楊克兵 左銀卿 甘 健 楊春莉

(中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院,河北 062552)

根據(jù)測井原理,測井資料在煤層氣方面的應(yīng)用可以歸納為：一類是基礎(chǔ)研究,為煤層氣儲量計(jì)算、壓裂提供的各類參數(shù),包括煤層厚度、工業(yè)參數(shù)、含氣量、物性參數(shù)以及巖石力學(xué)參數(shù),測井?dāng)?shù)據(jù)解釋結(jié)果與化驗(yàn)、試井、排采等數(shù)據(jù)非常接近,測井解釋成果可為煤層氣的勘探與開發(fā)提供可靠的理論依據(jù);對煤層氣完井的固井質(zhì)量可以利用聲幅測井、聲波變密度測井、自然伽馬測井、磁定位測井做出可靠的解釋;另一類是測井地質(zhì)應(yīng)用,諸如地質(zhì)研究、地層對比、煤層精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造以及斷層分布、沉積環(huán)境分析、地應(yīng)力分析、煤層結(jié)構(gòu)特征及裂縫發(fā)育程度,綜合測井資料的應(yīng)用尤其對水平井的鉆進(jìn)導(dǎo)向性非常重要。

1 常用煤儲層測井評價(jià)技術(shù)

1.1 氣層識別及煤層有效厚度

煤層附近巖性及組合狀況對煤層氣的富集和開采有重要意義。當(dāng)頂板為相對致密 (泥巖或砂質(zhì)泥巖)的隔水層時(shí),有利于煤層氣的保存與富集,如果泥巖類隔水層局部相變或構(gòu)造運(yùn)動,煤層氣則有可能運(yùn)移儲存到具有一定滲透性的砂巖或灰?guī)r儲層中,因此,煤層氣測井的儲層識別不僅要?jiǎng)澐殖雒簩?也應(yīng)該把有利砂巖或灰?guī)r儲層識別出來,同時(shí)應(yīng)用常規(guī)天然氣解釋方法,綜合評價(jià)氣層將有利于煤層氣的地面開發(fā)。鑒于目前缺乏對該區(qū)砂巖儲層的認(rèn)識,建議在以后的工作中,有針對性的進(jìn)行鉆井取芯和室內(nèi)實(shí)驗(yàn),為解釋模型及解釋參數(shù)的建立和選擇打下基礎(chǔ),確保不遺漏氣層和正確評價(jià)儲層。

圖1 某井煤層工業(yè)組分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系圖

劃分煤層有效厚度是測井資料在煤層氣勘探開發(fā)中最廣泛的應(yīng)用,主要依據(jù)自然伽瑪、體積密度、補(bǔ)償中子、電阻率和聲波時(shí)差測井曲線對煤層的綜合響應(yīng)特征做為有效厚度、煤層的夾矸扣除的劃分原則,制訂煤層有效厚度解釋標(biāo)準(zhǔn),煤層和夾矸厚度劃分以電性曲線的半幅點(diǎn)起劃,煤層起劃厚度為0.6m,夾矸層起扣厚度為0.1m。

鄭莊區(qū)塊東大井區(qū)上報(bào)探明儲量區(qū)塊在計(jì)算煤層氣儲量時(shí),單井煤層厚度數(shù)值取自測井解釋有效厚度,其電性解釋標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)煤層的電性響應(yīng)特征制定。

1.2 煤層工業(yè)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果,煤巖組分固定碳、水分、灰分、揮發(fā)分相互間有較好的關(guān)系。其中,灰分與固定碳之間相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)都在0.9以上,數(shù)據(jù)顯示 (見圖1),隨著灰分增加,固定碳急劇降低,揮發(fā)分緩慢增大,而水分由于含量較低變化不大。

可以看出,灰分與固定碳+揮發(fā)分之間的相關(guān)性最高,相關(guān)系數(shù)接近1,灰分與固定碳相關(guān)性也不錯(cuò),一般高達(dá)0.9以上,灰分與揮發(fā)分及灰分與水分相關(guān)性差一些。

因此,采用建立解釋模型的方式來對灰分等煤巖組分進(jìn)行計(jì)算,是一種較好的方法。通過改善煤層的體積模型,并利用灰分與固定碳、揮發(fā)分等之間的相關(guān)性,取得了一定的效果。把煤層體積分成純煤 (包括固定碳和揮發(fā)分)、灰分 (包括泥質(zhì)和其它礦物)、水分 (孔隙中充滿的水)三部分,作為對測井響應(yīng)的貢獻(xiàn)之和。關(guān)于密度、中子、聲波測井等參數(shù)有下列公式：

