煤层顶底板层封盖性评价技术

张莉莉 蔡文渊 张兆陵 陈琼陶

(1． 中油测井公司，北京 100101; 2． 长城钻探工程公司测井国际业务项目部，北京 100101;

3． 中国石油华北油田第一采油厂任北作业区，河北 062552)

1 煤层顶底板封盖能力定量评价技术

煤层封盖层是指煤层顶、底板在一定厚度范围内的有效岩层，构造上分为区域封盖层和圈闭封盖层。封盖能力强弱是各种地质因素和地质作用过程的综合作用结果，主要取决排驱压力、煤层含气压力、煤层厚度与埋深、封盖层岩性与厚度、构造发育程度、岩层倾角等，这些因素直接影响着煤层甲烷气纵向运移扩散能力的差异，以及煤层气开发的采气量。

以QS 盆地ZZ 区块为研究对象，利用测井资料，结合钻井、录井，以及实际煤样及分析化验煤心含气量为依据，对区块煤层顶底板封盖能力进行定量分析。结果表明，在诸多封盖能力影响因素中，以顶底板层岩石类型 ( 岩性、电性、物性、含气性等) 、厚度、节理裂隙发育程度等3 个因素最为重要，选用岩性比( 区块主力煤层顶底板主要为灰岩时可为灰泥比) 、岩层厚度、孔隙度、电阻率、裂隙指数等5 个参数对封盖能力进行定量评价。

图1 煤层及顶底板测井响应特征图

1.1 岩性比

区块煤系地层中，煤层3#煤顶底板封盖层岩性以砂岩、泥岩、砂泥交互、夹炭质泥岩为主，电阻率Rt 对岩性指示明显有别于煤层( 图1) ，定义顶底板的计算井段内自然伽马最低处岩性比为0、最高处为1，以S 为1 时封盖能力最强。通过计算主力煤层上下30m 的顶底板层的岩性比，从岩性上定量的判断顶底板层的好坏。表1 是3#煤层顶底板层岩性比数据表，表中岩性比平均为0．57，说明顶底板层的岩性主要以含砂泥岩为主。3#煤层顶、底板层封盖性最好的井是ZS59 井，最差的井是ZS46 井。

表1 3#煤层顶底板层岩性比

由顶底板岩性比等值线图( 图2) 分析，在ZZ 区块，中北部、南部、西部的井的封盖性要好于东部地区，ZS59、ZS19、ZS28 井区，3#煤顶底板层的封隔品质好。ZS50、ZS46 井顶板层的封盖品质较差。

图2 3#煤顶底板层岩性比等值线图

1.2 物性分析(孔隙性φ、含水性)

3#煤顶、底板层的孔隙度是由核磁测井孔隙度得到的。3#煤顶、底板层的孔隙度平均值在0．24% ～4．03%之间，个别含水层段孔隙度值达到8%。底板层孔隙度要稍高于顶板层孔隙度。顶、底板层孔隙度分布( 图3) 。

图3 3#煤顶、底板孔隙度分布等值线图

从整个区域来看，ZS25 井区孔隙度最大( 图4) ，核磁测井成果图显示在3#煤之下的泥岩段T2谱分布以小到中孔分布，泥岩段之下的砂岩层T2谱分布为中、大孔，并且有较多的可动水指示。ZZ44 井区孔隙度次之，核磁测井成果图( 图5)显示3#煤顶、底板层T2 谱分布以小到中孔分布为主，有大孔径分布，分析认为该井3#煤顶、底板层岩性为含砂泥岩、砂泥岩，有中孔发育。

图4 ZS25 井3#煤及顶底板层核磁测井曲线图

1.3 顶底板裂缝特征分析

煤层顶底板中存在的裂缝对其机械性能和纵向渗透率影响很大，能造成顶板岩石强度降低、井眼失稳，以及煤层中甲烷气的逸散，使整体封盖能力减弱，不利于煤层气的保存，从而影响煤层气开发产量。综合分析电阻率成像测井资料( 图6) ，把区块上煤层顶、底板裂缝发育程度总结为5 种情况( 见表2) ，由裂缝指数FI 定量表示。

1.4 顶底板地应力分析

地应力是构造裂缝发育状况的控制因素，也控制着压裂裂缝的高度，最小应力方向决定压裂裂缝扩展方向，因此对煤层压裂注采的实施十分关键。地应力大小Sh 可由常规、地层倾角、电阻率成像、阵列声波测井资料求出。

图6 顶、底板层有裂缝发育程度

通过对本区块上各井中出现的应力型井眼的分析统计，本区域主要最大主应力方向为北西-西-南西至南东-东-北东方向，表明本地区构造主应力方向为南东-东-北东方向。区块上山西、太原组地层中发育的裂缝主要方向为南东-东-北东方向( 同时存在局部应力影响产生的少数裂缝) ，煤样中裂缝状况清楚，表明区域上主要裂缝发育方向与最大主应力方向基本一致( 图7) 。

图7 裂缝发育方向与地应力方向示意图

通过以上关键参数的分析计算，得到煤层顶底板封盖能力指数，对单井和区域的主力煤层封盖能力SCI 作出定量计算，公式如下，与煤层结合为一个整体去评价煤层的生、储、盖、含气量，有效指导开发层段的优选。

SCI=A0·H +A1·S +A2·ΔRt +A3·φ +A4·FI + A5·Sh ( H: 封盖层厚度，S: 岩性比，ΔRt: 深浅电阻率差异，φ: 孔隙度，FI: 裂缝指数，Sh: 地应力; A0～A5: 经验系数)

表2 ZZ 区块顶底板裂缝发育程度分类

图8 ZSS54 井好煤层典型图例

图9 ZS49 井煤层封盖能力降低

2 煤储层开采层段优选分析

煤层含气量是评价煤层气资源的重要参数。优选开发层段可以减小地质风险，提高采气量。

例如ZS54 井3#煤( 图8) ，岩心分析的含气量为28．5m3/t，测井计算为24．45m3/t，开发选择整个3#煤，日产气2238m3，水0．3m3，三者反映一致。煤层厚度大，煤质好，灰分含量低，割理发育，顶底板为20 多m 厚致密泥岩，成像显示无裂缝发育，核磁显示无可动流体，封盖性好。

ZS49 井3#煤( 图9) ，岩心分析的VGAS 为5．64m3/t，测井计算为24．87m3/t，排采为层段3#煤层段，日产气1281m3，水14m3。电成像资料显示煤层存在构造缝、整体电阻率偏低、水动力活跃，且顶板裂缝发育，常规曲线显示顶部20#层有含气现象，表明盖层封盖能力减低，煤层气可能逸散至20#层，导致实际煤层含气量降低，因此认为在本煤层开采时应同顶部盖层同时压开以求的高产。

3 结论

利用测井资料计算煤层顶底板层的岩性比，成像、阵列声波测井资料进行煤层顶底板层裂缝参数，地应力大小与方向，核磁资料得到的地层有效孔隙度、束缚流体及可动流体体积、含气含水性分析等四种方法，进行煤层及顶底板层封盖性质的定量评价，形成煤层封盖能力的关键参数评价技术，对优选煤储层段及优化压裂方案能提供意见。该技术在山西沁水盆地工程示范区应用效果好，在优选实施的一些井中产气量大幅提高，为提高煤层气采收率、获得更高的经济效益发挥了重要的作用。

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