邵先杰，董新秀，湯達(dá)禎，孫玉波，胥昊，王海洋

(1.燕山大學(xué)石油工程系，河北 秦皇島 066004;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院，北京 100083)

0 引言

我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展[1]，煤層氣受煤儲(chǔ)層復(fù)雜性影響，不同煤階、不同煤巖類型煤層表現(xiàn)出不同的生產(chǎn)特征[2]，給煤層氣井產(chǎn)能預(yù)測(cè)、開(kāi)發(fā)部署帶來(lái)了很大困難。煤巖類型不同，其孔隙度、滲透率和含氣量不同[3]，投產(chǎn)后的產(chǎn)能不同，甚至在生產(chǎn)過(guò)程中的措施也不同。比如暗淡煤質(zhì)地堅(jiān)硬，密度大，壓裂時(shí)的破裂壓力往往比較高;光亮煤脆度大，含氣量高，產(chǎn)量高。對(duì)煤巖類型的準(zhǔn)確解釋是儲(chǔ)量計(jì)算、生產(chǎn)措施安排和產(chǎn)能預(yù)測(cè)的重要依據(jù)。利用大量的取心資料深入研究了煤巖對(duì)測(cè)井的響應(yīng)關(guān)系，探索了利用測(cè)井資料定性解釋煤巖類型的方法，結(jié)合生產(chǎn)資料建立了測(cè)井參數(shù)預(yù)測(cè)煤層氣井產(chǎn)能的圖版，為產(chǎn)能井部署、開(kāi)發(fā)方案設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理和增產(chǎn)措施的實(shí)施提供了依據(jù)。

1 煤巖類型對(duì)測(cè)井曲線的響應(yīng)關(guān)系

1.1 煤巖類型及物理特性

根據(jù)對(duì)韓城地區(qū)大量取心資料的觀察以及實(shí)驗(yàn)資料的分析總結(jié)，該地區(qū)煤層主要以半亮煤和半暗煤為主，暗淡煤和光亮煤也有分布。

光亮煤:光澤強(qiáng)、脆度大、機(jī)械強(qiáng)度小、易破碎、內(nèi)生裂隙發(fā)育、密度小、灰分含量低、含氣量高。

半亮煤:脆度大、機(jī)械強(qiáng)度小、易破碎、內(nèi)生裂隙較發(fā)育、密度較小、灰分含量低，相對(duì)于光亮煤其結(jié)構(gòu)不均一，含氣量較高。

半暗煤:光澤較弱、比較堅(jiān)硬、密度較大、內(nèi)生裂隙不發(fā)育、灰分含量較高、含氣量較低。

暗淡煤:光澤暗淡、質(zhì)地堅(jiān)硬、密度大、內(nèi)生裂隙不發(fā)育、礦物質(zhì)含量高、高含氣量低。

1.2 測(cè)井響應(yīng)關(guān)系

由于煤巖類型不同，工業(yè)組分不同和物理性質(zhì)不同，在測(cè)井的響應(yīng)關(guān)系上也存在較大差別[4]。根據(jù)對(duì)韓城煤層氣井巖電關(guān)系的研究，從光亮煤到暗淡煤，補(bǔ)償密度測(cè)井值逐漸增大，補(bǔ)償聲波時(shí)差值逐漸減小，補(bǔ)償中子測(cè)井值逐漸降低，擴(kuò)徑率逐漸降低(擴(kuò)徑率等于井徑與鉆頭直徑的差與鉆頭直徑比值的百分?jǐn)?shù))。依據(jù)實(shí)際資料統(tǒng)計(jì)出了韓城礦區(qū)不同煤巖類型的測(cè)井參數(shù)分布區(qū)間(見(jiàn)表1)。從表1中可以看出，夾矸的密度大于1.75 g/cm3，聲波時(shí)差小于370μs/m，幾乎沒(méi)有擴(kuò)徑，很容易與煤層區(qū)別開(kāi)來(lái)。就單一指標(biāo)看，各煤巖類型的測(cè)井參數(shù)之間雖然有一定的交叉，但變化趨勢(shì)以及與測(cè)井曲線之間的響應(yīng)關(guān)系還是比較明顯。

