郭廣山,李 昊,田永凈,杜 凱

(中海油研究總院非常規(guī)研究院，北京 100028)

0 引言

煤層氣作為非常規(guī)能源，在我國(guó)已有幾十年的勘探開(kāi)發(fā)歷程。隨著勘探開(kāi)發(fā)程度的不斷深入，單井產(chǎn)量低、達(dá)產(chǎn)率低的難題日漸凸顯。經(jīng)大量的理論分析和技術(shù)攻關(guān)，認(rèn)為煤層氣產(chǎn)量主控因素是含氣量、滲透率、孔隙度、吸附能力、煤儲(chǔ)層改造效果和排采管控等，煤巖特征通過(guò)對(duì)煤層含氣性、可改造性和滲流條件等因素的控制作用進(jìn)而影響著產(chǎn)氣效果[1]。近年來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)展了煤巖特征對(duì)煤層氣產(chǎn)能影響機(jī)理、基于測(cè)井參數(shù)的宏觀煤巖類型識(shí)別方法等工作。許浩等[2]闡明煤巖制約下的儲(chǔ)層有效孔滲空間發(fā)育特征、層內(nèi)(間)本構(gòu)關(guān)系變化及煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程儲(chǔ)層物性響應(yīng)成為亟待探索的科學(xué)問(wèn)題；趙石虎等[3]利用多元線性回歸方法，建立了柿莊地區(qū)3號(hào)煤層宏觀煤巖類型測(cè)井解釋模型，并劃分了該煤層宏觀煤巖類型；邵先杰等[4]在巖電關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，確定了不同煤巖類型電性參數(shù)分布區(qū)間，建立了煤巖測(cè)井解釋圖版，提出了灰色關(guān)聯(lián)法解釋煤巖方法。但這些判別方法不能明確表征煤巖類型的空間分布特征和分布規(guī)律，不能滿足煤層氣生產(chǎn)的需求。

本文利用主成分分析法確定出自然伽馬測(cè)井、補(bǔ)償密度測(cè)井、聲波時(shí)差測(cè)井和深側(cè)向測(cè)井等能較好地表征不同宏觀煤巖類型測(cè)井響應(yīng)的特征，建立了宏觀煤巖指數(shù)(HMLZ)，結(jié)合研究區(qū)20口煤層氣參數(shù)井3號(hào)煤層煤巖描述結(jié)果，計(jì)算出判別標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而展開(kāi)3號(hào)煤層宏觀煤巖類型分布規(guī)律評(píng)價(jià)?；陔S機(jī)建模思路，建立了3號(hào)煤層宏觀煤巖類型三維地質(zhì)模型，明確了宏觀煤巖類型空間分布規(guī)律，研究成果為研究區(qū)煤層氣持續(xù)勘探開(kāi)發(fā)提供有力支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

SZB區(qū)塊位于沁水盆地東南部，沁水復(fù)向斜的東翼，受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制，具有典型的東西分帶性，大致可劃分為東部緩坡帶、中央褶皺帶和西部緩坡帶(圖1)。含煤層系為二疊系山西組和石炭系太原組，山西組3號(hào)煤層全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，是研究區(qū)主要開(kāi)發(fā)目的煤層。3號(hào)煤層埋深為300～1 200 m，平均800 m；煤層厚度為5.5～7.0 m，平均6.0 m；含氣量為8.0～20.0 m3/t，平均14.5 m3/t。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

3號(hào)煤層頂?shù)装逯饕阅鄮r為主，局部發(fā)育泥質(zhì)砂巖或致密粉砂巖，整體保存條件較好。孔滲條件相對(duì)較差，注入/壓降測(cè)試滲透率為1×10-5～46×10-5μm2。

2 宏觀煤巖類型及測(cè)井響應(yīng)特征

2.1 宏觀煤巖類型特征

按照同一變質(zhì)程度煤的相對(duì)光澤強(qiáng)度和光亮煤巖成分比例，把宏觀煤巖類型劃分為光亮煤、半亮煤、半暗煤和暗淡煤(圖2)。不同宏觀煤巖類型表現(xiàn)出差異明顯的物理性質(zhì)[5-7]。

(1)光亮煤。相對(duì)光澤強(qiáng)度最強(qiáng)，光亮煤巖成分含量大于80%，結(jié)構(gòu)近于均一，條帶狀結(jié)構(gòu)不明顯。內(nèi)生裂隙發(fā)育、脆性大、機(jī)械強(qiáng)度小、易破碎，具貝殼狀斷口。鏡質(zhì)組含量在80%以上。

(2)半亮煤。相對(duì)光澤強(qiáng)度次強(qiáng)，光亮煤巖成分含量為50%～80%，具有明顯的條帶狀，凸鏡-條帶狀和線理-條帶狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)生裂隙發(fā)育，常具有棱角狀或不平坦?fàn)顢嗫?，易破碎。鏡質(zhì)組含量為60%～80%。

