煤岩参数测井解释方法——以韩城矿区为例

邵先杰，孙玉波，孙景民，汤达祯，胥昊，董新秀，吕玉民

（1. 燕山大学石油工程系；2. 中国石油勘探开发研究院；3. 中国地质大学（北京））

0 引言

20世纪80年代，随着煤田数字测井技术的发展，煤田地质测井及解释技术不断完善，其对煤层厚度、煤质的评价日趋完善，基本可满足煤矿开采的需求。但随着近10多年来国内外对煤层气的开发，对煤储集层的测井解释精度要求越来越高，指标数量也越来越多，原先为煤层开采建立的测井解释系统和方法已不能满足煤层气开发的需要[1]。

韩城地区主要发育石炭-二叠系煤层，主要含煤层位为3#、5#、11#3个煤层，埋藏深度一般400～1 000 m，单层厚度1.5～10.0 m，地层压力系数0.6～0.8，孔隙度 1.5%～8.0%，渗透率 0.01×10−3～2.50×10−3μm2，含气量3.51～14.13 m3/t。以瘦煤、贫煤为主，部分为焦煤，主要特点是低压、低渗、高含气。截至2011年底，韩城地区已有各类生产井近千口，是中国煤层气开发规模较大、生产时间较长、资料最丰富的地区之一[2]，为开展煤储集层综合研究奠定了基础。

1 煤岩参数测井解释原理

目前国内外应用于煤的测井解释方法基本上沿用了砂岩储集层的测井解释方法，即把煤储集层看作由固定碳、挥发分、灰分（包括泥质和其他矿物）、水分（孔隙中充满的水）4部分组成，根据各组分对补偿密度、补偿中子、声波速度的贡献，建立响应方程[3]，求出煤岩参数，然后利用煤岩参数与含气量之间的关系，采用神经网络方法或其他方法求出煤层气含气量[4]。由于挥发分的物理参数不易得到，故把挥发分与固定碳合并为一种组分进行计算，但是固定碳和挥发分的物理参数对测井响应差别非常大，合并为一种组分求出的煤岩工业组分有很大误差；同时，对固定碳、灰分的物理参数测试存在一定困难，故采用的也是近似估算值；建立模型时忽略了甲烷组分。基于上述原因，求出的煤层气含气量误差很大。笔者通过对韩城矿区大量煤样密度和声波速度参数的测定，采用枚举法准确标定固定碳、灰分、挥发分的密度和声波速度值；研究煤岩工业组分之间的关系及其对补偿密度、声波时差测井响应，建立煤储集层工业组分、孔隙度和含气量解释模型；编制测井解释软件，并通过实际生产检验效果。

2 煤岩实验及工业组分物理参数标定

按照《煤的工业分析方法》[5]、《煤和岩石物理力学性质测定方法》[6]和《岩石声波特性的实验室测定》[7]等国家标准提供的技术方法，笔者分别测定了韩城矿区煤岩的工业组分、含气量、密度、孔隙度和声波速度参数。由于煤岩易碎，制样比较困难，因此本实验共采样165块，成功样品90块，成功率54.5%，其中各项参数齐全的样品28个（见表1）。测试结果表明：煤层的灰分含量为5.91%～75.25%，平均为21.87%；固定碳含量为14.44%～81.45%，平均为64.57%；挥发分含量为8.75%～20.27%，平均为12.98%；干燥基总含气量为1.12～16.91 m3/t，平均为8.34 m3/t；密度为1.40～1.80 g/cm3，平均为 1.54 g/cm3；声波速度为2 182.94～2 759.35 m/s，平均为2 367.67 m/s（为了模拟地下实际情况，声波速度在煤岩饱含水条件下测定）。

测井上常用的“岩石体积模型”是根据岩石的组成，按其物理性质的差异，把单位体积岩石划分成几个部分[8-9]，然后研究每一部分对宏观岩石响应物理量的贡献，并把岩石的宏观物理量响应看成是各部分贡献之和[10-11]。

煤岩工业组分中的挥发分是煤样在隔绝空气的条件下，加热到900±10 ℃时挥发掉的部分，用实验方法不可能直接测出挥发分的密度、声波速度等物理参数。灰分、固定碳的声波速度直接测定也存在很大困难和误差，因为得到的灰分和固定碳再制作成测量声波速度的样品时就会改变其结构，影响测试结果[12]。