式中：ρ、ΦN分別為煤層對密度、中子測井的響應(yīng)值;ρc、ρa(bǔ)、ρw分別為純煤、灰分、水分對密度測井的響應(yīng)參數(shù);Φc、Φa、Φw分別為純煤、灰分、水分對中子測井的響應(yīng)參數(shù);Δtc、Δta、Δtw分別為純煤、灰分、水分對聲波測井的響應(yīng)參數(shù);Vc、Va、Vw分別為純煤、灰分、水分的相對體積,通過求解方程組得到煤組分含量。

結(jié)合研究工區(qū)的測井資料情況,根據(jù)兩種組合即密度-中子和密度-聲波模式對有巖心分析的井進(jìn)行了處理,圖2是實(shí)驗(yàn)分析井段逐點(diǎn)處理的效果圖,可以看出,用密度-中子和密度-聲波兩種模式計(jì)算效果差不多,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)基本匹配,能夠滿足使用要求。

圖2 煤巖分析孔隙度與測井聲波時(shí)差關(guān)系圖

1.3 煤階

劃分煤階的測井方法,可以直接利用不同煤階的煤層具有不同的測井信息特征劃分煤階。還可以利用測井信息計(jì)算出含碳量、揮發(fā)分、鏡煤反射率及熱值等,再依據(jù)相關(guān)煤階劃分標(biāo)準(zhǔn)確定煤階。

1.4 煤層含氣量

煤層煤質(zhì)及含氣量等參數(shù)的計(jì)算有別于常規(guī)儲層的參數(shù)計(jì)算。

目前的測井參數(shù)除與工業(yè)分析有直接響應(yīng)外,與煤層中所吸附的甲烷氣體沒有能分辨的響應(yīng)。因此利用測井資料直接解釋吸附甲烷氣體是困難的,只能用間接的方法來確定。目前采用吸附等溫線法、氣體狀態(tài)方程、多元回歸分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來計(jì)算含氣量。

1.5 煤層物性參數(shù)

煤層屬裂縫-孔隙雙重孔隙結(jié)構(gòu),煤層的物性參數(shù)一般采用地層測試、巖芯物性分析測定或由核磁測井測量來確定煤層孔隙度和滲透率。當(dāng)無地層測試、巖心物性分析資料及核磁測井時(shí),采用常規(guī)測井信息中的聲波時(shí)差、體積密度、補(bǔ)償中子和雙側(cè)向電阻率曲線來計(jì)算煤層的孔隙度、滲透率、基質(zhì)與裂縫孔隙度、裂縫滲透率等參數(shù)。

煤層基質(zhì)孔隙度計(jì)算采用聲波時(shí)差的平均時(shí)間公式：

式中 Φ——煤層孔隙度,小數(shù);

Δt——煤層聲波測井值 ,μs/m;

Δtma——巖石骨架聲波時(shí)差 ,380～410μs/m;

Δtf——流體聲波時(shí)差 ,620μs/m。

圖3是研究區(qū)塊煤巖巖心分析孔隙度與聲波時(shí)差交會圖,可以看出,點(diǎn)子關(guān)系不太好,主要是煤巖骨架聲波時(shí)差是變化的,而且與煤巖的密度測井值有較好的相關(guān)性,因此,計(jì)算孔隙度先采用煤巖密度測井值計(jì)算煤巖骨架密度,再用上述公式計(jì)算煤巖孔隙度取得了較好的效果 (見圖3、表1)。

圖3 煤巖骨架聲波時(shí)差與密度測井值關(guān)系圖

表1 利用密度聲波時(shí)差綜合計(jì)算孔隙度與巖心分析孔隙度對比表

煤巖孔隙度的計(jì)算,由于煤巖骨架密度范圍在320～420μs/m之間,因此,用聲波經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算孔隙度,采用固定的煤巖骨架密度,計(jì)算的孔隙度往往有一定的誤差,達(dá)不到使用要求。通過采用密度測井資料計(jì)算煤巖的骨架聲波,再用聲波公式計(jì)算煤巖孔隙度的方法較好的解決了這一問題,使得煤巖孔隙度的計(jì)算精度大大提高,具有較大的使用價(jià)值。

1.6 巖石力學(xué)參數(shù)