表1 不同類型煤巖的電性特征

2 煤巖類型定性解釋方法

2.1 圖版法

根據(jù)巖電關(guān)系研究結(jié)果，聲波時(shí)差曲線對(duì)煤巖類型響應(yīng)最為敏感，其他依次為密度測(cè)井曲線、井徑測(cè)井、中子測(cè)井。因此選擇聲波時(shí)差為橫坐標(biāo)，密度為縱坐標(biāo)，井徑為肋線，繪制坐標(biāo)，把取心描述資料作為已知數(shù)據(jù)繪制在坐標(biāo)上，根據(jù)已知數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布規(guī)律可以劃分出光亮煤、半亮煤、半暗煤、暗淡煤和夾矸的分布區(qū)域(見(jiàn)圖1)。

使用該圖版需要3個(gè)參數(shù)，以聲波時(shí)差和密度測(cè)井曲線為主，井徑測(cè)井曲線作參考。假若根據(jù)聲波時(shí)差和密度測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)落在圖上光亮煤和半亮煤分界線附近區(qū)域，井徑擴(kuò)徑率小于30%時(shí)，那么該樣品的級(jí)別應(yīng)降為半亮煤。也就是說(shuō)，以聲波時(shí)差和密度測(cè)井曲線為主，利用井徑校正。

圖1 煤巖類型定性解釋圖版

2.2 灰色關(guān)聯(lián)法

圖版法直觀，但最多只能利用3個(gè)參數(shù)，忽略了補(bǔ)償中子測(cè)井，缺乏全面性，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)同一層的不同參數(shù)跨不同的煤巖區(qū)間類型，給解釋帶來(lái)困難。另一方面，圖板法不便于計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別，效率低[5]，只能以層為單元識(shí)別，逐點(diǎn)識(shí)別困難。

灰色系統(tǒng)是解決信息部分明確、部分不明確的復(fù)雜關(guān)系系統(tǒng)的有效方法?；疑P(guān)聯(lián)分析方法是根據(jù)系統(tǒng)各因素間或各系統(tǒng)行為間發(fā)展態(tài)勢(shì)的相似或相異程度衡量關(guān)聯(lián)程度的方法[6]。

以某口井某層的測(cè)井參數(shù)為例介紹灰色關(guān)聯(lián)判斷煤巖類型的方法。某評(píng)價(jià)層的補(bǔ)償密度測(cè)井值為1.60 g/cm3，聲波時(shí)差測(cè)井值為411μs/m，補(bǔ)償中子測(cè)井值為34.4 p.u.，井徑擴(kuò)徑率為23%。不同參數(shù)分別跨3個(gè)類別。

首先寫(xiě)出評(píng)價(jià)對(duì)象與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)矩陣

矩陣(1)中的第1行是被評(píng)價(jià)層的測(cè)井參數(shù);第2到第6行為煤巖電性標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)區(qū)間的平均值;第1列為補(bǔ)償密度測(cè)井值、第2列為補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井值、第3列為補(bǔ)償中子測(cè)井值、第4列為擴(kuò)徑率。

對(duì)矩陣(1)進(jìn)行列歸一化處理(除以每列的最大值)，得到

按照公式Δ1i(k)=|y'(k)-x'i(k)|求得差序列矩陣

由矩陣(3)求得兩級(jí)最大差和兩級(jí)最小差

最大關(guān)聯(lián)度為r13=0.878，表明該層屬于半暗煤。

該方法考慮因素全面，不受人為因素影響，較客觀，通過(guò)軟件可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別和逐點(diǎn)識(shí)別。