虽然煤岩各工业组分的物理参数不能直接测试得到[13]，但在长期实践中摸索出了依据实验数据，采用枚举法间接计算煤岩工业组分物理参数的方法，实践证明结果能够满足煤储集层参数解释的精度要求。

假定干燥煤岩样品的密度为灰分、固定碳、挥发分和水分（内在水）各组分贡献之和，即：

依据表 1中的数据采用枚举法标定结果为：灰分密度为2.47 g/cm3，固定碳密度为1.39 g/cm3，挥发分密度1.05 g/cm3，所有样品的平均相对误差为2.0%，精度较高。

表1 韩城地区煤储集层实验数据表

同样，假定煤岩样品的声波速度等于灰分、固定碳、挥发分、水分（内在水）和孔隙水各组分贡献之和（声波速度实验时，孔隙中饱含水，此时工业组分的百分含量要与孔隙水和内在水一起重新换算，使之总和为100%），即：

依据表 1中的数据采用枚举法标定结果为：灰分声波速度为3 480 m/s，固定碳声波速度为2 310 m/s，挥发分声波速度为1 770 m/s，所有样品的平均相对误差为 3.9%。由此可知，3者的测井声波时差分别为287.36 μs/m、432.90 μs/m 和 564.97 μs/m。

根据表 1实验结果拟合煤岩密度与固定碳、灰分含量关系，结果显示（见图 1、图 2），煤岩密度与灰分含量呈正相关，与固定碳含量呈负相关。由于固定碳疏松多孔，密度低，煤岩的声波速度与固定碳含量呈负相关（见图3），与灰分含量呈正相关（见图4）。

图1 煤岩密度与灰分含量关系图

图2 煤岩密度与固定碳含量关系图

3 煤岩工业组分的测井响应

韩城矿区目前主要进行了补偿密度、补偿声波、补偿中子、深浅侧向、自然电位、自然伽马、井径等测井，上述测井系列在一定程度上能够反映岩性、煤岩性质、孔隙度、含气状况，也可以用于间接估算渗透率[14]。

图3 煤岩声波速度与固定碳含量关系图

图4 煤岩声波速度与灰分含量关系图

煤层相对于围岩测井曲线特征差异较大，测井曲线突出表现为：密度低、自然伽马低、自然电位负异常、声波时差大、补偿中子孔隙度高、电阻率高，即具有“三高三低”特点。结合煤层扩径率较高的特点，通常可采用人工解释的方法划分煤层，或采用模式识别方法自动划分煤层、识别岩性。

通过对12口井90个样品的准确归位，统计了各样品层段的补偿密度、补偿声波时差测井值。考虑到样品归位时可能存在误差，对于测井曲线跳跃比较大的层段取邻近几个样品的平均值作为样品的测井响应值。

密度测井可以定量解释不同岩层的密度。由于不同煤层的组分不同，密度存在差异，密度测井曲线上的响应也存在一定差异。根据取心井资料统计了灰分含量、固定碳含量与补偿密度测井参数之间的响应关系，结果表明：随着灰分含量增加、固定碳含量降低，补偿密度测井值增大（见图 5、图 6）。同时，工业组分含量与声波测井值之间也存在一定关系：随着灰分含量降低、固定碳含量增加，补偿声波时差测井值增大（见图 7、图 8）。煤储集层工业组分与测井响应之间的良好关系为建立测井解释模型奠定了基础。

4 煤储集层工业组分、孔隙度、含气量测井解释模型

图5 补偿密度测井与灰分含量关系图

图6 补偿密度测井与固定碳含量关系图

图7 补偿声波时差测井与灰分含量关系图

图8 补偿声波时差测井与固定碳含量关系图

前已述及，随着灰分含量的增加，煤岩补偿密度测井值增大、补偿声波时差值降低；相反，随着固定碳含量的增加，补偿密度测井值降低、补偿声波时差测井值增加。上述关系都存在较好的相关性，因此，可以以这两种测井曲线为基本参数，依据实验样品对测井的响应关系，通过多元回归分析，分别建立灰分和固定碳含量的测井解释模型。

灰分含量多元回归模型为：Sad=−6.480 3−0.099 9 Δt+45.396 7ρDEN，复相关系数R=0.924 3；固定碳含量多元回归模型：lnSfcd=−31.245 0 + 11.204 7 lnΔt + 1.846 1 lnρDEN−0.886 8(lnΔt)2−3.425(lnρDEN)2，复相关系数 R=0.954 2。