巖石的力學(xué)參數(shù)與巖石的密度、彈性波傳播速度以及電阻率等物理參數(shù)存在相關(guān)關(guān)系,利用測井資料確定地層破裂壓力參數(shù)通過兩種途徑：一是根據(jù)地層傾角測井確定地層的最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力的大小;二是根據(jù)全波波列測井來確定地層的破裂壓力和壓力梯度。在煤層氣井水力壓裂時(shí)可以估計(jì)所需的壓力,達(dá)到將地層壓開的目的,提高施工成功率,提高煤層氣采收率。

利用地層傾角數(shù)據(jù)確定地層應(yīng)力大小的理論依據(jù)是孔壁巖石崩落方向指示最小水平主應(yīng)力的方向,水力壓裂法即可測量應(yīng)力的方向又可測量應(yīng)力的大小。

用全波列測井確定地層破裂壓力,利用聲波全波列測井資料獲得地層縱波速度和橫波速度結(jié)合密度測井資料,可以計(jì)算地層彈性模量。

2 測井資料地質(zhì)應(yīng)用

煤層氣勘探開發(fā)選區(qū)及優(yōu)選有利目標(biāo)區(qū)塊的前提是綜合地質(zhì)評價(jià),對煤層的區(qū)域橫向變化、構(gòu)造、頂?shù)装鍖訖M向變化及封堵性、煤層力學(xué)參數(shù)、含氣量和煤層各工業(yè)組分的區(qū)域分布和地應(yīng)力等進(jìn)行綜合評價(jià),將為區(qū)塊煤層氣的勘探開發(fā)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),需要建立包括煤巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、裂縫類型及發(fā)育程度、裂縫孔隙度、滲透率、煤層氣含量及有效厚度等項(xiàng)煤層氣儲層綜合評價(jià)指標(biāo)和進(jìn)行煤儲層精細(xì)描述,地球物理測井評價(jià)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用基于煤層氣儲層綜合評價(jià)指標(biāo)和煤儲層精細(xì)描述的要求,運(yùn)用地球物理測井技術(shù)理論,結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料,達(dá)到通過測井信息識別煤層,精細(xì)評價(jià)煤儲層煤質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、煤層含氣性、物性、力學(xué)性質(zhì)及其橫向變化規(guī)律,準(zhǔn)確分析煤層頂?shù)装鍖訋r性、物性、含流體性質(zhì)以及巖石機(jī)械特性參數(shù)等;為含煤巖系的劃分與對比、優(yōu)選有利目標(biāo)區(qū)塊避開煤體結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈破碎、煤儲層可改造性差的區(qū)段井位部署做好基礎(chǔ)研究工作。

3 煤層氣測井技術(shù)研究方向

在煤層氣測井技術(shù)應(yīng)用過程中,測井研究人員已經(jīng)意識到利用測井技術(shù)推測煤儲層的參數(shù)尚不成熟,需要加強(qiáng)煤層氣測井基礎(chǔ)理論方面研究,系統(tǒng)地開展煤儲層測井評價(jià)方法研究,建立煤儲層測井綜合評價(jià)體系;加強(qiáng)特殊測井技術(shù)應(yīng)用研究力度,如對核磁共振測井、成像測井等的應(yīng)用上深入研究,應(yīng)用取得的有限資料,逐步形成測井綜合地層判識技術(shù)系列研究成果并推廣應(yīng)用。

水平井是煤層氣開發(fā)重要手段,如何利用隨鉆測井技術(shù)和可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤層三維地質(zhì)體的隨鉆更新,如何利用隨鉆測井、錄井資料和可視化技術(shù),實(shí)時(shí)監(jiān)控井眼軌跡在煤層中的空間位置,確保多分支水平井井眼軌跡在煤層中沿伸,提高煤層的鉆遇率是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

[1] 趙保中,鄭應(yīng)閣,吳正元.淺談煤層氣測井技術(shù)[J].中國煤炭地質(zhì),2008.12(20).

[2] 劉麗民、魏慶喜、徐仁桂,煤層氣常規(guī)測井技術(shù)與應(yīng)用 [J].中國煤層氣,2008.1(5).

[3] 許曉民、何公民,利用測井技術(shù)識別儲層氣的技術(shù)方法 [J].煤炭技術(shù),2008.6(27).

[4] 中國石油學(xué)會石油測井學(xué)會.測井資料的地質(zhì)應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社,1991.

[5] 李國平等.測井地質(zhì)及油氣評價(jià)新技術(shù) [M].北京：石油工業(yè)出版社,1995.