鄂东气田煤层气储层测井综合评价方法研究

2013-10-25刘之的杨秀春陈彩红张继坤

测井技术 2013年3期

刘之的，杨秀春，陈彩红，张继坤

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065；2.中国石油煤层气有限责任公司，北京 100028）

0 引言

鄂尔多斯盆地东缘煤层埋深适中、煤层厚、含气量高，且原始渗透率较高，以肥、焦煤为主，有少量瘦、贫煤，具有适合煤层气开发的优质地质条件［1］。煤层气储层是否优质是由多个储层参数综合表征的［2－3］。煤层气储层的储气性受地下多个地质因素的相互影响。譬如含气量高的煤层，可能因为煤层很薄、渗透率低而难以开采；又如煤层含气量低的储层，会因渗透率高、煤层厚，且割理发育而易于开采。综合考虑各个储层参数，尤其是影响储层优质程度的主控参数，并充分挖掘测井资料中所蕴含的煤层气储层信息，利用模糊数学方法对煤层气储层进行综合评价，从而更为全面、准确地为煤层气开发决策和选区部署提供依据。

1 煤层气储层测井综合评价指标优选

煤层气储层综合评价方法从储层的多种参数出发，包括储层定性和定量的性质，找出它们与储层煤层气储量和产能的内在关系，并用相对的概念估计其贡献的大小，从而对储层好坏做出等级分类和产能估计。因此在综合评价中，应采用足够多的信息，包括测井、地质、钻井和测试等资料，把影响储层好坏的各种因素都考虑到，例如，煤岩性质、结构、构造、裂缝状态、储集类型、孔隙度、含气量、渗透率和有效厚度等。然后，对反映这些因素的信息，根据它们对地质因素反映的可信度和地质因素对储层好坏贡献的大小，赋予相应的权值，并用一定的计算式计算这种权值大小的各种储层评价指标，最后用一定的数学方法将这些指标综合起来作为最终评价储层的指标［4］。

通过综合分析前人已提出的裂缝性储层评价指标，并结合煤层气储层综合评价的特点，给出6个评价指标。

1.1 煤岩性质和结构指标Lx

煤岩性质和结构主要取决于煤体本身的物理－机械特征及煤层所受的构造破坏程度［5］。构造煤因其呈粉末状、糜棱状，裂隙已不复存在，仅有的颗粒孔隙也被更细的煤粉所充填，以至于煤层渗透率特低。碎裂结构煤的裂隙较发育，故碎裂煤储层的渗透率一般较高；而原生结构煤的裂隙发育虽较碎裂结构煤差，但易于实施压裂或注气提高采收率等增产措施。

对于煤层气储层剖面，通常认为不含杂质的纯煤层岩性和结构较好，故令其岩性和结构指标L′x＝1；其他煤层岩性和结构次之。当煤层含有泥、灰质时，储集物性明显变差，因此必须考虑泥、灰质含量，于是岩性和结构指标Lx可表示为

式中，Vsh为泥、灰质含量，小数。

1.2 裂缝发育程度指标I

对于煤层气开发，煤储层中发育的裂隙和割理系统构成了气、水产出的主要通道。因此，准确评价裂隙和割理发育程度对于煤层气储层物性特征的评价至关重要［6－7］。在煤储层中发育较好、对渗透性贡献较大的是内生裂隙（割理）系统，因此，在煤层气勘探开发中，人们更关注煤层气储层中割理的发育特征，因为对于高产煤层气预测及最佳开发策略的制定，割理渗透率是影响煤层气产能的关键因素之一［1，4］。

裂隙起着沟通裂隙与孔隙的作用，其发育的连通性好坏对储层渗透率的影响较大。如果大裂隙的连通性较差，即使裂隙再发育，也起不到沟通裂隙与孔隙的作用，对渗透率贡献较小。微裂隙是沟通孔隙与宏观裂隙的桥梁，其发育程度影响储层的渗透性能。