根据测井学上常用的体积模型法[15]，把煤储集层看作是由固定碳、灰分、挥发分、内在水、孔隙水和吸附甲烷等 6部分构成，依据补偿密度测井和声波时差测井可以列出如下方程组：

上述方程组中，Sfcd、Sad已求出，内在水含量Smad一般小于1%，韩城地区平均为0.65%，可忽略不计，甲烷在地下呈凝聚态（或液态）吸附在基质颗粒表面，其密度ρg取 0.375 g/cm3，声波时差值 Δtg取757 μs/m。固定碳、灰分、挥发分的密度和声波时差前述实验已经标定，分别为ρfcd=1.39 g/cm3、Δtfcd=432.90 μs/m、ρad=2.47 g/cm3、Δtad=287.36 μs/m、ρvdaf=1.05 g/cm3、Δtvdaf=564.97 μs/m，内在水和孔隙水的密度ρmad=ρw=1.0 g/cm3、声波时差Δtmad=Δtw=666.67 μs/m。这样就只有挥发分含量Svdaf、孔隙水含量Sw和吸附态甲烷含量Sg3个未知数，通过解上述方程组，就可以求出这3个参数。Sw、Sg之和即为孔隙度，Sg为单位体积的煤在地下吸附态的含气量，地下凝聚态（液态）甲烷密度为0.375 g/cm3，地面条件下甲烷气体的密度为6.756×10−4g/cm3[16-17]，通过换算可得到地面每吨煤的含气量Sg′：

上述方法确定的固定碳、灰分、挥发分含量是在整个煤储集层中的比例，即各自在全部 6组分中的比例，可通过换算求出各自在干燥煤样中的百分含量。

5 应用实例

笔者利用上述研究成果编制了一套煤层气测井解释软件，对研究区内部分新取心井进行了测井解释，将结果与岩心实测结果对比（见表 2、图 9），结果表明，灰分含量、固定碳含量、挥发分含量、含气量、孔隙度平均相对误差分别为 3.38%、2.33%、7.64%、3.68%、5.55%，测井解释精度较高，可以满足实际生产的需要。

表2 HHS2井测井解释结果与实验结果对比

图9 HHS2井煤储集层参数解释结果

6 结论

煤层含气量、密度及声波时差特性受煤岩工业组分的影响比较明显，随着固定碳含量增加、灰分含量降低，煤层测井密度值降低，声波时差值增大。笔者通过大量实验，采用枚举法标定煤岩各工业组分的密度、声波速度，在理论上依据充分，实际应用中可操作性强，结果精度高。该方法解决了煤岩各组分物理参数无法直接准确测定的难题，为准确建立测井解释模型奠定了基础。将统计分析法与理论模型法相结合，建立研究区煤储集层工业组分、含气量、孔隙度解释模型，进而编制了煤层气综合测井解释软件，实际应用效果良好。

符号注释：

ρ——煤岩密度，g/cm3；ρad——灰分密度，g/cm3；Sad——灰分相对含量，%；ρfcd——固定碳密度，g/cm3；Sfcd——固定碳相对含量，%；ρvdaf——挥发分密度，g/cm3；Svdaf——挥发分相对含量，%；ρmad——水分（内在水）密度，取1.0 g/cm3；Smad——水分（内在水）相对含量，%；v——煤岩声波速度，m/s；vad——灰分声波速度，m/s；vfcd——固定碳声波速度，m/s；vvdaf——挥发分声波速度，m/s；vmad——内在水声波速度，取1 500 m/s；vw——孔隙水声波速度，m/s；Sw——孔隙水相对含量，%；ρw——孔隙水密度，g/cm3；Sg——吸附态甲烷相对含量，%；ρg——吸附态甲烷密度，

g/cm3；Δt——煤岩声波时差，μs/m；Δtfcd——固定碳的声波时差，μs/m；Δtad——灰分的声波时差，μs/m；Δtvdaf——挥发分的声波时差，μs/m；Δtmad——内在水的声波时差，μs/m；Δtw——孔隙水的声波时差，μs/m；Δtg——吸附态甲烷的声波时差，μs/m；Sg′——地面每吨煤的含气量，m3/t；GR——自然伽马，API；SP——自然电位，mV；ρDEN——补偿密度，g/cm3；φCNL——补偿中子孔隙度，%；RLLD——深侧向电阻率，Ω·m；RLLS——浅侧向电阻率，Ω·m；R——复相关系数。

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