测井资料在煤层气储层评价中的应用研究

杨克兵 左银卿 甘 健 杨春莉

(中国石油华北油田勘探开发研究院,河北 062552)

根据测井原理,测井资料在煤层气方面的应用可以归纳为：一类是基础研究,为煤层气储量计算、压裂提供的各类参数,包括煤层厚度、工业参数、含气量、物性参数以及岩石力学参数,测井数据解释结果与化验、试井、排采等数据非常接近,测井解释成果可为煤层气的勘探与开发提供可靠的理论依据;对煤层气完井的固井质量可以利用声幅测井、声波变密度测井、自然伽马测井、磁定位测井做出可靠的解释;另一类是测井地质应用,诸如地质研究、地层对比、煤层精细地质构造以及断层分布、沉积环境分析、地应力分析、煤层结构特征及裂缝发育程度,综合测井资料的应用尤其对水平井的钻进导向性非常重要。

1 常用煤储层测井评价技术

1.1 气层识别及煤层有效厚度

煤层附近岩性及组合状况对煤层气的富集和开采有重要意义。当顶板为相对致密 (泥岩或砂质泥岩)的隔水层时,有利于煤层气的保存与富集,如果泥岩类隔水层局部相变或构造运动,煤层气则有可能运移储存到具有一定渗透性的砂岩或灰岩储层中,因此,煤层气测井的储层识别不仅要划分出煤层,也应该把有利砂岩或灰岩储层识别出来,同时应用常规天然气解释方法,综合评价气层将有利于煤层气的地面开发。鉴于目前缺乏对该区砂岩储层的认识,建议在以后的工作中,有针对性的进行钻井取芯和室内实验,为解释模型及解释参数的建立和选择打下基础,确保不遗漏气层和正确评价储层。

图1 某井煤层工业组分实验数据关系图

划分煤层有效厚度是测井资料在煤层气勘探开发中最广泛的应用,主要依据自然伽玛、体积密度、补偿中子、电阻率和声波时差测井曲线对煤层的综合响应特征做为有效厚度、煤层的夹矸扣除的划分原则,制订煤层有效厚度解释标准,煤层和夹矸厚度划分以电性曲线的半幅点起划,煤层起划厚度为0.6m,夹矸层起扣厚度为0.1m。

郑庄区块东大井区上报探明储量区块在计算煤层气储量时,单井煤层厚度数值取自测井解释有效厚度,其电性解释标准主要依据煤层的电性响应特征制定。

1.2 煤层工业参数

根据实验分析结果,煤岩组分固定碳、水分、灰分、挥发分相互间有较好的关系。其中,灰分与固定碳之间相关性较高,相关系数都在0.9以上,数据显示 (见图1),随着灰分增加,固定碳急剧降低,挥发分缓慢增大,而水分由于含量较低变化不大。

可以看出,灰分与固定碳+挥发分之间的相关性最高,相关系数接近1,灰分与固定碳相关性也不错,一般高达0.9以上,灰分与挥发分及灰分与水分相关性差一些。

因此,采用建立解释模型的方式来对灰分等煤岩组分进行计算,是一种较好的方法。通过改善煤层的体积模型,并利用灰分与固定碳、挥发分等之间的相关性,取得了一定的效果。把煤层体积分成纯煤 (包括固定碳和挥发分)、灰分 (包括泥质和其它矿物)、水分 (孔隙中充满的水)三部分,作为对测井响应的贡献之和。关于密度、中子、声波测井等参数有下列公式：

式中：ρ、ΦN分别为煤层对密度、中子测井的响应值;ρc、ρa、ρw分别为纯煤、灰分、水分对密度测井的响应参数;Φc、Φa、Φw分别为纯煤、灰分、水分对中子测井的响应参数;Δtc、Δta、Δtw分别为纯煤、灰分、水分对声波测井的响应参数;Vc、Va、Vw分别为纯煤、灰分、水分的相对体积,通过求解方程组得到煤组分含量。

结合研究工区的测井资料情况,根据两种组合即密度-中子和密度-声波模式对有岩心分析的井进行了处理,图2是实验分析井段逐点处理的效果图,可以看出,用密度-中子和密度-声波两种模式计算效果差不多,计算结果与实验分析数据基本匹配,能够满足使用要求。

图2 煤岩分析孔隙度与测井声波时差关系图

1.3 煤阶

划分煤阶的测井方法,可以直接利用不同煤阶的煤层具有不同的测井信息特征划分煤阶。还可以利用测井信息计算出含碳量、挥发分、镜煤反射率及热值等,再依据相关煤阶划分标准确定煤阶。

1.4 煤层含气量

煤层煤质及含气量等参数的计算有别于常规储层的参数计算。

目前的测井参数除与工业分析有直接响应外,与煤层中所吸附的甲烷气体没有能分辨的响应。因此利用测井资料直接解释吸附甲烷气体是困难的,只能用间接的方法来确定。目前采用吸附等温线法、气体状态方程、多元回归分析和神经网络方法来计算含气量。