(3)半暗煤。相對(duì)光澤強(qiáng)度較弱的煤巖類型，光亮煤巖成分含量為20%～50%，具條帶狀和線理狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)生裂隙不發(fā)育，比較堅(jiān)硬，密度相對(duì)較大。鏡質(zhì)組含量為35%～60%。

(4)暗淡煤。相對(duì)光澤強(qiáng)度最弱，光亮煤巖成分含量小于20%，多呈粒狀結(jié)構(gòu)。層理不明顯，質(zhì)地堅(jiān)硬，韌性大，密度大，內(nèi)生裂隙不發(fā)育，常呈棱角狀或參差狀斷口。鏡質(zhì)組含量小于35%。

(a) 光亮煤 (b) 半亮煤 (c) 半暗煤 (d) 暗淡煤圖2 宏觀煤巖類型巖心照片F(xiàn)ig.2 Marcolithotypes core photos

2.2 測(cè)井響應(yīng)特征

實(shí)現(xiàn)基于測(cè)井參數(shù)的宏觀煤巖類型預(yù)測(cè)，需結(jié)合煤層氣參數(shù)井煤巖描述結(jié)果，刻畫出不同宏觀煤巖類型在測(cè)井曲線上的變化規(guī)律和響應(yīng)特征[8]。在成煤過(guò)程中，受成煤物質(zhì)、煤相和煤變質(zhì)作用等因素影響，不同類型煤巖的物理性質(zhì)差異較大，其中灰分、密度、礦物含量、內(nèi)生裂隙發(fā)育程度等參數(shù)決定著測(cè)井曲線響應(yīng)變化特征，這些響應(yīng)變化特征是建立宏觀煤巖類型判別模型的理論依據(jù)[9-10]。采用SPSS軟件利用主成分分析法確定出自然伽瑪測(cè)井(GR)、補(bǔ)償密度測(cè)井(DEN)、聲波時(shí)差測(cè)井(AC)和深側(cè)向電阻率測(cè)井(RD)作為評(píng)價(jià)曲線。

(1)自然伽馬測(cè)井(GR)、深側(cè)向電阻率測(cè)井(RD)。主要受煤巖中礦物含量和灰分影響。從光亮煤到暗淡煤，礦物含量和灰分逐漸增加，GR響應(yīng)值隨之變大，而RD響應(yīng)值逐漸降低。

(2)補(bǔ)償密度測(cè)井(DEN)。主要受煤巖密度的變化影響。從光亮煤到暗淡煤，密度逐漸增大，DEN響應(yīng)值隨之變大。

(3)聲波時(shí)差測(cè)井(AC)。主要受煤巖內(nèi)生裂隙發(fā)育程度影響。從光亮煤到暗淡煤，內(nèi)生裂隙發(fā)育程度逐漸變低，聲波時(shí)差測(cè)井值逐漸變小。

3 宏觀煤巖類型測(cè)井模型預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

3.1 定量預(yù)測(cè)方法

對(duì)研究區(qū)不同宏觀煤巖類型測(cè)井響應(yīng)特征分析發(fā)現(xiàn)，光亮煤表現(xiàn)出低伽馬、低密度、高聲波時(shí)差、高電阻率的響應(yīng)特征，暗淡煤則表現(xiàn)出高伽馬、高密度、低聲波時(shí)差、低電阻率的響應(yīng)特征；半亮煤和半暗煤介于兩者之間。因此選擇自然伽馬、補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差和深側(cè)向測(cè)井響應(yīng)值建立宏觀煤巖類型指數(shù)(HMLZ)(以下簡(jiǎn)稱指數(shù)HMLZ)，其表達(dá)式為

(1)

式中：RD為深側(cè)向電阻率值，Ω·m；AC為聲波時(shí)差測(cè)井值，μs/m；DEN為補(bǔ)償密度測(cè)井值，g/cm3；GR為自然伽馬測(cè)井值，API。

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

建立研究區(qū)20口煤層氣參數(shù)井煤巖綜合測(cè)井圖(圖3)，結(jié)合3號(hào)煤層宏觀煤巖類型描述結(jié)果，劃分出不同宏觀煤巖類型評(píng)價(jià)測(cè)井曲線響應(yīng)范圍(表1)，利用建立的指數(shù)HMLZ分別計(jì)算出煤巖類型分區(qū)范圍[11-12]。研究區(qū)3號(hào)煤層宏觀煤巖類型的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)為：HMLZ>20.0為光亮煤；10.0

圖3 SZB-007井宏觀煤巖類型測(cè)井特征驗(yàn)證曲線Fig.3 Logging characteristic verification curve of marcolithotypes in SZB-007