2.3 應(yīng)用實(shí)例

以韓城WX-1井為例分析各層的煤巖類型(見(jiàn)圖2)。3號(hào)煤層埋藏深度390.5～392 m，厚度1.5 m。5號(hào)煤層埋藏深度417.6～419.8 m，中間夾厚度0.45 m的煤矸石，煤層純厚度1.75 m。解釋結(jié)果是以半暗煤為主，夾半亮煤條帶。11號(hào)煤層埋藏深度460.1～467.45 m，中間夾厚度0.5 m的煤矸石，上段煤層厚度2.6 m，下段厚度4.25 m，2段性質(zhì)差別比較大。11號(hào)煤層上段擴(kuò)徑率相對(duì)低，但密度中等，聲波時(shí)差中等，且變化大，說(shuō)明非均值性嚴(yán)重，以半暗煤為主，夾有半亮煤和暗淡煤條帶。11號(hào)煤層下段擴(kuò)徑率低，密度大，聲波時(shí)差小，以暗淡煤為主，夾半暗煤條帶。

3 產(chǎn)能預(yù)測(cè)方法

3.1 含氣量與煤巖組分之間的關(guān)系分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，韓城地區(qū)3個(gè)主力煤層的工業(yè)分析結(jié)果，灰分含量7.34% ～39.24%，平均28.68%。其中3號(hào)煤層的變化區(qū)間為16.73%～35.72%，平均23.58%，屬中灰分;5號(hào)煤層的變化區(qū)間為7.34% ～39.24%，平均23.99%，屬中灰分;11號(hào)煤層的變化區(qū)間為10.22% ～38.97%，平均31.30%，屬中高灰分。

圖2 WX-1井煤巖類型定性解釋結(jié)果

固定碳含量45.69% ～80.23%，平均58.11%。其中3號(hào)煤層的變化區(qū)間為51.46% ～70.24%，平均66.89%;5號(hào)煤層的變化區(qū)間為45.69%～80.23%，平均63.52%;11號(hào)煤層的變化區(qū)間為48.37% ～78.12%，平均55.17%。

原煤基總含氣量2.24～12.41 m3/t，平均7.01 m3/t。其中3號(hào)煤層的變化區(qū)間為7.36～9.13 m3/t，平均8.38 m3/t;5號(hào)煤層的變化區(qū)間為2.62～11.47 m3/t，平均7.22 m3/t;11號(hào)煤層的變化區(qū)間為 2.27 ～12.41 m3/t，平均 6.63 m3/t。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氣含量與固定碳含量呈正相關(guān)(見(jiàn)圖3)。因?yàn)楣潭ㄌ嘉⒖紫栋l(fā)育，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，所以，隨著固定碳含量的增加，含氣量增大。含氣量與固定碳含量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式為

式中，Q為含氣量，m3/t;VFCD為固定碳含量。

圖3 含氣量與固定碳含量的關(guān)系

3.2 煤巖參數(shù)的測(cè)井響應(yīng)關(guān)系

韓城礦區(qū)測(cè)井系列采用孔隙度—電阻率測(cè)井系列，主要包括補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子、深淺側(cè)向、自然電位、自然伽馬、井徑等測(cè)井曲線。這一組測(cè)井系列在一定程度上能夠反映巖性[7]、煤巖性質(zhì)、孔隙度、含氣狀況，也可以間接估算滲透率[8-9]。

煤層相對(duì)于圍巖，物理性質(zhì)差異明顯，密度低、自然伽馬低、自然電位負(fù)異常、聲波時(shí)差大、中子孔隙度高、電阻率高，具有“三高三低”的特點(diǎn)。結(jié)合煤層擴(kuò)徑率比較高的特點(diǎn)[10-11]，通常可以采用人工解釋的方法劃分煤層，或采用模式識(shí)別方法自動(dòng)劃分煤層、識(shí)別巖性。

通過(guò)對(duì)12口井90個(gè)樣品的準(zhǔn)確歸位，統(tǒng)計(jì)了各樣品層段的補(bǔ)償密度、補(bǔ)償聲波時(shí)差測(cè)井值，分析對(duì)測(cè)井的響應(yīng)關(guān)系?？紤]到樣品歸位時(shí)可能存在誤差，對(duì)于測(cè)井曲線跳躍比較嚴(yán)重的層段取鄰近幾個(gè)樣品的平均值[12-13]，讀測(cè)井層段的平均值作為樣品的測(cè)井響應(yīng)值。