1.5 煤层物性参数

煤层属裂缝-孔隙双重孔隙结构,煤层的物性参数一般采用地层测试、岩芯物性分析测定或由核磁测井测量来确定煤层孔隙度和渗透率。当无地层测试、岩心物性分析资料及核磁测井时,采用常规测井信息中的声波时差、体积密度、补偿中子和双侧向电阻率曲线来计算煤层的孔隙度、渗透率、基质与裂缝孔隙度、裂缝渗透率等参数。

煤层基质孔隙度计算采用声波时差的平均时间公式：

式中 Φ——煤层孔隙度,小数;

Δt——煤层声波测井值 ,μs/m;

Δtma——岩石骨架声波时差 ,380～410μs/m;

Δtf——流体声波时差 ,620μs/m。

图3是研究区块煤岩岩心分析孔隙度与声波时差交会图,可以看出,点子关系不太好,主要是煤岩骨架声波时差是变化的,而且与煤岩的密度测井值有较好的相关性,因此,计算孔隙度先采用煤岩密度测井值计算煤岩骨架密度,再用上述公式计算煤岩孔隙度取得了较好的效果 (见图3、表1)。

图3 煤岩骨架声波时差与密度测井值关系图

表1 利用密度声波时差综合计算孔隙度与岩心分析孔隙度对比表

煤岩孔隙度的计算,由于煤岩骨架密度范围在320～420μs/m之间,因此,用声波经验公式计算孔隙度,采用固定的煤岩骨架密度,计算的孔隙度往往有一定的误差,达不到使用要求。通过采用密度测井资料计算煤岩的骨架声波,再用声波公式计算煤岩孔隙度的方法较好的解决了这一问题,使得煤岩孔隙度的计算精度大大提高,具有较大的使用价值。

1.6 岩石力学参数

岩石的力学参数与岩石的密度、弹性波传播速度以及电阻率等物理参数存在相关关系,利用测井资料确定地层破裂压力参数通过两种途径：一是根据地层倾角测井确定地层的最大水平主应力和最小水平主应力的大小;二是根据全波波列测井来确定地层的破裂压力和压力梯度。在煤层气井水力压裂时可以估计所需的压力,达到将地层压开的目的,提高施工成功率,提高煤层气采收率。

利用地层倾角数据确定地层应力大小的理论依据是孔壁岩石崩落方向指示最小水平主应力的方向,水力压裂法即可测量应力的方向又可测量应力的大小。

用全波列测井确定地层破裂压力,利用声波全波列测井资料获得地层纵波速度和横波速度结合密度测井资料,可以计算地层弹性模量。

2 测井资料地质应用

煤层气勘探开发选区及优选有利目标区块的前提是综合地质评价,对煤层的区域横向变化、构造、顶底板层横向变化及封堵性、煤层力学参数、含气量和煤层各工业组分的区域分布和地应力等进行综合评价,将为区块煤层气的勘探开发提供可靠的数据基础,需要建立包括煤岩性质和结构、裂缝类型及发育程度、裂缝孔隙度、渗透率、煤层气含量及有效厚度等项煤层气储层综合评价指标和进行煤储层精细描述,地球物理测井评价技术的发展应用基于煤层气储层综合评价指标和煤储层精细描述的要求,运用地球物理测井技术理论,结合有关地质资料,达到通过测井信息识别煤层,精细评价煤储层煤质、内部结构特征、煤层含气性、物性、力学性质及其横向变化规律,准确分析煤层顶底板层岩性、物性、含流体性质以及岩石机械特性参数等;为含煤岩系的划分与对比、优选有利目标区块避开煤体结构强烈破碎、煤储层可改造性差的区段井位部署做好基础研究工作。

3 煤层气测井技术研究方向

在煤层气测井技术应用过程中,测井研究人员已经意识到利用测井技术推测煤储层的参数尚不成熟,需要加强煤层气测井基础理论方面研究,系统地开展煤储层测井评价方法研究,建立煤储层测井综合评价体系;加强特殊测井技术应用研究力度,如对核磁共振测井、成像测井等的应用上深入研究,应用取得的有限资料,逐步形成测井综合地层判识技术系列研究成果并推广应用。

水平井是煤层气开发重要手段,如何利用随钻测井技术和可视化技术实现煤层三维地质体的随钻更新,如何利用随钻测井、录井资料和可视化技术,实时监控井眼轨迹在煤层中的空间位置,确保多分支水平井井眼轨迹在煤层中沿伸,提高煤层的钻遇率是当前研究的重点。

[1] 赵保中,郑应阁,吴正元.浅谈煤层气测井技术[J].中国煤炭地质,2008.12(20).

[2] 刘丽民、魏庆喜、徐仁桂,煤层气常规测井技术与应用 [J].中国煤层气,2008.1(5).

[3] 许晓民、何公民,利用测井技术识别储层气的技术方法 [J].煤炭技术,2008.6(27).

[4] 中国石油学会石油测井学会.测井资料的地质应用[M].北京：石油工业出版社,1991.

[5] 李国平等.测井地质及油气评价新技术 [M].北京：石油工业出版社,1995.