表1 宏觀煤巖類型電性參數(shù)及判別指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard of electrical parameters and discrimination index of marcolithotypes

依據(jù)建立的宏觀煤巖類型測(cè)井模型和判別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)未參與計(jì)算的10口井進(jìn)行煤巖類型劃分，并與煤巖描述結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，吻合率為85%～89%，驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明預(yù)測(cè)模型可靠性和準(zhǔn)確性較好[13-14]。

以SZB-007井為例，3號(hào)煤層埋深為1 220.5～1 228.3 m，現(xiàn)場(chǎng)描述在上部1.23 m發(fā)育半亮煤，中間1 221.23～1 224.74 m發(fā)育光亮煤，下部1 224.74～1 227.07 m發(fā)育半亮煤，底部發(fā)育0.5 m厚度的半暗煤。將指數(shù)HMLZ計(jì)算結(jié)果與煤巖描述進(jìn)行對(duì)比，吻合率為80%～86.5%，吻合率相對(duì)較高。對(duì)于存在的誤差，主要是受限于煤層氣參數(shù)井煤心觀察描述結(jié)果，其準(zhǔn)確性受制于現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)煤層的最上部與頂板的結(jié)合部位，受限于頂板巖性的影響，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生部分影響。相較而言，基于測(cè)井參數(shù)的宏觀煤巖類型評(píng)價(jià)方法是一種較可靠的定量性表征方法。

3.3 煤巖類型分布規(guī)律

按照指數(shù)HMLZ進(jìn)行研究區(qū)3號(hào)煤層宏觀煤巖類型分布規(guī)律評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示：研究區(qū)主要發(fā)育光亮煤和半亮煤，半暗煤和暗淡煤發(fā)育較少；半亮煤全區(qū)發(fā)育，厚度多為1.0～4.5 m，呈現(xiàn)南北厚度大、中間薄的分布特征，僅在區(qū)塊的東北角厚度小于1 m；光亮煤厚度多為1.5～3.5 m，呈現(xiàn)東西厚、中間薄，且局部不發(fā)育的特征；半暗煤呈現(xiàn)南北薄、中間厚的分布特征，厚度多為0.5～3.0 m，在區(qū)塊東北角半暗煤不發(fā)育；暗淡煤僅在區(qū)塊西南角發(fā)育，厚度為0.2～0.8 m(圖4)。

(a) 光亮煤厚度分布 (b) 半亮煤厚度分布

4 宏觀煤巖類型地質(zhì)建模

隨著煤層氣勘探開(kāi)發(fā)程度的深入，宏觀煤巖類型判識(shí)對(duì)井位部署、射孔選層和排采管控愈發(fā)重要。目前針對(duì)煤巖類型空間分布的研究較少，有必要建立宏觀煤巖類型的三維地質(zhì)模型，為區(qū)塊煤層氣開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。

依據(jù)煤巖類型測(cè)井判別模型，計(jì)算得出研究區(qū)3號(hào)煤層不同煤巖類型發(fā)育厚度，采用隨機(jī)地質(zhì)建模方法構(gòu)建出三維地質(zhì)模型，評(píng)價(jià)研究區(qū)煤巖類型空間分布規(guī)律[15-16]。從建立的模型(圖5)分析結(jié)果可以得出：光亮煤占比為15%～80%，平均36%；半亮煤占比為30%～92%，平均46%，主要分布在區(qū)塊的北部和南部煤層的中上段；半暗煤主要分布在區(qū)塊的中部煤層的中下段，呈EW向展布，平均厚度僅占15%；暗淡煤零星發(fā)育在區(qū)塊的西南角煤層的底部，平均厚度僅占3%。因此推斷研究區(qū)勘探開(kāi)發(fā)應(yīng)集中在光亮煤和半亮煤發(fā)育的北部為主，其次是南部[16-17]。

圖5 宏觀煤巖類型三維地質(zhì)模型Fig.5 3D geological model of marcolithotypes

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)3號(hào)煤層宏觀煤巖類型主要以光亮煤和半亮煤為主，半暗煤次之，暗淡煤不發(fā)育。利用宏觀煤巖類型在自然伽馬、補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差和深側(cè)向測(cè)井曲線的變化規(guī)律，建立宏觀煤巖類型指數(shù)HMLZ進(jìn)行定量識(shí)別，3號(hào)煤層判別標(biāo)準(zhǔn)為：HMLZ>20.0為光亮煤，10.0

(2)采用隨機(jī)地質(zhì)建模方法對(duì)3號(hào)煤層構(gòu)建宏觀煤巖類型三維地質(zhì)模型。其中，光亮煤和半亮煤分別平均占比36%和46%，主要分布在區(qū)塊的北部和南部煤層的中上段。宏觀煤巖類型分布主要與成煤環(huán)境、成煤物質(zhì)等相關(guān)。