利用自然伽马曲线确定煤层粘土矿物含量

张杰伟，王 力

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 048000)

利用自然伽马曲线确定煤层粘土矿物含量

张杰伟，王 力

(中联煤层气有限责任公司晋城分公司，山西 048000)

文章通过制定科学的参数井选井原则，在岩心归位的基础上分析了柿庄南、柿庄北区块3号煤自然伽马曲线与粘土矿物、灰份、井径的相关关系，发现利用自然伽马曲线通过一元回归、多元回归、约束最优化模型等计算方法计算煤层工业组分并不准确。通过统计数据拟合找出了自然伽马曲线与粘土矿物含量在该区的经验线性关系，并利用该经验公式确定了目的煤层中粘土矿物的含量，为该区后期完井工艺的改进及分析提供了依据。

自然伽马曲线 粘土矿物 灰份 井径 煤层

1 引言

煤层气测井是获取地下煤层信息的重要手段，目前煤层气开发井目的储层定性定量研究主要依据于煤层气测井解释。自然伽马测井曲线作为煤层气测井系列组合中的主要项目之一，被广泛应用于现场地层划分、室内煤层工业参数及相关计算分析和沉积相分析。

关于煤层工业组分的计算通常采取做法是利用测井参数与煤工业组分参数之间的关系，构建灰分与水分、挥发分、固定碳的四组份煤层模型，综合运用一元回归、多元回归、约束最优化模型、BP神经网络等方法计算，求得相应组分的含量。

但是从煤层的天然放射性角度来讲，自然伽马曲线并不适用上述模型。上述模型组份中水份不含放射性，而固定碳、挥发分只提供了自身很低的天然放射量，同时灰分含量与自然伽马值大小之间不存在密切线性关系。因此作者认为自然伽马值的变化直接反映的是煤层中粘土矿物含量的高低，而非模型中将其用于分析煤质优劣的灰分组分，同时自然伽马曲线的应用还受煤层扩径因素的制约。

2 验证分析

为了验证上述观点，文章对某煤层气区块参数井3号煤层测井数据和煤芯样品测试数据进行了整理分析，并对分析结果进行探讨。

2.1 井位优选

为确保分析结果的普遍适应性性和准确可靠性，井位选取首先应保证在区内均匀分散，全区覆盖；其次应剔除位于断层、陷落柱等构造附近的井位，保证煤层的原生结构，防止因构造造成的外部组分侵入干扰；最后排除煤层扩径比较大的参数井，确保自然伽马对地层的射线计数效果不受煤层井径的垮塌影响，优选具体条件如下：

(1)全区范围内井位均匀分布、覆盖全区；

(2)剔除已明构造附近500m以内的井；

(3)排除井径扩大超过25%的井。

2.2 岩芯归位

由于现场取芯与测井深度可能存在一定偏差，因此在建立GR曲线与相关参数之间的相关关系前需要对测井、钻井取芯进行深度矫正。

图1 钻井与测井深度矫正

由图1钻井煤层顶底板深度与取样深度对应测井后的几何关系可得：

(1)

通过上式得到对应深度后，利用灰分含量和密度之间的线性关系来进一步验证岩芯归位的准确性。

2.3 对应取值

由于煤芯样品测试都是芯长度内的平均值，因此GR值在对应深度也应取平均值，最终得到关于煤样编号、灰分含量、粘土矿物含量、自然伽马值、井径的数据。

2.4 数据分析

考虑到扩径会对自然伽马曲线产生较大的影响(图2)，图2中圆圈范围内为扩径严重井，与井眼质量合格井比较，扩径严重的井对应的自然伽马值明显偏小，一些自然伽马曲线值甚至完全失真。因此在进行相关分析前对此类扩径严重的井首先进行了剔除。

图2 粘土矿物含量与煤层自然伽马相关关系

根据以上选井、取值结果，将所有符合条件的数据进行综合分析。

图3 粘土矿物含量与灰分含量相关关系

图4 自然伽马与灰分含量相关关系

图5 粘土矿物含量与自然伽马相关关系

根据图3、4和5可以看出在该区块内灰分含量与粘土矿物含量并无关系，自然伽马数值的变化和灰分含量的高低亦不存在线性关系，而自然伽马值和粘土矿物含量之间存在良好的对数线性关系：

GR=14.779ln(V)+23.29

(2)

式中， GR—自然伽马测井数据，API； V—粘土矿物含量×100，适用区间[1—20]。

2.5 粘土矿物含量确定的意义

根据数据分析结果可知自然伽马曲线并不能简单地应用于目前测井解释所用煤层模型，自然伽马曲线反映原始煤层微组分里的粘土矿物含量。

粘土矿物对于煤层来讲，含量虽少，但是其对煤层气的产出影响是不可忽视的。

煤层由于基质自身渗透率很低，因而煤层气产出通道主要依靠基质内的微裂隙、割离及其之间的连通通道渗流产出。根据沉积岩中粘土矿物X衍射分析方法可知，区内煤层中含有的粘土矿物主要为高岭石和伊利石两种，而高岭石其晶间结构比较松，在流体的冲刷下容易随流体移动，堵塞、分割孔隙和吼道，尤其在细小割离中，影响很大，是重要的速敏矿物；伊利石的吸水膨胀性为中等强度；有机质与粘土矿物通过化学键键合或相互吸附而形成复合体，综上两种粘土矿物作用结果必然会对煤层气产出产生不利影响，因此更好的计算煤层中粘土矿物的含量对煤储层产气能力有很好的评价，同时针对煤层中粘土矿物含量改进完井工艺也很有意义。

3 结论及认识

(1)通过对柿庄南、柿庄北区块内3号煤实

验数据的科学整理，合理的验证了作者所提出的观点，即自然伽马曲线并不能简单地应用于目前测井解释所应用的煤层模型。

(2)GR曲线数值变化反映的为煤层中粘土矿物的多少而非灰分含量的高低，因此选取自然伽马曲线在煤层气测井解释过程中的解释应用时，应考虑曲线实际反映情况对测井解释模型进行优化，进而提高煤层气测井解释的准确性。

(3)GR曲线受井径扩径影响显著，井径出现扩径时，曲线反映地层情况出现失真。因此，煤层气井扩径井中GR曲线的定量应用应尽量避免。

(4)所选区块内煤层段GR曲线与对应粘土矿物含量相关性高，可通过二者相关性直接对煤层段粘土矿物含量进行定量计算，有助于煤层产能评价，以及为压裂施工设计提供数据支持。

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(责任编辑 丁 聪)

Determination of Clay Mineral Content in Coal Seams by Using Natural GR Curve

ZHANG Jiewei, WANG Li

(Jincheng Branch of China United Coalbed Methane Co., Ltd., Shanxi 048000)

Through setting the scientific principles of parameters of wells, the paper analyzes the relationships between the GR curve and the clay minerals, coal ash content and borehole diameter of No.3 coal seam in Southern and Northern Shizhuang Blocks based on the core location. It is found that it is inaccurate to calculate the components of coal seam by using natural GR curve with calculation methods of nivariate regression, multiple regression constrained optimization models. Empirical linear relation between natural GR and the content of clay minerals can be obtained by statistical data in this area, and using the empirical formula, the content of clay minerals in coal seam can be determined, which will provide reference for the improvement and analysis of the completion technique in the future.

GR curve; clay mineral; ash; borehole diameter; coal seam

张杰伟，男，1987年生，本科，现就职于中联煤层气晋城分公司，从事煤层气现场测井、地质工作。