态下的测定成果，气饱和砂岩的拉梅常数比水饱和砂岩的拉梅常数低 2〜5Gpa，相对变化为 -5%〜- 33%; 气饱和砂岩的剪切模量大多数高于水饱和砂岩的剪切模量，但是也有低于水饱和砂岩的剪切模量的情况，这与 Gassmann方程的预测不完全一致，主要是因为有的砂岩样品泥质含量较大，水的浸润作用软化了砂岩的石英矿物颗粒之间粘土的强度。但是，由于大多数砂岩样品在气饱和与水饱和状态下剪切模量的相对变化绝对值小于 10%，因此，可以认为 Gassmann方程适用于本勘探区的砂岩；气饱和砂岩密度与水饱和砂岩密度的差别基本符合本发明引用的公式（3 )和（4) ，此不赘述。鉴于本勘探区勘探程度低，没有已经探明的游离态天然气储层可供参考使用，因此，决定根据实验室测定成果，确定碳氢检测因子拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值。具体方法是：从实验室测定的砂岩样品中，选择孔隙度大于 5%的砂岩样品，使用它们在气饱和状态下的拉梅常数、剪切模量、密度，剔除个别异常大和异常小的测定成果之后，分别取平均值，作为碳氢检测因子拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值。最后确定拉梅常数的最佳可能门限值为 10GPa、剪切模量的最佳可能门限值为 4GPa、密度的最佳可能门限值为 2. 3g/cm³。

同样地，因为没有已经探明的游离态天然气储层可以利用，因此，只能根据实验室测定砂岩样品的成果，分析游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系。这些砂岩的主要成分是石英和粘土类矿物，粘土的含量从 2. 6%到 15. 3%。对实验室测定成果的统计分析表明，气饱和砂岩的拉梅常数随粘土含量的增加而增大，密度随粘土含量的增加略有增大，剪切模量随粘土含量的增加略有减小；只有当粘土含量大于 10%时，才有必要考虑粘土含量对拉梅常数、剪切模量、密度的影响；考虑到本勘探区砂岩成岩度高，质地致密，这一统计分析结果是合理的。但是，孔隙度对拉梅常数、剪切模量和密度都有明显的影响。图 4展示了孔隙度对气饱和储层密度的影响。由于岩石的密度与其孔隙度之间存在如下线性关系：

P=P骨架 -(P骨架 - p流体) χ ( 7 ) 式中 P 是岩石骨架的密度， p _#是岩石孔隙流体的密度；对于气饱和砂岩， p _#就是天然气在地下压力和温度条件下的密度 (3 。由于 _P >_{P #}，岩石的密度总是随着孔隙度增加而减小。图 4很好地反映了这一线性关系，线性拟合的 R平方值高达 0.96。图 5展示了孔隙度对气饱和储层剪切模量的影响。剪切模量明显地随孔隙度的增大而减小，尽管孔隙度与剪切模量之间不存在类似于（7 )式的线性函数关系，但是，线性拟合的 R平方值为 0.65，表明线性拟合获得的孔隙度与剪切模量之间线性经验关系仍然是比较可靠的。图 6展示了孔隙度对气饱和储层拉梅常数的影响。拉梅常数也随孔隙度的增大而减小，这个变化趋势是比较明显的和可靠的，但是，数据的分散性很大，线性拟合的 R平方值为 0.1 1，表明线性拟合获得的线性经验关系已经不可靠了。

将上面获得碳氢检测因子拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值，以及游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系，应用于 Z井，确定适用于 Z井的碳氢检测因子的门限值。这个应用过程是：根据游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系，调整拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值，获得适用于 Z井的碳氢检测因子的门限值。最后确定的适用于 Z井的拉梅常数门限值为 9GPa、剪切模量的门限值为 3GPa、密度的门限值为 2. 2_g/cm³。

对于探查游离态天然气的赋存，剪切模量是评价储层品质的最主要的碳氢检测因子。对于 Z井，虽然砂岩的泥质含量和孔隙度都使砂岩的剪切模量减小，但是，泥质含量、孔隙度对储层品质的影响是相反的。泥质含量大，则可能导致粘土充填孔隙和堵塞孔喉，使储层的有效孔隙度减小并减小储层的渗透率；这些都使储层的品质变差。孔隙度增大，必然导致储层蕴藏天然气的能力增大和储层渗透率增大，这些都使储层的品质变好。因此，需要谨慎地查明导致砂岩剪切模量减小的因素。岩性测井曲线显示，对图 3上的潜在储层， "潜在储层 -6 "和 "潜在储层 -7 " 的粘土含量小于 5%，而它们的测井孔隙度大于 9%，据此推断它们的较低的剪切模量值是孔隙度增大导致的。