通常利用岩石破裂系数作为裂缝发育程度指标，即

式中，E为煤岩体的动弹性模量，可利用测井资料求得；Ema为煤岩石骨架的动弹性模量，由理论求得。

1.3 裂缝孔隙度指标F

由于孔隙中充填有气、水及其混合物，其电阻率比原状煤层电阻率大，因此可通过双侧向测井和密度测井计算孔隙度。煤层孔隙度的计算一般是指计算其裂缝孔隙度。还可利用中子、密度和声波三孔隙度测井定性判断煤层气的孔隙度。煤层的总孔隙度越大，密度值就越小，密度测井和声波时差测井值就越大。

煤的裂缝孔隙系统是煤层气渗流的必经通道，裂缝孔隙发育程度会影响煤层气的渗流能力。裂缝孔隙度的大小对煤储层的渗透性意义重大，因此这里选取裂缝孔隙度作为煤储层综合评价的另一个重要参数。

裂缝孔隙度指标F定义为

式中，φf为裂缝孔隙度，%；φt为煤岩的总孔隙度，%。

1.4 渗透率指标P

煤层渗透率高低取决于其总孔隙度（即割理、外生裂隙和微孔隙）的发育程度。煤层基质孔隙主要储集煤层气，煤层割理则作为煤层气的流动通道［8］。

根据自然伽马、自然电位、侧向测井以及井径测井等测井曲线在渗透层和非渗透层一般变化规律可知，自然伽马在渗透层表现为低值；自然电位在渗透层表现为绝对值高值；深浅双侧向曲线在渗透层有幅度差；井径测井表现为缩径，从而根据综合测井曲线可定性判断煤层的渗透性。

储层的渗透率是反映煤层中气、水的流体渗透性能的重要参数，它反映了开采过程中煤储层对解吸甲烷的渗流能力，高渗透率是煤层气井高产的重要条件，它是煤储层物性评价中最直接和最重要的评价指标。

渗透率指标P定义为

式中，Kt为利用测井资料计算出的煤储层总渗透率，mD＊；Ke为有效渗透率下限值，mD。

1.5 煤层气含量指标G

煤储层中气体主要以吸附状态赋存在煤的微孔表面内，因此含气性是储层应具备的基本条件，是评价储层优劣的基本指标。一般以单位质量煤的气含量（m3／t），即（原位）含气量评价煤储层的含气性。含气量主要通过钻井现场和实验室的岩心罐解吸实验获得，主要包括吸附气、损失气和残余气等。对于成藏的影响因素，煤储层的含气量大小是最重要的因素，是煤层气富集的体现。

煤层含气量是煤层气勘探和开发中一个关键参数［9－10］。分别将煤层含气量与其对应的测井曲线进行相关性分析，包括煤层含气量与深侧向电阻率、声波时差、补偿中子、体积密度、自然伽马等测井值进行交会图分析，其中，体积密度、自然伽马相对值与含气量相关性较好。

煤层气含量指标G定义为

式中，Vg为利用测井资料计算出的煤层气含气量；Ge为煤层气储层有效含气量下限值。

1.6 有效厚度指标H

在全井产量达到储量起算的产量标准时，在现有工艺技术允许的生产压差条件下，具有煤层气生产能力的那部分煤层厚度，称为有效厚度［4］。就每个单层而言，其独自的产量并不一定要达到起算产量标准。由于各气田的地质、技术、经济条件不尽一致，最低工业气流产量各异，所以不同地区有效厚度的标准也不一样。决定起算标准的具体参数主要有煤层的孔隙度、渗透率、煤层含气量、单层厚度等。煤层气储层有效厚度在储量计算、气田开发中具有重要意义。

将有效厚度指标H定义为

式中，ht为利用测井资料计算出的煤层有效厚度，m；he为有效厚度的下限值，m。

2 煤层气储层综合评价模型构建

模糊综合评判方法是应用广泛的多因素综合评价方法之一，它对用模糊数表示的不确定性评价因素体系有着良好的处理能力［1］。

煤层气储层的品质与储层参数有关，各个储层参数对其品质的影响各不相同，为此，难以利用常规方法对煤层气储层的优劣做出准确评价。然而，模糊数学研究的客观事物中各种不确定现象及其相互关系。其中的模糊综合评价方法是在对某一现象进行评价时，对引起这一现象的各种因素（其中的各因素均带模糊性）进行评价，最终获得对原现象的评价值。为此，本文试图利用模糊数学解决煤层气储层综合评价问题。