補(bǔ)償密度測(cè)井可以定量解釋不同巖層的密度測(cè)井大小[14]，由于不同煤層的組分不同，密度存在差異，在密度測(cè)井上都有響應(yīng)。根據(jù)取心井資料統(tǒng)計(jì)了固定碳含量與補(bǔ)償密度測(cè)井參數(shù)之間的響應(yīng)關(guān)系，隨著固定碳含量的增加，補(bǔ)償密度測(cè)井值降低(見(jiàn)圖4)。補(bǔ)償密度測(cè)井(ρ)與固定碳含量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式為

隨著固定碳含量增加，聲波時(shí)差值呈增大趨勢(shì)(見(jiàn)圖5)。聲波時(shí)差測(cè)井(AC)與固定碳含量之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式為

圖4 固定碳含量與補(bǔ)償密度測(cè)井的響應(yīng)關(guān)系

圖5 固定碳含量與補(bǔ)償聲波測(cè)井的響應(yīng)關(guān)系

煤儲(chǔ)層工業(yè)組分與測(cè)井曲線之間的良好響應(yīng)關(guān)系為建立測(cè)井產(chǎn)能預(yù)測(cè)模型奠定了基礎(chǔ)。

3.3 煤層氣井產(chǎn)能水平預(yù)測(cè)圖版建立

通常情況下，煤巖的固定碳含量越高，密度就越小，孔隙度大，含氣量高，投產(chǎn)后產(chǎn)量一般比較高。煤巖的固定碳含量對(duì)密度測(cè)井和聲波測(cè)井響應(yīng)關(guān)系比較好。因此，補(bǔ)償密度測(cè)井和聲波時(shí)差測(cè)井在一定程度上反映了氣井的生產(chǎn)潛能。

利用韓城礦區(qū)已投產(chǎn)的煤層氣井為依據(jù)，排除因地層水的影響和壓裂工藝影響而生產(chǎn)不正常的井，把22口測(cè)井資料比較全的井的參數(shù)繪制到圖版上，明顯可分為3個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖6)。圖6中左上角井為高產(chǎn)井區(qū)，一般補(bǔ)償密度小于1.55 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差大于400μs/m，采氣指數(shù)大于200 m3/(m·d);右下角的井為低產(chǎn)井區(qū)，補(bǔ)償密度一般大于1.65 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差小于390μs/m，采氣指數(shù)小于150 m3/(m·d);中部為中產(chǎn)井區(qū)采氣指數(shù)一般150～200 m3/(m·d)，補(bǔ)償密度1.55～1.65 g/cm3，補(bǔ)償聲波時(shí)差390～410μs/m。從圖6上可以發(fā)現(xiàn)，有部分不同級(jí)別的井有交叉，這主要是因?yàn)榇蟛糠志疄槎鄬雍喜删?，層間有干擾，影響了計(jì)算精度。

圖6 韓城地區(qū)煤層氣井產(chǎn)能水平預(yù)測(cè)圖版

圖6為統(tǒng)計(jì)圖版，井?dāng)?shù)越多精度越高，所以可以把投產(chǎn)后達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的井作為已知井投影到圖版上，完善圖版，不斷提高圖版精度。

4 結(jié)論

(1)不同的煤巖類型其物理性質(zhì)不同，在測(cè)井曲線上均有響應(yīng)。通過(guò)大量取心資料的觀察描述，建立了煤巖類型識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)，為測(cè)井定性解釋奠定了基礎(chǔ)。

(2)分別提出了2種煤巖解釋方法， 實(shí)際應(yīng)用效果良好。圖版法直觀，單層解釋速度快;灰色關(guān)聯(lián)法考慮因素多，更加準(zhǔn)確，便于計(jì)算機(jī)自動(dòng)逐點(diǎn)解釋。

(3)依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)資料，建立了產(chǎn)能預(yù)測(cè)圖版，新井完鉆后即可分析未來(lái)可能的產(chǎn)能情況，可以有針對(duì)性地指導(dǎo)有關(guān)生產(chǎn)措施的實(shí)施。

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