对于探查游离态天然气的赋存，拉梅常数是判断砂岩孔隙流体性质的最重要的碳氢检测因子。测井曲线上，砂岩层对应的相对较小的拉梅常数指示砂岩孔隙中的水可能被天然气代替了。对于 Z井，如前述，砂岩中的泥质含量的增加将导致拉梅常数增大，而泥质含量的增加将导致储层品质变差；砂岩孔隙度的增大将导致其拉梅常数减小，而孔隙度的增大将导致储层品质变好。因此，在 Z井的测井曲线上，对于拉梅常数而言，较小的拉梅常数总是有利于将砂岩层解释为储层。对图 3上的潜在储层， "潜在储层 -6 "和 "潜在储层 -7 " 的拉梅常数小于门限值，可以被解释为是天然气导致了这样低的拉梅常数。如前述，砂岩的密度与其孔隙流体的密度之间有直接、简单、明确的线性关系，可以被用于评价各个勘探井和开发井的各个潜在储层。对图 3上的潜在储层， "潜在储层 -6 "和"潜在储层 -7 " 的密度小于 2.15g/cm³，小于该井碳氢检测因子密度的门限值 2.2g/cm³，可以将这两个砂岩层解释为天然气储层。

图 3中的其他潜在储层被解释为水层，因为它们的拉梅常数、剪切模量、密度不满足碳氢检测因子门限值的要求。

对 Z井周围地质构造的研究和作图发现， Z井的 "潜在储层 -6 "和 "潜在储层 -7 "位于一个平缓背斜构造的接近轴部的部位，其上的泥岩构成了背斜圈闭。这一构造有利部位支持将 "潜在储层 -6 "和 "潜在储层 -7 "解释为游离态天然气储层。

图 7展示了 Z井的最终解释成果。该图 "目标层位编号" 一栏内标出的 "天然气储层 -1—2. 5m"、 "天然气储层 -2— 3. 5m"指示了解释所得的两层天然气储层，其中的 " 2. 5m"和 " 3. 5m"分别是两个游离态天然气储层的厚度。试气结果证明图 7展示的解释成果是正确的。

本发明实施步骤中使用的测井资料，除了横波速度之外，都是勘探开发中按常规必须采集的测井资料；而横波速度则可能被采集，也可能不被采集。因此，使用本发明可能完全不需要增加野外工程成本；即使需要增加的野外工程成本，所增加的至多是横波速度的采集成本。因此，实施本发明具有成本低的优势。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

权利要求书

1、一种直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：利用勘探井和开发井，获得测井资料，并使用这些测井资料计算地下岩层的拉梅常数和剪切模量，将拉梅常数、剪切模量、密度作为碳氢检测因子，确定它们的门限值，使用这些碳氢检测因子及其门限值，直接探测地层中的游离态天然气、二氧化碳等有经济价值的气体；包括以下步骤：

(a)在井中进行测井作业，采集地下岩层的横波速度、纵波速度、密度、自然电位、自然伽马、孔隙度、电阻率的测井资料；

(b)根据测井资料获得的横波速度、纵波速度、密度，计算地下岩层的拉梅常数、剪切模量；

(c)根据相关测井资料计算地下岩层岩性成分，获得岩性测井曲线；

(d)区分潜在储层与非储层；

(e)统计分析获得各种岩层的拉梅常数、剪切模量、密度与岩性种类、岩性成分之间的关系；

(f)确定游离气储层拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值；

(g)确定游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系；

(h)将前述步骤 (f)和前述步骤 (g)的结果应用于各井，确定适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值；

(i)根据测井密度曲线和前述步骤 (b)计算获得的拉梅常数和剪切模量、前述步骤 (h)获得的适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值、以及岩性测井曲线、孔隙度测井曲线，确定勘探区内每一口勘探井和开发井的每一潜在储层是否是游离态气体的储层；

(j)研究各井在地质构造上的位置，最终确定前述步骤 (i)获得的各井的游离态气体的储层是否是值得试气的储层。
2、根据权利要求 1所述的直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：在所述的步骤 (b)中，使用 = Vp2 - 2 Vs2计算拉梅常数，使用 / = Vs2计算剪切模量。
3、根据权利要求 1所述的直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：所述的步骤

(e) , 用散点图，确定不同类别岩石拉梅常数、剪切模量、密度的差别及其随岩性成分的变化规律；用回归方法，确定各类岩层拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分之间的相关关系。
4、根据权利要求 1所述的直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：所述的步骤

(f)，统计分析勘探区已知游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度，确定这些碳氢检测因子的最佳可能门限值；统计分析实验室测定的储层岩石样品在水饱和与气饱和状态下的拉梅常数、剪切模量、密度，确定这些碳氢检测因子的最佳可能门限值。
5、根据权利要求 1所述的直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：所述的步骤

(g)，使用散点图确定游离气储层拉梅常数、剪切模量、密度随其岩性成分、孔隙度变化的趋势，使用回归方法确定游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的相关关系。
6、根据权利要求 1所述的直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：所述的步骤

(h)，将步骤 (f)获得的拉梅常数、剪切模量、密度的最佳可能门限值、步骤 (g)获得的游离气储层的拉梅常数、剪切模量、密度与其岩性成分、孔隙度之间的关系，应用于各井，确定适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值。
7、根据权利要求 1所述的直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：所述的步骤

(i)，根据测井获得的密度曲线和步骤 (b)计算获得的拉梅常数以及剪切模量、步骤 (h)获得的适用于每一口勘探井和开发井的的碳氢检测因子的门限值等、以及岩性测井曲线、孔隙度测井曲线，确定勘探区内每一口勘探井和开发井的游离态气体的储层。
8、根据权利要求 1所述的直接探测地层中游离态气体的方法，其特征在于：所述的步骤 (j)，作出构造圈闭和岩性圈闭，根据各井在构造圈闭或岩性圈闭上的相对位置，最终确定需要试气求产的储层。