2.1 基本原理

模糊综合评判是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，在考虑与被评价相关多种因素的影响下，对某事物作出综合决断（评判）。

设有2个有限论域，即

式中，论域U代表模糊综合评判因素所组成的集合，称为因素集，ui为被考虑的第i个因素；论域V代表模糊综合评判评语所组成集合，称为评判集或评语集，vj为第j种评判结果。

设W＝（w1，w2，…，wn）是因素集U上的一个模糊向量，B＝（b1，b2，…，bm）是评判集V上的一个模糊向量，R是从U到V的一个模糊映射，如果用矩阵表示，有

式中，R为模糊矩阵；rij为模糊矩阵元素。

分析rij可以看出，它实际上可以看作仅从单一因素ui考虑，确定该事物对评判结果vj的隶属度，所以R又可称为隶属度矩阵。那么从W到B的变换为

2.2 模糊综合评判的数学模型

根据模糊综合评判方法的基本原理，利用模糊综合评判方法进行多测井参数煤层气综合评判（识别）可归结为如下数学问题，即

式中，B（1）为模糊综合评判向量为模糊综合评判向量元素；W（1）＝（）1×n为权系数向量（矩阵），或为权系数（矩阵）元素；W（1）＝（）1×n为隶属度矩阵，为隶属度矩阵元素。

关于模糊综合评判算法，可采用加权平均法和以加代替最大法等。

（1）加权平均法

（2）以加代替最大法

（3）以乘代替最小法

根据最大隶属原则，若

则待识别对象属于第L类储层。

分析上述3种评判计算方法可知，加权平均法为加权平均型的模糊综合评判，依模糊权系数的大小对所有因素均衡兼顾，适用于要求总和最大的情形；以加代替最大法为主因素决定型的模糊综合评判，其评判结果只取决于在总评价中起主要作用的那个因素，而忽略了其他因素；以乘代替最小法为主因素突出型模糊综合评判，它与取大取小法很相似，但是要精细些，不仅突出了主要因素，而且也兼顾了其他因素。

3 煤层气储层测井综合评价实例分析

基于前述煤层气储层测井综合评价方法的研究，利用测井资料计算了研究区6口井3个主力煤层的煤岩性质和结构指标Lx、裂缝发育程度指标I、裂缝孔隙度指标F、渗透率指标P、煤层气含量指标G、有效厚度指标H（见表1）。

利用模糊综合评判方法，对表1中的数据进行处理，得出不同井、不同煤层气储层的品质优良与否。研究发现，以加代替最大法和加权平均法2种方法对最优评判的结果一致，但对良好层和较差层的评判并不对应，为此，研究参考了以乘代替最小法综合确定。基于前述3种模糊综合评判方法综合评价5号煤层中，韩试10、韩试11、韩试19井最优，韩试3、韩试4井次之，韩试12井则较差。11号煤层中，韩试10、韩试11综合评判结果最优，韩试12、韩试19井次之，韩试4井则较差。

表1 煤层气储层测井综合评价指标的模糊集

图1是韩试10井单井综合评价成果图。该井5号煤层室内分析化验可知，水分、灰分、挥发分均比较低，水分含量0.62%～0.95%，平均为0.83%；灰分含量17.17%～43.52%，平均为27.83%；挥发分9.93%～14.70%，平均为11.76%；从5号煤层的3个煤样等温吸附结果来看，该区煤层总体吸附能力强，5号煤层原煤的理论最大吸附量11.84～25.29m3／t，平均为19.42m3／t，兰氏压力总体上较小，5号煤层兰氏压力1.59～2.15MPa，平均为1.88MPa；煤层含气量7.85～9.64m3／t，平均8.94m3／t。如前所述，该井5号煤层含气量较高，水分含量较低，灰分含量较高，显微组分以镜质组为主，矿物含量较低，含气饱和度较高，临界解吸压力较高，煤层总体吸附能力强，煤层气含量高。利用本文所述方法将该井5号煤层综合评价为Ⅰ类储层，局部夹Ⅱ类储层，与室内测试分析的各项参数所表征的煤层气储层性能均具有较好的一致性。